材料科学与工程导论--第二章--材料科学与工程纲要

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,材料科学与工程导论-第二章-材料科学与工程纲要,由于当时正是苏美两国争夺世界霸权的，这件事在美国朝野引起很大震动。各有关部门联合向总统提出报告，认为美国落后于苏联的原因主要在于先进材料的研究开发方面。,1958年3月，美国总统发布了“全国材料规划”，决定由12所大学成立材料科学研究中心，采用先进的科学理论和实验方法对材料进行深入研究，从此出现了“,材料科学,”一词。,1966冶金与材料科学系”，1975年又将其更名为“材料科学与工程系”。这标志着人们开始把材料的研究作为自然科学的一个分支，从此“材料科学”学科开始兴起。,2.1 材料科学与工程的形成与内涵,2,科技发展的必然结果,1） 20世纪上半叶基础学科的发展奠定了材料科学的基础,量子力学、固体物理、无机化学、有机化学、物理化学等基础学科的发展为材料科学的形成奠定了重要的理论基础；而各种现代分析技术的进步，加深了人们对物质结构和材料的物理化学性质的理解；同时，冶金学、金属学、陶瓷学、高分子科学等应用科学的发展也使人们对材料本身的研究大大加强。这使人们对材料的制备、结构、性能以及它们之间的相互关系的研究也越来越深入。,2）不同材料应用理论的交叉融合促进了材料科学的形成,在“材料科学”概念出现以前，金属、陶瓷和高分子都已自成体系，但它们之间存在颇多相似之处，不同材料之间可以相互借鉴，促使了该学科的发展。,2.1 材料科学与工程的形成与内涵,3,3）不同材料测试技术及工艺技术的交叉融合也促进了材料科学的形成,虽然不同类型的材料各有其专用的生产设备和测试手段，但它们在许多方面是相同或相近的。,一方面，不同材料的结构与性能表征方法大体上是相通的。,例如，光学显微镜、电子显微镜、表面测试设备、力学性能及其他物理性能测试设备等，对不同类型的材料而言是通用的。,另一方面，在材料的制备与加工中，有许多工艺也是通用的。,例如，挤压工艺常用于金属材料的成形加工以提高强度，而某些高分子材料通过挤压法形成纤维同样能使其比强度和比刚度大幅度提高。,2.1 材料科学与工程的形成与内涵,4, 材料科学的提出20世纪60年代初,“材料”早以存在,1957年苏联卫星上天，美国震动很大，在大学相继建立十余个材料科学研究中心。自此，“材料科学”一词广泛应用。, 材料科学的形成是科学技术发展的结果,材料科学是当代科学技术发展的基础、工业生产的支柱，是当今世界的带头学科之一,材料科学的形成,材料学的三个重要特性, 多学科交叉, 密切结合实际应用, 发展中的学科,2.1 材料科学与工程的形成与内涵,5,2.1.2 材料科学与工程的形成,材料科学的核心内容，在于研究材料的成分、组织结构与性能的关系，具有科学的性质，其目的是解决“,为什么,”。,材料工程的核心内容，在于研究材料在制备、成形、处理和加工过程中的工艺技术问题，其目的是解决“,怎样做,”。,把“材料科学”与“材料工程”两者有机结合起来，就形成了“材料科学与工程”。,材料科学为材料工程提供设计依据，为更好地选择、使用和发展新材料提供理论基础；材料工程又为材料科学提供丰富的研究课题和物质基础。可见，材料科学与材料工程是紧密联系的。,2.1 材料科学与工程的形成与内涵,6,2.1.3 材料科学与工程的特点,1）材料科学与工程具有鲜明的工程性,材料科学与工程具有物理学、化学、冶金学、陶瓷学、高分子学等多学科相互融合、相互交叉的特点，并且与实际应用的关系非常密切，具有鲜明的工程性。,实验室的研究成果必须经过工程研究与开发，以确定合理的工艺流程，并通过中试试验后才能生产出符合要求的材料；此外，各种材料在使用中，还会暴露出一些问题，需要反馈到研究与开发环节，进行改进后再回到应用领域。,只有经过多次反复的应用与改进，才能成为成熟的材料。即便是成熟的材料，随着科技的发展与需求的推动，还要不断加以改进。因此，在材料研究中，将会涉及到材料研究、工艺改进、试验测试、中试试验、推广应用和完善改进等各阶段的研究工作。,2.1 材料科学与工程的形成与内涵,7,2）材料科学与工程有明确的应用背景和应用目的,发展材料科学与工程的目的是开发新材料，并为之提供新技术、新方法和新工艺；或者提高已有材料的性能和质量，降低成本和减少污染，以更好地使用已有材料，充分发挥其作用。材料科学与工程在这一点上与材料物理、材料化学有重要区别。,3）材料科学与材料工程是相辅相成、密不可分的,在材料科学与工程中，材料科学侧重于发现和揭示材料四要素之间的关系，以提出新概念和新理论；材料工程则侧重于寻求新手段以实现新材料的设计思想并使之投入应用。两者是相辅相成、密不可分的。,2.1 材料科学与工程的形成与内涵,8,2.1.4 材料科学与工程的四要素,材料的化学成分、组织结构是影响其各种性质的直接因素，加工过程通过改变材料的组织结构而影响其性质。另一方面，改变化学成分会改变材料的组织结构，从而影响其性质。,组织结构是核心，性能是研究工作的落脚点。,2.1 材料科学与工程的形成与内涵,(性质）,9,材料的品种及其应用多种多样，材料的问题涉及到许多科学与工程学科，因此，人们一直关心各种材料的统一性和相关性。,材料科学与工程四个基本要素的提出，才使得在貌似不相关的材料之间找到了共同点，即无论哪种材料都包括以下四个基本要素：,成分与结构,合成与加工,性能（性质或固有属性）,使用性能,2.1 材料科学与工程的形成与内涵,把四大要素连接在一起，就形成一个四面体。该四面体模型较好地描述了作为一个整体的材料科学与工程的内涵和特点，反映了材料科学与工程研究中的共性问题。因此，抓住了材料科学与工程的四个要素，就抓住了材料科学与工程的本质。,10,1）材料的结构与成分,每个特定的材料都具有一个从原子、电子尺度到宏观尺度的结构。在各种尺度上，对材料的结构进行研究是材料科学与工程学科的重要方面。,材料的结构一般包含几个层次：,电子层次；,原子或分子排列层次；,（纳米层次）,显微层次；,宏观层次,当前，由于材料的性质和使用性能愈来愈多地取决于材料的纳米结构，对介于宏观尺度和微观尺度之间的纳米尺度的探究已成为材料科学与工程的新重点。,2.1 材料科学与工程的形成与内涵,11,材料的结构层次,宏观结构,Macroscopic Structure,微观结构,Microscopic Structure,原子尺度,Atomic Level,亚原子尺度,Subatomic Level,2.1 材料科学与工程的形成与内涵,12,材料的不同层次的结构：,原子结构、电子结构是研究材料特性的两个最基本的物质层次;,键合结构: 描述原子/离子间的化学键性质,纳米结构: 纳米尺度上的结构,显微组织（显微结构, Microstructure）指多晶材料的微观形貌、晶体学结构和取向、晶界、相界、界面相、亚晶界、位错、层错、孪晶、固溶和析出、偏析和夹杂、有序化等。,宏观组织（Macrostructure）如材料的孔隙、岩石的层理、木材的纹理（纤维状）等。,材料的显微结构对材料的性能具有相当大的影响。,2.1 材料科学与工程的形成与内涵,13,2）材料的合成与加工,材料的合成与加工过程实质上是一个建立原子、分子的新排列，从原子尺度到宏观尺度上对材料结构进行控制的过程。,合成通常是指把原子和分子组合在一起来制造新材料时所采用的物理和化学方法。,加工除了为生产有用材料而对原子、分子进行控制外，还包括材料形状在较大尺度上的改变。,2.1 材料科学与工程的形成与内涵,研究表明，材料的性质和使用性能取决于材料的组成及结构，后者又取决于合成与加工工艺。,14,3）材料的性能,（性质或固有属性）,每一种材料都有其固有的性质，因而材料在各种外部作用的刺激下就会有特定的响应，材料的性能就是材料这种固有属性的定量描述。,材料的任何性能，都源于材料特定的结构，都是材料经合成或加工后由其结构与成分的变化而产生的结果。,2.1 材料科学与工程的形成与内涵,材料的性能,物理性能,化学性能,力学性能,如导电性、导热性、折射率、磁化率等,如抗氧化性、抗腐蚀性等,如强度、塑性、韧性等,15,4）材料的使用性能,（服役性能）,2.1 材料科学与工程的形成与内涵,材料的使用性能：指材料在服役条件下所表现的特性，它是材料性质与服役条件、产品设计及加工融合在一起所决定的要素，其度量指标有可靠性、有效寿命、安全性和成本等综合因素。,材料的物理、化学、力学性质都是成分和结构的体现，它们决定着材料的使用范围。,使用性能取决于材料的基本性能。,16,材料四要素之间的相互关系是材料科学与工程所关心的基本问题，而材料的结构-性能关系正是这一问题的核心。,无论金属材料、高分子材料还是无机非金属材料，其宏观性能都是由其化学组成和内部结构决定的。,材料的使用依赖于材料的性能，而其性能都是由其化学组成和结构决定的。,只有从微观上了解材料的组成、结构与性能的关系，才能有效地选择制备和使用材料。,2.2 材料的结构与性能,17,定义:,组成材料的原子或分子之间的空间分布。,材料的结构决定材料的性能。,内涵：包含化学成分、晶体结构和缺陷、相组成、形貌等。,键合结构,晶体结构,组织结构,材料的结构,2.2 材料的结构与性能,18,核心关系,“材料贯穿于机械工程的始终。”,而其核心是围绕: “结构与性能”的相互辩证关系。,2.2 材料的结构与性能,19,2.2.1 材料结构的基本知识,1. 成分与结构,材料的成分是指组成材料的元素种类及其含量，通常用质量分数(,w,)表示，有时也用粒子数分数(x)表示及原子分数（at%）。,材料的结构主要是指材料中原子(离子或分子等。为了叙述简便，以下统一由原子代表)的排列方式。,2.组元、相和组织,组元：组元是组成材料最基本的、独立的物质。,组元可以是纯元素，也可以是能稳定存在的化合物。金属材料的组元多为纯元素，陶瓷材料的组元多为化合物。高分子材料则是以高分子化合物为主要组元的材料。,2.2 材料的结构与性能,20,相：,材料,中具有同一化学成分并且结构和性质相同的均匀连续部分称为相。,相与相之间有明显的界面，材料的结构和性质在相界面上会发生突变，但有界面分开的不一定都是两相，例如，如果材料是由成分、结构均相同的同种晶粒构成的，尽管各晶粒之间有晶界隔开，但它们仍属于同一种相。,2.2 材料的结构与性能,21,组织：材料内部的微观形貌称为材料的组织。,在光学显微镜或电子显微镜下可观察到，能反映各组成相形态、尺寸及分布的图像。,白口铸铁,球墨铸铁,2.2 材料的结构与性能,22,3.材料中的化学键合,单个原子通过化学键结合在一起组成材料，各类材料在结构和特性上的差异本质上是由不同元素以特定的键合方式结合造成的。,化学键,物理键,离子键,金属键,范德华键,氢键,共价键,结合键,原子、分子间的结合力：是原子、分子之间吸引力和排斥力的合力。,金属离子与自由电子相互吸引所形成的结合力。,2.2 材料的结构与性能,23,电负性：,不同元素的原子在分子中吸引电子的能力 ,与原子的亲合能和第一电离能之和成正比。,2.2 材料的结构与性能,24,电负性与键性的关系,电负性小的原子结合形成金属键；, 电负性大的原子结合形成共价键；, 电负性相差大的不同原子结合形成离子键；, 电负性相差小的不同原子结合形成共价键和离子键的混合键。,2.2 材料的结构与性能,25,4.晶体结构和空间点阵,晶体结构：晶体结构是指晶体中，原子（离子、分子）在三维空间的排列方式。,空间点阵（晶格）：为了研究方便，通常把在空间中排列的原子（离子、分子）抽象成几何上的点，然后用直线把它们连接起来，就构成了一个有规则的几何格架，即所谓的空间点阵（或晶格）。,2.2 材料的结构与性能,26,晶胞,2.2 材料的结构与性能,晶胞：能够充分反映整个晶体结构特征的最小构造单位。,27,布拉菲点阵,：可以用晶胞棱边长度,a,、,b,、,c,及棱边之间的夹角,、,、,来描述晶胞的大小和形状。,1948年，布拉菲利首先用数学分析方法证明，自然界可能存在的空间点阵只有14种，分属7个不同的晶系，如下图。,2.2 材料的结构与性能,28,晶体的7种晶系和14种布拉菲点阵,晶系,布拉菲点阵和符号,晶胞参数关系,立方晶系,简单（P）,a,=,b,=,c,=,=,=,90,体心（I）,面心（F）,六方晶系,简单（P）,a,=,b,c,=,= 90,= 120,正方晶系（四方）,简单（P）,a,=,b,c,=,=,=,90,体心（I）,菱方晶系（三方）,简单（R）,a,b,c,=,=,90,正交晶系（斜方）,简单（P）,a,=,b,c,=,=,=,90,体心（I）,底心（C）,单斜晶系,面心（F）,a,=,b,c,=,=,90,简单（P）,三斜晶系,底心（C）,a,=,b,c,90,简单（P）,2.2 材料的结构与性能,29,十四种布拉菲点阵示意图,2.2 材料的结构与性能,30,非晶,单晶,多晶,晶体：原子以周期性重复方式在三维空间有规则排列的固体，否则称为非晶体。,非晶体：原子排列短程有序，无周期,晶体,金刚石、NaCl,、冰,等。,液体,非晶体,： 蜂蜡、玻璃 等。,2.2 材料的结构与性能,非晶,多晶,单晶,31,2.2.2 材料的结构,1.金属材料的结构,金属材料一般都是晶体，在常温下，纯金属的晶体结构大部分属于下面3种。,面心立方结构；,体心立方结构；,密排六方结构。,温度发生变化时，同一种金属可能会发生晶体结构转变。,常温下的镍、铝、铜、铅、银等金属属于面心立方结构；,常温下的铁、钼、钨、铌等属于体心立方结构；,常温下的钛、镁、锌等属于密排六方结构。,面心立方结构,体心立方结构,密排六方结构,2.2 材料的结构与性能,32,置换型固溶体：溶质原子占据阵点的固溶体,间隙型固溶体：溶质原子占据基本组元原子,间隙的固溶体,固溶体,间隙式固溶体,置换式固溶体,当金属与其他元素形成,合金,时，在合金中会形成一定的,相,。从结构上可以将合金中的相分为固溶体和化合物两类。,2.2 材料的结构与性能,合金(Alloy),以一种金属元素为基础，加入其它金属或非金属而组成的具有金属特性的材料。,33,金属间化合物,把金属与金属或金属与非金属元素之间形成的化合物称为金属间化合物。,金属间化合物的晶体结构一般都比较复杂，其结合键中含有较多的离子键和共价键成分，因此金属间化合物通常具有熔点高、硬度高、脆性大等特点。,金属间化合物在合金中一般作为强化相存在，能明显提高合金的强度、硬度和耐磨性。,几种金属间化合物的晶胞,（a）CaF,2,结构;（b）闪锌矿结构;（c）VC结构;（d）Fe,3,C结构,2.2 材料的结构与性能,34,2.无机非金属材料的结构,无机非金属材料中的相组成较为复杂，其典型组织由晶体相、玻璃相和气相三者组成，其中的晶体相是主要的组成相。晶体相常见的结构有氧化物结构、非氧化物结构和硅酸盐结构。,氧化物结构,几种典型氧化物的结构,（a）MgO；（b）ThO,2,；（c）A1,2,O,3,2.2 材料的结构与性能,在,-A1,2,O,3,中，O,2-,占据密排六方晶格的结点位置，而Al,3+,对称地填充在其八面体间隙中。,35,非氧化合物结构,非氧化合物是指金属碳化物、氮化物、硅化物和硼化物等，其结合键主要是离子键，也有一定成分的金属键和共价键,。,几种非氧化合物的结构,（a）碳化物；（b）氮化物；（c）硼化物；（d）硅化物,2.2 材料的结构与性能,36,硅酸盐结构,硅酸盐的结合键为离子键和共价键的混合键，其主要结构特征是Si4+总是位于由4个O,2-,离子组成的四面体中心，以此构成硅酸盐的基本单元硅氧四面体SiO,4,4-,，如下图（a）所示。,部分硅酸盐结构示意图,（a）SiO,4,4-,；（b）Si,2,O,7,6-,；（c）Si,3,O,9,6-,；（d）Si,6,O,18,12-,；（e）SiO,3,2,2.2 材料的结构与性能,37,3.高分子材料的结构,高分子材料的结构包括高分子链结构和聚集态结构两个层次。,高分子链结构,高分子链形状示意图,a）线型分子链；b）支链型分子链；c）体型分子链,线型分子链,支链型分子链,体型分子链,由大量重复的结构单元连接成。,（网型分子链）,2.2 材料的结构与性能,38,由线型和支链型分子链构成的聚合物的性能特点是弹性高，塑性好，硬度低，可以通过加热和冷却的方法使其重新软化（或熔化）和硬化（或固化），故又称为热塑性聚合物。例如，涤纶、尼龙、生橡胶等。,体型分子链构成的聚合物，由于网状分子链的形成，使聚合物分子之间不易相互流动，从而提高了聚合物的强度、耐热性和化学稳定性。这类聚合物具有较高的强度和热固性，加热加压成形固化后，不能再加热熔化或软化，故又称为热固性聚合物。例如，酚醛塑料、环氧树脂、硫化橡胶等。,2.2 材料的结构与性能,39,高分子的聚集态结构,高分子材料的聚集态结构是指其内部高分子链的几何排列和堆砌结构。一般可分为晶态（分子链规则排列）、部分晶态（分子链部分规则排列）和非晶态（分子链无规则排列）三类。,由线型分子链构成的聚合物在一定条件下可以形成晶态或部分晶态，而由体型分子链构成的聚合物均为非晶态。,高分子的聚集态结构示意图,（a）晶态;（b）部分晶态;（c）非晶态,2.2 材料的结构与性能,40,4.晶体结构的不完整性,晶体结构缺陷,:,晶体中原子排列的周期性受到破坏的区域。分点缺陷、线缺陷和面缺陷。,点缺陷：是指原子应占而未占的空位或间隙中不该存在存在的间隙原子。,形成原因- 热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷等。,晶体中存在的各种点缺陷示意图,（a）空位;（b）间隙原子；（c）小置换原子；（d）大置换原子,2.2 材料的结构与性能,点缺陷使周围晶格发生畸变，提高晶体内能，降低导电率，提高强度。,41,线缺陷：线缺陷是对材料性能有重大影响的一维缺陷，称为位错（刃型位错和螺位错）。,刃型位错,螺型位错,2.2 材料的结构与性能,由晶体中原子平面的错动引起。,产生原因：点缺陷坍塌；应力作用下的塑性变形。,位错越多，其运动越困难，材料的强度、硬度越高，脆性越大。,42,面缺陷：面缺陷是指多相材料组成相间的界面和单相材料晶粒间的界面，它们在光学显微镜下即可被看到。,晶界与亚晶界示意图,（a）晶界;（b）亚晶界,2.2 材料的结构与性能,显微镜照片,面缺陷包括晶界、亚晶界、相界面、表面等。,43,体缺陷,体,缺陷是三维缺陷，包括：,孔洞(Pores)影响材料的力学、光学、热学性能；,裂纹(Cracks)影响材料的力学性能；,夹杂(Inclusions)影响材料的力学、光学、电学性能。,2.2 材料的结构与性能,44,2.2.3 材料的性能,材料性能是用于表征材料在给定外在条件下行为的参量。,力学性质 物理性质 化学性质,硬度 磁学 催化,刚度 光学 防腐,强度 热学,塑性 电学,韧性 声学,1.力学性能,材料的力学性能是指材料受到外力作用时的变形行为以及材料抵抗变形和破坏的能力。,2.2 材料的结构与性能,45,强度,：材料抵抗外应力的能力。 与缺陷、键力有关。,表征：抗拉强度（,b,）、屈服强度（,s,） 、抗弯强度、抗压强度。,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。,表征：延伸率、断面收缩率,2.2 材料的结构与性能,46,硬度,：材料在表面上的小体积内抵抗变形或破裂的能力。,弹性,：在外力作用下材料产生变形，外力除去后能恢复原状的能力。,刚度,：抵抗弹性变形能力。,表征：弹性模量、杨氏模量、剪切模量,疲劳强度,：材料抵抗交变应力作用下断裂破坏的能力。,表征：疲劳极限、疲劳寿命,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。,表征：蠕变极限、持久强度,韧 性,：材料从塑性变形到断裂全过程中吸收能量的能力。,表征：断裂韧性 KIC、断裂韧性 JIC,2.2 材料的结构与性能,47,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,顺磁性,铁磁性,抗磁性,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,2.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,2.2 材料的结构与性能,48,3.化学性能,材料总是在一定的环境介质中工作的，这些介质常常会与材料发生化学反应，影响材料性能的发挥。例如，随处可见的生锈现象，不仅浪费了大量金属资源，而且还会导致各种灾难性的事故。,材料抵抗各种介质作用的能力。,包括溶蚀性、耐腐蚀性、抗渗性、抗氧化性，即化学稳定性。还有催化性和离子交换性。,2.2 材料的结构与性能,49,2.3 材料科学与工程的发展趋势,今天，通信产业、生物技术、新能源技术、宇航技术等，都对材料提出了更高的要求。复合化、功能化、智能化、低维化、高性能化、与环境相协调已成为新材料开发的重要目标。,这要求人们从材料的四个要素出发，深入到原子和电子尺度研究材料结构与性质的关系，按使用要求对材料进行组装和剪裁，得到一系列具有理想性质的新材料，同时还要重视开发材料的先进制造技术。,50,实际上，很多新材料是在传统材料的基础上发展起来的。因为在现有材料产业中，还存在着大量材料科学与工程方面的问题需要解决。,由于金属、玻璃、陶瓷、高分子材料等原材料多为矿产资源，属于不可再生的资源。因此，在材料生产过程中必须注意节省资源、节约能源，重视再生利用和环境保护。从这个意义上讲，未来的材料必将是与自然具有更好的适应性、相容性和环境友好的材料。,2.3.1 传统材料的地位及其发展方向,2.3 材料科学与工程的发展趋势,51,传统材料，特别是对发展中国家来说，往往比新材料更为重要。这是因为，传统材料是国民经济的基础，与人民基本生活的关系最为密切；传统材料量大面广，即使有一点改进，收益也很可观。据估计，如果全美国的道路和桥梁的使用寿命增加1%，其收益就可达300亿美元。因此，世界各国对传统材料都给予了足够的重视。,第一，除了努力增产，增加品种规格以外，更多的力量应该放在改进产品质量，做好资源的综合利用上。,第二，要改进生产工艺，提高生产效率，降低能耗，提高经济效益。,第三，采用新技术使传统材料的生产不断更新换代。,第四，要十分重视环境保护。,2.3 材料科学与工程的发展趋势,52,2.3.2 开发新材料和发展高技术,目前，高技术和高技术产业已经成为综合国力竞争的焦点。新材料是发展高技术的基础和先导，而新材料研制与开发本身又是高技术的一部分。因此，发展高技术，必须重视开发新材料。新材料的发展重点主要在以下几个方面。,材料制备工艺与技术的开发,材料的应用研究与开发,开发先进材料，发展高技术产业,科学仪器与检测装置,2.3 材料科学与工程的发展趋势,53,