第二章材料科学与工程的四个基本要素.docx

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第二章材料科学与工程的四个基本要素

第二章材料科学与工程的四个根本要素

MSE四要素;

–运用机能,材料的性质,构造与成分,合成与加工

两个重要内容;

–仪器与装备,剖析与建模

§2.1性质与运用机能

1.基本概念

2.性质与机能的差别与关系

3.材料的掉效剖析

4.材料（产品）运用机能的设计

5.材料机能数据库

6.其它问题

基本内容

材料性质：

是功效特点和效用的描写符,是材料对电.磁.光.热.机械载荷的应.

材料性质描写

•力学性质;强度,硬度,刚度,塑性,韧性

物理性质;电学性质,磁学性质,光学性质,热学性质

化学性质;催化性质,防化性质

构造材料性质的表征----材料力学性质

强度：

材料抵抗外应力的才能.

塑性：

外力感化下,材料产生不成逆的永远性变形而不损坏的能

力.

硬度：

材料在概况上的小体积内抵抗变形或决裂的才能.

刚度：

外应力感化下材料抵抗弹性变形才能.

疲惫强度：

材料抵抗交变应力感化下断裂损坏的才能.

抗蠕变性：

材料在恒定应力（或恒定载荷）感化下抵抗变形的能力.

韧性：

材料从塑性变形到断裂全进程中接收能量的才能.

物理性质的交互性----材料运用的症结点

现代功效材料不但仅表示出单一的物理性质,更重要的是具备了特

殊的物理交互性.例如：

电学----机械电致伸缩

机械----电学压电特点

磁学----机械磁致伸缩

电学----磁学巨磁阻效应

电学----光学电致发光

机能界说

在某种情形或前提感化下,为描写材料的行动或成果,按照特定的

规范所获得的表征参量.

材料力学机能

1.强度表征：

弹性极限,屈从强度,比例极限……

2.塑性表征：

延长率δ,断面压缩率φ,冲杯深度h

3.硬度表征：

布氏硬度,洛氏硬度,维氏硬度……

4.刚度表征：

弹性模量,杨氏模量,剪切模量……

5.疲惫强度表征：

疲惫极限,疲惫寿命……

6.抗蠕变性表征：

蠕变极限,持久强度……

7.韧性表征：

断裂韧性KIC,断裂韧性JIC

材料物理机能

1.电学机能表征：

导电率,电阻率,介电常数……

2.磁学机能表征：

磁导率,矫顽力,磁化率……

3.光学机能表征：

光反射率,光折射率,光损耗率……

4.热学机能表征：

热导率,热膨胀系数,熔点,比热……

性质与机能的差别与关系

性质与运用机能的差别与关系

机能是跟着外因的变更而不竭变更,是个渐变进程,在这个进程中发

生量变的积聚,而性质保持质的相对稳固性;当量变达到一个“度”

时,将产生质变,材料的性质产生根本的变更.

须要留意的一点

在材料科学研讨及工程化运用中,材料人员应具备如许一种才能：

能

针对不合的运用情形,提掏出症结的材料性质并选择优秀机能的材料.

3.掉效剖析

----材料运用机能的重要研讨内容

三类重要的材料力学掉效情势

断裂磨损腐化

材料的断裂韧性

材料（产品）运用机能的设计

在材料运用机能（产品）设计的同时,力图改变传统的研讨及设计

路线,将材料性质同时斟酌进去,采纳并行设计的办法.

传统方法：

构造与功效－肯定材料的性质（选择材料）－完成设计

先辈方法：

构造与功效,材料的性质－完成设计

材料机能数据库

从事材料工程的人们必须重视材料机能数据库,因为;

1.材料机能数据库是材料选择的先决前提;

2.材料机能数据库是实现盘算机帮助选材（CAMS）.盘算机帮助设

计（CAD）.盘算机帮助制作（CAM）的基本.

国际材料数据库扶植简况

•英.美金属学汇合建金属材料数据库

•西方七国构成有关新材料数据及尺度的“凡尔赛筹划”

•原苏联及东欧列国构成了COMECON材料数据体系,包含16个数据库

•北京科技大学等单位结合建成材料腐化数据库

•武汉材料呵护研讨所建成材料磨损数据库

•北京钢铁研讨总院树立合金钢数据库

•航天航空部材料研讨所树立航天材料数据库

其它问题

重要构造材料的产量统计

§2.2成分与构造

1.材料的构造

2.成分构造检测技巧

材料的构造

键合构造,晶体构造,组织构造

材料的构造----晶体构造

晶体：

原子分列长程有序,有周期

非晶体：

原子分列短程有序,无周期

准晶体：

原子分列长程有序,无周期

材料的构造----组织构造

界说：

构成材料的不合物资暗示出的某种形态特点

相图特点;匀晶型组织,共晶型组织,包晶型组织

构造特点;fcc构造,bcc构造,hcp构造

组织特点;单相组织,两相组织,多相组织

成分.构造检测技巧

现代材料科学家对材料成分.构造的熟悉是由剖析.检测实现的.

成分剖析

化学剖析：

化验

物理剖析：

物理量间接测定

谱学剖析：

红外光谱.光电子能谱,等

构造剖析

2.2.3与其它要素的关系

是材料性质的原因

是合成加工的成果

材料的强度

金属材料的尺寸减小到必定值时,材料的工程强度值不再恒定,而

是敏捷增大,原因有两点：

1）按统计学道理盘算单位面积上的位错

缺点数量,因为截面减小而不克不及知足大样本空间时,这个数值不再

恒定;2）晶体构造越来越接近无缺点幻想晶体,强度值也就越接近

于理论强度值-----构造是机能的原因.

塑性加工

金属材料随塑性加工量的增大,组织构造产生显著的变更：

等轴晶---带状组织---细晶组织

------是加工的成果

材料的强韧化

----位错理论的树立

固溶强化,加工硬化,弥散强化,第二相强化,相变增韧

成分.构造数据库

»X衍射数据库：

树立了构造---测定参数的关系

»相图数据库：

树立了成分---相的关系

具有一种晶体构造的物资称为一相

注：

这两个数据库对材料科学家的研讨供给了极大的

便当,几乎所有材料合成的研讨都是从懂得上面

两个对应关系的研讨开端的.

成分.构造研讨范畴的新机会

准晶,准晶的构造,潜在的运用价值

纳米材料,纳米碳管,C60（巴基球）,等

界面科学

–超导体与基体的界面构造

–功效复合伙料的梯度界面

–半导体材料与封装材料的界面

–纤维加强体与基体的结合界面

以上新的研讨课题,都主如果环绕成分与构造睁开的,向上追溯到

材料的合成与加工,向下则牵联到材料的特点性质.可以说,这些

研讨是新材料新技巧的代表.

§2.3合成与加工

2.3.1界说

“合成”与“加工”是指树立原子.分子和分子团的新分列,在所有尺

度上（从原子尺寸到宏不雅尺度）对构造的掌握,以及高效而有竞争

力地制作材料与元件的演变进程.合成是指把各类原子或分子结合

起来制成材料所采取的各类化学办法和物理偏向.加工可以同样的

方法运用,还可以指较大尺度上的改变,包含材料制作.

须要解释的问题

在材料科学与工程中,合成和加工之间的差别变得越来越隐约

合成是新技巧开辟和现有技巧改良的症结性要素

现代材料合成技巧是人造材料的独一实现门路

2.3.2合成与加工的重要内容

材料制备

材料加工

概况工程

材料复合

一．材料的制备

冶金进程,熔炼与凝固,粉末烧结,高分子聚合

不合的材料制备办法,分离具有不合的材料科学基本内容,即：

冶金进程－冶金物理化学

熔炼与凝固－凝固学理论

粉末烧结－烧结道理

高分子聚合－聚合反响

冶金进程（化学冶金）

目标：

从原估中提掏出金属

内容:

火法冶金,熔盐电冶金,湿法冶金

熔炼与凝固（物理冶金）

目标:

１．金属的精练提纯

２．材料的“合金化”

３．晶体的发展

内容:

1.均衡凝固4.区域熔炼

2.快速凝固5.玻璃的熔炼

3.定向凝固6.熔融法提拉单晶

粉末烧结

目标:

１.粉末成型2.粉末颗粒的结合

内容:

1.粉末冶金技巧2.现代陶瓷材料的制备

高分子聚合

目标:

实现小分子产生化学反响,互相结合形成高分子.高分子

聚合是人工合成三大类高分子材料：

塑料.橡胶.合成纤维的基

本进程.

内容:

1.本体聚合3.悬浮聚合

2.乳液聚合4.溶液聚合

二．材料的加工

传统意义上,材料的加工范畴包含四个方面：

材料的切削：

车.铣.刨.磨.切.钻

材料的成型：

锻造.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

注：

从课程体系上剖析,材料的切削应在机械工程中重点评论辩论

材料的成型

三大类材料的成型技巧在材料工程中是内容最为丰硕的一部分.如

果按材料的流变特点来剖析,则材料的成型办法可分为三种：

１．液态成型金属的锻造.溶液纺丝

２．塑变成型金属的压力加工

3.流变成型金属.陶瓷.高分子成型

流变成型

金属的半固态成型

高分子材料的熔融成型

陶瓷泥料.浆料成型

玻璃的熔融浇注

材料的改性

目标：

经由过程改变材料的成分.组织与构造来改变材料的机能.

内容:

１.材料的“合金化”

2.材料的热处理

材料的热处理

经由过程必定的加热.保温.冷却工艺进程,来改变材料的相构成情形,

达到改变材料机能的办法.这种办法在金属材料和现代陶瓷材料的

改性方面有普遍的运用.

典范热处理工艺;淬火.退火.回火.正火

材料的联接

目标：

实现材料间的整体结合

内容:

1.焊接3.铆接

2.粘接4.栓接

三．材料概况工程

概况改性,概况防护,薄膜技巧

概况改性

----改变材料概况的性质

三束概况改性

化学概况改性（化学热处理）

概况淬火

从工艺机理上剖析,概况改性同整体材料的改性是雷同的,即：

在

概况实现材料的成分.组织与构造的变更,达到改变材料概况机能

的目标.不合点就是采取了特别的能量输入方法,使能量感化后果

或成分变更仅产生在概况.

概况防护

腐化防护

摩擦磨损防护

腐化防护

b大气腐化海水腐化工业介质腐化

由腐化造成的材料掉效量,占世界材料总产量的比例很高,腐化问

题十分轻微.是以,腐化防护异常重要.

美国八个工业部分对

材料性质的需求情形

化学反响

-----腐化的原因

主动防护

合金化,非晶化,高纯度,抗蚀材料

主动防护

概况涂镀,概况改性,概况钝化,电化学呵护

摩擦磨损防护

增长抗磨损性,增长润滑性

薄膜技巧

有很多种薄膜技巧可以或许在基材概况笼罩薄膜材料层,个中最重要的

两种办法是;

物理气相沉积PVD

化学气相沉积CVD

跟着材料科学技巧的不竭成长,薄膜技巧已不但仅是材料改性的手

段.更重要的是,现代薄膜技巧在高新技巧范畴,如：

微电子器件.

纳米构造与组装.光电子器件,等方面正施展着越来越重要的感化.

四．材料的复合

金属基复合伙料

陶瓷基复合伙料

高分子复合伙料

材料复合的重要目标就是根据不合伙料机能的优势互补.调和感化的原则,进行材料的设计与制备.是以材料复合的进程就是材料制备.改性.加工的同一进程.

复合伙料的制备进程融会了金属.陶瓷.高分子材料制备的基起源基本理.

今朝材料科学的成长,复合的概念越来越重要,消失了很多新型的复合伙料及制备办法.

现代材料的合成与加工不但涉及到微不雅和宏不雅规模内的内容,同时也涉及到更微细化,甚至达到了原子尺度规模上的问题,是以,这里阐述的合成与加工的内在要大于平日所说的材料工程的内在.

3.3.3与其它要素的关系

3.3.4成长趋向

在极端化的前提下,完成合成与加工进程,获得更多的功效特点.

•超纯前提------单晶硅晶