材料導論材料科學與工程的四個基本要素

材料導論材料科學與工程的四個基本要素第1頁/共55頁2

由于當時正是蘇美兩國爭奪世界霸權的冷戰(zhàn)時代，這件事在美國朝野引起很大震動。各有關部門聯(lián)合向總統(tǒng)提出報告，認為美國落后于蘇聯(lián)的原因主要在于先進材料的研究開發(fā)方面。

1958年3月，美國總統(tǒng)發(fā)布了“全國材料規(guī)劃”，決定由12所大學成立材料科學研究中心，采用先進的科學理論和實驗方法對材料進行深入研究，從此出現(xiàn)了“材料科學”一詞。

1966年，美國麻省理工學院將“冶金系”改為“冶金與材料科學系”，1975年又將其更名為“材料科學與工程系”。這標志著人們開始把材料的研究作為自然科學的一個分支，從此“材料科學”學科開始興起?！?.1材料科學與工程的形成與內涵第2頁/共55頁3科技發(fā)展的必然結果1）20世紀上半葉基礎學科的發(fā)展奠定了材料科學的基礎

量子力學、固體物理、無機化學、有機化學、物理化學等基礎學科的發(fā)展為材料科學的形成奠定了重要的理論基礎；而各種現(xiàn)代分析技術的進步，加深了人們對物質結構和材料的物理化學性質的理解；同時，冶金學、金屬學、陶瓷學、高分子科學等應用科學的發(fā)展也使人們對材料本身的研究大大加強。這使人們對材料的制備、結構、性能以及它們之間的相互關系的研究也越來越深入。2）不同材料應用理論的交叉融合促進了材料科學的形成在“材料科學”概念出現(xiàn)以前，金屬、陶瓷和高分子都已自成體系，但它們之間存在頗多相似之處，不同材料之間可以相互借鑒，促使了該學科的發(fā)展。§2.1材料科學與工程的形成與內涵第3頁/共55頁43）不同材料測試技術及工藝技術的交叉融合也促進了材料科學的形成雖然不同類型的材料各有其專用的生產設備和測試手段，但它們在許多方面是相同或相近的。

一方面，不同材料的結構與性能表征方法大體上是相通的。例如，光學顯微鏡、電子顯微鏡、表面測試設備、力學性能及其他物理性能測試設備等，對不同類型的材料而言是通用的。

另一方面，在材料的制備與加工中，有許多工藝也是通用的。

例如，擠壓工藝常用于金屬材料的成形加工以提高強度，而某些高分子材料通過擠壓法形成纖維同樣能使其比強度和比剛度大幅度提高?！?.1材料科學與工程的形成與內涵第4頁/共55頁5■

材料科學的提出－20世紀60年代初

“材料”早以存在

1957年蘇聯(lián)衛(wèi)星上天，美國震動很大，在大學相繼建立十余個材料科學研究中心。自此，“材料科學”一詞廣泛應用。■材料科學的形成是科學技術發(fā)展的結果■

材料科學是當代科學技術發(fā)展的基礎、工業(yè)生產的支柱，是當今世界的帶頭學科之一材料科學的形成■

材料學的三個重要特性

□多學科交叉□密切結合實際應用□發(fā)展中的學科§2.1材料科學與工程的形成與內涵第5頁/共55頁62.1.2材料科學與工程的形成

材料科學的核心內容，在于研究材料的成分、組織結構與性能的關系，具有科學的性質，其目的是解決“為什么”。

材料工程的核心內容，在于研究材料在制備、成形、處理和加工過程中的工藝技術問題，其目的是解決“怎樣做”。把“材料科學”與“材料工程”兩者有機結合起來，就形成了“材料科學與工程”。

材料科學為材料工程提供設計依據(jù)，為更好地選擇、使用和發(fā)展新材料提供理論基礎；材料工程又為材料科學提供豐富的研究課題和物質基礎。可見，材料科學與材料工程是緊密聯(lián)系的?！?.1材料科學與工程的形成與內涵第6頁/共55頁72.1.3材料科學與工程的特點1）材料科學與工程具有鮮明的工程性材料科學與工程具有物理學、化學、冶金學、陶瓷學、高分子學等多學科相互融合、相互交叉的特點，并且與實際應用的關系非常密切，具有鮮明的工程性。實驗室的研究成果必須經過工程研究與開發(fā)，以確定合理的工藝流程，并通過中試試驗后才能生產出符合要求的材料；此外，各種材料在使用中，還會暴露出一些問題，需要反饋到研究與開發(fā)環(huán)節(jié)，進行改進后再回到應用領域。只有經過多次反復的應用與改進，才能成為成熟的材料。即便是成熟的材料，隨著科技的發(fā)展與需求的推動，還要不斷加以改進。因此，在材料研究中，將會涉及到材料研究、工藝改進、試驗測試、中試試驗、推廣應用和完善改進等各階段的研究工作。§2.1材料科學與工程的形成與內涵第7頁/共55頁82）材料科學與工程有明確的應用背景和應用目的發(fā)展材料科學與工程的目的是開發(fā)新材料，并為之提供新技術、新方法和新工藝；或者提高已有材料的性能和質量，降低成本和減少污染，以更好地使用已有材料，充分發(fā)揮其作用。材料科學與工程在這一點上與材料物理、材料化學有重要區(qū)別。3）材料科學與材料工程是相輔相成、密不可分的在材料科學與工程中，材料科學側重于發(fā)現(xiàn)和揭示材料四要素之間的關系，以提出新概念和新理論；材料工程則側重于尋求新手段以實現(xiàn)新材料的設計思想并使之投入應用。兩者是相輔相成、密不可分的?！?.1材料科學與工程的形成與內涵第8頁/共55頁92.1.4材料科學與工程的四要素

材料的化學成分、組織結構是影響其各種性質的直接因素，加工過程通過改變材料的組織結構而影響其性質。另一方面，改變化學成分會改變材料的組織結構，從而影響其性質。

組織結構是核心，性能是研究工作的落腳點。§2.1材料科學與工程的形成與內涵(性質）第9頁/共55頁10

材料的品種及其應用多種多樣，材料的問題涉及到許多科學與工程學科，因此，人們一直關心各種材料的統(tǒng)一性和相關性。材料科學與工程四個基本要素的提出，才使得在貌似不相關的材料之間找到了共同點，即無論哪種材料都包括以下四個基本要素：成分與結構合成與加工性能（性質或固有屬性）使用性能§2.1材料科學與工程的形成與內涵

把四大要素連接在一起，就形成一個四面體。該四面體模型較好地描述了作為一個整體的材料科學與工程的內涵和特點，反映了材料科學與工程研究中的共性問題。因此，抓住了材料科學與工程的四個要素，就抓住了材料科學與工程的本質。第10頁/共55頁111）材料的結構與成分

每個特定的材料都具有一個從原子、電子尺度到宏觀尺度的結構。在各種尺度上，對材料的結構進行研究是材料科學與工程學科的重要方面。材料的結構一般包含幾個層次：電子層次；原子或分子排列層次；（納米層次）顯微層次；宏觀層次

當前，由于材料的性質和使用性能愈來愈多地取決于材料的納米結構，對介于宏觀尺度和微觀尺度之間的納米尺度的探究已成為材料科學與工程的新重點。§2.1材料科學與工程的形成與內涵第11頁/共55頁12材料的結構層次宏觀結構MacroscopicStructure微觀結構MicroscopicStructure原子尺度AtomicLevel亞原子尺度SubatomicLevel§2.1材料科學與工程的形成與內涵第12頁/共55頁13材料的不同層次的結構：原子結構、電子結構是研究材料特性的兩個最基本的物質層次;鍵合結構:

描述原子/離子間的化學鍵性質納米結構:

納米尺度上的結構顯微組織（顯微結構,Microstructure）指多晶材料的微觀形貌、晶體學結構和取向、晶界、相界、界面相、亞晶界、位錯、層錯、孿晶、固溶和析出、偏析和夾雜、有序化等。宏觀組織（Macrostructure）如材料的孔隙、巖石的層理、木材的紋理（纖維狀）等。材料的顯微結構對材料的性能具有相當大的影響。§2.1材料科學與工程的形成與內涵第13頁/共55頁142）材料的合成與加工材料的合成與加工過程實質上是一個建立原子、分子的新排列，從原子尺度到宏觀尺度上對材料結構進行控制的過程。合成通常是指把原子和分子組合在一起來制造新材料時所采用的物理和化學方法。加工除了為生產有用材料而對原子、分子進行控制外，還包括材料形狀在較大尺度上的改變。§2.1材料科學與工程的形成與內涵

研究表明，材料的性質和使用性能取決于材料的組成及結構，后者又取決于合成與加工工藝。第14頁/共55頁153）材料的性能（性質或固有屬性）每一種材料都有其固有的性質，因而材料在各種外部作用的刺激下就會有特定的響應，材料的性能就是材料這種固有屬性的定量描述。

材料的任何性能，都源于材料特定的結構，都是材料經合成或加工后由其結構與成分的變化而產生的結果?！?.1材料科學與工程的形成與內涵材料的性能物理性能化學性能力學性能如導電性、導熱性、折射率、磁化率等如抗氧化性、抗腐蝕性等如強度、塑性、韌性等第15頁/共55頁164）材料的使用性能（服役性能）§2.1材料科學與工程的形成與內涵

材料的使用性能：指材料在服役條件下所表現(xiàn)的特性，它是材料性質與服役條件、產品設計及加工融合在一起所決定的要素，其度量指標有可靠性、有效壽命、安全性和成本等綜合因素。

材料的物理、化學、力學性質都是成分和結構的體現(xiàn)，它們決定著材料的使用范圍。使用性能取決于材料的基本性能。第16頁/共55頁17

材料四要素之間的相互關系是材料科學與工程所關心的基本問題，而材料的結構-性能關系正是這一問題的核心。無論金屬材料、高分子材料還是無機非金屬材料，其宏觀性能都是由其化學組成和內部結構決定的。●材料的使用依賴于材料的性能，而其性能都是由其化學組成和結構決定的?！裰挥袕奈⒂^上了解材料的組成、結構與性能的關系，才能有效地選擇制備和使用材料?！?.2材料的結構與性能第17頁/共55頁18

定義:

組成材料的原子或分子之間的空間分布。

材料的結構決定材料的性能。內涵：包含化學成分、晶體結構和缺陷、相組成、形貌等。鍵合結構晶體結構組織結構

材料的結構§2.2材料的結構與性能第18頁/共55頁19核心關系“材料貫穿于機械工程的始終?！?/p>

而其核心是圍繞:“結構與性能”的相互辯證關系?！?.2材料的結構與性能第19頁/共55頁202.2.1材料結構的基本知識1.成分與結構▲材料的成分是指組成材料的元素種類及其含量，通常用質量分數(shù)(w)表示，有時也用粒子數(shù)分數(shù)(x)表示及原子分數(shù)（at%）?！牧系慕Y構主要是指材料中原子(離子或分子等。為了敘述簡便，以下統(tǒng)一由原子代表)的排列方式。2.組元、相和組織●組元：組元是組成材料最基本的、獨立的物質。

組元可以是純元素，也可以是能穩(wěn)定存在的化合物。金屬材料的組元多為純元素，陶瓷材料的組元多為化合物。高分子材料則是以高分子化合物為主要組元的材料?！?.2材料的結構與性能第20頁/共55頁21●相：材料中具有同一化學成分并且結構和性質相同的均勻連續(xù)部分稱為相。

相與相之間有明顯的界面，材料的結構和性質在相界面上會發(fā)生突變，但有界面分開的不一定都是兩相，例如，如果材料是由成分、結構均相同的同種晶粒構成的，盡管各晶粒之間有晶界隔開，但它們仍屬于同一種相?！?.2材料的結構與性能第21頁/共55頁22●組織：材料內部的微觀形貌稱為材料的組織。

在光學顯微鏡或電子顯微鏡下可觀察到，能反映各組成相形態(tài)、尺寸及分布的圖像。白口鑄鐵

球墨鑄鐵

§2.2材料的結構與性能第22頁/共55頁233.材料中的化學鍵合

單個原子通過化學鍵結合在一起組成材料，各類材料在結構和特性上的差異本質上是由不同元素以特定的鍵合方式結合造成的。化學鍵物理鍵離子鍵金屬鍵范德華鍵氫鍵共價鍵

結合鍵

原子、分子間的結合力：是原子、分子之間吸引力和排斥力的合力。

金屬離子與自由電子相互吸引所形成的結合力。§2.2材料的結構與性能第23頁/共55頁24電負性：不同元素的原子在分子中吸引電子的能力,

與原子的親合能和第一電離能之和成正比。

§2.2材料的結構與性能第24頁/共55頁25

電負性與鍵性的關系▲

電負性小的原子結合形成金屬鍵；▲

電負性大的原子結合形成共價鍵；▲

電負性相差大的不同原子結合形成離子鍵；▲

電負性相差小的不同原子結合形成共價鍵和離子鍵的混合鍵。§2.2材料的結構與性能第25頁/共55頁264.晶體結構和空間點陣●晶體結構：晶體結構是指晶體中，原子（離子、分子）在三維空間的排列方式?！窨臻g點陣（晶格）：為了研究方便，通常把在空間中排列的原子（離子、分子）抽象成幾何上的點，然后用直線把它們連接起來，就構成了一個有規(guī)則的幾何格架，即所謂的空間點陣（或晶格）?！?.2材料的結構與性能第26頁/共55頁27晶胞§2.2材料的結構與性能●晶胞：能夠充分反映整個晶體結構特征的最小構造單位。第27頁/共55頁28●布拉菲點陣：可以用晶胞棱邊長度a、b、c及棱邊之間的夾角α、β、γ來描述晶胞的大小和形狀。

1948年，布拉菲利首先用數(shù)學分析方法證明，自然界可能存在的空間點陣只有14種，分屬7個不同的晶系，如下圖。

§2.2材料的結構與性能第28頁/共55頁29晶體的7種晶系和14種布拉菲點陣晶系布拉菲點陣和符號晶胞參數(shù)關系立方晶系簡單（P）a=b=c,α=β=γ=90°體心（I）面心（F）六方晶系簡單（P）a=b≠c,α=β=90°,γ=120°正方晶系（四方）簡單（P）a=b≠c,α=β=γ=90°體心（I）菱方晶系（三方）簡單（R）a≠b≠c,α=β=γ≠90°正交晶系（斜方）簡單（P）a=b≠c,α=β=γ=90°體心（I）底心（C）單斜晶系面心（F）a=b≠c,α=γ=90°≠β簡單（P）三斜晶系底心（C）a=b≠c,α≠β≠γ≠90°簡單（P）§2.2材料的結構與性能第29頁/共55頁30十四種布拉菲點陣示意圖

§2.2材料的結構與性能第30頁/共55頁31非晶單晶多晶晶體：原子以周期性重復方式在三維空間有規(guī)則排列的固體，否則稱為非晶體。非晶體：原子排列短程有序，無周期晶體金剛石、NaCl、冰等。液體非晶體：蜂蠟、玻璃等。§2.2材料的結構與性能

非晶

多晶

單晶

第31頁/共55頁322.2.2材料的結構1.金屬材料的結構金屬材料一般都是晶體，在常溫下，純金屬的晶體結構大部分屬于下面3種。面心立方結構；體心立方結構；密排六方結構。

溫度發(fā)生變化時，同一種金屬可能會發(fā)生晶體結構轉變。常溫下的鎳、鋁、銅、鉛、銀等金屬屬于面心立方結構；常溫下的鐵、鉬、鎢、鈮等屬于體心立方結構；常溫下的鈦、鎂、鋅等屬于密排六方結構。面心立方結構體心立方結構密排六方結構§2.2材料的結構與性能第32頁/共55頁33置換型固溶體：溶質原子占據(jù)陣點的固溶體間隙型固溶體：溶質原子占據(jù)基本組元原子間隙的固溶體◆固溶體間隙式固溶體

置換式固溶體

當金屬與其他元素形成合金時，在合金中會形成一定的相。從結構上可以將合金中的相分為固溶體和化合物兩類?！?.2材料的結構與性能合金(Alloy)——以一種金屬元素為基礎，加入其它金屬或非金屬而組成的具有金屬特性的材料。第33頁/共55頁34◆金屬間化合物

把金屬與金屬或金屬與非金屬元素之間形成的化合物稱為金屬間化合物。

金屬間化合物的晶體結構一般都比較復雜，其結合鍵中含有較多的離子鍵和共價鍵成分，因此金屬間化合物通常具有熔點高、硬度高、脆性大等特點。金屬間化合物在合金中一般作為強化相存在，能明顯提高合金的強度、硬度和耐磨性。幾種金屬間化合物的晶胞（a）CaF2結構;（b）閃鋅礦結構;（c）VC結構;（d）Fe3C結構§2.2材料的結構與性能第34頁/共55頁352.無機非金屬材料的結構

無機非金屬材料中的相組成較為復雜，其典型組織由晶體相、玻璃相和氣相三者組成，其中的晶體相是主要的組成相。晶體相常見的結構有氧化物結構、非氧化物結構和硅酸鹽結構。▲氧化物結構幾種典型氧化物的結構（a）MgO；（b）ThO2；（c）A12O3§2.2材料的結構與性能

在-A12O3中，O2-占據(jù)密排六方晶格的結點位置，而Al3+對稱地填充在其八面體間隙中。第35頁/共55頁36▲非氧化合物結構

非氧化合物是指金屬碳化物、氮化物、硅化物和硼化物等，其結合鍵主要是離子鍵，也有一定成分的金屬鍵和共價鍵。幾種非氧化合物的結構（a）碳化物；（b）氮化物；（c）硼化物；（d）硅化物§2.2材料的結構與性能第36頁/共55頁37▲硅酸鹽結構

硅酸鹽的結合鍵為離子鍵和共價鍵的混合鍵，其主要結構特征是Si4+總是位于由4個O2-離子組成的四面體中心，以此構成硅酸鹽的基本單元——硅氧四面體[SiO4]4-，如下圖（a）所示。部分硅酸鹽結構示意圖（a）[SiO4]4-；（b）[Si2O7]6-；（c）[Si3O9]6-；（d）[Si6O18]12-；（e）[SiO3]2§2.2材料的結構與性能第37頁/共55頁383.高分子材料的結構

高分子材料的結構包括高分子鏈結構和聚集態(tài)結構兩個層次。◆高分子鏈結構高分子鏈形狀示意圖a）線型分子鏈；b）支鏈型分子鏈；c）體型分子鏈線型分子鏈支鏈型分子鏈體型分子鏈由大量重復的結構單元連接成。（網型分子鏈）§2.2材料的結構與性能第38頁/共55頁39

由線型和支鏈型分子鏈構成的聚合物的性能特點是彈性高，塑性好，硬度低，可以通過加熱和冷卻的方法使其重新軟化（或熔化）和硬化（或固化），故又稱為熱塑性聚合物。例如，滌綸、尼龍、生橡膠等。

體型分子鏈構成的聚合物，由于網狀分子鏈的形成，使聚合物分子之間不易相互流動，從而提高了聚合物的強度、耐熱性和化學穩(wěn)定性。這類聚合物具有較高的強度和熱固性，加熱加壓成形固化后，不能再加熱熔化或軟化，故又稱為熱固性聚合物。例如，酚醛塑料、環(huán)氧樹脂、硫化橡膠等?！?.2材料的結構與性能第39頁/共55頁40◆高分子的聚集態(tài)結構

高分子材料的聚集態(tài)結構是指其內部高分子鏈的幾何排列和堆砌結構。一般可分為晶態(tài)（分子鏈規(guī)則排列）、部分晶態(tài)（分子鏈部分規(guī)則排列）和非晶態(tài)（分子鏈無規(guī)則排列）三類。

由線型分子鏈構成的聚合物在一定條件下可以形成晶態(tài)或部分晶態(tài)，而由體型分子鏈構成的聚合物均為非晶態(tài)。高分子的聚集態(tài)結構示意圖（a）晶態(tài);（b）部分晶態(tài);（c）非晶態(tài)§2.2材料的結構與性能第40頁/共55頁414.晶體結構的不完整性晶體結構缺陷:晶體中原子排列的周期性受到破壞的區(qū)域。分點缺陷、線缺陷和面缺陷。▼點缺陷：是指原子應占而未占的空位或間隙中不該存在存在的間隙原子。形成原因-熱缺陷、雜質缺陷、非化學計量缺陷等。晶體中存在的各種點缺陷示意圖（a）空位;（b）間隙原子；（c）小置換原子；（d）大置換原子§2.2材料的結構與性能

點缺陷使周圍晶格發(fā)生畸變，提高晶體內能，降低導電率，提高強度。第41頁/共55頁42▼

線缺陷：線缺陷是對材料性能有重大影響的一維缺陷，稱為位錯（刃型位錯和螺位錯）。刃型位錯螺型位錯§2.2材料的結構與性能——由晶體中原子平面的錯動引起。

產生原因：①點缺陷坍塌；②應力作用下的塑性變形。位錯越多，其運動越困難，材料的強度、硬度越高，脆性越大。第42頁/共55頁43▼

面缺陷：面缺陷是指多相材料組成相間的界面和單相材料晶粒間的界面，它們在光學顯微鏡下即可被看到。

晶界與亞晶界示意圖（a）晶界;（b）亞晶界

§2.2材料的結構與性能顯微鏡照片

面缺陷包括晶界、亞晶界、相界面、表面等。第43頁/共55頁44▼體缺陷體缺陷是三維缺陷，包括：孔洞(Pores)——影響材料的力學、光學、熱學性能；裂紋(Cracks)——影響材料的力學性能；夾雜(Inclusions)——影響材料的力學、光學、電學性能?！?.2材料的結構與性能第44頁/共55頁452.2.3材料的性能

材料性能是用于表征材料在給定外在條件下行為的參量。

力學性質物理性質化學性質

硬度磁學催化剛度光學防腐強度熱學塑性電學韌性聲學 1.力學性能

材料的力學性能是指材料受到外力作用時的變形行為以及材料抵抗變形和破壞的能力。§2.2材料的結構與性能第45頁/共55頁46強度：材料抵抗外應力的能力。與缺陷、鍵力有關。表征：抗拉強度（σb

）、屈服強度（σs）、抗彎強度、抗壓強度。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。表征：延伸率δ、斷面收縮率§2.2材料的結構與性能第46頁/共55頁47硬度：材料在表面上的小體積內抵抗變形或破裂的能力。彈性：在外力作用下材料產生變形，外力除去后能恢復原狀的能力。剛度：抵抗彈性變形能力。表征：彈性模量、楊氏模量、剪切模量疲勞強度：材料抵抗交變應力作用下斷裂破壞的能力。表征：疲勞極限、疲勞壽命抗蠕變性：材料在恒定應力（或恒定載荷）作用下抵抗變形的能力。表征：蠕變極限、持久強度韌性：材料從塑性變形到斷裂全過程中吸收能量的能力。表征：斷裂韌性KIC、斷裂韌性JIC§2.2材料的結構與性能第47頁/共55頁48材料的物理性質磁學性質光學性質電學性質導電性絕緣性介電性順磁性鐵磁性抗磁性光反射光折射光學損耗光透性熱學性質導熱性熱膨脹熱容熔化2.物理性能1.電學性能表征：導電率、電阻率、介電常數(shù)2.磁學性能表征：磁導率、矯頑力、磁化率3.光學性能表征：光反射率、光折射率、光損耗率4.熱學性能表征：熱導率、熱膨脹系數(shù)、熔點、比熱

§2.2材料的結構與性能第48頁/共55頁493.化學性能

材料總是在一定的環(huán)境介質中工作的，這些介質常常會與材料發(fā)生化學反應，影響材料性能的發(fā)揮。例如，隨處可見的生銹現(xiàn)象，不僅浪費了大量金屬資源，而且還會導致各種災難性的事故。

材料抵抗各種介質作用的能力。包括溶蝕性、耐腐蝕性、抗?jié)B性、抗氧化性，即化學穩(wěn)定性。還有催化性和離子交換性。§2.2材料的結構與性能第49頁/共55頁50§2.3材料科學與工程的發(fā)展趨勢

今天，通信產業(yè)、生物技術、新能源技術、宇航技術等，都對材料提出了更高的要求。復合化、功能化、智能化、