2材料科学与工程的四个基本要素

1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§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3材料性质：是功能特性和效用的描述符，是材料对电.磁.光.热.机械载荷的反应。材料性质描述力学性质物理性质化学性质•强度•硬度•刚度•塑性•韧性•电学性质•磁学性质•光学性质•热学性质•催化性质•防化性质2.1.1基础内容4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。21.1基础内容5结构材料性质的表征----材料力学性质疲劳强度：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。2.1.1基础内容6强度范畴刚度范畴塑性范畴韧性范畴应力应变2.1.1基础内容7材料的物理性质磁学性质光学性质电学性质•导电性•绝缘性•介电性•抗磁性•顺磁性•铁磁性•光反射•光折射•光学损耗•光透性热学性质•导热性•热膨胀•热容•熔化注：上面只列出了材料的主要物理性质2.1.1基础内容8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------2.1.1基础内容9使用性能：是指材料在最终使用状态（产品、元件）下表现出的行为。可靠性、耐用度、寿命、性能价格比、安全性，及材料固化为产品后，表征产品优良程度的各种性能指标，如飞行速度.使用温度等。使用性能描述符2.1.1基础内容10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。性能定义2.1.1基础内容11材料力学性能1.强度表征：弹性极限屈服强度比例极限……2.1.1基础内容12材料力学性能2.塑性表征：延伸率δ断面收缩率φ冲杯深度h2.1.1基础内容13材料力学性能2.1.1基础内容3.硬度表征：布氏硬度洛氏硬度维氏硬度……14材料力学性能2.1.1基础内容4.刚度表征：弹性模量杨氏模量剪切模量……15材料力学性能2.1.1基础内容5.疲劳强度表征：疲劳极限疲劳寿命……16材料力学性能2.1.1基础内容6.抗蠕变性表征：蠕变极限持久强度……17材料力学性能2.1.1基础内容7.韧性表征：断裂韧性KIC断裂韧性JIC18材料物理性能2.1.1基础内容1.电学性能表征：导电率电阻率介电常数……19材料物理性能2.1.1基础内容2.磁学性能表征：磁导率矫顽力磁化率……20材料物理性能2.1.1基础内容3.光学性能表征：光反射率光折射率光损耗率……21材料物理性能2.1.1基础内容4.热学性能表征：热导率热膨胀系数熔点比热……222.性质与使用性能的区别与关系成分结构环境性质规范使用性能所以，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。2.1.2性质与性能的区别与关系23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。2.1.2性质与性能的区别与关系24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。2.1.2性质与性能的区别与关系25失效性质失效环境失效行为力学低温、过载荷脆断、疲劳、断裂化学化学介质腐蚀破坏催化剂失效电学电压、电流电介质击穿电流过载热学高温高温融化蠕变破坏3.失效分析----材料使用性能的重要研究内容2.1.3失效分析26断裂磨损腐蚀三类主要的材料力学失效形式2.1.3失效分析272.1.3失效分析28材料的断裂韧性2.1.3失效分析294.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。3.1.4材料（产品）使用性能的设计30传统方式：结构与功能确定材料的性质先进方式：结构与功能材料的性质完成设计2.1.4材料（产品）使用性能的设计（选择材料）31汽车喷油嘴的设计--方案一顶锥运动方向软磁材料高压油吸上：喷油弹下：封闭电磁体材料性质要求高磁导率低矫顽力顶锥响应时间约为毫秒级问题：由于惯性原因，造成喷油时间滞后使燃烧效率降低，造成燃料损耗和环境污染。例2.1.4材料（产品）使用性能的设计32顶锥长度变化高磁致伸缩材料收缩：喷油复原：封闭顶锥响应时间约为微秒级材料性质要求高的磁致伸缩系数优点：结构简单，燃烧效率高，环境污染降低。汽车喷油嘴的设计--方案二例磁场21.4材料（产品）使用性能的设计335.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：–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。2.1.5材料性能数据库34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2.1.5材料性能数据库35材料世界产量中国产量钢铁71437.310124.0水泥137466.049199.0合成橡胶818.260.0合成树脂13940.0643.6合成纤维2155.4460.3主要结构材料的产量统计2.1.6其它问题6.其它问题36§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371.材料的结构2.2.1材料的结构键合结构晶体结构组织结构38材料的结构----键合结构2.2.1材料的结构离子建共价键金属键•化学键氢键分子键•物理键结合能陶瓷材料高分子材料金属材料冰（H20）卤族晶体注：1.有些陶瓷材料属共价键化合物，如SiC陶瓷；2.分子键又称范德瓦尔斯力3.实际晶体并非只有一种键合结构，如冰晶（共价键、氢键）392.2.1材料的结构晶体：原子排列长程有序，有周期材料的结构----晶体结构非晶体：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40定义：组成材料的不同物质表示出的某种形态特征2.2.1材料的结构材料的结构----组织结构匀晶型组织共晶型组织包晶型组织相图特征结构特征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…...412.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。2.2.2成分、结构检测技术42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2.2.2成分、结构检测技术43结构分析检测仪器分辨率体视显微镜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--0.2nm22.2成分、结构检测技术44磷锡青铜铸造组织105倍2.2.2成分、结构检测技术45扫描电镜像----AlN纤维形貌2.2.2成分、结构检测技术462.2.2成分、结构检测技术扫描电镜像----六方AlN晶体形貌47β-Si3N4β-Si3N45nm无压烧结Si3N4材料---透射电镜像：原子排列面2.2.2成分、结构检测技术482.2.2成分、结构检测技术场离子显微镜像----S3N4晶须形貌492.2.2成分、结构检测技术扫描隧道显微镜像----方铝矿（100）解理面PbS502.2.2成分、结构检测技术扫描隧道显微镜像在扫描隧道显微镜下，在硅（111）表面直接取出原子而“刻写”出平均线宽为2纳米的字体。513.与其它要素的关系是材料性质的原因是合成加工的结果2.2.3与其它要素的关系52•材料的强度2.2.3与其它要素的关系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。53•塑性加工2.2.3与其它要素的关系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54•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2.2.3与其它要素的关系554.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。具有一种晶体结构的物质称为一相2.2.4成分、结构数据库565.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NEW•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2.2.5成分、结构研究领域的新机遇57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。2.2.5成分、结构研究领域的新机遇58§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591.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。2.3.1定义602.3.1定义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612.3.2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2.合成与加工的主要内容62一．材料的制备2.3.2合成与加工的主要内容一．材料的制备冶金过程熔炼与凝固粉末烧结高分子聚合63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2.3.2合成与加工的主要内容一．材料的制备642.3.2合成与加工的主要内容一．材料的制备冶金过程（化学冶金）目的：从原料中提取出金属火法冶金熔盐电冶金湿法冶金．．．．．．内容:炼铁、炼铜电解铝、镁水溶液电解锌冶金过程65熔炼与凝固（物理冶金）2.3.2合成与加工的主要内容一．材料的制备目的: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.熔融法提拉单晶熔炼与凝固662.3.2合成与加工的主要内容一．材料的制备目的: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粉末烧结粉末烧结672.3.2合成与加工的主要内容一．材料的制备目的: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