（3） 按物质的热行为：热塑性塑料和热固性塑料。 5 高分子化合物的结构

（1） 高分子链结构（链内结构，分子内结构）

a 化学组成

b 单体的连接方式

均聚物中单体的连接方式：头－尾连接、头－头或尾－尾相连、无轨连接。 共聚物中单体的连接方式： 无轨共聚：ABBABBABA 交替共聚：ABABABAB

嵌段共聚：AAAABBAAAABB 接枝共聚：AAAAAAAAAAA B B B B B B

c 高分子链的构型（按取代基的位置与排列规律） 全同立构：取代基R全部处于主链一侧。 间同立构：取代基R相间分布在主链两侧。 无轨立构；取代基R在主链两侧不规则分布。 d 高分子链的几何形状：线型、支化型、体型。 （2） 高分子的聚集态结构（链间结构、分子间结构）

无定形结构、部分结晶结构、结晶型结构 （示意图）

6高分子材料的结构与性能特点

（1） 易呈非晶态。

（2） 弹性模量和强度低。 （3） 容易老化。 （4） 密度小。

（5） 化学稳定性好。

第五节 玻璃相

1 结构：长程无序、短程有序

（1） 连续无轨网络模型。 （2） 无规密堆模型。 （3） 无轨则线团模型。 2 性能

（1） 各向同性。 （2） 无固定熔点。

（3） 高强度、高耐蚀性、高导磁率（金属）。

第三章 凝固与结晶

凝固：物质从液态到固态的转变过程。若凝固后的物质为晶体，则称之为结晶。 凝固过程影响后续工艺性能、使用性能和寿命。 凝固是相变过程，可为其它相变的研究提供基础。

第一节 材料结晶的基本规律

1 液态材料的结构

结构：长程有序而短程有序。 特点（与固态相比）：原子间距较大、原子配位数较小、原子排列较混乱。 2 过冷现象

（1） 过冷：液态材料在理论结晶温度以下仍保持液态的现象。（见热分析实验图） （2） 过冷度：液体材料的理论结晶温度(Tm) 与其实际温度之差。 △T=Tm-T (见冷却曲线)

注：过冷是凝固的必要条件（凝固过程总是在一定的过冷度下进行）。 3 结晶过程

（1） 结晶的基本过程：形核－长大。（见示意图） （2） 描述结晶进程的两个参数

形核率：单位时间、单位体积液体中形成的晶核数量。用N表示。

长大速度：晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上单位时间内迁移的距离。用G表示。

第二节 材料结晶的基本条件

1 热力学条件

（1）G-T曲线（图3－4）

a 是下降曲线：由G-T函数的一次导数（负）确定。 dG/dT=-S

b 是上凸曲线：由二次导数（负）确定。 d2G/d2T=-Cp/T

c 液相曲线斜率大于固相：由一次导数大小确定。 二曲线相交于一点，即材料的熔点。 （2）热力学条件

△Gv=－Lm△T/Tm

a △T>0, △Gv<0－过冷是结晶的必要条件（之一）。 b △T越大, △Gv越小－过冷度越大，越有利于结晶。 c △Gv的绝对值为凝固过程的驱动力。

2 结构条件

结构起伏（相起伏）：液态材料中出现的短程有序原子集团的时隐时现现象。是结晶的必要条件（之二）。

第三节 晶核的形成

均匀形核：新相晶核在遍及母相的整个体积内无轨则均匀形成。 非均匀形核：新相晶核依附于其它物质择优形成。

1 均匀形核

（1） 晶胚形成时的能量变化

△G＝V△Gv+σS 3

=(4/3)πr△Gv+4πr2σ (图3－8)

〔2〕临界晶核

d△G/dr=0 rk=-2σ/△Gv

临界晶核：半径为rk的晶胚。 （3〕 临界过冷度

rk=-2σTm/Lm△T

临界过冷度：形成临界晶核时的过冷度。△Tk. △ T≥△Tk是结晶的必要条件。

（4）形核功与能量起伏

△Gk＝Skσ/3

临界形核功：形成临界晶核时需额外对形核所做的功。

能量起伏：系统中微小区域的能量偏离平均能量水平而高低不一的现象。（是结晶的必要条件之三）。

（5）形核率与过冷度的关系

N=N1.N2 (图3－11，12)

由于N受N1.N2两个因素控制，形核率与过冷度之间是呈抛物线的关系。

2 非均匀形核

（1） 模型：外来物质为一平面，固相晶胚为一球冠。 （2） 自由能变化：表达式与均匀形核相同。 （3） 临界形核功

计算时利用球冠体积、表面积表达式，结合平衡关系σlw=σsw+σslcosθ计算

能量变化和临界形核功。

△Gk非/△Gk=(2-3cosθ+cos3θ)/4

a θ=0时，△Gk非＝0，杂质本身即为晶核； b 180>θ>0时, △Gk非<△Gk, 杂质促进形核； cθ=180时，△Gk非＝△Gk， 杂质不起作用。 （4） 影响非均匀形核的因素

a 过冷度：（N-△T曲线有一下降过程）。（图3－16）

b 外来物质表面结构：θ越小越有利。点阵匹配原理：结构相似，点阵常数相近。

c 外来物质表面形貌：表面下凹有利。（图3－17）

第四节 晶核的长大

1 晶核长大的条件

（1） 动态过冷

动态过冷度：晶核长大所需的界面过冷度。（是材料凝固的必要条件） （2） 足够的温度

（3） 合适的晶核表面结构。 2 液固界面微结构与晶体长大机制

粗糙界面（微观粗糙、宏观平整－金属或合金从来可的界面）：垂直长大。 光滑界面（微观光滑、宏观粗糙－无机化合物或亚金属材料的界面）：二维晶核长大、依靠缺陷长大。

3 液体中温度梯度与晶体的长大形态

（1） 正温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越高）

粗糙界面：平面状。 光滑界面：台阶状。

（2）负温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越低） 粗糙界面：树枝状。

光滑界面：树枝状－台阶状。

第五节 凝固理论的应用

1 材料铸态晶粒度的控制

Zv=0.9(N/G)3/4

（1） 提高过冷度。降低浇铸温度，提高散热导热能力，适用于小件。 （2） 化学变质处理。促进异质形核，阻碍晶粒长大。 （3） 振动和搅拌。输入能力，破碎枝晶。 2 单晶体到额制备

（1） 基本原理：保证一个晶核形成并长大。 （2） 制备方法：尖端形核法和垂直提拉法。 3 定向凝固技术

（1） 原理：单一方向散热获得柱状晶。 （2） 制备方法。 4 急冷凝固技术

（1） 非晶金属与合金 （2） 微晶合金。 （3） 准晶合金。

第四章 二元相图

相：（概念回顾）

相图：描述系统的状态、温度、压力及成分之间关系的图解。 二元相图：

第一节 相图的基本知识

1 相律

（1） 相律：热力学平衡条件下，系统的组元数、相数和自由度数之间的关系。 （2） 表达式：f=c-p+2; 压力一定时，f=c-p+1。

（3） 应用

可确定系统中可能存在的最多平衡相数。如单元系2个，二元系3个。

可以解释纯金属与二元合金的结晶差别。纯金属结晶恒温进行，二元合金变温进行。

2 相图的表示与建立

（1） 状态与成分表示法

状态表示：温度－成分坐标系。坐标系中的点－表象点。 成分表示：质量分数或摩尔分数。 （2） 相图的建立

方法：实验法和计算法。

过程：配制合金－测冷却曲线－确定转变温度－填入坐标－绘出曲线。 相图结构：两点、两线、三区。

3 杠杆定律

（1） 平衡相成分的确定（根据相率，若温度一定，则自由度为0，平衡相成分随之确

定。）

（2） 数值确定：直接测量计算或投影到成分轴测量计算。 （3） 注意：只适用于两相区；三点（支点和端点）要选准。

第二节 二元匀晶相图

1 匀晶相同及其分析

（1） 匀晶转变：由液相直接结晶出单相固溶体的转变。 （2） 匀晶相图：具有匀晶转变特征的相图。 （3） 相图分析（以Cu-Ni相图为例）

两点：纯组元的熔点； 两线：L, S相线； 三区：L, α, L+α。

2 固溶体合金的平衡结晶

（1） 平衡结晶：每个时刻都能达到平衡的结晶过程。 （2） 平衡结晶过程分析

① 冷却曲线：温度－时间曲线；

② 相（组织）与相变（各温区相的类型、相变反应式，杠杆定律应用。）； ③ 组织示意图；

④ 成分均匀化：每时刻结晶出的固溶体的成分不同。 （3） 与纯金属结晶的比较

① 相同点：基本过程：形核－长大； 热力学条件：⊿T>0； 能量条件：能量起伏； 结构条件：结构起伏。

② 不同点：合金在一个温度范围内结晶（可能性：相率分析，必要性：成分均匀化。）

合金结晶是选分结晶：需成分起伏。

3 固溶体的不平衡结晶

（1） 原因：冷速快（假设液相成分均匀、固相成分不均匀）。

（2） 结晶过程特点：固相成分按平均成分线变化（但每一时刻符合相图）； 结晶的温度范围增大； 组织多为树枝状。

（3） 成分偏析：晶内偏析：一个晶粒内部化学成分不均匀现象。 枝晶偏析：树枝晶的枝干和枝间化学成分不均匀的现象。 （消除：扩散退火，在低于固相线温度长时间保温。）

4 稳态凝固时的溶质分布 （1）稳态凝固：从液固界面输出溶质速度等于溶质从边界层扩散出去速度的凝固过程。 （2）平衡分配系数：在一定温度下，固、液两平衡相中溶质浓度的比值。

k0=Cs/Cl

（3）溶质分布：液、固相内溶质完全混合（平衡凝固）－a;