《材料科学基础》教学教案

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导论

一、 材料科学的重要地位 生产力发展水平，时代发展的标志

二、 各种材料概况 金属材料 陶瓷材料 高分子材料

电子材料、光电子材料和超导材料 三、材料性能与内部结构的关系

原子结构、结合键、原子的排列方式、显微组织 四、材料的制备与加工工艺对性能的影响 五、材料科学的意义 第一章 材料结构的基本知识

§1-1 原子结构 一、 原子的电子排列 泡利不相容原理 最低能量原理

二、 元素周期表及性能的周期性变化

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1.1 附件1：ace与GBT19011-2008标准主要差异性分析

§1-2 原子结合键 一、一次键 1． 离子键 2． 共价键 3． 金属键 二、二次键 1． 范德瓦尔斯键 2． 氢键 三、混合键

四、结合键的本质及原子间距 双原子模型 五、结合键与性能

§1-3 原子排列方式 一、晶体与非晶体 二、原子排列的研究方法

§1-4 晶体材料的组织 一、组织的显示与观察 二、单相组织 等轴晶、柱状晶 三、多相组织

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§1-5 材料的稳态结构与亚稳态结构 稳态结构 亚稳态结构 阿累尼乌斯方程

§2-1 晶体学基础 一、空间点阵和晶胞 空间点阵，阵点（结点）晶格、晶胞 坐标系

二、晶系和布拉菲点阵 7个晶系 14个布拉菲点阵

第二章 材料中的晶体结构

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表2-1

三、晶向指数和晶面指数 1． 晶向指数

确定方法，指数含义，负方向，晶向族 2． 晶面指数

确定方法，指数含义，负方向，晶向族 3． 六方晶系的晶向指数和晶面指数 确定方法，换算 4． 晶面间距 密排面间距大 5． 晶带

相交和平行于某一晶向直线的所有晶面的组合 晶带定律：hu+kv+lw=0

● 晶向指数和晶面指数确定练习，例题

§2-2 纯金属的晶体结构 一、典型金属晶体结构 体心立方bcc 面心立方fcc 密排六方hcp 1．原子的堆垛方式

面心立方：ABCABCABC——

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1.1 附件1：ace与GBT19011-2008标准主要差异性分析

密排六方：ABABAB—— 2．点阵常数 3．晶胞中的原子数 4．配位数和致密度

晶体结构中任一原子周围最邻近且等距离的原子数 晶体结构中原子体积占总体积的百分数 5．晶体结构中的间隙

四面体间隙，八面体间隙 二、多晶型性

-Fe, -Fe, -Fe 例：

碳在-Fe 中比在-Fe中溶解度大 三、晶体结构中的原子半径 1．温度与压力的影响 2．结合键的影响 3．配位数的影响

§2-3 离子晶体的结构 一、离子晶体的主要特点 正、负离子

二、离子半径、配位数和离子的堆积 1．离子半径 2．配位数

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表2-6 3．离子的堆积

三、离子晶体的结构规则

1．负离子配位多面体规则—鲍林第一规则 配位多面体是离子晶体的真正结构基元 2．电价规则—鲍林第二规则

3．负离子多面体共用点、棱与面的规则—鲍林第三规则 四、典型离子晶体的结构 6种

§2-4 共价晶体的结构 一、共价晶体的主要特点 原子晶体

二、典型共价晶体的结构

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点缺陷、线缺陷、面缺陷 §3-1 点缺陷 一、点缺陷的类型 空位、间隙原子 Schottky, Frenkel缺陷 晶个畸变 二、点缺陷的产生 1．平衡点缺陷及其浓度

neNCexpueAkT 2．过饱和点缺陷的产生

第三章 晶体缺陷

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高温淬火、辐照、冷加工 3．点缺陷与材料行为 扩散

物理性能：电阻，密度减小体积增加 力学性能：蠕变，强度，脆性

§3-2 位错的基本概念 一、位错与塑性变形

实际屈服强度远低于刚性滑移模型得到的G/30. 50年代中期证实位错的存在 二、晶体中位错模型及位错易动性 1．刃型位错 2．螺型位错 3．混合型位错 4．位错的易动性 图4-12 三、柏氏矢量 1．确定方法 2．柏氏矢量的意义

原子畸变程度

已滑移区与未滑移区的边界 滑移矢量 位错线的性质

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3．柏氏矢量的表示方法 练习 四、位错的运动 1．位错的滑移

外加切应力方向、晶体滑移方向、位错线运动方向与柏氏矢量之间关系 图4-18、4-19、4-20，表4-1 2．位错的攀移 通过扩散实现 割阶的产生 正应力影响 3．作用在位错上的力 Fd=b Fd=b 五、位错密度

=S/V =n/A 六、位错的观察 图4-24，4-25

§3-3 位错的能量及交互作用 一、位错的应变能 U=Gb2

二、位错的线张力

图4-30

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=Gb/(2R)

三、位错的应力场及与其它缺陷的交互作用 1．位错的应力场 螺位错：纯剪切 刃位错：正应力为主 2．位错与点缺陷的交互作用

溶质原子形成的应力场与位错应力场可发生交互作用。比溶剂原子大的溶质原子倾向于聚集在刃型位错受张力一侧，比溶剂原子小的溶质原子倾向于聚集在刃型位错受压力一侧，从而形成了包围着位错线的比较稳定分布的溶质原子“气团”，称Cottrell气团

位错要挣脱气团的束缚而运动，就会使体系能量升高；若位错带着气团一起运动，在气团作用下运动受到阻滞，气团对位错的钉扎和阻滞作用使基体得以强化。 3．位错与其它位错的交互作用 同号相斥、异号相吸 刃位错位错墙 四、位错的分解与合成 1．位错反应的条件 1）几何条件：∑b前=∑b后 2）能量条件：∑b2前〉∑b2后 2．实际晶体中位错的柏氏矢量 分位错、不全位错

3．面心立方晶体中全位错的分解及扩展位错 扩展位错

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堆垛层错，层错能 扩展位错宽度

§3-4 晶体中的界面 一、晶界的结构与晶界能 1． 小角度晶界的结构

由位错组成，晶界上的位错密度随位向差增大而增加 2． 大角度晶界

2~3个原子厚度的薄层，无序、稀疏 3． 晶界能 二、表面及表面能 密排面能量低 三、表面吸附与晶界内吸附

吸附为自发现象， 物理吸附、化学吸附

晶界内吸附：少量杂质或合金元素在晶体内部的分布是不均匀的，常偏聚于晶界。 四、润湿行为

五、界面能与显维组织的变化

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第四章 材料的相结构及相图

组元：组成材料最基本、独立的物质

合金：两种或两种以上的金属、或金属与非金属形成的具有金属特性的物质。 相图：描写在平衡条件下，系统状态或相的转变与成分、温度及压力间关系的图解。

§4-1 材料的相结构 固溶体、中间相 一、固溶体

置换固溶体、间隙固溶体 有限固溶体、无限固溶体 有序固溶体、无序固溶体 1．置换固溶体 1） 尺寸因素 2） 晶体结构因素 3） 电负性因素 4） 电子浓度因素 2．间隙固溶体

原子半径接近于溶剂原子某些间隙半径的溶质原子，进入溶剂晶格的间隙形成的固溶体叫间隙固溶体 固溶强化

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二、中间相 1． 正常价化合物 符合化合的原子价规律 2．电子化合物

受电子浓度控制的化合物称。一定的电子浓度对应一定的晶体结构，其成分可在一定范围内变动，故可视作以电子化合物为基的固溶体，说明其结构介于正常价化合物与固溶体之间。 3．尺寸因素化合物

间隙化合物：过渡族金属与原子半径较小的C、H、O、B等非金属元素形成的一类化合物。

§4-2 二元相图及其类型 一、相图的基本知识 1．相律

2．二元相图的成分表示方法与相图的建立 1） 成分的表示方法 质量分数 2） 相图的建立

热分析法，Cu-Ni合金 3） 杠杆定律 二、一元系相图 三、二元系相图

1．匀晶相图及固溶体的结晶

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1.1 附件1：ace与GBT19011-2008标准主要差异性分析

1） 匀晶相图

2） 固溶体的平衡结晶过程 3） 匀晶系的不平衡结晶

晶内偏析：晶粒内部出现的成分不均匀现象

枝晶偏析：在非平衡凝固条件下，若固溶体以树枝状结晶并长大，则枝干与枝间会出现成分差别。 2．共晶相图及其结晶 1） 相图分析 2） 共晶转变

共晶反应，共晶组织

3） 共晶系合金的平衡结晶及组织 4） 不平衡结晶及其组织 a. 伪共晶

非平衡结晶条件下，成分在共晶点附近的合金也可能全部转变为共晶组织，这种非共晶成分的共晶组织，称为伪共晶组织。 b. 不平衡共晶 c. 离异共晶 3．包晶相图及其结晶 4．其他类型的二元系相图 四、相图与性能的关系

§4-3 复杂相图分析 一、分析方法

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1.1 附件1：ace与GBT19011-2008标准主要差异性分析

二、举例 图5-44~5-46 三、铁-碳合金相图

1．铁-碳合金的组元与基本相 1） 纯铁 2） 渗碳体 3） 铁碳合金相

铁素体、奥氏体、渗碳体、石墨 2． Fe-Fe3C相图介绍

3． 铁-碳合金的平衡结晶过程及组织 铁-碳合金的分类 晶固过程分析 珠光体 莱氏体 室温莱氏体

相组成物、组织组成物

4．含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响 1） 对平衡组织的影响 2） 对力学性能的影响 3） 对可锻性的影响 4） 对流动性的影响

5．钢中的杂质元素及其对性能的影响 1） 硅、锰的影响

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2） 硫的影响 热脆 3） 磷的影响 冷脆 4） 氧的影响 5） 氮的影响 6） 氢的影响

§4-4 相图的热力学基础 一、吉布斯自由能与成分的关系 二、克劳修斯-克莱普隆方程

dpHdTTV 三、相平衡条件 1．化学位 2．相图中的相平衡 多相平衡条件 一元系统的相平衡 二元系统的相平衡 共切线法则

四、吉布斯自由能曲线与相图

§4-5 三元系相图及其类型 一、三元相图的表示方法

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1．等边三角形法

取等边三角形，以三个顶点表示三个纯组元；三个边各定为100%，分别代表三个二元系的成分；位于三角形内部的点代表三元系的成分。此三角形为浓度三角形 特殊意义的线

（1）平行三角形某一边的直线

它们所含的、有这条边对应顶点所代表的组元量均相等 （2）通过三角形顶点的任一直线

它们所含的由另两个顶点所代表的两组元含量之比是一定值。 2．等腰三角形法 3．直角三角形法 二、三元相图的建立 三、三元匀晶相图 1．相图分析

2．等温截面（水平截面）图 共轭曲线

直线法则：三元系统两相平衡共存时，合金成分点与两平衡相的成分点必须位于一条直线上。

证明：设：合金O，两相为α，β。其成分点分别为o,a,b 则其中B组元含量分别为Ao1,Aa1,Ab1，C组元含量分别为Ao2,Aa2,Ab2 若此时α相的重量分数为X，β相的重量分数为1－X 应有：Aa1·X＋Ab1·（1－X）＝Ao1

Aa2·X＋Ab2·（1－X）＝Ao2

得：X（Aa1－Ab1）＝Ao1－Ab1

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1.1 附件1：ace与GBT19011-2008标准主要差异性分析

X（Aa2－Ab2）＝Ao2－Ab2

两式相除： Aa1－Ab1Ao1－Ab1

Aa2－Ab2Ao2－Ab2

故o,a,b三点共线。 两点注意 杠杆定律应用

3．匀晶相图的平衡结晶过程分析 蝴蝶形迹线 4．变温截面图

四、具有两相共晶反应的三元系相图 1．相图分析

2．三相平衡及三相平衡反应 共轭三角形

成分变温线、单变量线

重心法则：合金三相平衡时，合金的成分点位于由这三相成分点组成的三角形中，

并位于该三角形的质量重心。

五、三元系中的相平衡分析 切平面

六、具有四相平衡反应的三元系相图 简单分析 投影图 七、实例分析

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图5-113

第五章 材料的凝固

§5-1 晶体材料熔液凝固的基本规律 一、液态的结构

成分起伏、结构起伏、能量起伏 二、凝固的热力学条件

等压条件下，自由能曲线随温度的变化率等于熵的负值，故可得图6-1所示结果。液相（L）与固相（S）的自由能曲线交点对应的温度为T0，即为金属的熔点。当温度T< T0时液态金属结晶,温度越低,液固两相的自由能差值越大,结晶的驱动力也越大。因此，金属结晶的热力学条件就是T< T0，即结晶必须在过冷条件下才能自发地进行

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三、过冷现象 过冷 冷却曲线 四、结晶的一般过程 形核-长大 形核率、长大速率 伪各向同性

§5-2 晶核的形成 一、均匀形核 图6-5 rk=

2 Gv142322Ak=()Gv4()=Skσ

3GvGv3体积自由能的降低,只能补偿2/3的表面自由能,另1/3需外界供给。液态金属结构存在成分、结构和能量起伏。依靠能量起伏,液相原子的热运动来实现均质形核。 二、形核率 图6-6 临界过冷度 三、非均匀形核 分析讨论

§5-3 晶核的成长

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1.1 附件1：ace与GBT19011-2008标准主要差异性分析

一、液-固界面的微观结构 动态过冷度 光滑界面、粗糙界面 二、熔体中晶体的生长形态 1．粗糙界面

由于界面上有50％的结晶空位，液相原子进入这些空位使晶体均匀连续地生长，垂直长大。所需动态过冷度小，长大速度快 正温度梯度下：平面 负温度梯度下：枝晶生长 2．光滑界面

生长依赖在界面上出现台阶，有3种方式：二维晶核，螺型位错，孪晶面。后2种可连续生长。

正温度梯度下：台阶生长 负温度梯度下：多面体 3．晶体长大线速度

§5-4 固溶体的凝固 一、固溶体的平衡凝固 二、稳态凝固

有效分配系数 溶质的分布， 图6-18

三、成分过冷及其对晶体长大形状的影响 1．成分过冷的产生

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1.1 附件1：ace与GBT19011-2008标准主要差异性分析

图-6-20

由于液固界面前沿液相中的成分差别所引起的过冷 2．出现成分过冷的临界条件 3．成分过冷对晶体成长形状的影响

图6-21

§5-5 共晶合金的凝固 一、共晶体的形成

交替生长 二、共晶体的形态 1． 粗糙-粗糙界面 2． 粗糙-平滑界面共晶 3． 第三组元对共晶组织的影响

变质处理

4． 共晶合金中的初生晶形态

§5-6凝固组织及其控制 一、晶粒尺寸的控制 1． 增加过冷度 2． 变质处理 3． 振动

二、铸锭组织及其控制

1．三个晶区

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1.1 附件1：ace与GBT19011-2008标准主要差异性分析

表层细晶区 柱状晶区 中心等轴晶区 2．各晶区尺寸的控制 三、铸锭的缺陷 1． 微观偏析 2． 宏观偏析 3． 夹杂和气孔 4． 缩孔和疏松 四、焊缝金属的结晶组织

§5-7凝固技术的应用介绍 一、单晶的制备 二、定向凝固 三、材料非晶态

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1.1 附件1：ace与GBT19011-2008标准主要差异性分析

第六章 材料中的原子扩散

扩散是固体中物质传输的唯一方式 §6-1扩散现象及扩散方程 一、扩散现象

自扩散、互扩散、扩散激活能 二、菲克第一定律

在稳态扩散的条件下，单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质的通量J与浓度梯度(dC/dx)成正比。

J=-D(dC/dx) 三、菲克第二定律

设扩散流量为J，扩散系数为D，体积浓度为C，图阴影部分体积的横截面积为A，则： 物质流入速率＝J1A

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1.1 附件1：ace与GBT19011-2008标准主要差异性分析

物质流出速率＝J2A＝J1A＋

（JA）dx xJxAdx

物质积存速率＝J1A －J2A＝－积存速率又可写为

CAdx（2分） tJCCJ故Adx＝－Adx，即＝－ ttxx将扩散第一定律：J＝－D

CC＝(D) txxdC代入，得： dx四、扩散方程的应用

1． 扩散系数不随浓度变化的恒稳态扩散 2． 扩散系数与浓度无关的非稳态扩散

初始条件、边界条件 五、柯肯达尔效应

置换固溶体中，由于两组元以不同的速率相对扩散而引起的标记面漂移现象

§6-2扩散微观机制 一、扩散的微观机制概述 1． 空位机制 2． 间隙机制 3． 自间隙机制 二、原子跃迁的距离

随机行走理论 三、扩散系数 四、扩散激活能

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1.1 附件1：ace与GBT19011-2008标准主要差异性分析

1． 间隙扩散激活能 2． 空位扩散激活能

§6-3扩散驱动力

上坡扩散：扩散物质由浓度低处向浓度高处进行的扩散。 扩散驱动力：化学位梯度

§6-4反应扩散

反应扩散：发生化学反应产生新相的扩散过程

§6-5影响扩散的因素 一、温度的影响

温度高，扩散系数D大 二、原子键力和晶体结构的影响

晶体结构：原子排列紧密,结合力强D小, D面心立方、密排六方同素异构,固溶体对扩散元素溶解度大小,晶体各向异性均有影响。 三、固溶体类型与浓度的影响 浓度：高则D大 四、晶体缺陷的影响 晶界扩散、位错扩散 五、第三组元的影响

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1.1 附件1：ace与GBT19011-2008标准主要差异性分析

第七章 材料的变形

§7-1金属变形概述 拉伸曲线 加工硬化

§7-2金属的弹性变形 双原子模型

S0r 0ES0r 0E对组织不敏感

§7-3滑移与孪晶变形 一、滑移观察 滑移带、滑移线 二、滑移机制 位错宽度 派-纳力 讨论

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1.1 附件1：ace与GBT19011-2008标准主要差异性分析

三、滑移面与滑移方向 滑移系 四、孪晶变形

另一作用：当滑移变形困难时，它能改变晶体位向帮助滑移

§7-4单晶体的塑性变形 一、施密特定律 图8-10

取向因子（施密特因子）、硬取向、软取向 二、单滑移、多滑移和交滑移

单个滑移系动作称单滑移，多个称多滑移

螺位错在原滑移面上运动受阻，可转移到与之相交的另一滑移面上继续滑移称交滑移。

交滑移后的位错再次转回到和原滑移面平行的面上继续滑移，称双交滑移。 图8-13

§7-5多晶体的塑性变形

一、晶界和晶体位向对塑性变形的影响 阻碍作用 变形的传递 1． 变形的协调

二、晶粒大小对材料强度与塑性的影响 Hall-petch关系

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1.1 附件1：ace与GBT19011-2008标准主要差异性分析

位错理论解释细晶强化：

多晶体材料靠晶界以及晶界两侧的晶粒间的位向差得到强化。晶粒中的位错源放出的位错，在晶界处受阻并产生塞积，塞积产生的应力足以克服晶界和位向差造成的阻力时，位错才能通过晶界，该过程需增加外力，表明材料得以强化；晶粒越细，塞积群应力场越弱，变形不易从一晶粒转移到另一晶粒，材料强度越高。

粗晶粒位错塞积数目多，产生的应力集中大，它虽然有容易使相邻晶粒位错源开动的一面，但假若相邻晶粒的取向特别不利于变形，或者其位错源受到钉扎。应力集中不能被松弛而产生很大的拉应力，从而形成裂纹。因此，粗晶粒容易萌生裂纹，断裂时显示的塑性也较低。

§7-6纯金属的变形强化 加工硬化（变形强化）机理 一、位错的交割 扭折、割阶 割阶必是刃型的

螺位错上的割阶运动阻力更大 二、位错的反应

梯杆位错、洛麦尔-柯垂尔锁 三、位错的增值 F-R源

2．双交滑移机制

§7-7合金的变形与强化

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1.1 附件1：ace与GBT19011-2008标准主要差异性分析

一、单相合金的变形与强化 固溶强化

二、低碳钢的屈服和应变时效 屈服平台

柯氏气团理论:溶质原子形成的应力场与位错应力场可发生交互作用。比溶剂原子大的溶质原子倾向于聚集在刃型位错受张力一侧，比溶剂原子小的溶质原子倾向于聚集在刃型位错受压力一侧，从而形成了包围着位错线的比较稳定分布的溶质原子“气团”，称～。位错要挣脱气团的束缚而运动，需要较大的力，这就形成了上屈服点；儿一旦挣脱之后位错的运动就比较容易，因此有应力降落，出现下屈服点和水平平台。 位错增值理论：位错大量增殖后，可动位错增多，流遍应力降低。 应变时效

三、第二相对合金变形的影响 切过机制 绕过机制 弥散强化

§7-8冷变形金属的组织与性能 一、冷变形金属的力学性能 加工硬化

二、冷变形金属的组织 纤维组织 位错胞、晶粒破碎 三、形变织构

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1.1 附件1：ace与GBT19011-2008标准主要差异性分析

金属变形量较大时，由于晶粒的转动，各晶粒的取向趋于一致，即形成择优取向 四、残余应力

§7-9冷变形金属的回复阶段 一、回复阶段性能与组织的变化 二、回复动力学 三、回复机制 1．低温时 点缺陷的迁移 2．温度较高时 位错运动销毁 3．在较高温度时 位错墙、亚晶 4．位错反应形成亚晶

§7-10冷变形金属的再结晶 性能完全恢复 形核-长大过程 一、再结晶的形核 二、再结晶动力学 三、影响再结晶的因素 1） 临界变形度

2） 变形度对再结晶温度的影响

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1.1 附件1：ace与GBT19011-2008标准主要差异性分析

3） 再结晶后的晶粒大小 4） 微量杂质的影响 5） 第二相的影响 6） 原始晶粒的影响 四、再结晶后的晶粒长大 1．晶粒的正常长大 2．二次再结晶

§7-11非金属材料的变形 一、陶瓷晶体的变形 二、高分子材料的变形 1． 热塑性塑料的变形 粘弹性

2． 热固性塑料的变形

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