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1411材料科学概论复习1

材料科学概论

IntroductiontoMaterialsScience

陈文哲李巍

福建工程学院材料科学与工程系

材料科学概论-绪论2011级材料专业

我们处在“

？

！

时代”

——新材料时代

如何认识我们所处的时代为“新材料时代”？

如何认识新材料在科技和社会发展中的地位

和作用？

什么是新材料？

材料科学与工程是做什么的？

材料科学概论-绪论2011级材料专业

人类社会发展与材料

人类社会的发展和进步史，

是一部不断创造和创新的历史，

也是一部材料发现、发展和应用

的历史，材料的应用构建了世界

的新生活，使神话般的幻想变为

现实，每一项重大新技术的发现

和发展都有赖于新材料的发现和

发展。

材料是人类文明进步和发展

的里程碑。

材料科学概论-绪论2011级材料专业

材料的地位和作用

材料是人类进步的里程碑

材料是现代社会的物质基础

材料是现代文明的支柱

材料是科学技术发展的先导

材料是新技术革命的标志

材料科学概论-绪论2011级材料专业

材料是人类发展的里程碑

材料（Materials）：

是人类用以制成用于生活和生产的

物品、器件、构件、机器和其它产品的那些物质。

材料是人类生活和生产的物质基础。

广义的材料包括人们的思想意识之外的所有物质

工农业生产

材料无处不在，无处不有

材料科学概论-绪论2011级材料专业

国防安全

科学技术

人民生活

人类利用材料的历史，就是一部人类进化和进步的历史。

人类使用材料的七个时代的开始时间

公元前10万年

公元前3000年

公元前1000年

公元0年

公元1800年

公元1950年

公元1990年

材料科学概论-绪论2011级材料专业

石器时代

青铜时代

铁器时代

水泥时代

钢时代

硅时代

新材料时代

材料、能源和信息

——构成现代文明社会的三大支柱。

新材料是基础，在新技术革命和信息社会中占有重

要的地位并具有特别重要的意义。

能源

材

核能---超导体材料

太阳能能---电极材料

氢能能---贮氢材料

热能能---燃汽涡轮

材料科学概论-绪论2011级材料专业

信息

料

半导体材料

磁性材料

超导体材料

红外线传感器材料

高导磁率材料

形状记忆合金

何为高技术新材料

定

义：

高技术新材料——

是指新近研制成功和正在研制中的具

有优异特性和功能，能满足高技术需要的

新型材料。

材料科学概论-绪论2011级材料专业

材料与新材料技术

新材料技术出现群体性突破，将对21世纪基础科学和

几乎所有工业领域产生革命性影响。

材料―能为人类制造有用器件的物质。

为何有用？

因为材料具有各种各样的性能。

不同材料具有各种不同的性能。

同种材料因制备、加工、处理方式而具有不同的性能。

材料科学概论-绪论2011级材料专业

材料科学与工程的定义和内涵

·材料——是人类用以制成用于生活和生产的物品、

器件、构件、机器和其它产品的那些物质。

·材料科学——研究材料成分、组织、结构与材料性

质的关系，探索自然规律的认识。

·材料工程——研究材料在制备过程中的工艺和工程

问题。

通过合理的工艺流程制备出

具有实用价值的工程材料。

·材料科学与工程——研究有关材料组成、结构、制

备工艺流程与材料性能和用途的关系的知识的产

生及其运用。

或，研究材料组成、结构、性能、

生产流程和使用效能以及它们之间的关系。

（英国‘材料科学与工程大百科全书’1986）

材料科学概论-绪论2011级材料专业

材料的分类

按物理属性分：

金属材料、无机非金属材料、

高分子材料和复合材料

按用途分：

建筑材料、能源材料、电子材料、

航空材料、核材料、生物材料、

医用材料等。

按性能特征分：

结构材料料---以力学性能为主

功能材料料---以物理化学特性为主

按应用时间分：

传统材料，新型材料（先进材料）

材料科学概论-绪论2011级材料专业

？

思考题

1．如何认识我们所处的时代为“新材料时代”？

举

例说明新材料对社会文明的贡献。

2.如何认识中华民族的祖先对世界文明和人类社会进

步和发展的贡献？

3.请举例说明新材料对科技进步和社会发展的作用和

意义。

材料科学概论-绪论2011级材料专业

材料科学与工程的四要素

使用效能

（工程）

性质

合成与制备过程

（物理学）

（化学）

组成与结构

材料科学概论-材料学纲要2011级材料专业

材料科学与工程的四个基本要素

MSE四要素

使用性能

材料的性质

结构与成分

合成与加工

材料科学概论-材料学纲要2011级材料专业

四要素关系

出发点、目标

落脚点、特性

关键点、核心

转变点、途径

1.材料的成分与结构

材料的成分：

指组成材料的元素种类及其含量，

通常用质量分数（w）表示。

材料的结构：

主要指材料中的原子、离子或分子

的排列方式。

键合结构

晶体结构

组织结构

材料科学概论-材料学纲要2011级材料专业

材料的结构----键合结构

离子键

陶瓷材料

化学键

共价键

高分子材料

物理键

金属键

氢键

结

合

能

金属材料

H20

分子键

注：

1.有些陶瓷材料属共价键化合物，如SiC陶瓷；

2.分子键又称范德瓦尔斯力

3.实际晶体并非只有一种键合结构，如冰晶（共价键、氢键）

材料科学概论-材料学纲要2011级材料专业

材料中原子分子间的结合力

主要结合方式：

（1）离子结合：

靠离子形式结合。

（2）共价结合：

由共价键结合。

（3）金属结合：

籍助公有化电子和正离子实之间

的库仑结合力。

（4）范德瓦耳斯结合：

分子瞬时的电偶极矩的

感应作用。

材料原子、分子间的结合力，即结合键决定

材料的性质。

材料科学概论-材料学纲要2011级材料专业

离子键

特点：

结合力很大，硬度高、强度大、膨胀系数小、

脆性大。

绝缘体，无色透明。

材料科学概论-材料学纲要2011级材料专业

共价键

特点：

结合力很大，强度高、硬度高、脆性大、

熔点高、沸点高和挥发性低。

材料科学概论-材料学纲要2011级材料专业

金属键

特点：

良好的导电性和导热性，正的电阻温度系数，

有光泽，良好的塑性变形能力，强度韧性好。

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分子键

特点：

结合力弱，熔点低、硬度低，良好的绝缘性。

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材料的结构----晶体结构

晶

体：

原子排列长程有序，有周期

非晶体：

原子排列短程有序，无周期

准晶体：

原子排列长程有序，无周期

材料科学概论-材料学纲要2011级材料专业

与晶体结构和点阵有关的几个概念

阵点：

点阵中的每个几何点。

晶格：

晶体中的原子与点阵中的阵点重合的点阵。

晶胞：

点阵的基本单元。

点群：

在三维空间点阵中对称动作及其组合所形成的

集合。

空间群：

点群与平移对称操作所组合的对称群。

倒易点阵：

与晶体点阵按一定对应关系建立的具有

倒易变换关系的空间点阵。

材料科学概论-材料学纲要2011级材料专业

2.成分、结构检测技术

现代材料科学家对材料成分、结构的认识是由分析、

检测实现的。

成

分

析

化学分析：

化验

物理分析：

物理量间接测定

谱学分析：

红外光谱、光电子能谱，等

材料科学

-材料学

2011

材料

结构分析

检测仪器

体视显微镜

光学显微镜

电子扫描显微

透射电镜

场离子显微镜

隧道扫描显微镜

材料科学概论-材料学纲要2011级材料专业

分辨率

mm（毫米）--μm（微米）

μm（微米）

微米--纳米（nm）达0.7nm

观察到原子排列面，达0.2nm

形貌观察0.2--0.3nm

观察到原子结构0.05--0.2nm

1.定义

“合成”与“加工”：

是指建立原子、分子和分子团的

新排列，在所有尺度上（从原子尺寸到宏观尺度）对结

构的控制，以及高效而有竞争力地制造材料与元件的演

化过程。

合成：

是指把各种原子或分子结合起来制成材料所采用

的各种化学方法和物理方向。

加工：

可以同样的方式使用，还可以指较大尺度上的改

变，包括材料制造。

材料科学概论-材料学纲要2011级材料专业

现代材料的合成与加工不仅涉及到微观和宏观范围

内的内容，同时也涉及到更微细化，甚至达到了原子尺

度范围上的问题，因此，这里论述的合成与加工的内涵

要大于通常所说的材料工程的内涵。

需要注意和说明的问题

·在材料科学与工程中，合成和加工之间的区别

变得越来越模糊

·合成是新技术开发和现有技术改进的关键性要素

·现代材料合成技术是人造材料的唯一实现途径

材料科学概论-材料学纲要2011级材料专业

二．材料的加工

传统意义上，材料的加工范畴包括四个方面：

材料的切削：

车、铣、刨、磨、切、钻

材料的成型：

铸造、拉、拔、挤、压、锻

材料的改性：

合金化、热处理

材料的联接：

焊接、粘接

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三束表面改性

合

金

化

金

属

元

素

激光束

电子束

---组织变化

非

晶

化

均

匀

化

细

晶

化

离子束

材料科学概论-材料学纲要2011级材料专业

---成分、组织变化

材料的性质

材料性质：

指材料的功能和性能，即材料的特性。

材料的性能：

材料对外部作用（力、热、电、磁等）

的反应行为。

如，强度、延性、耐热性、抗氧化、耐腐蚀等。

材料的功能：

材料对应于某种输入信号所发生的质或量

变化或产生的效应。

如，热电效应、压电效应、电磁效应、光电效应、

耐震、分离和吸附等。

材料科学概论-材料学纲要2011级材料专业

材料性质：

是功能特性和效用的描述符，是材料

对电.磁.光.热.机械载荷的反应。

材料性质描述

力学性质

·强度

·硬度

·刚度

·塑性

物理性质

·电学性质

·磁学性质

·光学性质

化学性质

·催化性质

·防化性质

·韧性

材料科学概论-材料学纲要2011级材料专业

·热学性质

结构材料性质的表征----材料力学性质

强度：

材料抵抗外应力的能力。

塑性：

外力作用下，材料发生不可逆的永久性变形

而不破坏的能力。

硬度：

材料在表面上的小体积内抵抗变形或破裂的

能力。

刚度：

外应力作用下材料抵抗弹性变形能力。

疲劳强度：

材料抵抗交变应力作用下断裂破坏的能力。

抗蠕变性：

材料在恒定应力（或恒定载荷）作用下

抵抗变形的能力。

韧性：

材料从塑性变形到断裂全过程中吸收能量的能力。

材料科学概论-材料学纲要2011级材料专业

材料物理性能

1.电学性能表征

导电率

电阻率

介电常数

……

3.光学性能表征

光反射率

光折射率

光损耗率

……

材料科学概论-材料学纲要2011级材料专业

2.磁学性能表征

磁导率

矫顽力

磁化率

……

4.热学性能表征

热导率

热膨胀系数

熔点

比热

……

材料的使用性能

使用性能：

是指材料在最终使用状态（产品、

元件）下表现出的行为。

使用性能描述符

可靠性、耐用度、寿命、性能价格比、安全性，

及材料固化为产品后，表征产品优良程度的各种

性能指标，如飞行速度.使用温度等。

材料科学概论-材料学纲要2011级材料专业

性质与使用性能的区别与关系

环境

成分

使用

结构

性质

性能

规范

性能是包括材料在内的整个系统特征的体现；

性质则是材料本身特征的体现。

材料科学概论-材料学纲要2011级材料专业

材料性能的本质来源？

重要的基本原理：

材料的性质（性能）取决于它的

组织结构。

同一种材料，当它的组织结构存在差异时，性质

会有明显的差异。

大量研究表明，从宏观到微观间各

层次上的各种结构与缺陷，对材料性质都有重大影响。

*材料组织结构与其成分、制备、加工、处理

方式等密切相关，因而具有不同的性能。

材料科学概论-材料学纲要2011级材料专业

性能定义：

在某种环境或条件作用下，为描述材料的行为

或结果，按照特定的规范所获得的表征参量。

性能是随着外因的变化而不断变化，是个渐变过程，

在这个过程中发生量变的积累，而性质保持质的相对稳定

性；当量变达到一个“度”时，将发生质变，材料的性质

发生根本的变化。

材料主要的失效形式

变形断裂磨损腐蚀

材料科学概论-材料学纲要2011级材料专业

材料设计的内容

材料设计贯穿于材料“四要素”的各个方面

成分结构设计

性质性能预测

合成加工过程的控制与优化

在材料科学研究及工程化应用中，材料人员应具备

这样一种能力：

能针对不同的使用环境，提取出关键的材料性质并

选择优良性能的材料。

材料科学概论-材料学纲要2011级材料专业

？

思考题

1．材料科学与工程的实质是什么？

2．材料的分类及用途？

3．影响材料性能的主要因素是什么？

4．晶体与原子间的结合力分为哪几种？

举出典型代表

物质。

5.晶体与非晶体的本质区别？

6.何为材料的结构和组织？

7.材料的性质主要包括哪些内容？

8.材料的制备和加工方法有哪些？

9.材料的失效形式有哪些？

材料科学概论-材料学纲要2011级材料专业

材料科学概论福建工程学院2011级材料专业

金属材料的地位和作用

·金属材料是人类发展和应用最古老的材料

—5000年前的“青铜时代

·在国民经济建设中使用的各种材料，金属历

来占主导地位。

·在重要的高技术发展中和大规模生产中，金

属材料是必不可少的。

·是能源、交通运输、车辆、船舶、建筑、机

械、冶金、通讯、仪器仪表、化工、航空航天

和家用电器的最基本的物质。

2013/1/8

纯金属和合金

纯金属：

周期表中的金属元素，分简单金属和

过渡族金属。

合金：

一种金属元素同另一种或几种其他元素，

通过熔化或其他方法结合在一起所形成的具有

金属特性的物质。

在实际应用中，大多数使用的是合金。

如铁

碳合金、铜合金、铝合金

固态合金有两类基本相：

固溶体和金属化合物。

2013/1/8

材料科学概论福建工程学院2011级材料专业

键合结构

晶体结构

金属键－电子共有、无饱和性、无方向性

特点：

良好的延展性、导电性和导热性，正的电阻温度

系数，有金属光泽，良好的塑性变形能力，强度韧性好。

2013/1/8

材料科学概论福建工程学院2011级材料专业

晶体结构

体心立方晶格（BCC）

典型金属：

W、Mo、V、Ti、Cr、α-Fe等

2013/1/8

材料科学概论福建工程学院2011级材料专业

晶体结构

面心立方晶格（FCC）

典型金属：

Al、Cu、Ni、Au、Ag、γ-Fe等

2013/1/8

材料科学概论福建工程学院2011级材料专业

晶体结构

密排六方晶格（HCP）

典型金属：

Mg、Cd、Zn、Be、Co等

2013/1/8

材料科学概论福建工程学院2011级材料专业

金属材料的缺陷

点缺陷

线缺陷

面缺陷

2013/1/8

材料科学概论福建工程学院2011级材料专业

金属材料的制备和加工

制备：

把各种原子或分子结合起来制成材料所采

用的各种化学方法和物理方法。

加工：

可以同样的方式使用，还可以指较大尺寸

上的改变，包括材料制造。

制备是新技术开发和现有技术改进的关键性要素

2013/1/8

材料科学概论福建工程学院2011级材料专业

金属材料的加工工艺—材料的切削

很多零部件在通过铸造、压力加工和焊接成形之后，

还要通过切削加工（也叫机加工）来提高其尺寸精度和表面

光洁度，或者获得其它手段不易得到的特殊的形状。

金属的

切削加工可分为车、铣、刨、钻和磨五种基本的方法。

此外，

还有一些特殊的切削方法，如化学蚀刻、电化学加工、超声

波加工、电火花加工和激光加工等，主要用于一些特定的精

度要求很高的场合。

切削过程基本上是零件的纯粹形状改变

过程，一般不引起材料内部组织和性能的变化（少量的加工

硬化除外），因此，对各种切削方法的选择主要是从其成形

能力和加工精度来考虑的。

另外，切削过程生产效率较低，

成本相当高，所以经济因素考虑也是一个很重要的指标。

如

除非精度要求必要，磨削一般尽量避免。

2013/1/8

材料科学概论福建工程学院2011级材料专业

铸造

--将室温中为液态但不久后将固化的物质倒入特

定形状的铸模待其凝固成形的加工方式。

1．可生产形状任意复杂的制件，特别是内腔形状复

杂的制件。

如汽缸体、汽缸盖、蜗轮叶片、床身件等。

2．适应性强：

（1）合金种类不受限制；

（2）铸件大小几乎不受限制。

3．成本低：

（1）材料来源广；

（2）废品可

重熔；

（3）设备投资低。

4．废品率高、表面质量较低、劳动条件差。

2013/1/8

材料科学概论福建工程学院2011级材料专业

金属材料的加工工艺—压力加工

对固态金属施加外力，通过塑性变形得到一定

形状尺寸和性能的制品的过程就是压力加工。

除了

在成形上的独特优势之外（如薄板、细丝），压力

加工的一个重要特点是可改善金属材料的机械性能。

通过再结晶细化晶粒，纤维流线的定向控制，晶粒

内偏析组织的均匀化，夹杂物及其它组织的破碎和

重新分布以及材料内部缩松的焊合等方式，都可以

提高材料的强度和韧性。

因此，加工工艺对材料性

能有至关重要的影响。

根据加工方式的不同，压力加工可分为锻造、

轧制、挤压、拉拔、冲压等过程。

根据加工温度的

不同，通常分为热加工和冷加工。

2013/1/8

材料科学概论福建工程学院2011级材料专业

金属材料的加工工艺—焊接

用加热、加压等工艺措施，使两分离表面产生原子间的结

合与扩散作用，从而获得不可拆卸接头的材料成形方法。

焊接成形的分类

1．熔化焊：

电弧焊（手工电弧焊、埋弧自动焊、气

体保护焊）、电渣焊、电子束焊、激光

焊、等离子弧焊等

2．压力焊：

电阻焊、摩擦焊、冷压焊、超声波焊、

爆炸焊、高频焊、扩散焊等

3．钎焊：

软钎焊、硬钎焊

2013/1/8

材料科学概论福建工程学院2011级材料专业

钢和铁的分类和区分

碳钢和铸铁：

是最广泛使用的金属材料，主要是

由铁和碳两种元素组成的合金。

工业纯铁：

w（C）≤0.0218%

亚共析钢

0.0218%＜w（C）＜0.77%

钢：

共析钢

过共析钢

w（C）=0.77%

0.77%＜w（C）≤2.11%

亚共晶白口铸铁

铸铁：

共晶白口铸铁

过共晶白口铸铁

2013/1/8

材料科学概论福建工程学院2011级材料专业

2.11%＜w（C）＜4.3%

w（C）=4.3%

4.3%＜w（C）＜6.69%

2013/1/8

材料科学概论福建工程学院2011级材料专业

材料的改性—合金化和热处理

材料的改性--通过改变材料的成分、组织与结构来

改变材料的性能

合金化是改善和提高钢的性能的重要途径之一。

合金元素加入钢中，与铁形成固溶体，或与碳形成碳

化物，在高合金钢中还可能形成金属间化合物。

——合

金钢。

合金元素的作用：

固溶强化、形成碳化物；影响热处

理工艺，加工工艺性能等；提高强度和硬度，减小脆性，

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