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材料概要.docx
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材料概要
合金与相
1合金
(1)合金:
两种或两种以上的金属,或金属与非金属经一定方法合成的具有金属特性的物质。
(2)组元:
组成合金最基本的物质。
(如一元、二元、三元合金〕
(3)合金系:
给定合金以不同的比例而合成的一系列不同成分合金的总称。
2相
(1)相:
材料中结构相同、成分和性能均一的组成部分。
(如单相、两相、多相合金。
)
(2)相的分类
固溶体:
晶体结构与其某一组元相同的相。
含溶剂和溶质。
中间相(金属化合物):
组成原子有固定比例,其结构与组成组元均不相同的相。
第一节固溶体
按溶质原子位置不同,可分为置换固溶体和间隙固溶体。
按固溶度不同,可分为有限固溶体和无限固溶体。
按溶质原子分布不同,可分为无序固溶体和有序固溶体。
1置换固溶体
(1)置换固溶体:
溶质原子位于晶格点阵位置的固溶体。
(2)影响置换固溶体溶解度的因素
a原子尺寸因素
原子尺寸差越小,越易形成置换固溶体,且溶解度越大。
△r=(rA-rB)/rA当△r<15%时,有利于大量互溶。
b晶体结构因素
结构相同,溶解度大,有可能形成无限固溶体。
c电负性因素
电负性差越小,越易形成固溶体,溶解度越大。
d电子浓度因素
电子浓度e/a越大,溶解度越小。
e/a有一极限值,与溶剂晶体结构有关。
一价面心立方金属为1.36,一价体心立方金属为1.48。
(上述四个因素并非相互独立,其统一的理论的是金属与合金的电子理论。
)
2间隙固溶体
(1)影响因素:
原子半径和溶剂结构。
(2)溶解度:
一般都很小,只能形成有限固溶体。
3固溶体的结构
(1)晶格畸变。
(2)偏聚与有序:
完全无序、偏聚、部分有序、完全有序。
4固溶体的性能
固溶体的强度和硬度高于纯组元,塑性则较低。
(1)固溶强化:
由于溶质原子的溶入而引起的强化效应。
(2)柯氏气团
(3)有序强化
第二节金属间化合物
中间相是由金属与金属,或金属与类金属元素之间形成的化合物,也称为金属间化合物。
1正常价化合物
(1)形成:
电负性差起主要作用,符合原子价规则。
(2)键型:
随电负性差的减小,分别形成离子键、共价键、金属键。
(3)组成:
AB或AB2。
2电子化合物(电子相)
(1)形成:
电子浓度起主要作用,不符合原子价规则。
(2)键型:
金属键(金属-金属)。
(3)组成:
电子浓度对应晶体结构,可用化学式表示,可形成以化合物为基的固溶体。
3间隙化合物
(1)形成:
尺寸因素起主要作用。
(2)结构
简单间隙化合物(间隙相):
金属原子呈现新结构,非金属原子位于其间隙,结构简单。
复杂间隙化合物:
主要是铁、钴、铬、锰的化合物,结构复杂。
(3)组成:
可用化学式表示,可形成固溶体,复杂间隙化合物的金属元素可被置换。
4拓扑密堆相
(1)形成:
由大小原子的适当配合而形成的高密排结构。
(2)组成:
AB2。
5金属化合物的特性
(1)力学性能:
高硬度、高硬度、低塑性。
(2)物化性能:
具有电学、磁学、声学性质等,可用于半导体材料、形状记忆材料、储氢材料等。
晶体缺陷
1点缺陷的类型
空位:
肖脱基空位-离位原子进入其它空位或迁移至晶界或表面。
弗兰克尔空位-离位原子进入晶体间隙。
(1)间隙原子:
位于晶体点阵间隙的原子。
(2)置换原子:
位于晶体点阵位置的异类原子。
2点缺陷的平衡浓度
(1)点缺陷是热力学平衡的缺陷-在一定温度下,晶体中总是存在着一定数量的点缺陷(空位),这时体系的能量最低-具有平衡点缺陷的晶体比理想晶体在热力学上更为稳定。
(原因:
晶体中形成点缺陷时,体系内能的增加将使自由能升高,但体系熵值也增加了,这一因素又使自由能降低。
其结果是在G-n曲线上出现了最低值,对应的n值即为平衡空位数。
)
(2)点缺陷的平衡浓度
C=Aexp(-∆Ev/kT)
3点缺陷的产生及其运动
(1)点缺陷的产生
平衡点缺陷:
热振动中的能力起伏。
过饱和点缺陷:
外来作用,如高温淬火、辐照、冷加工等。
(2)点缺陷的运动(迁移、复合-浓度降低;聚集-浓度升高-塌陷)
4点缺陷与材料行为
(1)结构变化:
晶格畸变(如空位引起晶格收缩,间隙原子引起晶格膨胀,置换原子可引起收缩或膨胀。
)
(2)性能变化:
物理性能(如电阻率增大,密度减小。
)
力学性能(屈服强度提高。
)
二线缺陷(位错)
位错:
晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。
意义:
(对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起着决定性的作用,对材料的扩散、相变过程有较大影响。
)
位错的提出:
1926年,弗兰克尔发现理论晶体模型刚性切变强度与与实测临界切应力的巨大差异(2~4个数量级)。
1位错的基本类型
(1)刃型位错
模型:
滑移面/半原子面/位错线(位错线┻晶体滑移方向,位错线┻位错运动方向,晶体滑移方向//位错运动方向。
)
分类:
正刃型位错(┻);负刃型位错(┳)。
(2)螺型位错
模型:
滑移面/位错线。
(位错线//晶体滑移方向,位错线┻位错运动方向,晶体滑移方向┻位错运动方向。
)
分类:
左螺型位错;右螺型位错。
(3)混合位错
模型:
滑移面/位错线。
2位错的性质
(1)形状:
不一定是直线,位错及其畸变区是一条管道。
(2)是已滑移区和未滑移区的边界。
(3)不能中断于晶体内部。
可在表面露头,或终止于晶界和相界,或与其它位错相交,或自行封闭成环。
3柏氏矢量
(1)确定方法(避开严重畸变区)
a在位错周围沿着点阵结点形成封闭回路。
b在理想晶体中按同样顺序作同样大小的回路。
c在理想晶体中从终点到起点的矢量即为――。
(2)柏氏矢量的物理意义
a代表位错,并表示其特征(强度、畸变量)。
b表示晶体滑移的方向和大小。
c柏氏矢量的守恒性(唯一性):
一条位错线具有唯一的柏氏矢量。
d判断位错的类型。
(3)柏氏矢量的表示方法
a表示:
b=a/n[uvw](可以用矢量加法进行运算)。
b求模:
/b/=a/n[u2+v2+w2]1/2。
4位错密度
(1)表示方法:
ρ=K/V
ρ=n/A
(2)晶体强度与位错密度的关系(τ-ρ图)。
(3)位错观察:
浸蚀法、电境法。
5位错的运动
(1)位错的易动性。
(2)位错运动的方式
a滑移:
位错沿着滑移面的移动。
刃型位错的滑移:
具有唯一的滑移面
螺型位错的滑移:
具有多个滑移面。
位错环的滑移:
注重柏氏矢量的应用。
b攀移:
刃型位错在垂直于滑移面方向上的运动。
机制:
原子面下端原子的扩散――位错随半原子面的上下移动而上下运动。
分类:
正攀移(原子面上移、空位加入)/负攀移(原子面下移、原子加入)。
应力的作用:
(半原子面侧)压应力有利于正攀移,拉应力有利于负攀移。
(3)作用在位错上的力(单位距离上)
滑移:
f=τb;
攀移:
f=σb。
6位错的应变能与线张力
(1)单位长度位错的应变能:
W=αGb2。
(α=0.5~1.0,螺位错取下限,刃位错取上限。
)
(2)位错是不平衡的缺陷。
(商增不能抵销应变能的增加。
)
(3)位错的线张力:
T=αGb2。
(4)保持位错弯曲所需的切应力:
τ=Gb/2r。
7位错的应力场及其与其它缺陷的作用
(1)应力场
螺位错:
τ=Gb/2πr。
(只有切应力分量。
)
刃位错:
表达式
晶体中:
滑移面以上受压应力,滑移面以下受拉应力。
滑移面:
只有切应力。
(2)位错与位错的交互作用
f=τb,f=-σb(刃位错)。
同号相互排斥,异号相互吸引。
(达到能量最低状态。
)
(3)位错与溶质原子的相互作用
间隙原子聚集于位错中心,使体系处于低能态。
柯氏气团:
溶质原子在位错线附近偏聚的现象。
(4)位错与空位的交互作用
导致位错攀移。
8位错的增殖、塞积与交割
(1)位错的增殖:
F-R源。
(2)位错的塞积
分布:
逐步分散。
位错受力:
切应力作用在位错上的力、位错间的排斥力、障碍物的阻力。
(3)位错的交割
位错交割后结果:
按照对方位错柏氏矢量(变化方向和大小)。
割阶:
位错交割后的台阶不位于它原来的滑移面上。
扭折:
――――――――位于―――――――――。
对性能影响:
增加位错长度,产生固定割阶。
9位错反应
(1)位错反应:
位错的分解与合并。
(2)反应条件
几何条件:
∑b前=∑b后;反应前后位错的柏氏矢量之和相等。
能量条件:
∑b2前>∑b2后;反应后位错的总能量小于反应前位错的总能量。
10实际晶体中的位错
(1)全位错:
通常把柏氏矢量等于点阵矢量的位错称为全位错或单位位错。
(实际晶体中的典型全位错如表1-7所示)
(2)不全位错:
柏氏矢量小于点阵矢量的位错。
(实际晶体中的典型不全位错如表1-7所示)
(3)肖克莱和弗兰克不全位错。
肖克莱不全位错的形成:
原子运动导致局部错排,错排区与完整晶格区的边界线即为肖克莱不全位错。
(结合位错反应理解。
可为刃型、螺型或混合型位错。
)
弗兰克不全位错的形成:
在完整晶体中局部抽出或插入一层原子所形成。
(只能攀移,不能滑移。
)
(4)堆垛层错与扩展位错
堆垛层错:
晶体中原子堆垛次序中出现的层状错排。
扩展位错:
一对不全位错及中间夹的层错称之。
三面缺陷
面缺陷主要包括晶界、相界和表面,它们对材料的力学和物理化学性能具有重要影响。
1晶界
(1)晶界:
两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面。
(2)分类
大角度晶界:
晶粒位向差大于10度的晶界。
其结构为几个原子范围
内的原子的混乱排列,可视为一个过渡区。
小角度晶界:
晶粒位向差小于10度的晶界。
其结构为位错列,又分
为对称倾侧晶界和扭转晶界。
亚晶界:
位向差小于1度的亚晶粒之间的边界。
为位错结构。
孪晶界:
两块相邻孪晶的共晶面。
分为共格孪晶界和非共格孪晶界。
2相界
(1)相界:
相邻两个相之间的界面。
(2)分类:
共格、半共格和非共格相界。
3表面
(1)表面吸附:
外来原子或气体分子在表面上富集的现象。
(2)分类
物理吸附:
由分子键力引起,无选择性,吸附热小,结合力小。
化学吸附:
由化学键力引起,有选择性,吸附热大,结合力大。
4界面特性
(1)界面能会引起界面吸附。
(2)界面上原子扩散速度较快。
(3)对位错运动有阻碍作用。
(4)易被氧化和腐蚀。
(5)原子的混乱排列利于固态相变的形核。
固体中的扩散
1扩散的现象与本质
(1)扩散:
热激活的原子通过自身的热振动克服束缚而迁移它处的过程。
(2)现象:
柯肯达尔效应。
(3)本质:
原子无序跃迁的统计结果。
(不是原子的定向移动)。
2扩散的分类
(1)根据有无浓度变化
自扩散:
原子经由自己元素的晶体点阵而迁移的扩散。
(如纯金属或固溶体的晶粒长大。
无浓度变化。
)
互扩散:
原子通过进入对方元素晶体点阵而导致的扩散。
(有浓度变化)
(2)根据扩散方向
下坡扩散:
原子由高浓度处向低浓度处进行的扩散。
上坡扩散:
原子由低浓度处向高浓度处进行的扩散。
(3)根据是否出现新相
原子扩散:
扩散过程中不出现新相。
反应扩散:
由之导致形成一种新相的扩散。
3固态扩散的条件
(1)温度足够高;
(2)时间足够长;
(3)扩散原子能固溶;
(4)具有驱动力:
化学位梯度。
第二节扩散定律
1菲克第一定律
(1)第一定律描述:
单位时间内通过垂直于扩散方向的某一单位面积截面的扩散物质流量(扩散通量J)与浓度梯度成正比。
(2)表达式:
J=-D(dc/dx)。
(C-溶质原子浓度;D-扩散系数。
)
(3)适用条件:
稳态扩散,dc/dt=0。
浓度及浓度梯度不随时间改变。
2菲克第二定律
一般:
C/t=(DC/x)/x
二维:
(1)表达式特殊:
C/t=D2C/x2
三维:
C/t=D(2/x2+2/y2+2/z2)C
稳态扩散:
C/t=0,J/x=0。
(2)适用条件:
非稳态扩散:
C/t≠0,J/x≠0(C/t=-J/x)。
3扩散第二定律的应用
(1)误差函数解
适用条件:
无限长棒和半无限长棒。
表达式:
C=C1-(C1-C2)erf(x/2√Dt)(半无限长棒)。
在渗碳条件下:
C:
x,t处的浓度;C1:
表面含碳量;C2:
钢的原始含碳量。
(2)正弦解
Cx=Cp-A0sin(πx/λ)
Cp:
平均成分;A0:
振幅Cmax-Cp;λ:
枝晶间距的一半。
对于均匀化退火,若要求枝晶中心成分偏析振幅降低到1/100,则:
[C(λ/2,t)-Cp]/(Cmax-Cp)=exp(-π2Dt/λ2)=1/100。
第三节扩散的微观机理与现象
1扩散机制
间隙-间隙;
(1)间隙机制平衡位置-间隙-间隙:
较困难;
间隙-篡位-结点位置。
(间隙固溶体中间隙原子的扩散机制。
)
方式:
原子跃迁到与之相邻的空位;
(2)空位机制条件:
原子近旁存在空位。
(金属和置换固溶体中原子的扩散。
)
直接换位
(3)换位机制
环形换位(所需能量较高。
)
2扩散程度的描述
(1)原子跃迁的距离
R=√Гtr
R:
扩散距离;Г:
原子跃迁的频率(在一定温度下恒定);r:
原子一次跃迁距离(如一个原子间距)。
(2)扩散系数
D=α2PГ
对于立方结构晶体P=1/6,上式可写为
D=α2Г/6
P为跃迁方向几率;α是常数,对于简单立方结构α=a;对于面向立方结构α=√2a/2;α=√3a/2。
(3)扩散激活能
扩散激活能Q:
原子跃迁时所需克服周围原子对其束缚的势垒。
间隙扩散扩散激活能与扩散系数的关系
D=D0exp(-Q/RT)
D0:
扩散常数。
空位扩散激活能与扩散系数的关系
D=D0exp(-△E/kT)
△E=△Ef(空位形成功)+△Em(空位迁移激活能)。
3扩散的驱动力与上坡扩散
(1)扩散的驱动力
对于多元体系,设n为组元i的原子数,则在等温等压条件下,组元i原子的自由能可用化学位表示:
μi=G/ni
扩散的驱动力为化学位梯度,即
F=-μi/x
负号表示扩散驱动力指向化学位降低的方向。
(2)扩散的热力学因子
组元i的扩散系数可表示为
Di=KTBi(1+lni/lnxi)
其中,(1+lni/lnxi)称为热力学因子。
当(1+lni/lnxi)<0时,DI<0,发生上坡扩散。
(3)上坡扩散
概念:
原子由低浓度处向高浓度处迁移的扩散。
驱动力:
化学位梯度。
其它引起上坡扩散的因素:
弹性应力的作用-大直径原子跑向点阵的受拉部分,小直径原子跑向点阵的受压部分。
晶界的内吸附:
某些原子易富集在晶界上。
电场作用:
大电场作用可使原子按一定方向扩散。
4反应扩散
(1)反应扩散:
有新相生成的扩散过程。
(2)相分布规律:
二元扩散偶中不存在两相区,只能形成不同的单相区;
三元扩散偶中可以存在两相区,不能形成三相区。
第四节影响扩散的主要因素
1温度
D=D0exp(-Q/RT)
可以看出,温度越高,扩散系数越大。
2原子键力和晶体结构
原子键力越强,扩散激活能越高;致密度低的结构中扩散系数大(举例:
渗碳选择在奥氏体区进行);在对称性低的结构中,可出现明显的扩散各向异性。
3固溶体类型和组元浓度的影响
间隙扩散机制的扩散激活能低于置换型扩散;提高组元浓度可提高扩散系数。
4晶体缺陷的影响
(缺陷能量较高,扩散激活能小)
空位是空位扩散机制的必要条件;
位错是空隙管道,低温下对扩散起重要促进作用;
界面扩散-(短路扩散):
原子界面处的快速扩散。
5第三组元的影响
如在钢中加入合金元素对碳在中扩散的影响。
强碳化物形成元素,如W,Mo,Cr,与碳亲和力大,能显著组织碳的扩散;
弱碳化物形成元素,如Mn,对碳的扩散影响不大;
固溶元素,如Co,Ni,提高碳的扩散系数;Si降低碳的扩散系数。
塑性变形
常温下塑性变形的主要方式:
滑移和孪生。
一滑移
1滑移:
在切应力作用下,晶体的一部分相对于另一部分沿着一定的晶面(滑移面)和晶向(滑移方向)产生相对位移,且不破坏晶体内部原子排列规律性的塑变方式。
光镜下:
滑移带(无重现性)。
2滑移的表象学
电境下:
滑移线。
3滑移的晶体学
滑移面(密排面)
(1)几何要素
滑移方向(密排方向)
(2)滑移系
滑移系:
一个滑移面和该面上一个滑移方向的组合。
滑移系的个数:
(滑移面个数)×(每个面上所具有的滑移方向的个数)
典型滑移系
晶体结构
滑移面
滑移方向
滑移系数目
常见金属
面心立方
{111}×4
<110>×3
12
Cu,Al,Ni,Au
{110}×6
×2
12
Fe,W,Mo
体心立方
{121}×12
<111>×1
12
Fe,W
{123}×24
×1
24
Fe
{0001}×1
×3
3
Mg,Zn,Ti
密排六方
{1010}
<1120>
3
Mg,Zr,Ti
{1011}
6
Mg,Ti
一般滑移系越多,塑性越好;
滑移系数目与材料塑性的关系:
与滑移面密排程度和滑移方向个数有关;
与同时开动滑移系数目有关(c)。
(3)滑移的临界分切应力(c)
c:
在滑移面上沿滑移方面开始滑移的最小分切应力。
外力在滑移方向上的分解。
c取决于金属的本性,不受,的影响;
或=90时,s;
c=scoscoss的取值,=45时,s最小,晶体易滑移;
软取向:
值大;
取向因子:
coscos硬取向:
值小。
(4)位错运动的阻力
派-纳力:
P-N=[2G/(1-v)]exp{-2a/[(1-v)b]}
主要取决于位错宽度、结合键本性和晶体结构。
4滑移时晶体的转动
(1)位向和晶面的变化拉伸时,滑移面和滑移方向趋于平行于力轴方向
(力轴方向不变)压缩时,晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。
几何硬化:
,远离45,滑移变得困难;
(2)取向因子的变化
几何软化;,接近45,滑移变得容易。
5多滑移
多滑移:
在多个(>2)滑移系上同时或交替进行的滑移。
(1)滑移的分类双滑移:
单滑移:
(2)等效滑移系:
各滑移系的滑移面和滑移方向与力轴夹角分别相等的一组滑移系。
6交滑移
(1)交滑移:
晶体在两个或多个不同滑移面上沿同一滑移方向进行的滑移。
螺位错的交滑移:
螺位错从一个滑移面转移到与之相交的另一滑移面的过程;
(2)机制螺位错的双交滑移:
交滑移后的螺位错再转回到原滑移面的过程。
单滑移:
单一方向的滑移带;
(3)滑移的表面痕迹多滑移:
相互交叉的滑移带;
交滑移:
波纹状的滑移带。
二孪生
(1)孪生:
在切应力作用下,晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面和晶向发生均匀切变并形成晶体取向的镜面对称关系。
孪生面A1{111},A2{112},A3{1012}
(2)孪生的晶体学孪生方向A1<112>,A2<111>,A3<1011>
孪晶区
(3)孪生变形的特点
滑移
孪生
相同点
1均匀切变;2沿一定的晶面、晶向进行;不改变结构。
不
同
点
晶体位向
不改变(对抛光面观察无重现性)。
改变,形成镜面对称关系(对抛光面观察有重现性)
位移量
滑移方向上原子间距的整数倍,较大。
小于孪生方向上的原子间距,较小。
对塑变的贡献
很大,总变形量大。
有限,总变形量小。
变形应力
有一定的临界分切压力
所需临界分切应力远高于滑移
变形条件
一般先发生滑移
滑移困难时发生
变形机制
全位错运动的结果
分位错运动的结果
第二节多晶体的塑性变形
1晶粒之间变形的传播
位错在晶界塞积应力集中相邻晶粒位错源开动相邻晶粒变形塑变
2晶粒之间变形的协调性
(1)原因:
各晶粒之间变形具有非同时性。
(2)要求:
各晶粒之间变形相互协调。
(独立变形会导致晶体分裂)
(3)条件:
独立滑移系5个。
(保证晶粒形状的自由变化)
3晶界对变形的阻碍作用
(1)晶界的特点:
原子排列不规则;分布有大量缺陷。
(2)晶界对变形的影响:
滑移、孪生多终止于晶界,极少穿过。
(3)晶粒大小与性能的关系
a晶粒越细,强度越高(细晶强化:
由下列霍尔-配奇公式可知)
s=0+kd-1/2
原因:
晶粒越细,晶界越多,位错运动的阻力越大。
(有尺寸限制)
晶粒越多,变形均匀性提高由应力集中
导致的开裂机会减少,可承受更大的变
形量,表现出高塑性。
b晶粒越细,塑韧性提高
细晶粒材料中,应力集中小,裂纹不易
萌生;晶界多,裂纹不易传播,在断裂
过程中可吸收较多能量,表现出高韧性。
第三节合金的塑性变形
一固溶体的塑性变形
1固溶体的结构
2固溶强化
(1)固溶强化:
固溶体材料随溶质含量提高其强度、硬度提高而塑性、韧性下降的现象。
晶格畸变,阻碍位错运动;
(2)强化机制
柯氏气团强化。
(3)屈服和应变时效
现象:
上下屈服点、屈服延伸(吕德斯带扩展)。
预变形和时效的影响:
去载后立即加载不出现屈服现象;去载后放置一段时间或200℃加热后再加载出现屈服。
原因:
柯氏气团的存在、破坏和重新形成。
(4)固溶强化的影响因素
溶质原子含量越多,强化效果越好;
溶剂与溶质原子半径差越大,强化效果越好;
…………………价电子数差越大,强化效果越好;
间隙式溶质原子的强化效果高于置换式溶质原子。
二多相合金的塑性变形
1结构:
基体+第二相。
2性能
(1)两相性能接近:
按强度分数相加计算。
(2)
软基体+硬第二相
第二相网状分布于晶界(二次渗碳体);
a结构两相呈层片状分布(珠光体);
第二相呈颗粒状分布(三次渗碳体)。
弥散强化:
位错绕过第二相粒子(粒子、位错环阻碍位错运动)
b强化
沉淀强化:
位错切过第二相粒子(表面能、错排能、粒子阻碍位错运动)
第四节塑性变形对材料组织和性能的影响
一对组织结构的影响
晶粒拉长;
1形成纤维组织
杂质呈细带状或链状分布。
2形成形变织构
(1)形变织构:
多晶体材料由塑性变形导致的各晶粒呈择优取向的组织。
丝织构:
某一晶向趋于与拔丝方向平行。
(拉拔时形成)
(2)常见类型板织构:
某晶面趋于平行于轧制面,某晶向趋于平行于主
变形方向。
(轧制时形成)
力学性能:
利:
深冲板材变形控制;弊:
制耳。
(3)对性能的影响:
各向异性
物理性能:
硅钢片<100>织构可减少铁损。
3形成位错胞
变形量位错缠结位错胞(大量位错缠结在胞壁,胞内位错密度低。
)
二对性能的影响
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