材料科学与工程导论

材料科学与工程导论一、材料的定义与分类材料是人类用于制造机器、构件和产品的物质，是人类赖以生存和发展的物质基础新材料，主要是指那些正在发展，且具有优异性能和应用前景的一类材料。为了规范新材料的含义，一般把具备以下三个条件之一的材料称为新(1.新出现或正在发展中的具有传统材料所不具备的优良性能的材料。如：C602.高技术发展需要，具有特殊性能的材料。如：形状记忆合金3.由于采用新技术（工艺、装备）明显提高了性能，或者出现了新的功能的材料。如：超级钢、纳米、超导材料、智能材料、生物医用材料）分类一：按组成与结构划分（金属材料无机非金属材料高分子材料复合材料）分类二：按用途分（电子信息材料航空航天材料能源材料生物医用材料等）分类三：按性能分结构材料（高温合金、难熔金属、金属间化合物、金属基复合材料、高分子材料、钛合金、镁合金）功能材料（吸波材料、单晶硅、形状记忆材料）分类四：按应用与发展分（传统材料新材料如纳米铜、超导电缆）二、材料的地位和作用当代文明：能源材料信息新技术革命：信息技术新材料生物技术材料是人类社会发展的基础和先导1新材料技术是工业革命和产业发展的先导两次工业革命都是以新材料的发明和广泛应用为先导�第一次工业革命（18世纪）：制钢工业的发展为蒸汽机的发明和应用奠定了物质基础。�第二次工业革命（20世纪中叶以来）：单晶硅材料对电子技术的发明和应用起了核心作用。2新材料技术是社会现代化的先导�21世纪重点发展的高技术领域的进展与趋势�21世纪重点发展的高技术领域的材料选择�新材料技术是高技术发展的基础21世纪重点发展的高技术领域的进展与趋势环境科学技术：探求人类与环境和谐共存方式空间科学技术：探索宇宙空间（多种用途的人货分离的新一代航天飞行器、小卫星技术、太空攻防技术）新材料科学技术：探索物质结构（纳米技术、光电子材料、光子材料、新型功能材料、新型结构材料）新能源与再生能源：实现人类可持续发展（化石能源高效清洁利用技术、新能源‘核能、氢能’和可再生能源技术、天然气水合物的开发）信息科学技术：信网络技术、宽带通信技术、半导体技术、计算机智能技术生物科学技术：探索生命本质（基因组学、蛋白质科学、干细胞及再生医学）海洋科学技术：探索海洋奥秘七大高新技术领域1.信息科学技术：正在发生结构性变革，仍然是经济持续增长的主导力量。1）通信网络技术为信息产业注入强大活力；2）宽带通信已成为国际上应用最广的通信技术；3）半导体技术进入纳米时代；4）计算机智能技术日新月异。2.生物技术：正经历着一场前所未有的技术革命，一个庞大的生物产业正在孕育和形成。1）基因组学、蛋白质科学、干细胞及再生医学的研究成为生命科学的前沿与热点；2）干细胞及再生医学的研究及应用为人类健康开辟了新道路；3）生物芯片在医疗和科研领域发挥巨大作用；4）转基因技术及应用呈现出高速发展的态势。3.航天技术：快速发展，不断开辟人类探索的新空间。1）太空探索带动太空探索技术加速发展；2）研制多种用途的人货分离的新一代航天飞行器成未来趋势；3）小卫星技术日趋成熟并将广泛应；4）太空攻防技术成为未来航天技术发展的重要领域。4.能源技术：将变革未来社会的动力基础，促进人类实现可持续发展。1）煤炭的高效清洁利用成为化石能源技术研发热点；2）核能技术酝酿新的突破；3）氢能技术研发和商业应用加速；4)新能源和可再生能源技术展现良好前景；5)天然气水合物的开发受到重视用能技术发展前景广阔。5.先进制造技术：向绿色制造、高技术化、信息化、极端制造方向发展，成为提升产业竞争力的关键技术。1)光机电一体化技术；2）微电子光刻技术；3）重大装备制造技术。6.新材料技术：出现群体性突破，将对21世纪基础科学和几乎所有工业领域产生革命性影响。（新材料技术是高技术发展的基础）1）纳米技术是前沿技术中最具前瞻性和带动性的领域之一；2）光电子材料、光子材料将成为发展最快和最有前途的电子信息材料；3）新型功能材料（超导材料、智能材料、生物医用材料）及其应用技术面临新的突破；4）新型结构材料（高温合金、难熔金属、金属间化合物、金属基复合材料、高分子材料、钛合金、镁合金）发展前景乐观。3新材料技术是一切工业发展的关键共性基础新材料技术出现群体性突破，将对21世纪所有工业领域产生革命性的影响，成为一切工业的关键共性基。（纳米材料特点之一:表面效应特点之二：小尺寸效应特点之三:量子效应）是人类社会进步的里程碑和划时代的标志。人类利用材料的历史，就是一部人类进化和进步的历史。三、材料科学与工程的形成和发展科学驱动：科学技术的发展需求牵引：社会经济的需求材料科学与工程的定义材料科学与工程就是指出研究有关材料的组成、结构、制备工艺流程与材料性能和用途关系的知识和它的应用。材料科学与工程的三个重要属性一是多学科交叉。它是物理学、化学、冶金学、金属学、陶瓷学、高分子化学及计算科学相互融合和交叉的结果；二是一种与实际使用结合非常紧密的科学。发展材料科学的目的在于开发新材料，提高材料的性能和质量，合理使用材料，同时降低材料成本和减少污染；三是材料科学是一个正在发展中的科学。不像物理学、化学已有很成熟的体系，它将随着各有关学科的发展而得到充实和发展。材料科学家和材料工程师的使命�从电子和原子尺寸微观尺度、到介观和宏观尺度去研究材料�材料研究工作者形成共识:四个要素缺一不可�需要多学科多领域材料工作者的团结协作,共同推动材料的不断进步四、材料“四要素”1.什么是材料的“四要素”？使用性能1）材料性能的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h3.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（1.疲劳极限材料能经受“无限”次循环而不发生疲劳破坏的最大应力值，称为材料的疲劳极限或持久极限。2.疲劳寿命材料发生疲劳破坏时的应力循环次数，或从开始受载到发生断裂所经过的时间称为该材料的疲劳寿命）6.抗蠕变性表征（1.蠕变极限表示材料抵抗蠕变能力大小的指标，一般用规定温度下和规定时间内达到一定总变形量的应力值表示。2.持久强度材料在给定温度经过一定时间破坏时所能承受的恒定应力。）7.韧性表征断裂韧性KIC、断裂韧性JIC物理性能1.电学性能表征电导率、电阻率、介电常数2.磁学性能表征磁导率（F=μ0LI^2/2πa）、矫顽力（磁记录介质的一个重要磁性参数（Hc），是指使剩磁降低为零所需要的磁场强度）、磁化率(物质在外磁场作用下，由于电子等带电体的运动，会被磁化而感应出一个附加磁场。磁化率是用来表征物质被磁化程度的物理量)3.光学性能表征光反射率、光折射率、光损耗率……2）材料使用性能与性质的区别与联系性能是包括材料在内的整个系统特征的体现；性质则是材料本身特征的体现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。3）材料使用性能的设计与实际应用在材料使用性能（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。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。传统方式：结构与功能―确定材料的性质（选择材料）先进方式：结构与功能/材料的性质4）材料与环境的关系三类主要的材料失效形式断裂、磨损、腐蚀5）材料性能数据材料性能数据库是材料选择的先决条件；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。成分/结构1）材料成分结构的分类键合结构-五种键合结构(注：1.有些陶瓷材料属共价键化合物，如SiC陶瓷；2.分子键又称德瓦尔斯力;3.实际晶体并非只有一种键合结构，如冰晶。）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，无周期组织结构组成材料的不同物质表示出的某种形态特征（1.结构特征马氏体组织、索氏体组织、贝氏体组织…2.组合特征单相组织、两相组织、多相组织）2）材料结构的特点多尺度效应(小尺度效应：特殊的光学性质特殊的热学性质特殊的磁学性质特殊的力学性质)稳定性有序与无序材料的缺陷(点缺陷线缺陷面缺陷)表面和界面(由于纳米粒子尺寸减小造成表层原子数目和比表面积巨增，使纳米粒子表现出特殊的性质。材料纳米化后，发生了三种变化�晶体的周期性遭到破坏�表面原子的悬空键增多�表层原子数剧增)3）材料成分结构的表征方法现代材料科学家对材料成分、结构的认识是由分析、检测实现成分分析(物理分析：物理量间接测定谱学分析：红外光谱分析等化学分析：化验)结构分析(体视显微镜mm(毫米)--μm（微米）光学显微镜μm（微米）电子扫描显微微米--纳米（nm）达0.7nm透射电镜观察到原子排列面，达0.2nm场离子显微镜形貌观察0.2--0.3nm隧道扫描显微镜观察到原子结构0.05--0.2nm)4）材料成分、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相的定义:把系统中物理性质及化学性质均匀的部分称为相5）材料成分结构与其它要素的关系结构是材料性能的原因：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。结构是合成加工的结果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---细晶组织材料的强韧化-位错理论的建立：固溶强化、弥散强化、复相强化、加工硬化相变增韧制备/加工1）材料制备与加工的定义“制备”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制备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法。Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O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。�在材料科学与工程中，制备和加工之间的区别变得越来越模糊�制备是新技术开发和现有技术改进的关键性要素�现代材料制备技术是人造材料的唯一实现途径2）材料制备与加工的主要内容材料制备冶金过程—冶金物理化学目的:从原料中提取出金属内容:火法冶金——炼铁、炼铜熔盐电冶金——电解铝、镁湿法冶金——水溶液电解锌熔炼与凝固—凝固学理论目的: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2.快速凝固3.定向凝固4.区域熔炼5.玻璃的熔炼6.熔融法提拉单晶粉末烧结—烧结原理高分子聚合—聚合反应目的: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2.乳液聚合3.悬浮聚合4.溶液聚合材料加工与成型加工：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（典型热处理工艺淬火‘通过快速冷却，获得远离平衡态的不稳定组织，达到强化材料的目的’、正火‘在奥氏体状态下，空气或保护气体冷却获得珠光体均匀组织，提高强度，改善韧性’、回火‘淬火或正火的材料重新加热,可以松懈淬火应力和使组织向稳态过度，改善材料的延展性和韧性’、退火‘通过缓慢冷却，获得接近平衡态的组织，达到均匀化、消除内应力的目的’）材料的联接焊接、粘接、铆接、栓接成型：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（研究内容：凝固过程成型工艺流变特性）2.塑变成型——金属的压力加工（A冷加工高应力低形变量实现加工硬化B热加工低应力大形变量实现超塑性变形）3.流变成型——金属、陶瓷、高分子成型（金属的半固态成型高分材料的熔融成型陶瓷泥料