材料科學名詞解釋
依領域整理學習材料科學時經常出現的基本名詞。輸入關鍵字即可篩選。
基礎
晶體結構與米勒指數
- 六方最密堆積結構
- 將最密堆積面以ABAB…方式疊合的晶體結構（HCP）。配位數12，理想的 c/a 約為1.633。Mg、Ti、Zn等。
- 米勒指數
- 表示晶體中晶面與方向的整數組。晶面取與各軸截距的倒數化為最小整數比，寫成(hkl)；方向寫成[uvw]。
- 面心立方晶格
- 原子位於立方體頂點與各面中心的晶體結構（FCC）。單位晶胞的原子為4個，配位數12，堆積因子約0.74。Cu、Al、Ni等。
- 原子堆積因子
- 將原子視為剛體球時，原子體積占單位晶胞體積的比例。SC約0.52，BCC約0.68，FCC與HCP約0.74。
- 體心立方晶格
- 原子位於立方體頂點與中心的晶體結構（BCC）。單位晶胞的原子為2個，配位數8，堆積因子約0.68。α鐵、Cr、W等。
晶體缺陷與擴散
- 布格向量
- 表示繞差排一圈之迴路無法閉合的錯動量的向量。FCC的全差排為 (a/2)<110>。決定差排的種類與能量。
- 空位
- 原子從晶體晶格點脫出的點缺陷。平衡濃度依 exp(−Q/kT) 隨溫度增加，擔任置換型原子的擴散。
- 差排
- 晶體中原子排列呈線狀紊亂的缺陷。差排在滑移面上移動，使金屬發生塑性變形。有刃差排、螺旋差排與混合差排。
- 菲克定律
- 擴散的基本定律。第1定律表示通量與濃度梯度成正比 J = −D(dC/dx)，第2定律表示濃度的時間變化 ∂C/∂t = D(∂²C/∂x²)。
- 擴散係數
- 表示原子擴散難易的係數D，單位為m²/s。依阿瑞尼斯式 D = D₀exp(−Q/RT) 隨溫度變化。
機械性質與破壞
- 0.2%偏位降伏強度
- 對沒有明確降伏點的材料，卸載後殘留0.2%永久應變的應力。以將彈性區直線平行移動0.2%的線與曲線的交點求得。
- 疲勞限
- 即使承受反覆負荷，實質上也不再破斷的應力振幅界限。碳鋼常在10⁶〜10⁷次附近出現，鋁合金則不明顯。
- 破壞韌性
- 有裂縫的材料抵抗破壞的能力。以應力強度因子的臨界值 K_IC（單位 MPa·√m）表示，與 K = Yσ√(πa) 比較以判定破壞。
- 楊氏模數
- 彈性區中應力與應變的比 E = σ/ε。由原子間的鍵結決定，鋼約為200 GPa，鋁約為70 GPa。熱處理幾乎不使其改變。
- 潛變
- 在一定負荷下，變形隨時間持續進行的現象。大致在熔點（絕對溫度）的0.4倍左右以上變得明顯，經過過渡、穩態、加速3個階段而破斷。
材料的熱性質
- 因瓦合金
- Fe-36%Ni合金。磁體積效應抵消了一般的熱膨脹，室溫附近的線膨脹係數約為1×10⁻⁶ K⁻¹ 而非常小。
- 德拜溫度
- 將晶格振動的最高頻率以能量換算成溫度的值。遠低於此溫度時晶格比熱與 T³ 成正比，高溫下則趨近約3R。
- 熱擴散率
- 熱導率除以每單位體積比熱的量 α = κ/(ρc)。表示溫度變化在材料中傳播的快慢，單位為 m²/s。
- 線膨脹係數
- 溫度上升1 K時長度變化的比例。源自原子間位能的非簡諧性，鍵結越強、熔點越高的材料有越小的傾向。
- 聲子
- 將晶體的晶格振動量子化而得的類粒子。在絕緣體中負責熱傳導與比熱，也是電子散射的原因。
- Dulong-Petit定律
- 室溫附近許多固體元素的莫耳比熱約為3R（約25 J/(mol·K)）的定律。相當於高溫下晶格振動的古典極限。
- Umklapp過程
- 動量總和改變一個倒晶格向量的聲子間散射。會抵消熱流，是高溫下絕緣體熱導率下降的主要原因。
- Wiedemann-Franz定律
- 金屬的熱導率κ與電導率σ之比與絕對溫度成正比，即 κ = LσT 的定律。L 為勞倫茲數，約2.44×10⁻⁸ W·Ω/K²。
顯微組織與相變態
相圖與槓桿法則
- 共析反應
- 冷卻時由1個固相同時生成2個固相的反應。在鋼中於0.76 wt%C、727℃發生 γ → α + Fe₃C，生成波來鐵。
- 共晶反應
- 冷卻時由液相同時析出2個固相的反應 L → α + β。在二元系中於固定溫度、固定成分發生，形成層狀等共晶組織。
- 吉布斯相律
- 由成分數C與相數P，以 F = C − P + 2 給出平衡狀態自由度F的定律。壓力固定的凝聚系使用 F = C − P + 1。
- 波來鐵
- 鋼的共析反應所生成，肥粒鐵與雪明碳鐵交替層狀排列的組織。冷卻越快，層間距越細，也越硬。
- 槓桿法則
- 在相圖的2相區中，由連結線上距離的比求出各相質量分率的法則。相的分率與合金成分到另一側相的距離成正比。
熱處理與金屬材料
材料的加工與接合
- 包模鑄造
- 以耐火物包覆蠟模並使其硬化，再將熔湯注入蠟熔出後之鑄模的精密鑄造法。也稱為脫蠟法，用於渦輪葉片等。
- 回彈
- 彎曲等加工後除去負荷時，因彈性回復而使形狀回復的現象。降伏應力越高、楊氏係數越低的材料越大。
- 敏化
- 不鏽鋼被加熱到約500～800℃時，晶界析出Cr碳化物使其周圍的Cr缺乏，而容易發生晶界腐蝕的現象。
- 焊接熱影響區
- 焊接時未熔化，但組織與性質因焊接的熱而改變的母材部分。也稱為HAZ，會發生硬化、軟化、晶粒粗化、敏化等。
- 碳當量
- 將鋼之合金元素提高硬化能的效果換算成碳量後加總的值。Ceq越高的鋼，焊接熱影響區越容易硬化，越容易發生冷裂。
- 熱均壓
- 在高溫下以惰性氣體從所有方向施加相等的高壓，使粉末緻密化，或消除鑄件與燒結體內部封閉氣孔的方法。簡稱HIP。
- 擠製
- 以衝桿推壓置於盛錠筒中的擠錠，從模具的孔擠出，製作斷面一定之長條製品的塑性加工。鋁的型材是代表例。
- 縮孔
- 鑄件中凝固的體積收縮無法由熔湯補充之處形成的空洞。容易產生在最後凝固的厚肉部，以冒口與凝固順序的設計來防止。
材料熱力學
- 化學勢
- 加入1 mol成分時系統吉布斯自由能的增加程度（部分莫耳吉布斯自由能）。在相平衡時，各成分的化學勢在所有相中都相等。
- 平衡氧分壓
- 金屬與其氧化物平衡共存時的氧分壓。由 ΔG° = RT ln pO₂ 求得，氣氛的氧分壓高於此值時金屬被氧化，低於此值時氧化物被還原。
- 正規溶液
- 混合熵與理想溶液相同、混合焓取為 Ωx(1 − x) 的溶液模型。Ω為正時，低溫下會出現互溶間隙。
- 吉布斯自由能
- 以 G = H − TS 定義的狀態函數。在溫度與壓力一定的條件下，變化朝G減少的方向自發進行，G最小的狀態即為平衡。
- 活性
- 溶液或固溶體中成分的熱力學有效濃度，滿足 μ = μ° + RT ln a 的量。純物質為1，在理想溶液中等於莫耳分率。
- 混合熵
- 原子的排列方式數目因混合而增加所產生的熵。理想溶液為 −R[x ln x + (1 − x) ln(1 − x)]，在 x = 0.5 時最大。
- 離相分解
- 在自由能曲線上凸的組成，組成擾動沒有成核能障而成長，分離成2相的相分離。上坡擴散會形成週期性的組織。
- Ellingham圖
- 把氧化物等的標準生成吉布斯自由能變化統一成每1 mol O₂，對溫度作圖的圖。直線越低的金屬，形成的氧化物越穩定。
材料的種類
陶瓷與玻璃
高分子與複合材料
電子、磁性與光學材料
金屬材料與合金
- 不鏽鋼
- 含Cr約11%以上，以表面的鈍化膜使其不易生鏽的合金鋼。依顯微組織分為沃斯田鐵系、肥粒鐵系、麻田散鐵系等。
- 加工硬化
- 塑性變形使差排增加而互相纏結，變形所需應力變高的現象。強度上升但延性下降。也稱為應變硬化。
- 再結晶
- 加熱累積加工應變的金屬時，生成並成長無應變新晶粒的現象。強度下降，延性恢復。
- 回復
- 加熱冷加工的金屬時，在再結晶之前發生差排的消滅或重新排列，使內部應力與電阻下降的過程。硬度變化不大。
- 固溶強化
- 溶入母相的溶質原子所形成的晶格應變阻礙差排運動，提高金屬強度的強化方法。有間隙型與置換型。
- 柱狀晶
- 鑄件凝固時，在表面激冷晶的內側，沿與熱逸散方向相反的方向細長伸展的晶粒。中心部形成等軸晶。
- 鈦合金
- 密度約為鋼的6成而輕，比強度與耐蝕性優異的合金。依HCP的α相與BCC的β相的比例，分為α型、α+β型、β型。
- 黃銅
- 在銅中加入鋅的合金。含Zn約30%的7-3黃銅為α相單相，延性大；約40%的6-4黃銅含有β相，強度高。
電池與能源材料
- 尖晶石型結構
- 組成為 AB₂O₄，陽離子進入氧立方最密堆積中四面體與八面體位置的結構。正極的LiMn₂O₄具有3維的Li⁺通道。
- 固態電解質
- 以固體狀態傳導離子、幾乎不傳導電子的材料。有全固態電池的硫化物系、氧化物系，以及燃料電池的穩定氧化鋯等。
- 理論電容量
- 以單位質量表示電極材料可儲存電量上限的值。以 Q = nF/(3.6M) mAh/g 求得，石墨為372 mAh/g。
- 層狀岩鹽型結構
- 在氧的最密堆積中，Li層與過渡金屬層交替排列的結構。LiCoO₂或LiNiO₂系正極採取此結構，Li⁺在層間以2維方式移動。
- 熱電優值
- 表示熱電材料轉換性能的無因次值 ZT = S²σT/κ。席貝克係數與電導率越高、熱導率越低，值越大。
- 質子交換膜燃料電池
- 以具有磺酸基的高分子膜為電解質，以含水的膜傳導質子的燃料電池。寫作PEFC，為防止膜乾燥而加濕，約在80℃運作。
- 橄欖石型結構
- 與橄欖石相同的結構，正極的LiFePO₄採取此結構。PO₄的強共價鍵使其熱穩定，但Li⁺的擴散為1維，電子導電性也低。
- Shockley-Queisser極限
- 單接面太陽電池理論效率的上限。由低於能隙之光的穿透與熱化損失的取捨決定，在地面太陽光下約於1.34 eV時達最大約33%。
複合材料
- 矽烷偶合劑
- 在1個分子中同時具有與無機物鍵結之基團與和樹脂反應之基團的化合物。用於玻璃纖維的表面處理，提高界面黏著與耐水性。
- 金屬基複合材料
- 以鋁等金屬為基材，以SiC粒子或纖維強化的複合材料（MMC）。可提高剛性與耐磨耗性，並減小熱膨脹。
- 陶瓷基複合材料
- 以SiC等陶瓷為基材，以陶瓷纖維強化的複合材料（CMC）。藉由弱界面使纖維被拉出，得到不會突然破壞的性質。
- 準等向性疊層
- 像 [0/±45/90]ₛ 這樣，疊合纖維方向以相等角度分配之層的疊層。面內楊氏模數在任何方向都大致相等，但厚度方向仍然很弱。
- 層間剝離
- 疊層板層與層之間的樹脂或界面破裂，使層剝開的損傷。因厚度方向強度低而發生，因衝擊而在內部產生時，從外部難以發現。
- 臨界纖維長度
- 短纖維中央的應力經界面剪切達到纖維抗拉強度所需的長度。以 lc = σf·d/(2τc) 表示，比它短的纖維會被拉出。
- CFRP（碳纖維強化塑膠）
- 以環氧樹脂等固化碳纖維的複合材料。密度小、楊氏模數與強度高，比剛性優異，用於飛機、汽車與運動用品。
- GFRP（玻璃纖維強化塑膠）
- 以樹脂固化玻璃纖維的複合材料。剛性比CFRP低但價格便宜，具電氣絕緣性與電波穿透性，用於船體、浴缸、印刷電路板等。
奈米材料
- 比表面積
- 粉末或多孔體每單位質量的表面積，單位為 m²/g。球形粒子為 S = 6/(ρd)，與粒徑成反比變大。
- 由下而上法
- 以原子或分子經成核與成長組裝成奈米材料的方法。液相還原或熱分解、溶膠-凝膠法、CVD等。與粉碎大材料的由上而下法相對。
- 石墨烯
- 碳原子以sp²鍵排成蜂巢狀的單原子層。能隙幾乎為零，電子遷移率高，雙面的理論比表面積約為2630 m²/g。
- 奈米粒子的熔點下降
- 奈米粒子因表面能的貢獻，熔點比塊材低的現象。熔點的下降量大致與粒徑成反比，在數nm的粒子中變得明顯。
- 奈米碳管
- 將石墨烯捲成筒狀、直徑約1 nm〜數十nm的碳材料。依捲繞方向（掌性指數）可呈金屬性或半導體性，軸向強度非常高。
- 界達電位
- 與液中粒子一起移動之層外側滑動面的電位。絕對值越大，粒子間的靜電排斥越強，分散越穩定。在等電點幾乎為零。
- 量子點
- 將電子與電洞在3維侷限的數nm半導體奈米晶體。侷限能大致與粒徑的2次方成反比，可藉粒徑調整發光波長。
- BET法
- 在低溫下使氮等氣體物理吸附於粉末，將BET式套用於吸附等溫線，由單分子層吸附量求出比表面積的方法。
磁性材料
- 亞鐵磁性
- 反平行排列之兩種次晶格的磁矩大小不同，留下相當於差值之自發磁化的磁性。磁鐵礦等鐵氧體是代表例。
- 最大能量積
- 永久磁鐵退磁曲線上，磁通密度B與磁場H之積的大小達到最大的值(BH)max。單位為kJ/m³，是磁鐵強弱的指標。
- 渦電流損
- 交流下磁通變化時，磁性體中感應之渦電流的焦耳熱所造成的損失。與板厚及頻率的2次方成正比，與電阻率成反比。
- 超順磁性
- 極小的鐵磁性粒子中，磁化反轉的能障KV相對於熱能很小，磁化因熱而反轉，矯頑力幾乎為0的狀態。
- 飽和磁化
- 施加強磁場使所有磁矩朝同一方向排列時的磁化。鐵約為1.7×10⁶ A/m（以µ₀Ms表示約2.2 T），隨溫度上升而減少。
- 磁區
- 鐵磁體或亞鐵磁體中磁化方向一致的小區域。為了降低表面磁極造成的靜磁能，會分成許多磁區。
- 磁晶異向性
- 磁化難易程度隨晶體方向而異的性質。鐵的易磁化軸為<100>。大則矯頑力高，小則磁導率高。
- 磁壁
- 相鄰磁區的邊界，磁矩方向在其中逐漸轉動改變的過渡層。厚度由交換能與異向性能的平衡決定。
生醫材料
- 生物可分解高分子
- 在體內或環境中因水解或微生物的作用而分解的高分子。聚乳酸與聚乙醇酸被用於可吸收縫合線與骨固定材。
- 生物相容性
- 材料在特定用途中，伴隨適當的生物體反應而發揮所需功能的能力。不只材料本身，形狀、表面狀態與使用部位也要一併評估。
- 骨水泥
- 把PMMA粉末與甲基丙烯酸甲酯液體混合，在體內聚合而把人工關節固定在骨上的材料。不是靠黏著，而是填滿間隙以機械咬合來固定。
- 骨整合
- 活的骨與植入物表面不隔著纖維性組織而直接接觸、能傳遞荷重的狀態。在鈦製牙科植體上發現。
- 氫氧基磷灰石
- 以 Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ 表示的磷酸鈣。接近骨骼與牙齒的無機成分，被用作與骨直接結合的生物活性陶瓷。Ca/P比為1.67。
- 超彈性
- 在高於逆相變結束溫度的溫度下，藉由應力誘發麻田散體相變及其逆相變，數%的大應變在卸載時恢復原狀的性質。以Ni-Ti合金為代表。
- 應力遮蔽
- 比骨硬得多的植入物承受大部分荷重，周圍骨所受的力學刺激減少，使骨被吸收而變薄的現象。
- β型鈦合金
- 含有大量Nb、Ta、Mo等β穩定化元素，室溫下也具有BCC之β相的鈦合金。楊氏模數低，在醫療用途中可減少應力遮蔽。
玻璃與非晶質材料
- 化學強化玻璃
- 在熔鹽中把玻璃表層的Na⁺交換成較大的K⁺，在表層導入大壓縮應力而強化的玻璃。薄板也能使用。
- 金屬玻璃
- 金屬熔液未結晶化而凝固的非晶質合金。沒有差排，強度與彈性應變極限大。厚的稱為塊狀金屬玻璃。
- 非晶矽
- 沒有長程週期性的矽。以氫終結懸鍵的a-Si:H，用於薄膜電晶體與薄膜太陽能電池。
- 非橋接氧
- 在玻璃網絡中，只與1個網絡形成陽離子鍵結、沒有與相鄰多面體相連的氧。加入修飾氧化物時會增加。
- 約化玻璃轉移溫度
- 玻璃轉移溫度Tg除以液相線溫度Tl的值 Trg = Tg/Tl。越大熔液越容易成為玻璃，以約2/3以上為標準。
- 強化玻璃
- 將加熱的板玻璃以空氣急冷，使表面殘留壓縮、內部殘留拉伸應力而強化的玻璃。破裂時碎成細小顆粒。
- 網絡形成氧化物
- 像SiO₂、B₂O₃、P₂O₅這樣，陽離子形成氧多面體並共用頂點，單獨也能構成玻璃網絡的氧化物。
- 網絡修飾氧化物
- Na₂O、K₂O、CaO等，切斷玻璃網絡的橋接而產生非橋接氧，陽離子進入網絡空隙的氧化物。使黏度下降。
分析與進階主題
薄膜、表面與奈米材料
- 量子尺寸效應
- 粒子或膜小到與電子波的擴展相當時，能階變得離散、能隙變寬的效應。決定量子點的發光顏色。
- 奧斯華熟化
- 小粒子溶解消失、大粒子成長，使粒子粗大化的現象。驅動力是曲率造成的溶解度差異（吉布斯-湯姆森效應）。
- 熱應力
- 由熱膨脹差異產生的應力。基板上的薄膜以 σ = EΔαΔT/(1 − ν) 估算，膜的膨脹係數大時，冷卻後為拉伸。
- 臨界核半徑
- 在成核中，超過它時成長較為穩定的核半徑。球形核為 r* = −2γ/ΔGv，過冷度越大越小。
- Stranski-Krastanov成長
- 數個原子層的層狀成長後，為緩和晶格不匹配造成的應變而成長出3維島的薄膜成長模式。用於量子點的製作。
材料分析(SEM、TEM、XRD、XPS)
- 布拉格定律
- 在晶面間距d的晶面上繞射相互加強的條件 2d sinθ = nλ。是由XRD繞射峰角度求晶面間距的基本公式。
- 消光規則
- 因原子的配置，特定指數的繞射互相抵消而消失的規則。BCC只有 h + k + l 為偶數，FCC只有 h、k、l 奇偶一致的面才會繞射。
- 謝樂公式
- 由XRD繞射峰的展寬估算微晶尺寸的公式 D = Kλ/(β cosθ)。β為以弧度表示的半高寬，K約為0.9。
- EDS（能量散布式X光能譜法）
- 以半導體偵測器量測電子束激發之特性X光的能量，分析元素的方法。能在短時間內同時量測所有元素，但解析度比WDS低。
- SEM（掃描式電子顯微鏡）
- 以細聚焦的電子束掃描試樣表面，偵測射出的二次電子或背向散射電子，觀察表面形貌或成分差異的顯微鏡。
- SIMS（二次離子質譜法）
- 以一次離子濺射試樣表面，同時對射出的二次離子進行質量分析的方法。能以ppm〜ppb的靈敏度量測摻雜物等微量元素的縱深分布。
- XPS（X光光電子能譜法）
- 由X光所放出之光電子的束縛能，調查表面數nm內所含元素及其化學鍵結狀態（氧化數等）的分析方法。
- XRD（X光繞射）
- 對晶體照射X光，由繞射X光的角度與強度調查晶相、晶格常數、微晶尺寸、應變、取向等的分析方法。
腐蝕與表面處理
- 孔蝕
- 氯離子等局部破壞鈍化膜，小孔逐漸被深挖的局部腐蝕。在不鏽鋼與鋁中成為問題。
- 局部電池
- 在1種金屬的表面上，因夾雜物、應變、氧濃度差等形成陽極與陰極部分，作為電池而使腐蝕進行者。
- 法拉第定律
- 電極反應中變化的物質量與流過的電量成正比的定律。溶解或析出的質量以 m = ItM/(nF) 求得。
- 鈍態
- 金屬表面形成厚度數nm左右的緻密氧化膜，使熱力學上應該溶解的金屬幾乎停止溶解的狀態。
- 電偶腐蝕
- 電位不同的金屬在電解質中接觸時，較活潑的金屬成為陽極而腐蝕加速的現象。也稱為伽凡尼腐蝕（galvanic corrosion）或異種金屬接觸腐蝕。
- 標準電極電位
- 在標準狀態下，以標準氫電極為0 V，表示金屬與其離子等電極反應平衡電位的值。越負越容易被氧化。
- 應力腐蝕破裂
- 具敏感性的材料承受拉伸應力並暴露於特定腐蝕環境時，以低於降伏應力的應力使裂縫成長的現象。
- 犧牲陽極
- 將比欲保護之金屬活潑的鋅、鋁合金、鎂等電性連接，使其先溶解，讓金屬成為陰極而防蝕的陽極。
材料選擇與設計
- 比剛性
- 楊氏模數除以密度的值 E/ρ。也稱為比彈性模數。鋼、鋁合金、鈦合金都約在25 GPa/(g/cm³)前後，幾乎相同。
- 生命週期評估
- 定量評估材料製造、產品製造、使用、廢棄與回收各階段能源消耗與環境負荷的方法（LCA）。
- 材料選擇的性能指標
- 選材時應最大化的材料性質組合。由剛性決定的拉桿為 E/ρ，樑為 √E/ρ，板為 ∛E/ρ，由強度決定的拉桿為 σf/ρ。
- 材料選擇圖（Ashby圖）
- 以雙對數軸取楊氏模數與密度等2種性質，描繪各材料群範圍的圖。性能指標固定的線為直線，用於比較候選材料。
- 柏拉圖最適
- 改善多個目標中的任一個，其他目標必然變差的狀態。目標互相衝突時，從柏拉圖前緣上的候選中以交換常數選擇。
- 破壞前降伏
- 即使有裂縫，構件整體也先降伏，不發生突然脆性破壞的狀態。容許的裂縫大小與 (K_IC/σy)² 成正比，K_IC/σy 成為性能指標。
- 殘留雜質元素（tramp element）
- 混入鐵廢料、精煉中難以去除、每次再生都在鋼中累積的銅或錫等元素。會成為熱加工時表面破裂等品質下降的原因。
破壞力學與疲勞
- 修正古德曼線圖
- 表示平均應力影響的圖。以直線連接完全反覆的疲勞限與拉伸強度，以 σa = σw(1 − σm/σB) 作為容許應力振幅的標準。
- 疲勞紋
- 在疲勞裂縫擴展過的破斷面上可見的細紋。間距大致對應每1個循環的裂縫擴展量，以電子顯微鏡觀察。
- 能量釋放率
- 裂縫擴展單位面積時釋放的彈性能。以 G 表示，平面應力下 G = K²/E，達到臨界值 G_c 時裂縫擴展。
- 應力強度因子
- 表示裂縫尖端應力場強度的量。以 K = Yσ√(πa) 表示，同時由應力與裂縫長度決定，達到臨界值時裂縫會不穩定地擴展。
- 應力集中係數
- 表示孔或缺口底部的最大應力為平均應力幾倍的數 Kt。橢圓孔為 1 + 2√(a/ρ)，圓孔為3。
- Griffith理論
- 認為裂縫延伸時釋放的彈性能超過新表面的能量時破壞就會進行的理論。破壞應力以 √(2Eγs/(πa)) 表示。
- Miner法則
- 將不同應力振幅下的損傷，以次數與壽命之比 n/N 的總和累加，並視總和達到1時發生疲勞破壞的法則。
- Paris定律
- 疲勞裂縫擴展速率與應力強度因子範圍的冪次成正比的經驗法則 da/dN = C(ΔK)ᵐ。用於估算裂縫的擴展壽命。
表面處理與磨潤學
- 真實接觸面積
- 兩個表面的突起實際接觸部分的面積。突起發生塑性變形時等於負荷除以硬度，遠小於表觀接觸面積。
- 氮化處理
- 將鋼在低於A₁變態點的溫度置於含氮氣氛中，在表層形成硬氮化物的處理。不需淬火，變形小。
- 無電鍍鎳
- 不使用電源，以還原劑使鎳自催化析出的鍍覆。含磷，在形狀複雜的零件上也能以均勻厚度附著。
- 滲碳
- 將低碳鋼在沃斯田鐵區置於含碳氣氛中，提高表層碳量的處理。以淬火使表層成為硬的麻田散鐵。
- 磨粒磨耗
- 硬粒子或對偶面的硬突起刮削較軟表面而將其切除的磨耗。使表面比粒子更硬時會大幅減少。
- 黏著磨耗
- 金屬在真實接觸點結合，滑動剪斷黏著部時，材料轉移到對方或剝離的磨耗。是咬死的原因。
- Archard磨耗方程式
- 表示磨耗體積V與正向負荷W及滑動距離L成正比、與硬度H成反比的式子 V = KWL/H。K為磨耗係數，隨磨耗機制大幅變化。
- Stribeck曲線
- 以黏度×速度÷面壓的軸承特性數為橫軸，畫出滑動軸承等摩擦係數的曲線。表示邊界潤滑、混合潤滑、流體潤滑的轉變。
高溫材料與潛變
- 氧化拋物線定律
- 氧化膜厚度的2次方與時間成正比增加的關係 x² = k_p t。在緻密膜中離子的擴散決定成長速率時成立。
- 熱障塗層
- 施加在高溫零件表面、熱導率低的陶瓷被膜。由氧化鋯的面層與黏結層構成，能大幅降低金屬的溫度。
- 冪律潛變
- 穩態潛變速率與應力的n次方（n約為3〜8）成正比的潛變。由差排滑移與攀移造成的回復組合而發生，在高應力下占主導。
- 擴散潛變
- 原子擴散使晶粒伸長而進行的潛變，速率與應力成正比。有晶格擴散造成的Nabarro-Herring潛變，與晶界擴散造成的Coble潛變。
- 鎳基超合金
- 在Ni的FCC母相中，大量整合析出L1₂型有序相γ'（Ni₃Al）的耐熱合金。用於渦輪葉片等，到接近熔點的溫度仍保持強度。
- 變形機構圖
- 以規格化的應力與同系溫度為軸，表示使材料變形最快的機制（差排滑移、冪律潛變、擴散潛變等）所占區域的圖。
- Larson-Miller參數
- 整合潛變破斷的溫度與時間的值 P = T(C + log₁₀t_r)。在相同應力下視為一定，由短時間的試驗估算長時間的壽命。
- Pilling-Bedworth比
- 氧化物體積與形成它所用的金屬體積之比。一般認為小於1時膜容易破裂，在1〜2左右時容易具有保護性，是一個參考值。
計算材料科學
- 分子動力學法
- 以由原子間位能求得的力，數值積分多數原子的牛頓運動方程式，隨時間計算原子運動的方法。
- 有限元素法
- 把物體分成小元素，以節點位移等為未知數求解聯立方程式，近似求出應力或溫度分布的數值計算方法。
- 材料資訊學
- 以機器學習等分析材料的資料，用於預測性質或選擇下一個要試的材料的方法。與計算及實驗結合，加快材料開發。
- 相場法
- 假設表示相或晶體方位的序參數在界面平滑變化，朝自由能減少的方向計算組織時間變化的方法。用於凝固與析出。
- 原子間位能
- 由原子的配置給出能量與力的函數。有Lennard-Jones型、金屬用的嵌入原子法、共價鍵用的位能，以及機器學習位能等。
- 密度泛函理論
- 利用基態能量由電子密度決定這一點，求解Kohn-Sham方程式以求出物質電子狀態與能量的理論。是第一原理計算的核心。
- 蒙地卡羅法
- 反覆進行使用亂數的機率性試行來求得答案的方法。在材料中有以Metropolis法計算平衡狀態，以及追蹤擴散的動力學蒙地卡羅法。
- CALPHAD法
- 把各相的吉布斯自由能以溫度與組成的函數模型化，由配合實驗值等建立的資料庫，計算多元系相圖與相分率的方法。