材料“四要素”是材料研究與應(yīng)用的共性基礎(chǔ)

EngineeringScience材料與社會概論材料的定義與分類材料的地位和作用材料科學(xué)與工程的形成和發(fā)展材料“四要素”是材料研究與 應(yīng)用的共性基礎(chǔ)第一章本章主要內(nèi)容：

什么是材料的“四要素”？

材料研究手段

成分/結(jié)構(gòu)材料科學(xué)與工程“四要素”制備/加工性質(zhì)§1.1什么是材料的“四要素”

使用性能材料科學(xué)與工程就是指出研究有關(guān)材料的組成、結(jié)構(gòu)、制備工藝流程與材料性能和用途關(guān)系的知識和它的應(yīng)用。力學(xué)性質(zhì)物理性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)強硬剛塑韌度度度性性電學(xué)性質(zhì)磁學(xué)性質(zhì)光學(xué)性質(zhì)熱學(xué)性質(zhì)催化性質(zhì)腐蝕性質(zhì)

1材料的性質(zhì)材料性質(zhì)：是功能特性和效用的描述符，是材料對電、磁、光、熱、機械載荷的反應(yīng)。

材料性質(zhì)描述材料的力學(xué)性質(zhì)材料的力學(xué)性質(zhì)：材料在外應(yīng)力作用下的行為。了解表征材料力學(xué)性能的一些參數(shù)及其物理意義。彈性：反映晶格中原子在外力作用下自平衡位置產(chǎn)生可逆位移的力學(xué)性能之一。

塑性：外力作用下，材料發(fā)生不可逆的永久性變形而不破壞的能力。強度：材料在載荷作用下抵抗明顯的塑性變形或破壞的最大能力。剛度：材料力學(xué)中的彈性模量。它的物理意義是指材料產(chǎn)生單位彈性的相對變形所需的應(yīng)力。外應(yīng)力作用下材料抵抗彈性變形能力。韌性：材料從塑性變形到斷裂全過程吸收能量的能力。硬度：材料在表面上的小體積內(nèi)抵抗變形或破裂的能力。電學(xué)性質(zhì) 導(dǎo)電性 絕緣性 介電性光學(xué)性質(zhì) 光反射 光折射光學(xué)損耗 光透性熱學(xué)性質(zhì) 導(dǎo)熱性 熱膨脹 熱容 熔化注：上面只列出了材料的主要物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì)

材料的物理性質(zhì)磁學(xué)性質(zhì) 抗磁性 順磁性 鐵磁性

材料的物理性質(zhì)

物理性質(zhì)的交互性----材料應(yīng)用的關(guān)鍵點現(xiàn)代功能材料不僅僅表現(xiàn)出單一的物理性質(zhì)，更重要的是具備了特殊的物理交互性。例如：

電學(xué)----機械 機械----電學(xué)磁學(xué)----機械電學(xué)----磁學(xué)電學(xué)----光學(xué)電致伸縮壓電特性磁致伸縮 巨磁阻效應(yīng)電致發(fā)光

SN

電信號磁致伸縮機械震動

磁致伸縮 液位計

材料的物理性質(zhì)電致伸縮----壓電特性巨磁阻效應(yīng):是指磁性材料的交變阻抗隨外磁場顯著變化的效應(yīng)。電致發(fā)光：在電場的作用下電子在發(fā)光層內(nèi)高速運動，激活發(fā)光材料原子使其發(fā)生能級躍遷而發(fā)光。材料的物理性質(zhì)材料的化學(xué)性質(zhì)材料的腐蝕:材料受環(huán)境介質(zhì)的化學(xué)、電化學(xué)作用而引起的變質(zhì)或破環(huán)現(xiàn)象，分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。催化性質(zhì)：能夠加速化學(xué)反應(yīng)，且在反應(yīng)前后材料自身不被消耗。1）材料成分結(jié)構(gòu)的分類2）材料結(jié)構(gòu)的特點3）材料成分結(jié)構(gòu)的表征方法4）材料成分、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫5）材料成分結(jié)構(gòu)與其它要素的關(guān)系2材料的成分與結(jié)構(gòu)a.建立材料的性質(zhì)由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)所決定，各種材料都具有不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)這一概念；b.明確內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)有幾個不同的層次；c.明確不同層次的結(jié)構(gòu)對性能有不同的影響。2材料的成分與結(jié)構(gòu)鍵合結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)1）材料成分結(jié)構(gòu)的分類2材料的成分與結(jié)構(gòu)2材料的成分與結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)包括不同晶體結(jié)構(gòu)和非晶體，以及顯微鏡下的微觀結(jié)構(gòu)，哪些主要因素能夠影響和改變結(jié)構(gòu)？只有了解了這些才能實現(xiàn)控制結(jié)構(gòu)的目的。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括四個層次：①原子的電子結(jié)構(gòu)；②結(jié)合鍵；③原子的排列結(jié)構(gòu)（~10-10m）；④顯微組織（10-7~10-10m）；2材料的成分與結(jié)構(gòu)（1）原子的電子結(jié)構(gòu)與結(jié)合鍵

a.原子核外的電子數(shù)量、排布決定了原子核對其價電子吸引能力的大小，電負性就是表征原子這種特性的一個物理量。

b.正是由于原子對價電子占有方式的不同，當由原子形成材料時，便產(chǎn)生了離子鍵、共價鍵、金屬鍵、分子鍵。

c.元素間的電負性差對于形成什么樣的鍵有一定的規(guī)律性。

d.不同的結(jié)合鍵對材料性能有著根本的影響，可據(jù)此將材料分成金屬、無機非金屬、高分子材料等大類。鍵合結(jié)構(gòu)離子建共價鍵金屬鍵化學(xué)鍵陶瓷材料高分子材料、陶瓷材料SiC金屬材料結(jié)合能材料結(jié)構(gòu)的分類：氫鍵分子鍵物理鍵結(jié)合能冰（H2O）鹵族晶體鍵合結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)的分類：注：①實際上的凝聚態(tài)材料的鍵合情況往往不是單一的，而是混合的，如周期表中II－VI族元素及III－V族元素形成的化合物，其結(jié)合鍵就既有離子鍵的成份也有共價鍵的成份。對II－VI族化合物來說，離子鍵是主要的；對III－V族化合物，共價鍵是主要的。

②電負性是一個非常有用的概念，可用來定性判斷形成凝聚態(tài)所采取的結(jié)合類型：

a.當兩個成鍵原子的電負性相差很大時，如周期表中I－VII族元素組成的化合物，主要是離子鍵；

b.電負性相差小的元素的原子之間成鍵，主要是共價鍵，也有一定的離子鍵成份，價電子不僅為兩原子共享，而且應(yīng)偏向于電負性大的原子一邊；

c.

同種原子之間成鍵，由于電負性相同，可以是共價鍵，也可能是金屬鍵。

③材料的鍵合方式?jīng)Q定其性能。在熔點、硬度上反映明顯。鍵合結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)的分類：原子排列方式：在組成元素相同，結(jié)合鍵類型相同的情況下，原子排列方式不同也會形成完全不同的材料。因此原子排列也是一種重要的結(jié)構(gòu)層次。晶體：原子原子或分子有規(guī)則排列的物質(zhì)稱之為晶體。

材料結(jié)構(gòu)的分類：晶體結(jié)構(gòu)晶體宏觀特征和微觀結(jié)構(gòu)的實驗驗證

從外表特征描述，晶體具有規(guī)則的幾何外形

晶體的本質(zhì)：晶體內(nèi)部質(zhì)點的有序排列

氯化鈉晶體氯化鈉內(nèi)部質(zhì)點排列掃描隧道顯微鏡所探測到的石墨層面的碳原子排列

材料結(jié)構(gòu)的分類：

晶體準晶體非晶體晶體結(jié)構(gòu)

原子排列長程有序，無周期。原子排列長程有序，有周期原子排列短程有序，無周期。非晶態(tài)固體的性能是各向同性的晶體周期性

布喇菲(Bravais)空間點陣學(xué)說：理想晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是組成晶體的原子、分子或原子團等在三維空間中有規(guī)則地周期性重復(fù)排列，這種周期性排列是晶體最基本的特點，也是研究晶體各種物理性質(zhì)的重要基礎(chǔ)。

◎布喇菲點陣

組成晶體的原子、離子、分子或原子團統(tǒng)稱為晶體的基本結(jié)構(gòu)單元，簡稱基元。

為了簡單明了地認識晶體的幾何規(guī)則性，我們可以把晶體中的基元用處在那個位置的幾何點來代替，這樣就得到了一個晶體基元周期性排列的點的集合，它就稱為“晶格”（或點陣），這些點被稱為格點。因此，可以說晶體的結(jié)構(gòu)是由組成晶體的基元加上空間點陣來決定的。

材料結(jié)構(gòu)的分類：晶體結(jié)構(gòu)晶胞

為了描述晶體在微觀空間里原子的排列，無需畫出千千萬萬個原子，只需在晶體微觀空間里取出一個基本結(jié)構(gòu)單元即可。這個描述晶體基本結(jié)構(gòu)的單元稱為晶胞。晶體的一個基本結(jié)構(gòu)單元，形狀為平行六面體晶體的最小重復(fù)單元，晶體通過晶胞在空間平移無隙地堆砌而成

材料結(jié)構(gòu)的分類：晶體結(jié)構(gòu)晶胞的大小與形狀晶胞參數(shù)（點陣參數(shù)）表示是描述晶胞尺寸和形狀的參數(shù)，它包括晶胞各邊的長度a、b、c和各邊之間的夾角α、β、γ

材料結(jié)構(gòu)的分類：晶體結(jié)構(gòu)立方晶胞5.628埃5.628埃14種空間點陣

材料結(jié)構(gòu)的分類：晶體結(jié)構(gòu)典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)體心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格原子排列特征晶格常數(shù)a＝b＝c，α＝β＝γ＝90°

a＝b＝c，α＝β＝γ＝90°

a=b≠c，=1.633，α=β=90o，γ=120o

原子半徑r＝0.433ar=0.354ar=0.5a晶胞含原子數(shù)246配位數(shù)81212致密度0.680.740.74

具有面心立方結(jié)構(gòu)的常見金屬有:γ-Fe、Al、b

-Co、Ni、Cu、Ag、Au、Pt，等

具有體心立方結(jié)構(gòu)的常見金屬有：b

-Ti、V、Cr、a

-Fe、b

-Zr、Nb、Mo、Ta、W

等

具有密排六方結(jié)構(gòu)的常見金屬有：a

-Ti、a

-Zr、Co、Mg、Zn等金屬所具有的典型晶體結(jié)構(gòu)為面心立方結(jié)構(gòu)（fcc）（圖2-27），體心立方結(jié)構(gòu)（bcc）（圖2-28）和密排六方結(jié)構(gòu)（hcp）（圖2-29）。組織結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)的分類：相與組織：組成元素相同、結(jié)合鍵類型相同、原子排列方式也相同的材料也可以有不同的性能。也就是說還有影響性能的微觀結(jié)構(gòu)規(guī)律存在，這就是組織。構(gòu)成組織的基本單元是相。相是材料中具有同樣聚集狀態(tài)、同樣原子排列特征和性質(zhì)并以界面隔開的均勻組成部分；組織是由幾個相組成，各個相的相對量、尺寸、形態(tài)、分布的不同都會形成不同的組織。組織對材料的強度、塑性等有重要影響。組織比原子結(jié)合鍵及原子排列方式更易隨加工工藝而變化。因此組織是一個非常敏感而重要的結(jié)構(gòu)因素。組織結(jié)構(gòu)定義：組成材料的不同物質(zhì)表示出的某種形態(tài)特征材料結(jié)構(gòu)的分類：鐵-碳相圖相圖：是描述系統(tǒng)的狀態(tài)、溫度、壓力及成份之間關(guān)系的一種圖解。

組織結(jié)構(gòu)定義：組成材料的不同物質(zhì)表示出的某種形態(tài)特征材料結(jié)構(gòu)的分類：各種組織形貌組織結(jié)構(gòu)定義：組成材料的不同物質(zhì)表示出的某種形態(tài)特征材料結(jié)構(gòu)的分類：圖2-55共析鋼的組織

(a)片狀珠光體(b)球狀珠光體組織結(jié)構(gòu)定義：組成材料的不同物質(zhì)表示出的某種形態(tài)特征相圖特征共晶白口鐵共析鋼勻晶型組織共晶型組織包晶型組織

……材料結(jié)構(gòu)的分類：

定義：組成材料的不同物質(zhì)表示出的某種形態(tài)特征結(jié)構(gòu)特征馬氏體組織索氏體組織貝氏體組織…...馬氏體組織索氏體組織貝氏體組織組織結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)的分類：定義：組成材料的不同物質(zhì)表示出的某種形態(tài)特征組合特征單相組織兩相組織多相組織AlAl＋Al-Er相Al+Al6Mn+Al3Er組織結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)的分類：多尺度效應(yīng)穩(wěn)定性有序與無序材料的缺陷表面和界面

2材料的成分與結(jié)構(gòu)2）材料結(jié)構(gòu)的特點

微觀領(lǐng)域

[0,?]多尺度效應(yīng)材料結(jié)構(gòu)的特點：

介觀領(lǐng)域

[1~100nm]宏觀領(lǐng)域[μm,∞)小尺寸效應(yīng)介觀尺度

隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變，由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。

特殊的光學(xué)性質(zhì) 特殊的熱學(xué)性質(zhì) 特殊的磁學(xué)性質(zhì) 特殊的力學(xué)性質(zhì)材料結(jié)構(gòu)的特點：多尺度效應(yīng)小尺寸效應(yīng)特殊的光學(xué)性質(zhì)

所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都失去了原有的色 澤呈現(xiàn)為黑色，尺寸越小，顏色愈黑。 金屬超微顆粒對光的反射率很低，通?？傻陀趌

％，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個特性 可以作為高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料，可以高效 率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能。材料結(jié)構(gòu)的特點：多尺度效應(yīng)介觀尺度小尺寸效應(yīng)特殊的熱學(xué)性質(zhì)

納米化后材料的熔點將會顯著降低，當顆粒小于10

納米量級時尤為顯著。顆粒大小金熔點為

常態(tài)1064℃10nm

1037℃2nm

327℃材料結(jié)構(gòu)的特點：多尺度效應(yīng)介觀尺度小尺寸效應(yīng)特殊的磁學(xué)性質(zhì)

大塊的純鐵矯頑力約為80安／米，而當顆粒尺 寸減小到20nm以下時，其矯頑力可增加1千倍，若 進一步減小其尺寸，大約小于6nm時，其矯頑力反 而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。利用這些特性可制 備高貯存密度的磁記錄磁粉、磁性液體等新材料。材料結(jié)構(gòu)的特點：多尺度效應(yīng)介觀尺度性，納米銅在室溫下竟可延伸50多倍而“不折不撓”。小尺寸效應(yīng)

特殊的力學(xué)性質(zhì)

微米陶瓷材料是脆性材料，然而納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。 納米金屬具有超塑延展納米銅材料結(jié)構(gòu)的特點：多尺度效應(yīng)介觀尺度材料結(jié)構(gòu)的特點：有序與無序

晶態(tài)準晶態(tài)非晶態(tài)原子排列長程有序，有周期 原子排列長程有序，無周期 原子排列短程有序，無周期

有序無序材料的缺陷

材料結(jié)構(gòu)的特點：

點缺陷線缺陷面缺陷表面效應(yīng)納米材料

由于納米粒子尺寸減小造成表層原子數(shù)目和比表面積巨增，使納米粒子表現(xiàn)出特殊的性質(zhì)。材料結(jié)構(gòu)的特點：表面和界面1021×

1×1021×1021×1021×

1021

1cm3

6000m212×1021條

8×1021個

11cm36cm2

12 8

個數(shù)總體積總面積棱邊數(shù)頂角數(shù)1cm1nm顆粒表面原子隨粒徑的變化規(guī)律表面原子數(shù)/總原子數(shù)

90 20 2總原子數(shù)

30 3×104

3×107粒徑（nm）

1 10 100材料結(jié)構(gòu)的特點：表面和界面材料納米化后，發(fā)生了三種變化

晶體的周期性遭到破壞 表面原子的懸空鍵增多 表層原子數(shù)劇增纖維增強體與基體的結(jié)合界面材料結(jié)構(gòu)的特點：表面和界面

2材料的成分與結(jié)構(gòu)

3）材料成分結(jié)構(gòu)的表征方法

現(xiàn)代材料科學(xué)家對材料成分、結(jié)構(gòu)的認識是由分析、檢測實現(xiàn)的。熱分析儀光學(xué)顯微鏡成分分析

化學(xué)分析：化驗物理分析：物理量間接測定3）材料成分結(jié)構(gòu)的表征方法譜學(xué)分析：紅外光譜分析等

光譜分析系統(tǒng)

化學(xué)分析物理分析

檢測儀器體視顯微鏡光學(xué)顯微鏡電子掃描顯微透射電鏡場離子顯微鏡掃描隧道顯微鏡

分辨率mm(毫米)--μm（微米）μm（微米）微米--納米（nm）達0.7nm觀察到原子排列面，達0.2nm形貌觀察0.2--0.3nm觀察到原子結(jié)構(gòu)0.05--0.2nm結(jié)構(gòu)分析3）材料成分結(jié)構(gòu)的表征方法Al2O3Al-Si

3）材料成分結(jié)構(gòu)的表征方法OM—OpticalMicroscope碳纖維分子篩

3）材料成分結(jié)構(gòu)的表征方法SEM—ScanningElectronMicroscopeMg-6Gd-1Zn-0.6ZrNano-SiO2Nano-C-tube

3）材料成分結(jié)構(gòu)的表征方法TEM—TransmissionElectronMicroscopeSTM--ScanningTunnelingMicroscope3）材料成分結(jié)構(gòu)的表征方法X衍射數(shù)據(jù)庫：建立了結(jié)構(gòu)測定參數(shù)的關(guān)系相圖數(shù)據(jù)庫：建立了成分相的關(guān)系相的定義:把系統(tǒng)中物理性質(zhì)及化學(xué)性質(zhì)均勻的部分稱為一相

Al2MgO4

結(jié)構(gòu)及

XRD圖4）材料成分結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫Fe-Cphasediagram4）材料成分結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫是材料性能的原因，是合成加工的結(jié)果5）材料成分結(jié)構(gòu)與其它要素的關(guān)系1）按統(tǒng)計學(xué)原理計算單位面積上的位錯缺陷數(shù)目，由于截面減小而不能滿足大樣本空間時，這個數(shù)值不再恒定；2）晶體結(jié)構(gòu)越來越接近無缺陷理想晶體，強度值也就越接近于理論強度值。結(jié)構(gòu)是材料性能的原因5）材料成分結(jié)構(gòu)與其它要素的關(guān)系結(jié)構(gòu)是合成加工的結(jié)果金屬材料隨塑性加工量的增大，組織結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的變化：等軸晶---帶狀組織---細晶組織5）材料成分結(jié)構(gòu)與其它要素的關(guān)系復(fù)相強化材料的強韌化位錯理論的建立固溶強化彌散強化5）材料成分結(jié)構(gòu)與其它要素的關(guān)系材料的強韌化

加工硬化位錯理論的建立

相變增韌5）材料成分結(jié)構(gòu)與其它要素的關(guān)系1）材料制備與加工的定義2）材料制備與加工的主要內(nèi)容3）材料制備與加工和其它要素的關(guān)系4）材料制備與加工的主要發(fā)展方向3材料的制備與加工1.定義“制備”與“加工”是指建立原子、分子和分子團的新排列，在所有尺度上（從原子尺寸到宏觀尺度）對結(jié)構(gòu)的控制，以及高效而有競爭力地制造材料與元件的演化過程。3材料的制備與加工制備是指把各種原子或分子結(jié)合起來制成材料所采用的各種化學(xué)方法和物理方法。加工可以同樣的方式使用，還可以指較大尺度上的改變，包括材料制造。Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O3材料的制備與加工在材料科學(xué)與工程中，制備和加工之間的區(qū)別變得越來越模糊制備是新技術(shù)開發(fā)和現(xiàn)有技術(shù)改進的關(guān)鍵性要素現(xiàn)代材料制備技術(shù)是人造材料的唯一實現(xiàn)途徑需要說明的問題3材料的制備與加工材料制備材料加工表面工程材料復(fù)合+++

3材料的制備與加工2.主要內(nèi)容材料制備冶金過程

熔煉與凝固 粉末燒結(jié)高分子聚合冶金物理化學(xué)凝固學(xué)理論 燒結(jié)原理 聚合反應(yīng)3材料的制備與加工材料制備火法冶金 熔鹽電冶金 濕法冶金

．．．．．．內(nèi)容:

煉鐵、煉銅電解鋁、鎂 水溶液電解鋅

3材料的制備與加工冶金過程目的：從原料中提取出金屬鐵的生產(chǎn)過程（播放煉鋼鐵）煉鐵高爐鋁的生產(chǎn)過程目的:1.金屬的精練提純

2.材料的“合金化”

3.晶體的生長內(nèi)容:1.平衡凝固2.快速凝固3.定向凝固

4.區(qū)域熔煉5.玻璃的熔煉6.熔融法提拉單晶材料制備

3材料的制備與加工熔煉與凝固

a—起弧；

b—穿井；

c—主熔化；

d—熔末升溫；

e—精煉期直流電弧爐用于鋼鐵精煉快速凝固單晶Si的提拉（動畫）粉末燒結(jié)過程放電等離子體燒結(jié)系統(tǒng)微波燒結(jié)系統(tǒng)材料制備

高分子聚合目的:實現(xiàn)小分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，相互結(jié)合形成高分子。高分子聚合是人工合成三大類高分子材料：塑料、橡膠、合成纖維的基本過程。內(nèi)容:1.本體聚合

2.乳液聚合3.懸浮聚合4.溶液聚合3材料的制備與加工材料加工材料的成型鑄造、拉、拔、擠、壓、鍛

材料的改性合金化、熱處理材料的聯(lián)接焊接、粘接

3材料的制備與加工材料的切削車、銑、刨、磨、切、鉆材料加工材料的成型三大類材料的成型技術(shù)在材料工程中是內(nèi)容最為豐富的一部分。如果按材料的流變特性來分析，則材料的成型方法可分為三種：1.液態(tài)成型2.塑變成型3.流變成型金屬的鑄造、溶液紡絲金屬的壓力加工金屬、陶瓷、高分子成型3材料的制備與加工材料加工ABC液相區(qū)液固區(qū)固相區(qū)成分溫度A BC C鑄造半固態(tài)成型流變鑄造觸變鑄造研究內(nèi)容：1.凝固過程2.成型工藝3.流變特性

3材料的制備與加工材料的成型----液態(tài)成型A高應(yīng)力低形變量實現(xiàn)加工硬化應(yīng)變應(yīng)力熱加工

冷加工ABB低應(yīng)力大形變量實現(xiàn)超塑性變形材料加工

3材料的制備與加工材料的成型----塑變成型材料加工

3材料的制備與加工材料的成型----流變成型

金屬的半固態(tài)成型 高分子材料的熔融成型 陶瓷泥料、漿料成型 玻璃的熔融澆注

材料的改性目的：通過改變材料的成分、組織與結(jié)構(gòu)來改變材料的性能。

內(nèi)容:1.材料的“合金化”

2.材料的熱處理材料加工3材料的制備與加工成分溫度ABCαα+β

材料的改性----材料的“合金化”通過改變材料的成分，達到改變材料性能的方法。這種方法在金屬材料和現(xiàn)代高分子材料的改性方面有廣泛的應(yīng)用。金屬材料的合金化過程A’

Bαα固溶度變化改變性能ACαα+β相組成變化改變性能固溶度變化改變性能材料加工3材料的制備與加工

材料的改性----材料的熱處理通過一定的加熱、保溫、冷卻工藝過程，來改變材料的相組成情況，達到改變材料性能的方法。這種方法在金屬材料和現(xiàn)代陶瓷材料的改性方面有廣泛的應(yīng)用。

典型熱處理工藝

淬火、退火、回火、正火材料加工3材料的制備與加工材料的改性----材料的熱處理----淬火工藝時間溫度成分溫度

v0vv>v0通過快速冷卻，獲得遠離平衡態(tài)的不穩(wěn)定組織，達到強化材料的目的。材料加工3材料的制備與加工時間材料的改性----材料的熱處理----正火工藝

溫 度 正火 淬火在奧氏體狀態(tài)下，空氣或保護氣體冷卻獲得珠光體均勻組織，提高強度，改善韌性。材料加工3材料的制備與加工時間材料的改性----材料的熱處理----退火工藝

溫 度通過緩慢冷卻，獲得接近平衡態(tài)的組織，達到均勻化、消除內(nèi)應(yīng)力的目的。材料加工3材料的制備與加工時間材料的改性----材料的熱處理----回火工藝

溫 度淬火或正火的材料重新加熱,可以松懈淬火應(yīng)力和使組織向穩(wěn)態(tài)過度，改善材料的延展性和韌性.材料加工3材料的制備與加工材料加工

3材料的制備與加工

材料的聯(lián)接目的：實現(xiàn)材料間的整體結(jié)合

內(nèi)容:1.焊接2.鉚接

3.粘接4.栓接

材料的聯(lián)接

焊 接鉚接材料加工3材料的制備與加工材料的聯(lián)接

粘 接 栓 接材料加工3材料的制備與加工表面工程

3材料的制備與加工表面改性 表面防護

表面改性----改變材料表面的性質(zhì)

1.三束表面改性

2.化學(xué)表面改性（化學(xué)熱處理）

3.表面淬火從工藝機理上分析，表面改性同整體材料的改性是相同的，即：在表面實現(xiàn)材料的成分、組織與結(jié)構(gòu)的變化，達到改變材料表面性能的目的。不同點就是采用了特殊的能量輸入方式，使能量作用效果或成分變化僅發(fā)生在表面。3材料的制備與加工表面工程激光束電子束組織變化組織變化離子束成分、組織變化細晶化均勻化非晶化金屬元素合金化

3材料的制備與加工表面改性----三束表面改性表面工程離子束改性對表面 應(yīng)力狀況的影響

A---原始受力狀態(tài)B---改性受力狀態(tài)C---最終受力狀態(tài)BC疲勞極限A

3材料的制備與加工表面改性----三束表面改性

強度極限表面工程成分溫度ABCαα+β心部表面C+N+Me+C0表面改性----化學(xué)表面改性

改變材料表面的化學(xué)成分---化學(xué)滲入

濃 度3材料的制備與加工表面工程電磁能集膚電流表面熱能表面熱能

熱處理組織改變火焰淬火

氣體化學(xué)反應(yīng)

性能改變

3材料的制備與加工表面改性----表面淬火

高頻淬火表面工程

3材料的制備與加工表面防護

1.腐蝕防護

2.摩擦磨損防護表面工程海水腐蝕工業(yè)介質(zhì)腐蝕化學(xué)反應(yīng)

3材料的制備與加工表面防護----腐蝕防護

大氣腐蝕表面工程被動防護

表面涂鍍 表面改性 表面鈍化 電化學(xué)保護主動防護

合金化 非晶化 高純度 抗蝕材料

3材料的制備與加工表面防護----腐蝕防護表面工程

3材料的制備與加工表面防護----摩擦磨損防護

增加抗磨損性 增加潤滑性表面工程材料復(fù)合3材料的制備與加工

金屬基復(fù)合材料 陶瓷基復(fù)合材料 高分子復(fù)合材料

材料復(fù)合的主要目的就是依據(jù)不同材料性能的優(yōu)勢互補、協(xié)調(diào)作用的原則，進行材料的設(shè)計與制備。因此材料復(fù)合的過程就是材料制備、改性、加工的統(tǒng)一過程。復(fù)合材料的制備過程融合了金屬、陶瓷、高分子材料制備的基本原理。目前材料科學(xué)的發(fā)展，復(fù)合的概念越來越重要，出現(xiàn)了許多新型的復(fù)合材料及制備方法。3材料的制備與加工材料復(fù)合顆粒晶須纖維3材料的制備與加工材料復(fù)合3材料的制備與加工材料復(fù)合現(xiàn)代材料的制備與加工不僅涉及到微觀和宏觀范圍內(nèi)的內(nèi)容，同時也涉及到更微細化，甚至達到了原子尺度范圍上的問題，因此，這里論述的制備與加工的內(nèi)涵要大于通常所說的材料工程的內(nèi)涵。3材料的制備與加工制備與加工使用性能產(chǎn)生結(jié)構(gòu)與成分

具

備材料性質(zhì)提供

3材料的制備與加工3.與其它要素的關(guān)系

從材料的產(chǎn)生到進入使用過程，直至損耗，四大要 素存在著邏輯上的因果順序，即：低速冷卻平衡組織

單晶硅

尺寸>300mm

缺陷數(shù)100-1000個/cm2

定向凝固共晶材料

制成渦輪機葉片

10-3~1KS-1

鑄態(tài)組織近終成型技術(shù)

102~108KS-1

非平衡組織非晶帶材：制做變壓器細晶：高強材料微晶：人們正在研究這一新結(jié)構(gòu)的意義和實用準晶：正在研究

3材料的制備與加工3.與其它要素的關(guān)系提拉法制取單晶硅大尺寸單晶硅

3材料的制備與加工3.與其它要素的關(guān)系定向凝固共晶組織的 渦輪葉片近終形技術(shù)制備的葉片

3材料的制備與加工3.與其它要素的關(guān)系超純條件高壓條件低溫條件超細條件單晶硅晶片人工金剛石超導(dǎo)體納米材料

3材料的制備與加工

4.主要發(fā)展方向

在極端化的條件下，完成制備與加工過程，獲得更多的功能特性。中國工業(yè)化國家

精鑄件比重（％〕

精鍛件比重（％）單位產(chǎn)值能耗原材料消耗工業(yè)增加值率3~4 37

7 2.5 0.5

25~30 65~701（日美）1（日美〕1（日美〕

3材料的制備與加工4.主要發(fā)展方向

我國與工業(yè)發(fā)達國家材料加工存在很大差距大尺寸、高均勻性、高完整性的晶體生長技術(shù)；高精度晶片加工技術(shù)；MOCVD、MBE超薄膜生長技術(shù)；高純和超高純材料純制技術(shù)；低維材料的微細加工和制備技術(shù)；電子陶瓷、磁性材料的焙燒和成型技術(shù)；材料的修飾或改性技術(shù)；電子材料制備與加工的關(guān)鍵技術(shù)4.主要發(fā)展方向3材料的制備與加工我國在制備與加工方面同先進國家的差距還很大，許多關(guān)鍵技術(shù)落后的根源都歸到這里。因此提高材料合成與加工的技術(shù)水平是我們最重要的課題。4.主要發(fā)展方向3材料的制備與加工4材料的性能與應(yīng)用1）材料性能的定義2）材料使用性能與性質(zhì)的區(qū)別與聯(lián)系3）材料使用性能的設(shè)計與實際應(yīng)用4）材料使用性能與其它要素之間關(guān)系5）材料與環(huán)境的關(guān)系6）材料性能數(shù)據(jù)庫

在某種環(huán)境或條件作用下，為描述材料的行為或結(jié)果，按照特定的規(guī)范所獲得的表征參量。4材料的性能與應(yīng)用1）材料性能的定義（1）強度表征

彈性極限、屈服強度、比例極限……4材料的性能與應(yīng)用力學(xué)性能（2）塑性表征

延伸率δ、斷面收縮率φ、沖杯深度h4材料的性能與應(yīng)用力學(xué)性能（3）硬度表征

布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度……布氏硬度洛氏硬度4材料的性能與應(yīng)用力學(xué)性能（4）剛度表征

彈性模量、楊氏模量、剪切模量……E=

F/AΔL/LΔLFFALG=τ γMM4材料的性能與應(yīng)用力學(xué)性能（5）疲勞強度表征疲勞極限材料能經(jīng)受“無限”次循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞的最 大應(yīng)力值，稱為材料的疲勞極限或持久極限。疲勞壽命材料發(fā)生疲勞破壞時的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，或從開始受載到發(fā)生斷裂所經(jīng)過的時間稱為該材料的疲勞壽命。4材料的性能與應(yīng)用力學(xué)性能（6）抗蠕變性表征蠕變極限表示材料抵抗蠕變能力大小的指標，一般用規(guī) 定溫度下和規(guī)定時間內(nèi)達到一定總變形量的應(yīng) 力值表示。

持久強度

材料在給定溫度經(jīng)過一 定時間破壞時所能承受的 恒定應(yīng)力。4材料的性能與應(yīng)用力學(xué)性能PBW

a SKIC=σf

(πa)1/2

922.7-5.0 0.80.7-1.1高強度合金鋼 氧化鋁 環(huán)氧樹脂 聚苯乙烯KIC/MPam1/2

44

材料鋁合金

4材料的性能與應(yīng)用（7）韌性表征

斷裂韌性KIC、斷裂韌性JIC力學(xué)性能電導(dǎo)率、電阻率、介電常數(shù)……ε0

4材料的性能與應(yīng)用（1）電學(xué)性能表征物理性能a矯頑力磁化率（2）磁學(xué)性能表征：磁導(dǎo)率

I IFF=2μ0lI

2πa磁記錄介質(zhì)的一個重要磁性參數(shù)（Hc），是指使剩磁降低為零所需要的磁場強度。 物質(zhì)在外磁場作用下，由于電子等帶電體的運 動，會被磁化而感應(yīng)出一個附加磁場。磁化率是 用來表征物質(zhì)被磁化程度的物理量。l4材料的性能與應(yīng)用物理性能（3）光學(xué)性能表征

光反射率、光折射率、光損耗率……

θθγ光波方向4材料的性能與應(yīng)用物理性能成分結(jié)構(gòu)性質(zhì)使用性能

規(guī)范性能是包括材料在內(nèi)的整個系統(tǒng)特征的體現(xiàn)；

性質(zhì)則是材料本身特征的體現(xiàn)。

4材料的性能與應(yīng)用2）材料性能與性質(zhì)的區(qū)別與聯(lián)系

環(huán)境性能是隨著外因的變化而不斷變化，是個漸變過程，在這個過程中發(fā)生量變的積累，而性質(zhì)保持質(zhì)的相對穩(wěn)定性；當量變達到一個“度”時，將發(fā)生質(zhì)變，材料的性質(zhì)發(fā)生根本的變化。4材料的性能與應(yīng)用2）材料性能與性質(zhì)的區(qū)別與聯(lián)系在材料使用性能（產(chǎn)品）設(shè)計的同時，力求改變傳統(tǒng)的研究及設(shè)計路線，將材料性質(zhì)同時考慮進去，采取并行設(shè)計的方法。4材料的性能與應(yīng)用2）材料性能與性質(zhì)的區(qū)別與聯(lián)系在材料科學(xué)研究及工程化應(yīng)用中，材料人員應(yīng)具備這樣一種能力：能針對不同的使用環(huán)境，提取出關(guān)鍵的材料性質(zhì)并選擇優(yōu)良性能的材料。4材料的性能與應(yīng)用2）材料性能與性質(zhì)的區(qū)別與聯(lián)系使用環(huán)境：高速度使用下的結(jié)構(gòu)體性質(zhì)?

4材料的性能與應(yīng)用

2）材料性能與性質(zhì)的區(qū)別與聯(lián)系例1：高速飛行器表面結(jié)構(gòu)材料的選擇不同類型的飛行器蒙皮溫度溫度（℃

）

30年代教練機二次大戰(zhàn)戰(zhàn)斗機

80年代截擊機 航天飛機 東方快車號1093164953849℃ 93.3℃ 427℃1093℃1649℃

4材料的性能與應(yīng)用2）材料性能與性質(zhì)的區(qū)別與聯(lián)系19801970196019902000201050 195029%13%年代先進的結(jié)構(gòu)概念 自動化設(shè)計 有效載荷控制及機翼隱蔽

10飛機20減重30 40

4材料的性能與應(yīng)用2）材料性能與性質(zhì)的區(qū)別與聯(lián)系

0

新材料與材料的改進射程(公里)導(dǎo)彈殼體材料與射程的關(guān)系示意圖金屬玻璃鋼芳綸(+630)復(fù)合材料長征火箭殼體：鋁合金744Kg；碳纖維401Kg； 兩者相比，碳纖維減重343Kg；射程增加1476Km4材料的性能與應(yīng)用2）材料性能與性質(zhì)的區(qū)別與聯(lián)系本例結(jié)論

滿足高速飛行的使用性能，必須要求表面結(jié)構(gòu)材料具備兩個基本性質(zhì)：比強度高耐高溫4材料的性能與應(yīng)用2）材料性能與性質(zhì)的區(qū)別與聯(lián)系性質(zhì)?

4材料的性能與應(yīng)用

2）材料性能與性質(zhì)的區(qū)別與聯(lián)系例2：現(xiàn)代通訊技術(shù)中材料的選擇

使用條件：遠距離、大容量的信號傳導(dǎo)體102

1106104108

同軸電纜 一對12路電話線第一條電話同軸電纜與微波系統(tǒng)通訊衛(wèi)星光導(dǎo)纖維189019101930195019701990201020302050

年份

不同通訊方式的相對信息量相對信息量

4材料的性能與應(yīng)用2）材料性能與性質(zhì)的區(qū)別與聯(lián)系(dB/km)0.196光學(xué)纖維光學(xué)玻璃 菲尼基人的19001966197919835010110-1010-100年份光學(xué)損耗每公里透光率高性能光導(dǎo)纖維材料的出現(xiàn)對微電子、通訊等高技術(shù)行業(yè)產(chǎn)生巨大的影響。106

埃及人的107公元前3000公元1000

1 10102103104105玻璃透光度的改進歷史

4材料的性能與應(yīng)用2）材料性能與性質(zhì)的區(qū)別與聯(lián)系

年代第一代第二代第三代

波長（μ）

0.85 1.3 1.3模數(shù)多模多模單模

光纖損耗（db/km）

2-5 1 0.4中繼距離 （km）

8-10 10-20 20-40應(yīng)用年代

1978 1982 1983

材料

SiO2SiO2+Ga,P正在應(yīng)用第四代1.551.55單模單模

0.2800.01-0.001可達400

多組分玻璃多組分玻璃+Er第五代2.5單模3×10-4250021世紀氟化玻璃

4材料的性能與應(yīng)用2）材料性能與性質(zhì)的區(qū)別與聯(lián)系

光導(dǎo)纖維發(fā)展歷程本例結(jié)論

新型光導(dǎo)纖維能夠滿足現(xiàn)代通訊技術(shù)的使用要求（使用性能），其基本性質(zhì)包括：光通量大光學(xué)損耗低4材料的性能與應(yīng)用2）材料性能與性質(zhì)的區(qū)別與聯(lián)系性質(zhì)?

4材料的性能與應(yīng)用

2）材料性能與性質(zhì)的區(qū)別與聯(lián)系 例3：高集成度計算機芯片使用性能：1）集成度，2）納米級尺寸

項目DRAM(動態(tài)隨機存 取)

設(shè)計線寬 晶片直徑表面微觀粗糙度Φ

表面玷污與缺陷亮 點 缺陷尺寸 表面金屬原子 氧含量O2

單位

Mbit

μm mm mm

每片數(shù)目

μm原子數(shù)/cm2

ppm

1995 64 0.35 200

<0.5

≤10≤0.12≤1010

29±4

1998 256 0.25200～300

<0.3

≤1

≤0.05

≤109

26±2

20011×103

0.18

>300

<0.2

≤1≤0.03

≤108

23±2

4材料的性能與應(yīng)用2）材料性能與性質(zhì)的區(qū)別與聯(lián)系

單晶硅晶片發(fā)展趨勢及其要求本例結(jié)論

在計算機中使用的硅晶片，滿足高集成度使用性能，其基本性質(zhì)包括：高純度低缺陷4材料的性能與應(yīng)用2）材料性能與性質(zhì)的區(qū)別與聯(lián)系傳統(tǒng)方式：結(jié)構(gòu)與功能先進方式：結(jié)構(gòu)與功能材料的性質(zhì)確定材料的性質(zhì) （選擇材料）

完成設(shè)計

4材料的性能與應(yīng)用3）材料性能的設(shè)計與實際應(yīng)用高磁導(dǎo)率頂錐運動方向材料性質(zhì)要求軟磁 材料

低矯頑力

高 壓 油

吸上：噴油 彈下：封閉頂錐響應(yīng)時間

約為毫秒級問題：由于慣性原因，造成噴油時間滯后使燃燒效率降低，造成燃料損耗和環(huán)境污染。

4材料的性能與應(yīng)用

3）材料性能的設(shè)計與實際應(yīng)用汽車噴油嘴的設(shè)計--方案一

電磁體頂錐長度變化收縮：噴油復(fù)原：封閉

高磁致伸縮材料材料性質(zhì)要求 高的磁致 伸縮系數(shù)

頂錐響應(yīng)時間 約為微秒級優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，燃燒效率高，環(huán)境污染降低。磁場

4材料的性能與應(yīng)用

3）材料性能的設(shè)計與實際應(yīng)用汽車噴油嘴的設(shè)計--方案二成分/結(jié)構(gòu)制備/加工性質(zhì)

4材料的性能與應(yīng)用4）材料性能與其他要素之間的關(guān)系

使用性能失效性質(zhì) 力學(xué) 化學(xué) 電學(xué) 熱學(xué)

失效環(huán)境低溫、過載荷 化學(xué)介質(zhì) 電壓、電流 高溫

失效行為脆斷、疲勞、斷裂 腐蝕破壞 催化劑失效 電介質(zhì)擊穿 電流過載 高溫融化 蠕變破壞

4材料的性能與應(yīng)用

5）材料與環(huán)境之間的關(guān)系材料的失效：斷裂磨損腐蝕

4材料的性能與應(yīng)用5）材料與環(huán)境之間的關(guān)系

三類主要的材料失效形式工業(yè)原料工程材料產(chǎn)品設(shè)計

制造裝配農(nóng)業(yè)、建筑、環(huán)境國防、信息、交通能源、健康……廢料再生循環(huán)分類/再制造制備 原材料礦產(chǎn)制備開采材料的全生命循環(huán)周期4材料的性能與應(yīng)用5）材料與環(huán)境之間的關(guān)系資源能源消耗最小回收利用使用性能最佳各種材料礦產(chǎn)

資源污染排放最少

生態(tài)環(huán)境科學(xué)技術(shù)

廢棄物可再生

4材料的性能與應(yīng)用5）材料與環(huán)境之間的關(guān)系從事材料工程的人們必須注重材料性能數(shù)據(jù)庫材料性能數(shù)據(jù)庫是材料選擇的先決條件；材料性能數(shù)據(jù)庫是實現(xiàn)計算機輔助選材（CAMS）、計算機輔助設(shè)計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）的基礎(chǔ)。4材料的性能與應(yīng)用6）材料性能數(shù)據(jù)庫國際材料數(shù)據(jù)庫建設(shè)簡況英、美金屬學(xué)會合建金屬材料數(shù)據(jù)庫西方七國組成有關(guān)新材料數(shù)據(jù)及標準的“凡爾賽計劃”原蘇聯(lián)及東歐各國組成了COMECON材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)，包括16個數(shù)據(jù)庫北京科技大學(xué)等單位聯(lián)合建成材料腐蝕數(shù)據(jù)庫武漢材料保護研究所建成材料磨損數(shù)據(jù)庫北京鋼鐵研究總院建立合金鋼數(shù)據(jù)庫4材料的性能與應(yīng)用6）材料性能數(shù)據(jù)庫1）成分、結(jié)構(gòu)表征儀器2）材料性能的檢測儀器3）制備與加工過程中使用的設(shè)備4）過程控制的探測元件及裝置材料試驗手段§1.2材料研究手段1）成分、結(jié)構(gòu)表征儀器

材料成分結(jié)構(gòu)的表征儀器是從事材料科學(xué)研究必備的手段，如同天文望遠鏡將人類視野帶到了一個遙遠的宇宙空間一樣，材料成分結(jié)構(gòu)表征儀器則將我們的觀察引進一個更為絢麗多彩的微觀世界。材料試驗手段

隨著儀器能檢測到的下限值不斷減小，材料研究者所獲取的信息也在不斷增多，對材料本質(zhì)的認識也在不斷加深。材料科學(xué)研究使用的儀器、設(shè)備的精密程度代表了一個國家的綜合科技水平。1）成分、結(jié)構(gòu)表征儀器1材料試驗手段100μm深度分辨率1μm10nm0.1nm0.1nm10nm1μm100μm1cm俄歇譜盧瑟福背散射Ｘ射線衍射電子探針橫向分辨率成分光電子譜分析電鏡 二次離子Ｘ射線熒光

1材料試驗手段1）成分、結(jié)構(gòu)表征儀器100μm深度分辨率1μm10nm0.1nm0.1nm10nm1μm100μm1cm掃描隧道顯微鏡分析電鏡盧瑟福背散射分析電鏡Ｘ射線衍射掃描電鏡橫向分辨率結(jié)構(gòu)

1材料試驗手段1）成分、結(jié)構(gòu)表征儀器100μm深度分辨率1μm10nm0.1nm0.1nm10nm1μm100μm1cm掃描隧道顯微鏡掃描電鏡橫向分辨率形貌

分析電鏡

紅外成像 Ｘ射線衍射光學(xué)顯微鏡 盧瑟福背散射

1材料試驗手段1）成分、結(jié)構(gòu)表征儀器Mg-10Gd-2Y-0.5ZrW

1材料試驗手段OM—OpticalMicroscope四鉬酸胺氧化鋁結(jié)晶

1材料試驗手段SEM—ScanningElectronMicroscope納米碳管無壓燒結(jié)Si3N4材料：原子排列面

1材料試驗手段TEM—TransmissionElectronMicroscope

β-Si3N4

β-Si3N4

5nm方鋁礦（100）解理面Ｃu（111）面

1材料試驗手段STM--ScanningTunnelingMicroscope

S

Pb掃描隧道顯微鏡1材料試驗手段激光拉曼光譜儀1材料試驗手段電子能譜儀1材料試驗手段超導(dǎo)核磁共振儀1材料試驗手段高分辨電子顯微鏡1材料試驗手段多功能核磁共振波譜儀1材料試驗手段電子順磁共振波譜儀1材料試驗手段色譜--質(zhì)譜聯(lián)用儀1材料試驗手段原子探針場離子顯微鏡1材料試驗手段電子能譜1材料試驗手段掃描隧道顯微鏡雙準直離子散射儀高分辨率電子損耗光譜儀角分辨光電子能譜儀俄歇能譜儀低能電子衍射儀低能電子顯微鏡自旋極化測量場離子顯微鏡原子探針

1材料試驗手段材料表面科學(xué)中使用的儀器

材料性能的測定儀器是將性能的三要素（外界環(huán)境、表現(xiàn)行為、表征參量）融合在一個系統(tǒng)中完成，即，由儀器輸入或模擬一個使用環(huán)境（條件），使受測材料發(fā)生響應(yīng)（結(jié)果），然后儀器再將響應(yīng)的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號表現(xiàn)出來（數(shù)值）。

有許許多多種材料的力學(xué)、物理、化學(xué)單項性能，每種性能都分別對應(yīng)了相應(yīng)的測定方法和儀器。這些儀器構(gòu)成了一個龐大的材料性能測定儀器家族。1材料試驗手段2）材料性能的測定儀器多功能內(nèi)耗儀1材料試驗手段2）材料性能的測定儀器六聯(lián)旋轉(zhuǎn)高溫陶瓷夾具疲勞內(nèi)耗超聲衰減儀

1材料試驗手段2）材料性能的測定儀器蠕變--疲勞實驗機1材料試驗手段2）材料性能的測定儀器陶瓷材料高溫蠕變實驗機1材料試驗手段2）材料性能的測定儀器陶瓷高溫疲勞實驗機2）材料性能的測定儀器1材料試驗手段材料制備與加工過程是在一個限定的空間，在給定的條件下進行的。用以滿足空間需求和提供外加條件的各種裝置或部件的組合就構(gòu)成了材料制備與加工設(shè)備的主體。同時，設(shè)備中還包含了關(guān)鍵的控制系統(tǒng)。3）制備與加工設(shè)備1材料試驗手段空間條件：各類反應(yīng)容器、坩堝、熔煉爐外力條件：氣壓、液壓、機械壓制、沖擊力（波）介質(zhì)環(huán)境：真空設(shè)備、不同的氣氛條件能量供給：電力、加熱、輻照裝置、激光發(fā)生器物質(zhì)輸送：氣、液管路、機械進給裝置1材料試驗手段3）制備與加工設(shè)備雙低能離子束薄膜沉積設(shè)備1材料試驗手段3）制備與加工設(shè)備納米材料制備設(shè)備1材料試驗手段3）制備與加工設(shè)備超凈工作室1材料試驗手段3）制備與加工設(shè)備單晶爐單晶硅爐

1材料試驗手段3）制備與加工設(shè)備冷等靜壓機噴霧制粉設(shè)備

1材料試驗手段3）制備與加工設(shè)備4）過程控制的探測元件和裝置傳感器是控制系統(tǒng)“感知”加工過程的“器官”。傳感器從過程中獲得的信號主要包括：聲、光、電、磁、熱、壓力、流速、濃度，等1材料試驗手段用于傳感器的無機非金屬敏感材料

探測性能 氧含量 濕度 酸度 壓力 溫度 電壓PTC熱敏電阻 化學(xué) 光學(xué)

原理 體離子導(dǎo)電表面離子導(dǎo)電表面化學(xué)反應(yīng) 壓電 熱電 晶界面隧道 晶界面相變表面電子導(dǎo)電 光電阻

材料

Zr1-χCaO2-χMgCr2O4·TiO2

IrO2-χ

PbZr1-χTiχO3

PbZr1-χTiχO3

ZnO·Bi2O3

Ba1-χCeχTiO3

ZnO·CuO

CdS

1、材料科學(xué)與工程的四要素是什么，它們之間的關(guān)系如何？

2、材料使用性能與材料性質(zhì)之間的關(guān)系。

3、原子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)間區(qū)別是什么？晶體結(jié)構(gòu)與晶體是同一概念嗎？

4、為什么金屬鍵結(jié)合的材料密度高、塑性好，而陶瓷材料脆？

5、簡述材料的加工的主要范疇。

6、簡述材料改性的目的以及其主要內(nèi)容。第一章思考題第一章材料在外加載荷（外力或能量）作用下或載荷與環(huán)境因素（溫度、介質(zhì)和加載速率）聯(lián)合作用下表現(xiàn)出來的行為。－－主要是指材料在力的作用下抵抗變形和開裂的性能。通俗地講力學(xué)性能決定了在多大和怎樣形式的載荷條件下而不致于改變零件幾何形狀和尺寸的能力。力學(xué)性能指標:彈性、塑性、韌性、強度、硬度和疲勞強度等。――材料在受力時的性質(zhì)一、靜載單向靜拉伸應(yīng)力―應(yīng)變曲線拉伸機上，低碳鋼緩慢加載單向靜拉伸曲線拉伸試驗機曲線分為四階段：1．階段I（oab）――彈性變形階段a:Pp

b:Pe

（不產(chǎn)生永久變形的最大抗力）oa段：△L∝P

直線階段ab段：極微量塑性變形（0.001--0.005%)2．階段II（bcd）段――屈服變形c:屈服點

Ps

拉伸機上，低碳鋼緩慢加載單向靜拉伸曲線

屈服現(xiàn)象：金屬材料開始產(chǎn)生明顯塑性變形的標志。3．階段III（dB）段――均勻塑性變形階段B:

Pb

材料所能承受的最大載荷4．階段IV(BK)段――局部集中塑性變形

拉伸機上，低碳鋼緩慢加載單向靜拉伸曲線

低Ｃ鋼、正火、退火調(diào)質(zhì)中Ｃ鋼，低、中C合金鋼某些Al合金及某些高分子材料具有類似上述曲線。鑄鐵、陶瓷：只有第I階段中、高碳鋼：沒有第II階段頸縮二、材料的強度(strength)――材料所能承受的極限應(yīng)力.單位：

MPa(MN/mm2)公式：σ=P/Fo

物理意義:材料在載荷作用下抵抗變形和破壞的能力?？估瓘姸?、抗壓強度、抗彎強度、抗剪強度、抗扭強度等。1．屈服強度σs(yieldstrength)和條件屈服強度σ0.2a:

σs=Ps/Fo

Ps

σs=(Mpa)F0試樣屈服時的載荷(N)試樣原始橫截面積(mm2)（σs代表材料開始明顯塑性變形的抗力,是設(shè)計和選材的主要依據(jù)之一。）b:

σ0.2條件屈服強度

（中高碳鋼、無屈服點，國家標準，以產(chǎn)生一定的微量塑性變形的抗力的極限應(yīng)力值來表示。）脆性材料：σb=σs

灰口鑄鐵

P0.2

σ0.2=(Mpa)S0試樣產(chǎn)生0.2%殘余塑性變形時的載荷(N)試樣原始橫截面積(mm2)2．抗拉強度(tensilestrength)

材料被拉斷前所承受的最大應(yīng)力值（材料抵抗外力而不致斷裂的極限應(yīng)力值）。

σb=Pb/Fo

Pb

σb=(Mpa)F0試樣斷裂前的最大載荷(N)試樣原始橫截面積(mm2)3．疲勞強度σ-1(fatiguestrength)

疲勞現(xiàn)象：承受載荷的大小和方同隨時間作周期性變化，交變應(yīng)力作用下，往往在遠小于強度極限，甚至小于屈服極限的應(yīng)力下發(fā)生斷裂。（80%的斷裂由疲勞造成）影響因素：循環(huán)應(yīng)力特征、溫度、材料成分和組織、夾雜物、表面狀態(tài)、殘余應(yīng)力等。

疲勞極限σ-1：

材料經(jīng)無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂的最高應(yīng)力值。條件疲勞極限：經(jīng)受107應(yīng)力循環(huán)而不致斷裂的最大應(yīng)力值。

鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取N=107有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取N=108陶瓷、高分子材料－疲勞抗力很低；金屬材料－疲勞強度較高；纖維增強復(fù)合材料－較好的抗疲勞性能。鋼材的疲勞強度與抗拉強度之間的關(guān)系:σ-1

=(0.45～0.55)σb三、塑性(plasticity):

－材料在載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。Lk:試樣拉斷后最終標距長度1．延伸率（specificelongation）

δ<2~5%屬脆性材料δ≈5~10%屬韌性材料δ>10%屬塑性材料

是指試樣拉斷后的標距伸長量Lk與原始標距L0之比。具有超塑性的納米晶銅

ψ越大，塑性愈好

ψ<5%,脆性材料2.斷面收縮率(percentagereductioninarea):

－試樣拉斷處橫截面積Ｆk的收縮量與原始橫截面積F0之比。

F0-Fk

ψ=×100%F0

韌性范疇塑性范疇應(yīng)變

材料的力學(xué)性質(zhì)

強度范疇應(yīng)力剛度范疇材料的應(yīng)力——應(yīng)變曲線四、剛度和彈性1．剛度

E=σ/ε楊氏彈性模量

GPa,MPa

本質(zhì)是：反映了材料內(nèi)部原子種類及其結(jié)合力的大小，組織不敏感的力系指標。2．彈性(elasticity)比例極限：σp=Pp/Fo

應(yīng)力――應(yīng)變保持線性關(guān)系的極限應(yīng)力值彈性極限：σe=Pe/Fo

不產(chǎn)永久變形的最大抗力。工程上，σp、σe視為同一值，通常也可用σ0.01材料在受力時，抵抗彈性變形的能力材料不產(chǎn)生塑性變形的情況下，所能承受的最大應(yīng)力五、硬度(hardness)

抵抗外物壓入的能力，稱為硬度――綜合性能指標。1．布氏硬度HB(Brinell-hardness)

測試壓頭為淬火鋼球測試壓頭為硬質(zhì)合金布氏硬度計

適用范圍:

＜450HBS;

＜650HBW;2．洛氏硬度HR(Rockwllhardness)

定義：每0.002mm相當于洛氏1度h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計10HRC≈HBS洛氏硬度常用標尺有：B、C、A三種①HRB輕金屬：退火鋼、銅合金②HRC較硬：淬硬鋼制品、硬化物③HRA硬、薄試件：淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼3．維氏硬度(diamondpenetratorhardness)

――科學(xué)試驗

維氏硬度的壓力一般為5-120kgf(49.03-1176.80N)。適用范圍:

測量薄板類;HV≈HBS;六、沖擊韌性(notchtoughness)

－材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。試樣沖斷時所消耗的沖擊功Ak為:Ak=mgH–mgh(J)

沖擊韌性值ak

就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。AKak=(J/cm2)S0

ak值低－脆性材料：斷裂時無明顯變形，金屬光澤，呈結(jié)晶狀。ak值高－韌性材料：明顯塑變，斷口呈灰色纖維狀，無光澤。5Titanic沉沒原因Titanic——含硫高的鋼板，韌性很差，特別是在低溫呈脆性。所以，沖擊試樣是典型的脆性斷口。近代船用鋼板的沖擊試樣則具有相當好的韌性。Titanic號鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗結(jié)果一項新的科學(xué)研究回答了80年未解之謎材料的其它性能（自學(xué)）一、熱學(xué)性能1．熱膨脹――原子（或分子）受熱后平均振幅增加（1）體積膨脹系數(shù)β（2）線膨脹系數(shù)α

結(jié)合鍵越強則原子間作用力越大，原子離開平衡位置所需的能量越高，則膨脹系數(shù)越小。2．熱傳導(dǎo)――自由電子的運動和晶格振動。導(dǎo)熱系數(shù)λ：單位溫度梯度下，單位時間內(nèi)通過單位垂直面積的熱量，單位為W/(m·K)3．熱容：材料在溫度升高1℃時所吸收的熱量叫做熱容。一克物質(zhì)的熱容也叫比熱。材料的熱學(xué)性能與原子和自由電子的能量交換密切相關(guān)。二、電磁學(xué)性能1、導(dǎo)電性電阻率：ρ電導(dǎo)率：1/ρ超導(dǎo)體：ρ——0導(dǎo)體：ρ=10-8－10-5半導(dǎo)體：ρ=10-5－107絕緣體：ρ=107－10222、磁性R＝ρL／S（1．物質(zhì)接磁性分類：（2．磁化率磁化強度M＝X·H

X：磁化率（或磁化系數(shù)）（3．導(dǎo)磁率B＝μ·H（μ：介質(zhì)導(dǎo)磁率）（4．磁彈回線和矯頑力抗磁性物質(zhì)順磁性物質(zhì)鐵磁性物質(zhì)電離能1、概念

氣態(tài)電中性基態(tài)原子失去一個電子轉(zhuǎn)化為氣態(tài)基態(tài)正離子所需要的能量叫做第一電離能。用符號Ｉ1表示，單位：kj/mol。首先失去的電子是能