理解材料学核心概念：肉眼可见的组织特征“相”——晶粒的类属性

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上节精要

成分与结构“从微向宏”分为4个层级：原子、键、排列、组织，上节关注的是排列中的“缺陷”。

缺陷是晶体中不完美的部分，但它并不就是“坏东西”， 缺陷的相对能量更高，更活跃，所以对材料的塑性、扩散、相变、强度性质都起到决定性作用。

缺陷分为：点缺陷、线缺陷(即位错)、面缺陷。

我们分析不各种缺陷的特征和对材料性能的影响，上节最后提到一种面缺陷——“相界”，本节就来详解晶体组织层级的“相”。

什么叫“相”？

相者，从目，表示“用眼可见”，所以相是能够观察到的。

材料学从微到宏地去分析原子、键、排列、组织，是在解释科学认知，而“科学发现”往往是从宏到微，人类最早也就是在显微镜下肉眼观察到了一些结构，属于“组织”层级。

如何观察到呢？这就要用到上节的知识了。

上节我们说，缺陷处的能量都比较高，就比如晶粒之间的晶界，它们更活跃更容易发生化学反应。所以，我们先把金属表面抛光平整，然后用化学浸蚀的方法，让晶界处形成沟槽，这样，当光线垂直打到金属表面时，沟槽部分就会形成黑色的轮廓了——

晶界可以被观察的原理

人类对于金属组织的认识，就从这里开始了。我们可以用显微镜来观察了，专业的设备称为“金相显微镜”——

上图中这一格子一格子的，就是“晶粒”，晶粒的边界就是“晶界”。这里晶粒虽然结晶方向不同，但是它们的结构相同，我们就说它们属于同一种相，这块组织为“单相组织”。

如果晶粒与晶粒从结构上就不同，那么它们就“属于不同的相”，称为“多相组织”。其实实际材料中往往是多相的，比如下图为一张铜的金相图（上色），其实就有不同的相组织。

铜的金相图（上色），不同颜色代表不同相

所以——

“相是晶粒的一种类属性”

而所谓“组织”，是指晶粒的各种属性值的情况，包括晶粒的尺寸、形状、相分布等。

所以，在组织这一层级，最小的组元就是“晶粒”了。

结晶过程：晶界的由来

由于结晶的过程漫长而细致，所以人们把一件漫长而细致的事情做成，称为“结晶”，这也是材料学为社会科学贡献的诸多词汇之一了