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

两个重要内容；

–仪器与设备，分析与建模

§2.1性质与使用性能

1.基础概念

2.性质与性能的区别与关系

3.材料的失效分析

4.材料（产品）使用性能的设计

5.材料性能数据库

6.其它问题

2.1.1基础内容

材料性质：

是功能特性和效用的描述符，是材料对电.磁.光.热.机械载荷的应。

材料性质描述

•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

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。

物理性质的交互性----材料应用的关键点

现代功能材料不仅仅表现出单一的物理性质，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----电学压电特性

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

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。

材料力学性能

1.强度表征：

弹性极限，屈服强度，比例极限……

2.塑性表征：

延伸率δ，断面收缩率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.疲劳强度表征：

疲劳极限，疲劳寿命……

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

材料物理性能

1.电学性能表征：

导电率，电阻率，介电常数……

2.磁学性能表征：

磁导率，矫顽力，磁化率……

3.光学性能表征：

光反射率，光折射率，光损耗率……

4.热学性能表征：

热导率，热膨胀系数，熔点，比热……

2.1.2性质与性能的区别与关系

性质与使用性能的区别与关系

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。

需要注意的一点

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。

3.失效分析

----材料使用性能的重要研究内容

三类主要的材料力学失效形式

断裂磨损腐蚀

材料的断裂韧性

3.1.4材料（产品）使用性能的设计

在材料使用性能（产品）设计的同时，力求改变传统的研究及设计

路线，将材料性质同时考虑进去，采取并行设计的方法。

传统方式：

结构与功能－确定材料的性质（选择材料）－完成设计

先进方式：

结构与功能，材料的性质－完成设计

2.1.5材料性能数据库

从事材料工程的人们必须注重材料性能数据库，因为；

1.材料性能数据库是材料选择的先决条件；

2.材料性能数据库是实现计算机辅助选材（CAMS）、计算机辅助设

计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）的基础。

国际材料数据库建设简况

•英、美金属学会合建金属材料数据库

•西方七国组成有关新材料数据及标准的“凡尔赛计划”

•原苏联及东欧各国组成了COMECON材料数据系统，包括16个数据库

•北京科技大学等单位联合建成材料腐蚀数据库

•武汉材料保护研究所建成材料磨损数据库

•北京钢铁研究总院建立合金钢数据库

•航天航空部材料研究所建立航天材料数据库

2.1.6其它问题

主要结构材料的产量统计

§2.2成分与结构

1.材料的结构

2.成分结构检测技术

3.与其它要素的关系

4.材料的成分.结构数据库

5.新的机遇

2.2.1材料的结构

键合结构，晶体结构，组织结构

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

材料的结构----组织结构

定义：

组成材料的不同物质表示出的某种形态特征

相图特征；匀晶型组织，共晶型组织，包晶型组织

结构特征；fcc结构，bcc结构，hcp结构

组织特征；单相组织，两相组织，多相组织

2.2.2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

结构分析

2.2.3与其它要素的关系

是材料性质的原因

是合成加工的结果

材料的强度

金属材料的尺寸减小到一定值时，材料的工程强度值不再恒定，而

是迅速增大，原因有两点：

1）按统计学原理计算单位面积上的位错

缺陷数目，由于截面减小而不能满足大样本空间时，这个数值不再

恒定；2）晶体结构越来越接近无缺陷理想晶体，强度值也就越接近

于理论强度值-----结构是性能的原因。

塑性加工

金属材料随塑性加工量的增大，组织结构发生明显的变化：

等轴晶---带状组织---细晶组织

------是加工的结果

材料的强韧化

----位错理论的建立

固溶强化，加工硬化，弥散强化，第二相强化，相变增韧

2.2.4成分、结构数据库

»X衍射数据库：

建立了结构---测定参数的关系

»相图数据库：

建立了成分---相的关系

具有一种晶体结构的物质称为一相

注：

这两个数据库对材料科学家的研究提供了极大的

便利，几乎所有材料合成的研究都是从了解上面

两个对应关系的研究开始的。

2.2.5成分、结构研究领域的新机遇

准晶，准晶的结构，潜在的应用价值

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结构

–功能复合材料的梯度界面

–半导体材料与封装材料的界面

–纤维增强体与基体的结合界面

以上新的研究课题，都主要是围绕成分与结构展开的，向上追溯到

材料的合成与加工，向下则牵联到材料的特征性质。

可以说，这些

研究是新材料新技术的代表。

§2.3合成与加工

1.定义

2.合成与加工的主要内容

3.与其它要素的关系

4.发展方向

2.3.1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。

需要说明的问题

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

2.3.2合成与加工的主要内容

材料制备

材料加工

表面工程

材料复合

一．材料的制备

冶金过程，熔炼与凝固，粉末烧结，高分子聚合

不同的材料制备方法，分别具有不同的材料科学基础内容，即：

冶金过程－冶金物理化学

熔炼与凝固－凝固学理论

粉末烧结－烧结原理

高分子聚合－聚合反应

冶金过程（化学冶金）

目的：

从原料中提取出金属

内容:

火法冶金，熔盐电冶金，湿法冶金

熔炼与凝固（物理冶金）

目的:

１．金属的精练提纯

２．材料的“合金化”

３．晶体的生长

内容:

1.平衡凝固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

目的:

１.粉末成型2.粉末颗粒的结合

内容:

1.粉末冶金技术2.现代陶瓷材料的制备

高分子聚合

目的:

实现小分子发生化学反应，相互结合形成高分子。

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

本过程。

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

注：

从课程体系上分析，材料的切削应在机械工程中重点讨论

材料的成型

三大类材料的成型技术在材料工程中是内容最为丰富的一部分。

如

果按材料的流变特性来分析，则材料的成型方法可分为三种：

１．液态成型金属的铸造、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

目的：

通过改变材料的成分、组织与结构来改变材料的性能。

内容:

１.材料的“合金化”

2.材料的热处理

材料的热处理

通过一定的加热、保温、冷却工艺过程，来改变材料的相组成情况，

达到改变材料性能的方法。

这种方法在金属材料和现代陶瓷材料的

改性方面有广泛的应用。

典型热处理工艺；淬火、退火、回火、正火

材料的联接

目的：

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．材料表面工程

表面改性，表面防护，薄膜技术

表面改性

----改变材料表面的性质

三束表面改性

化学表面改性（化学热处理）

表面淬火

从工艺机理上分析，表面改性同整体材料的改性是相同的，即：

在

表面实现材料的成分、组织与结构的变化，达到改变材料表面性能

的目的。

不同点就是采用了特殊的能量输入方式，使能量作用效果

或成分变化仅发生在表面。

表面防护

腐蚀防护

摩擦磨损防护

腐蚀防护

b大气腐蚀海水腐蚀工业介质腐蚀

由腐蚀造成的材料失效量，占世界材料总产量的比例很高，腐蚀问

题十分严重。

因此，腐蚀防护非常重要。

美国八个工业部门对

材料性质的需求情况

化学反应

-----腐蚀的原因

主动防护

合金化，非晶化，高纯度，抗蚀材料

被动防护

表面涂镀，表面改性，表面钝化，电化学保护

摩擦磨损防护

增加抗磨损性，增加润滑性

薄膜技术

有许多种薄膜技术能够在基材表面覆盖薄膜材料层，其中最重要的

两种方法是；

物理气相沉积PVD

化学气相沉积CVD

随着材料科学技术的不断发展，薄膜技术已不仅仅是材料改性的手

段。

更重要的是，现代薄膜技术在高新技术领域，如：

微电子器件、

纳米结构与组装、光电子器件，等方面正发挥着越来越重要的作用。

四．材料的复合

金属基复合材料

陶瓷基复合材料

高分子复合材料

材料复合的主要目的就是依据不同材料性能的优势互补、协调作用的原则，进行材料的设计与制备。

因此材料复合的过程就是材料制备、改性、加工的统一过程。

复合材料的制备过程融合了金属、陶瓷、高分子材料制备的基本原理。

目前材料科学的发展，复合的概念越来越重要，出现了许多新型的复合材料及制备方法。

现代材料的合成与加工不仅