工程材料/組織

材料內部各個相的顆粒大小、形狀、數量、分布及各相之間的組合狀態構成材料的顯微組織,它是決定材料性能的基本因素。利用電子顯微鏡可以觀察到材料顯微組織的特徵形貌。

金屬材料的基本相是組元之間形成的固溶體和形成的金屬間化合物,例如鐵碳合金中的鐵素體和滲碳體。鐵素體是常溫下存在的具有體心立方晶格的鐵,在鐵碳合金中往往固溶有部分碳,成為固溶體。滲碳體是共價鍵結合的鐵碳化合物Fe₃C。

金屬材料由液態轉變為晶態時,由於具有良好的熱導性,體系可以很快地達到或接近熱力學平衡狀態,因此在結晶時,將產生大量的晶核。這些晶核長大形成晶粒,通過大角度晶界或亞晶界結合到一起,形成固態金屬材料。金屬材料組織就由組成金屬材料的各種基本相的晶粒大小、分布及晶界和亞晶界的結合狀況構成的。單質金屬材料的組織是由晶格結構相同的單一物相的晶粒和晶界、亞晶界構成的。金屬合金材料,由於存在兩個以上的基本組元,其基本相是各個組元之間形成的固溶體,或中間相化合物。

無機非金屬材料中的陶瓷材料是壓製成型後通過燒結而獲得的緻密材料。陶瓷材料的微觀組織是許多小晶粒通過晶界的玻璃相結合在一起,其間可能包含有部分燒結過程中未排出的氣孔,是一種由晶相、玻璃相和氣相構成的多相和多晶組織結構。

材料的性能除決定於本身的化學組成、鍵合方式和晶體結構外,還受材料的組織的影響。構成金屬材料組織的晶粒越細,則晶界和亞晶界越多,即面缺陷越多,因此產生較大的晶格畸變,將導致金屬材料的強度提高。固溶體和中間相的形成,由於打破了晶粒中晶格的連續性和材料組織的連續性,也將在材料局部產生較大的畸變和應力,對材料具有強化作用。因此,合金材料一般比純金屬材料具有更高的強度和硬度。陶瓷材料也具有類似的性質,晶粒越小,玻璃相和氣相越少,陶瓷材料的強度越高。在工業生產中,可以通過控制和改變材料中相的種類、大小、分布和形態及不同相的組合,來改變材料的組織,從而整合和提高材料的性能。