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 材料科学与工程得四个基本要素
MSＥ四要素；
–使用性能，材料得性质,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、性质与性能得区别与关系
3、材料得失效分析
4、材料（产品）使用性能得设计
5、 材料性能数据库
6、其它问题
2、1、1基础内容
材料性质：
就是功能特性与效用得描述符,就是材料对电、磁、光、热、机械载荷得应。
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
结构材料性质得表征———－材料力学性质
强度：
材料抵抗外应力得能力.
塑性:
外力作用下,材料发生不可逆得永久性变形而不破坏得能
力。
硬度:
材料在表面上得小体积内抵抗变形或破裂得能力。
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得能力.
抗蠕变性:
材料在恒定应力（或恒定载荷）作用下抵抗变形得能 力.
韧性：
材料从塑性变形到断裂全过程中吸收能量得能力.
物理性质得交互性－--—材料应用得关键点
现代功能材料不仅仅表现出单一得物理性质，更重要得就是具备了特
殊得物理交互性。
例如:
电学-－—－机械ﻩ电致伸缩
机械--—-电学ﻩ压电特性
磁学-——-机械ﻩﻩ磁致伸缩
电学-—-－磁学ﻩ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，为描述材料得行为或结果，按照特定得
规范所获得得表征参量。
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性质与性能得区别与关系
性质与使用性能得区别与关系
性能就是随着外因得变化而不断变化，就是个渐变过程,在这个过程中发
生量变得积累，而性质保持质得相对稳定性；当量变达到一个“度”
时,将发生质变,材料得性质发生根本得变化。
需要注意得一点
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
针对不同得使用环境,提取出关键得材料性质并选择优良性能得材料。
3、失效分析
－--－材料使用性能得重要研究内容
三类主要得材料力学失效形式
断裂 磨损 腐蚀
材料得断裂韧性
3、1、4材料（产品）使用性能得设计
在材料使用性能（产品）设计得同时，力求改变传统得研究及设计
路线,将材料性质同时考虑进去,采取并行设计得方法。
传统方式：
结构与功能—确定材料得性质（选择材料）－完成设计
先进方式:
结构与功能，材料得性质－完成设计
２、1、5材料性能数据库
从事材料工程得人们必须注重材料性能数据库，因为；
1、材料性能数据库就是材料选择得先决条件;
2、材料性能数据库就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）得基础。
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得“凡尔赛计划"
•原苏联及东欧各国组成了ＥCＯＮ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
主要结构材料得产量统计
§２、2成分与结构
1、材料得结构
2、 成分结构检测技术
3、与其它要素得关系
4、材料得成分、结构数据库
5、新得机遇
2、2、1材料得结构
键合结构，晶体结构,组织结构
材料得结构—-－－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
材料得结构—－-—组织结构
定义:
组成材料得不同物质表示出得某种形态特征
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、结构得认识就是由分析、检测实现得。
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与其它要素得关系
就是材料性质得原因
就是合成加工得结果
材料得强度
金属材料得尺寸减小到一定值时,材料得工程强度值不再恒定,而
就是迅速增大,原因有两点:
1）按统计学原理计算单位面积上得位错
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－--—－结构就是性能得原因。
塑性加工
金属材料随塑性加工量得增大，组织结构发生明显得变化:
等轴晶－—-带状组织——-细晶组织
-——-——就是加工得结果
材料得强韧化
-－－－位错理论得建立
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-—－测定参数得关系
»相图 数据库:
建立了 成分——-相得关系
具有一种晶体结构得物质称为一相
注:
这两个数据库对材料科学家得研究提供了极大得
便利，几乎所有材料合成得研究都就是从了解上面
两个对应关系得研究开始得。
2、2、5成分、结构研究领域得新机遇
准晶，准晶得结构，潜在得应用价值
纳米材料,纳米碳管,C60（巴基球）,等
界面科学
–超导体与基体得界面结构
–功能复合材料得梯度界面
–半导体材料与封装材料得界面
–纤维增强体与基体得结合界面
以上新得研究课题，都主要就是围绕成分与结构展开得，向上追溯到
材料得合成与加工，向下则牵联到材料得特征性质。
可以说,这些
研究就是新材料新技术得代表。
§2、３合成与加工
１、定义
2、合成与加工得主要内容
３、与其它要素得关系
4、发展方向
2、３、1定义
“合成”与“加工"就是指建立原子、分子与分子团得新排列,在所有尺
度上（从原子尺寸到宏观尺度）对结构得控制，以及高效而有竞争
力地制造材料与元件得演化过程。
合成就是指把各种原子或分子结合
起来制成材料所采用得各种化学方法与物理方向。
加工可以同样得
方式使用，还可以指较大尺度上得改变，包括材料制造。
需要说明得问题
在材料科学与工程中,合成与加工之间得区别变得越来越模糊
合成就是新技术开发与现有技术改进得关键性要素
现代材料合成技术就是人造材料得唯一实现途径
2、3、2合成与加工得主要内容
材料制备
材料加工
表面工程
材料复合
一.材料得制备
冶金过程，熔炼与凝固，粉末烧结，高分子聚合
不同得材料制备方法，分别具有不同得材料科学基础内容，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）
目得:
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）
目得:
１。
金属得精练提纯
2。
材料得“合金化"
3。
晶体得生长
内容：
１、平衡凝固 4、区域熔炼
2、快速凝固 5、玻璃得熔炼
３、定向凝固 ６、熔融法提拉单晶
粉末烧结
目得：
１、 粉末成型 2、粉末颗粒得结合
内容：
１、粉末冶金技术2 、现代陶瓷材料得制备
高分子聚合
目得:
实现小分子发生化学反应，相互结合形成高分子。
高分子
聚合就是人工合成三大类高分子材料：
塑料、橡胶、合成纤维得基
本过程.
内容：
1、 本体聚合3、悬浮聚合
ﻩ 2、乳液聚合ﻩ4、 溶液聚合
二．材料得加工
传统意义上，材料得加工范畴包括四个方面：
材料得切削：
车、铣、刨、磨、切、钻
材料得成型:
铸造、拉、拔、挤、压、锻
材料得改性:
合金化、热处理
材料得联接：
焊接、粘接
注：
从课程体系上分析，材料得切削应在机械工程中重点讨论
材料得成型
三大类材料得成型技术在材料工程中就是内容最为丰富得一部分。
如
果按材料得流变特性来分析,则材料得成型方法可分为三种:
1。
液态成型 金属得铸造、溶液纺丝
２。
塑变成型金属得压力加工
3、 流变成型金属、陶瓷、高分子成型
流变成型
金属得半固态成型
高分子材料得熔融成型
陶瓷泥料、浆料成型
玻璃得熔融浇注
材料得改性
目得：
通过改变材料得成分、组织与结构来改变材料得性能.
内容:
１、材料得“合金化”
２、材料得热处理
材料得热处理
通过一定得加热、保温、冷却工艺过程，来改变材料得相组成情况，
达到改变材料性能得方法.这种方法在金属材料与现代陶瓷材料得
改性方面有广泛得应用。
典型热处理工艺;淬火、退火、回火、正火
材料得联接
目得:
实现材料间得整体结合
内容：
1、焊接3、 铆接
ﻩ 2、 粘接ﻩ4、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
----改变材料表面得性质
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得改性就是相同得，即:
在
表面实现材料得成分、组织与结构得变化,达到改变材料表面性能
得目得。
不同点就就是采用了特殊得能量输入方式，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
由腐蚀造成得材料失效量，占世界材料总产量得比例很高,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
材料性质得需求情况
化学反应
--—－—腐蚀得原因
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,其中最重要得
两种方法就是；
物理气相沉积 PＶD
化学气相沉积ＣVＤ
随着材料科学技术得不断发展，薄膜技术已不仅仅就是材料改性得手
段。
更重要得就是,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得作用。
四.材料得复合
金属基复合材料
陶瓷基复合材料
高分子复合材料
材料复合得主要目得就就是依据不同材料性能得优势互补、协调作用得原则，进行材料得设计与制备。
因此材料复合得过程就就是材料制备、改性、加工得统一过程.
复合材料得制备过程融合了金属、陶瓷、高分子材料制备得基本原理.
目前材料科学得发展，复合得概念越来越重要,出现了许多新型得复合材料及制备方法。
现代材料得合成与加工不仅涉及到微观与宏观范围内得内容，同时也涉及到更微细化,甚至达到了原子尺度范围上得问题,因此，这里论述得合成与加工得内涵要大于通常所说得材料工程得内涵。
3、3、３与其它要素得关系
3、3、4发展趋势
在极端化得条件下，完成合成与加工过程，获得更多得功能特性。
•超纯条件－-—-－-单晶硅晶片
•高压条件－---—-人工金刚石
•低温条件－-－－——超导体
•超细条件－——－--纳米材料
电子材料合成与加工得关键技术
●大尺寸、高均匀性、高完整性得晶体生长技术;
●高精度晶片加工技术;
●MＯCＶD、MBＥ超薄膜生长技术；
●高纯与超高纯材料纯制技术；
●低维材料得微细加工与制备技术;
●高均匀超细粉体制备技术；
●电子陶瓷、磁性材料得焙烧与成型技术;
●材料得修饰或改性技术;
§３、4仪器与设备
1、成分、结构表征仪器
2、材料性能得检测仪器
３、合成与加工过程中使用得设备
4、过程控制得探测元件及装置
成分结构表征仪器
ﻩ材料成分结构得表征仪器就是从事材料科学研究必备得手段,如同天
文望远镜将人类视野带到了一个遥远得宇宙空间一样,材料成分结
构表征仪器则将我们得观察引进一个更为绚丽多彩得微观世界.
随着仪器能检测到得下限值不断减小，材料研究者所获取得信息也
在不断增多,对材料本质得认识也在不断加深.
ﻩ材料科学研究使用得仪器、设备得精密程度代表了一个国家得综合
科技水平。
材料表面科学中使用得仪器
扫描隧道显微镜双准直离子散射仪高分辨率电子损耗光谱仪
角分辨光电子能谱仪俄歇能谱仪 低能电子衍射仪
低能电子显微镜自旋极化测量场离子显微镜原子探针
材料性能得测定仪器
材料性能得测定仪器就是将性能得三要素（外界环境、表现行为、表
征参量）融合在一个系统中完成，即,由仪器输入或模拟一个使用
环境（条件），使受测材料发生响应（结果）,然后仪器再将响应得
模拟信号转变为数字信号表现出来（数值）。
有许许多多种材料得力学、物理、化学单项性能，每种性能都分别
对应了相应得测定方法与仪器。
这些仪器构成了一个庞大得材料性
能测定仪器家族.
合成与加工设备
材料合成与加工过程就是在一个限定得空间，在给定得条件下进行得。
用以满足空间需求与提供外加条件得各种装置或部件得组合就构
成了材料合成与加工设备得主体。
同时,设备中还包含了关键得控
制系统。
空间条件：
各类反应容器、坩埚、熔炼炉
外力条件:
气压、液压、机械压制、冲击力（波）
介质环境：
真空设备、不同得气氛条件
能量供给：
电力系统、加热装置、辐照装置、激光发生器
物质输送:
气、液管路、机械进给装置
过程控制得探测元件与装置
传感器就是控制系统“感知"加工过程得“器官”。
传感器从过程中获得得信号主要包括：
声、光、电、磁、热、压力、流速、浓度，等
用于传感器得无机非金属敏感材料
§2、5分析与建模（材料设计）
1、 引言
2、 材料设计得基本内容
3、 材料设计计算机基础
1、引言
随着材料科学得飞速发展，新型材料不断涌现，与此同时,人类社
会得整体科技水平也在不断得提高,因此对材料科学又提出了更高
得要求。
传统“炒菜式"得材料研制方法已不能满足人们得要求。
“材料设计”应
运而生
核心问题：
用什么样得配方，什么样得合成加工条件，来获取具有什么样得成分、
结构与性质得材料。
“材料设计”构想始于50年代,80年代后实现“材料设计”得条件渐趋成熟。
表现在以下三个方面：
1）基础理论得形成与发展
量子力学，统计力学，能带理论,化学键理论等理论科学得发展使人们对材料得结构与性质得关系有了系统得了解；
2）计算机科学技术得发展
计算机高速运算,模式识别,数据库技术等技术得发展,为材料设计与过程仿真得实施提供了手段；
3）合成与加工新技术得涌现
各种新型材料合成加工技术为材料设计方案得实施提供了条件,同时材料智能加工又为合成加工得优化开辟了新方向。
材料设计得内容
材料设计贯穿于材料“四要素”得各个方面,即:
◆成分结构设计
◆性质性能预测
◆合成加工过程得控制与优化
微观结构设计
案例1:
杂化材料
将性质截然不同得材料在原子、分子水平上均匀混合，形成原子、分
子层次得复合材料
例如：
高分子聚乙烯与难熔重金属钨得杂化材料
同传统复合材料得区别：
复合材料ﻩ不同得组成相复合
杂化材料不同得组成原子（分子）复合
同固溶体得区别：
固溶体热力学平衡体系
杂化材料 ﻩ热力学非平衡体系
案例2：
晶体结构计算
通过对原子排列得计算,可以了解到晶体材料得晶体学结构。
案例３：
金属间化合物预报
金属间化合物：
处于相图中间得除固溶体以外得合金相。
许多金属间
化合物都就是重要得功能材料,如:
储氢材料，超导材料,磁性材料，
高温结构材料,磁滞伸缩材料等.
案例４:
超晶格结构设计
超晶格结构:
通过外延生长得方法,使两种材料以极薄得薄膜方式交
替叠合，从而沿生长方向在原晶格常数为a（几个埃）得晶格势场上,
引入了一个周期为d（100埃数量级）得一维周期势,这种一维周期
势结构就称为超晶格结构。
超晶格结构使原来得能带分裂为一系列微小能带，可使电子能够在这
些微能带间发生跃迁,从而导致各种新得物理现象产生。
如：
量子尺
寸效应、室温激子非线性光子效应、迁移率增强效应、量子霍耳效应、
共振隧穿效应。
利用超晶格结构得概念，在原子尺度上进行材料得组份及结构参数设
计，改变材料得能带结构，采用先进得制备方法,人工合成各式奇特
物理性质得新材料与新器件
-—能带工程
制备方法:
ﻩ分子束外延（MBE）
ﻩ金属有机化合物化学
气相沉积（ＭOCVD）
化学束外延（CBE）
原子层外延（ALE）
连续介质得材料设计
重要得四个材料设计领域
各种物理场得数值模拟
合金得微观组织形成
断裂力学分析
复合材料得界面梯度设计
各种物理场得数值模拟
1、模拟热传导过程
2、模拟 应力应变状态
3、模拟物质扩散过程
4、模拟流体传输过程
5、模拟 电磁场分布规律
合金显微组织得形成
建模在合金凝固过程中得重要作用。
特别就是对于大型或特大型铸件，
为保证浇注过程得一次成功与避免经济损失，进行全过程得计算机仿
真就是极其必要得.
不同加工条件下获得得组织,将表现出不同得材料性能。
这些加工条
件包括许多因素,如：
成分、温度梯度及方向、重力、振动、杂质元
素、杂质相、液固界面等。
将这些因素得物理表征参量包括在一个数
学模型中,即模型建立，通过计算机数值计算及对结果得计算机仿真,
就可以了解到合金凝固过程及凝固得组织特征。
断裂得分析
材料中裂纹得形成与扩展得研究就是微观断裂力学得核心问题.
裂纹扩展过程中，裂纹、纤维（晶须）、
基体三元素体系得变化情况：
•纤维拔断
•纤维拔出
•纤维与基体间滑动
•纤维（晶须）偏转
•纤维周围得应力状态改变
裂纹扩展过程中能量得增量
•⊿E = E1+ E2+ －——+E5 （数学模型）
•对数学模型得数值计算，能够获得材料得宏观抗断裂性能-－－-定量预测
复合材料得界面梯度设计
太空飞行器表面防护材料得梯度设计
表面防护材料得梯度设计得主要内容就就是进行由表层到内部得材料
成分、结构得梯度设计，从而降低不同材料结合面之间得应力梯度。
宏观系统得全过程或全因素得设计
物质流与能量流得平衡设计
过程中得全因素优化设计
材料得智能加工
全过程、全因素优化设计
全过程
材料得设计ﻩﻩ合成与加工
支持与维护废弃与回收
全因素
性能指标加工性
失效分析ﻩﻩ成本指标
环境因素（包括能源、资源、环境）
在材料得制造－—废弃得全过程中，对设计得各种因素进行综合得优化
设计,将就是材料科学与工程领域又一新得研究课题，需要材料科学
家,机械制造工程师，数学家,经济学家等各类人员密切合作方能
完成.
材料得智能加工
近年来,日本许多产品（特别就是汽车，电子元件）得质量有压倒美
国得趋势.为保持美国在国际上得优势，美国采取得对策之一就就是
材料得智能加工。
优 点：
ﻩ实现材料加工得自动化
提高材料得质量
提高性能得重现性
降低产品得废品率
3、材料设计得计算机基础
物理场得数值模拟
常用工程数学得计算机处理
几种重要得数学软件
计算机过程控制
物理场得数值模拟
常用工程数学得计算机处理
概率分布
误差分析
参数估计
数值分析
曲线拟合
最优化方法
推荐几种重要得数学应用软件
大型统计软件ﻩSＰSS
有限元数值计算及优化 ANSYS
具有多种数学功能MATHLAＢ
计算机过程控制
计算机接口技术
计算机图形学与图象处理技术
计算机实时控制
升级会员 