第二章 材料科学与工程的四个基本要素(2020年九月整理).doc
第二章 材料科学与工程的四个基本要素
第二章 材料科学与工程得四个基本要素 MS Ｅ四要素；– 使用性能，材料得性质,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、1 性质与使用性能 1、 基础概念2、 性质与性能得区别与关系3、 材料得失效分析4、 材料（产品)使用性能得设计5、 材料性能数据库6、 其它问题 2、1、1基础内容 材料性质：就是功能特性与效用得描述符,就是材料对电、磁、光、热、机械载荷得应。
材料性质描述• 力学性质；强度，硬度，刚度,塑性，韧性物理性质;电学性质，磁学性质,光学性质,热学性质 化学性质;催化性质，防化性质 结构材料性质得表征———－材料力学性质 强度：材料抵抗外应力得能力.塑性:外力作用下,材料发生不可逆得永久性变形而不破坏得能 力。
硬度:材料在表面上得小体积内抵抗变形或破裂得能力。
刚度：外应力作用下材料抵抗弹性变形能力.疲劳强度：材料抵抗交变应力作用下断裂破坏得能力.抗蠕变性:材料在恒定应力(或恒定载荷)作用下抵抗变形得能 力. 韧性：材料从塑性变形到断裂全过程中吸收能量得能力.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基础内容物理性质得交互性－--—材料应用得关键点现代功能材料不仅仅表现出单一得物理性质，更重要得就是具备了特 殊得物理交互性。
例如: 电学-－—－机械ﻩ 电致伸缩 机械--—-电学 ﻩ压电特性 磁学-——-机械ﻩﻩ磁致伸缩 电学-—-－磁学ﻩ 巨磁阻效应 电学---－光学 电致发光 性能定义在某种环境或条件作用下，为描述材料得行为或结果，按照特定得 规范所获得得表征参量。
材料科学与工程的四个基本要素
第二章材料科学与工程的四个基本要素作业一第一部分填空题（10个空共10分，每空一分）1．材料科学与工程有四个基本要素，它们分别是：使用性能、材料的性质、和。
2．材料性质的表述包括、物理性质和化学性质。
3．强度可以用弹性极限、和比例界限等来表征。
4．三类主要的材料力学失效形式分别是：、磨损和腐蚀。
5．材料的结构包括键合结构、和组织结构。
6．晶体结构有三种形式，它们分别是：晶体、和准晶体。
7．化学分析、物理分析和是材料成分分析的三种基本方法。
8．材料的强韧化手段主要有、加工强化、弥散强化、和相变增韧。
第二部分判断题（10题共20分，每题2分）1．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。
（）2．疲劳强度材料抵抗交变应力作用下断裂破坏的能力。
（）3．硬度是指材料在表面上的大体积内抵抗变形或破裂的能力。
（）4．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。
（）5．晶体是指原子排列短程有序，有周期。
（）6．材料的热处理是指通过一定的加热、保温、冷却工艺过程，来改变材料的相组成情况，达到改变材料性能的方法。
（）7．材料表面工程包括表面改性和表面保护两个方面。
（）8．材料复合的过程就是材料制备、改性、加工的统一过程。
（）9．材料合成与加工过程是在一个不限定的空间，在给定的条件下进行的。
（）10．材料中裂纹的形成和扩展的研究是微观断裂力学的核心问题。
（）第三部分简答题（4题共40分，每题10分）1．材料性能的定义是什么？2．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，原因有哪两点？3．流变成型包括哪几个方面？4．材料改性的目的和内容是什么？第四部分论述题（2题共30分，每题15分）1．材料的成分和结构主要的测试手段有哪些？它们使用于哪些范围？2．加工与合成的定义和主要内容是什么？以及它们的关系是什么？发展方向是什么？作业二第一部分填空题（10题共10分，每题1分）1．材料的物理性质表述为、磁学性质、和热学性质。
材料科学四要素
材料科学四要素材料科学是研究如何利用材料结构、性能、加工和环境效应来解决社会问题和企业需求的关键领域。
随着时代的发展，材料科学不断向前发展，经历了史前，古代，中世纪和近代，每一个时代都有相应的发展，因而形成了四要素：结构、性能、加工和环境效应。
从结构角度讲，结构决定了材料的性能，包括形状、尺寸、排列方式等，也决定了材料可以抗拉压强度和韧性，以及对温度、变形等的抵抗能力，因此，结构是理解材料性能的重要指标。
其次，性能是材料科学研究最主要的目标之一。
它体现了材料的强度、硬度、韧性、蠕变等，除此之外，性能还可以应用于特定的环境场合，比如耐热性、耐腐蚀性等等。
对于一种材料，性能的测试和分析是科学研究的基础。
再次，加工是材料变形的过程，通过加工可以调节材料结构，修改形状，改变性质，提高性能，使材料更适用于特定环境。
常见的加工技术有热处理、冷加工、焊接和挤压等，这些技术可以调节材料的构造，使材料更具多功能性，从而满足不同应用需求。
最后，环境效应是指材料在特定环境条件下的表现。
由于有温度的变化，外界的力作用以及其他因素，材料的结构在不同环境下发生变化，由此可以更好地了解材料的性能和特性，并分析它们是否具有良好的环境耐久性。
以上是材料科学四要素：结构、性能、加工和环境效应。
结构决定了材料的性能，性能评估是材料科学研究的一个重要目标，加工则可以调节材料结构，而环境效应则可以更好地了解材料的性能和特性。
材料科学作为一门应用科学，已经发展到了很高的水平，不仅涉及结构、性能、加工和环境效应，还包括如何广泛利用材料科学研究的理论和技术来解决实际问题，为可持续发展的追求而不断开发新材料。
现在，材料科学的发展不断提升，以结构、性能、加工和环境效应为核心，以此来重新定义科技，让生活更加美好。
材料科学四要素
材料科学四要素材料科学是一门研究材料的组成、结构、性能和加工制备的学科，它涉及到多个学科领域，如物理学、化学、工程学等。
在材料科学中，有四个重要的要素，它们是材料的组成、结构、性能和加工制备。
这四个要素相互作用，共同决定了材料的特性和用途。
下面将分别对这四个要素进行详细介绍。
首先是材料的组成。
材料的组成是指材料的化学成分和相对含量。
不同种类的材料由不同的元素或化合物组成，这些成分的种类和比例决定了材料的基本性质。
例如，金属材料的主要成分是金属元素，而陶瓷材料的主要成分是氧化物、硼化物等。
材料的组成直接影响着材料的化学性质和稳定性，因此在材料设计和选择时，要根据具体的使用要求来确定材料的组成。
其次是材料的结构。
材料的结构是指材料内部原子、分子或离子的排列方式和相互作用。
不同的结构形式决定了材料的晶体结构、晶粒大小、晶界、缺陷等特征，从而影响了材料的力学性能、热学性能和电磁性能。
材料的结构可以通过各种分析手段来确定，如X射线衍射、电子显微镜等，这些结构信息对于材料的性能预测和改进具有重要意义。
第三是材料的性能。
材料的性能是指材料在特定条件下所表现出的物理、化学和力学特性。
材料的性能包括力学性能（如强度、硬度、韧性）、热学性能（如导热性、热膨胀系数）、电磁性能（如导电性、磁性）等。
不同的材料具有不同的性能特点，这些性能特点直接关系到材料的使用范围和条件。
因此，对材料的性能进行全面、准确的评价是材料科学研究的重要内容之一。
最后是材料的加工制备。
材料的加工制备是指通过物理或化学方法将原始材料转化为具有一定形状和性能的成品材料的过程。
材料的加工制备包括原料的提取、精炼、合金化、成型、热处理等多个环节，每个环节都会对材料的组织结构和性能产生影响。
因此，合理的加工工艺和工艺参数选择对于获得优质材料至关重要。
综上所述，材料科学的四要素——组成、结构、性能和加工制备，相互联系、相互影响，共同决定了材料的特性和用途。
简述材料科学四要素及作用
简述材料科学四要素及作用材料科学是一门研究材料结构、性能和应用的学科，它涉及许多方面，其中最重要的是四个要素：原子结构、晶体结构、材料组成和材料制备。
这四个要素在材料科学中起着至关重要的作用，决定了材料的性质和应用。
下面将对这四个要素及其作用进行简述。
原子结构是材料科学中最基本的要素之一。
原子是构成材料的最小单位，其结构决定了材料的许多性质。
原子结构包括原子的核心和电子的分布。
原子核心由质子和中子组成，质子带正电，中子是中性的。
而电子在原子核周围以轨道的形式存在，带负电。
原子的核心和电子的数量以及它们之间的相互作用决定了材料的化学性质和电学性质。
例如，金属材料的原子结构中有大量的自由电子，使其具有良好的导电性和热导性。
晶体结构也是材料科学中的重要要素之一。
晶体是由原子或分子按照一定的规则排列而成的有序固体。
晶体结构的形态、对称性以及晶格参数等决定了材料的晶体学性质和应用。
晶体结构的研究对于材料的制备和性能优化具有重要意义。
例如，硅材料的晶体结构决定了它的半导体性质，使其成为现代电子器件中最重要的材料之一。
第三，材料组成是材料科学中不可忽视的要素之一。
材料的组成决定了其化学成分和相对含量，从而影响了材料的特性和性能。
不同元素的组合会形成不同的化合物或合金，其性质也会有所不同。
例如，钢是一种由铁和碳组成的合金，其含碳量的不同将决定其硬度、强度和韧性等力学性能。
材料制备是指将材料的组分按照一定的工艺方法进行混合、加工和处理，使其具有特定的结构和性能。
材料的制备方法可以通过改变原子结构、晶体结构和材料组成来实现对材料性能的调控。
材料制备方法的选择将直接影响材料的性能和应用。
例如，金属材料可以通过熔炼、铸造、锻造等方法进行制备，而陶瓷材料则可以通过烧结、热处理等方法进行制备。
材料科学的四个要素：原子结构、晶体结构、材料组成和材料制备在材料科学中起着至关重要的作用。
它们决定了材料的性质和应用，并为材料科学的发展提供了基础。
简述材料科学四要素及作用
简述材料科学四要素及作用材料科学是一门研究物质的性质、结构、制备和应用的学科,涉及到多个方面,但主要包括以下四个要素:1. 材料物理性能:材料物理性能是指材料在制备和应用过程中表现出的物理性质,如熔点、硬度、弹性模量、导电性、导热性、热膨胀系数等等。
这些物理性能直接影响着材料的应用,如电子元器件、机械部件、航天航空材料等等。
2. 材料结构:材料结构是指材料内部的组成和布局方式。
不同材料的结构对其物理性能和化学性能有着重要的影响,如半导体材料、金属、陶瓷材料等等。
在材料科学中,通过研究材料结构,可以设计出具有特定性能的材料。
3. 制备方法:材料制备是指将材料从原材料转化为成品的过程。
材料制备方法的多样性决定了材料的性能和应用。
在材料科学中,通过研究制备方法,可以制备出具有特定性能的材料。
4. 应用:材料应用是指材料在实际应用中的性能和应用。
不同材料的应用有着特定的要求和特点。
在材料科学中,通过研究材料应用,可以开发出具有实际应用价值的材料。
材料科学四要素及作用:1. 材料物理性能:材料物理性能是材料科学的基础,决定了材料的应用性能和结构形式。
材料物理性能的研究对于设计新型材料、优化现有材料的性能和应用具有重要意义。
2. 材料结构:材料结构是材料科学的核心,决定了材料的性能。
通过研究材料结构,可以设计出具有特定性能的材料,这对于材料的应用具有重要意义。
3. 制备方法:材料制备是材料科学的重要环节,决定了材料的性能和应用。
通过研究制备方法,可以制备出具有特定性能的材料,这对于材料的开发和应用具有重要意义。
4. 应用:材料应用是材料科学的终极目标,决定了材料的最终性能和应用效果。
通过研究材料应用,可以开发出具有实际应用价值的材料,这对于推动材料科学的发展和解决现实问题具有重要意义。
材料科学涉及到多个方面,包括材料物理性能、材料结构、制备方法和应用等方面。
通过研究这四个要素,可以开发出具有实际应用价值的新材料,推动材料科学的发展和进步。
材料科学四要素
材料科学四要素材料科学是一门研究材料结构、性能和制备工艺的学科，其研究对象包括金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料等。
在材料科学的研究过程中，有四个重要的要素需要考虑，它们分别是组织结构、成分、性能和加工工艺。
这四个要素相互作用，共同决定了材料的性能和应用。
首先，组织结构是指材料内部的晶体结构、晶粒大小、晶界分布等特征。
不同的组织结构对材料的性能有着重要影响。
例如，晶粒尺寸的大小会直接影响材料的强度和韧性，晶界的分布会影响材料的导电性和热传导性能。
因此，对材料的组织结构进行表征和调控是材料科学研究的重要内容之一。
其次，材料的成分也是决定其性能的重要因素。
材料的成分包括化学元素的种类和含量，不同的成分组合会导致材料具有不同的性能。
例如，铝合金和钢材虽然都是金属材料，但由于其成分不同，导致了它们具有不同的强度、硬度和耐腐蚀性能。
因此，合理选择材料的成分对于材料设计和制备具有重要意义。
第三，材料的性能是材料科学研究的核心内容之一。
材料的性能包括力学性能、热学性能、电学性能、磁学性能等多个方面。
不同材料的性能差异巨大，需要通过科学的手段进行评价和表征。
例如，对于金属材料来说，强度、塑性和硬度是重要的力学性能指标；对于电子材料来说，导电性和载流子迁移率是重要的电学性能指标。
因此，对材料性能的研究是材料科学的重要内容。
最后，加工工艺是指将原材料加工成最终产品的工艺过程。
不同的加工工艺会对材料的组织结构和性能产生影响。
例如，热处理工艺可以改变材料的晶粒尺寸和分布，从而影响材料的硬度和强度；塑性加工工艺可以提高材料的塑性和韧性。
因此，加工工艺是材料科学研究的重要内容之一。
综上所述，材料科学的研究需要综合考虑材料的组织结构、成分、性能和加工工艺这四个要素。
只有全面理解和把握这四个要素之间的相互关系，才能够实现材料性能的优化和材料应用的创新。
希望本文能够对材料科学的研究和应用有所帮助。
材料科学四要素
材料科学四要素材料科学四要素是人类在开发新的材料和科学研究方面取得重大进步的核心要素。
它们是对材料行业发展至关重要的基本要素；正是它们促进了科技进步，发挥了推动新材料科学发展的重要作用。
第一要素是结构。
材料结构是指材料的物理结构，包括晶体结构、熔体结构、界面结构、纳米结构等。
结构的正确掌握对于研制新材料和对新材料性能的改善至关重要。
只有准确掌握了材料的结构，才能有效地改进材料性能。
第二要素是学特性。
力学特性是指材料在外力作用下的变形特性，例如弹性模量、泊松比、断裂强度、热胀系数等。
力学特性是衡量材料性能的重要参数，是研制新材料和改进材料性能的重要依据。
第三要素是微观行为。
微观行为指材料在微观尺度上的行为，例如塑性变形、断裂、腐蚀行为等。
微观行为的研究可以为材料的结构和性能的改进提供基础性的科学依据。
第四要素是环境行为。
环境行为指材料在特定环境中的行为，例如材料在温度、湿度、腐蚀性环境中的变化等。
环境行为的研究可以为材料的结构设计和性能调控提供理论指导。
因此，材料科学四要素是材料科学发展的核心要素，其研究及改进对于未来材料发展具有重要意义。
首先，结构及其物理性质是影响材料性能的基本要素，可以作为材料行业发展的基础，以及新材料研究的重要参考。
其次，力学特性的研究可以为新材料的设计和性能的改善提供基础科学依据。
此外，微观行为和环境行为的研究可以为材料的结构设计和性能调控提供实用工具和有效指导。
近年来，材料科学四要素的研究取得了丰硕的成果，有力地推动了材料科学的发展。
结构的研究突破了传统的知识界限，为研制新型的疲劳性能材料提供了可靠的理论指导。
力学特性的研究不仅增强了对材料变形行为的理解，而且可以有效改善材料的强度和耐久性。
微观行为研究为表征材料表面状态及其细胞生长行为提供了有力的工具支持。
环境行为研究则为开发高性能环保材料奠定了坚实的理论基础。
因此，材料科学四要素的研究无疑是材料科学发展的基础，对于研发新材料和改善性能具有重要意义。
材料科学四要素
材料科学四要素材料科学是一门关于材料的研究领域，它涉及材料的结构、性能、制备和应用等方面。
在材料科学中，有四个重要的要素，它们是组成材料的基本构成单元，决定了材料的性能和用途。
这四个要素分别是原子结构、晶体结构、缺陷结构和相结构。
首先，原子结构是材料的基本构成单元。
材料的性能取决于原子的类型、排列和结合方式。
不同的原子类型会影响材料的化学性质，原子的排列方式会影响材料的机械性能，原子的结合方式会影响材料的热学性能。
因此，了解材料的原子结构对于研究材料的性能和制备具有重要意义。
其次，晶体结构是材料的另一个重要要素。
晶体是由周期性排列的原子或离子构成的固体，它具有规则的几何形状和结构。
不同的晶体结构会影响材料的硬度、脆性、导电性等性能。
因此，研究材料的晶体结构可以帮助我们理解材料的性能和改进材料的制备工艺。
第三，缺陷结构是影响材料性能的重要因素。
材料中存在各种缺陷，如点缺陷、线缺陷和面缺陷等。
这些缺陷会影响材料的力学性能、电学性能和光学性能。
因此，研究材料的缺陷结构对于改进材料的性能和延长材料的使用寿命具有重要意义。
最后，相结构是材料的另一个关键要素。
材料可以由单一相或多相组成，不同的相结构会影响材料的相变行为、热处理工艺和应用性能。
因此，研究材料的相结构可以帮助我们设计新型材料和改进材料的性能。
综上所述，材料科学的四个要素，即原子结构、晶体结构、缺陷结构和相结构，共同决定了材料的性能和用途。
通过深入研究这些要素，我们可以更好地理解材料的特性，提高材料的性能，并开发出更多新型材料，推动材料科学的发展和应用。
因此，加强对这四个要素的研究，对于推动材料科学的发展和应用具有重要意义。
材料四要素
“材料科学与工程”的任务是研究材料的结构.性能.加工和使用状况四者间的关系.这里所指材料,包括传统材料和各种新型材料.所谓结构,包括用肉眼或低倍放大镜观察到的宏观组织(粗视组织),用光学或电子显微镜观察到的微观组织,用场离子显微镜观察到的原子象,以及原子的电子结构,所谓性能,包括力学性能.物理性能.化学性能,以及冶金和加工性能等工艺性能,所谓加工,是指包括材料的制备.加工.后处理(再循环处理》在内的各项生产工艺,所谓使用状况, 则是指材料的应用效果和反响(例如,有些材料在使用过程中组织结构不稳定,或易受环境的影响,使性能迅速下降).材料的结构.性能.加工和使用状况这四个因素称为材料科学与工程的四要。
材料科学与工程的四要素
30
2.1.4材料（产品）使用性能的设计
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
完成设计
31
例
2.1.4材料（产品）使用性能的设计
汽车喷油嘴的设计--方案一
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。
5
2.1.1基础内容
结构材料性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。
2.1.1基础内容
15
材料力学性能
5. 疲劳强度表征： 疲劳极限 疲劳寿命 ……
2.1.1基础内容
16
材料力学性能
6. 抗蠕变性表征： 蠕变极限 持久强度 ……
2.1.1基础内容
17
材料力学性能
7. 韧性表征： 断裂韧性 KIC 断裂韧性 JIC
2.1.1基础内容
18
材料物理性能
1. 电学性能表征： 导电率 电阻率 介电常数 ……
2. 性质与使用性能的区别与关系
环境
成分
使用
性质
结构
性能
规范
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。
23
2.1.2性质与性能的区别与关系
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。
第二篇材料四要素
第二篇材料四要素第二篇材料“四要素”材料科学与工程的四个基本要素合成与加工、组成与结构、性质、使用性能。
探索这四个要素之间的关系，覆盖从基础学科到工程的全部内容。
四个要素之间的密切关系确定了材料科学与工程这一领域，确定了材料科学基础课程的教学线索。
组成与结构:组成材料的原子种类和分量，以及它们的排列方式和空间分布。
习惯上将前者叫做成分，后者叫做组织结构,这两者统称为结构。
材料的性质是指材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应，主要决定于材料的组成与结构。
合成与制备过程包括传统的冶炼、铸锭、制粉、压力加工、焊接等，也包括新发展的真空溅射、气相沉积等新工艺，使人工合成材料如超晶格、薄膜材料成为可能。
使用性能是材料在使用状态下表现的行为，它与材料设计、工程环境密切相关。
使用性能包括可靠性、耐用性、寿命预测及延寿措施等。
材料的性质材料的性质是指材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应。
如何描述材料的性质?力学性质：强度、硬度、刚度、塑性、韧性物理性质：电学性质、磁学性质、光学性质、热学性质化学性质：催化性质、腐蚀性质材料的力学性质：材料在外应力作用下的行为。
强度：材料在载荷作用下抵抗明显的塑性变形或破坏的最大能力。
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。
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吸收能量的能力。
材料的物理性质：材料在电、磁、光、热作用下的行为。
电学性质：导电性、绝缘性、介电性等磁学性质：抗磁性、顺磁性、铁磁性等光学性质：光反射、光折射、光学损耗、光透性等热学性质：导热性、热膨胀、热容、熔化等物理性质的交互性-------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。
材料科学与工程的四个基本要素 教学PPT课件
显微结构
• 大部分金属和合金的力学性能受晶粒大小的影响很大， 晶粒和晶界是晶态材料显微结构特征的一部分。
• 通常，室温下，较细的晶粒具有较高的强度。材料很多 重要的性质也受到显微结构显著的影响。
• 10-8 ～10-6 m (10～1000 nm)。
材料原子间结合能与热膨胀系数之间的关系
• 材料的热膨胀系数（CTE）定义为 =(1/L)(dL/dT), 即材料在给定方向上的尺度L 随温度T 的升高而增加，其反映了材料尺寸随温度的变化。该宏观性质也与材料原 子间的键强有关。
• 材料中原子间结合能和原子间距的曲线形状反映了化学键的强度，进而反映了材料 热膨胀系数的大小。曲线越陡峭，最小值越低，其线性热膨胀系数越小。
范德华键 －分子之间的作用力
由于极化所产生的分子之间的静电作用力，较弱，作 用能在几十kJ/mol以下。
特征： 1. 由于极化，分子之间产生微量静电荷 2. 无方向性，但受分子大小的影响 3. 弱键 (是强键的1/100; <10 kcal/mol) 4. 氢键是范德华键的一种
氢键——范德华键的一种
纳米结构
• 纳米氧化铁(5～10 nm) 颗粒分散在液体中，制备铁磁流体和液态磁体， 用于扩音器的传热冷却。
• 10-9 ～ 10-7 m (1～100 nm)。
显微结构
• 大部分金属和合金的力学性能受晶粒大小的影响很大，晶粒和晶界是晶 态材料显微结构特征的一部分。
• 通常，室温下，较细的晶粒具有较高的强度。材料很多重要的性质也受 到显微结构显著的影响。
• 材料的结构决定材料的性能。 材料结构的描述：
1. 宏观组织结构: 1000,000 nm 2. 微观显微结构: 10 ～1000 nm 3. 纳米结构: 100nm 4. 键合结构: 原子/离子间的化学键 5. 原子结构: 原子的电子结构
MSE的四个基本要素
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。
• 电荷: 电子和质子具有相同大小的负电荷和正电荷， 1.6 × 10-19 库仑. • 中子是电中性的。 • 质量: 质子和中子具有相同的质量, 1.67 × 10-27 kg. • 电子的质量较小, 在计算原子的质量时往往可忽略9.11 × 10-31 kg • 原子质量 (A) = 质子质量 + 中子质量 • 质子 = atomic number (Z)
2.1 材料的组成
• 材料由原子和分子组合而成。 • 材料的化学组成：组成材料最基本、独立的物 质，可为纯元素或稳定的化合物，以及其种类和 数量。 • 材料的相组成：材料中具有同一化学成分并且结 构相同的均匀部分称为相。组成材料的相的种类 和数量称为相组成。可分为单相材料、多相材 料。
自然界中的元素和物质
其余90多种元素的重量加起来不到地壳总重的1％。
地壳中主要元素的储量
• Cu、Zn、Pb的含量分别为0.0006％、0.0009％、 0.000001％，但这些元素有很强的富集能力，经富 集可达到百分之几、百分之几十。 • 已知矿物约有2000－3000种，最常见的有100多种。 • 金属、玻璃、陶瓷、高分子材料的原料大多数来自 矿物。 在103种元素中，惰性元素 6 种 非金属元素 16 种 金属元素 81 种
第二章材料四要素
• 材料的结构是指材料的组元及其排列和运动方式。
包含形貌、化学成分、相组成、晶体结构和缺陷等
内涵。
• 材料的结构决定材料的性能。
• 材料结构的描述：
1. 宏观组织结构: >1000,000 nm
2. 微观显微结构: 10 ～1000 nm
3. 纳米结构: <100nm
4. 键合结构: 原子/离子间的化学键
材料与化学化工学院
29
材料概论 Materials Conspectus
共价键－两个或多个原子相互吸引、共用若 干电子所形成的键力。
材料与化学化工学院
30
共价键特征
材料概论 Materials Conspectus
• 1. 邻近两个原子共享一对电子 • 2. 有方向性和饱和性、配位数低、堆积密
度低 • 3. 强度高(略低于离子键，125-300
• 含氧盐类矿物：占已知矿物的2/3。硅酸盐、硫酸盐、
磷酸盐、钒酸盐、碳酸盐等。材料与化学化工学院
9
材料的化学组成
材料概论 Materials Conspectus
金属 单质、合金。如Fe、Al、Cu、Ti、Zn、Mg、Ni
无机非金属 金属元素和非金属元素组成的化合物，通常 为氧化物、氮化物、碳化物等。
kcal/mol) • 4. 在两个电负性大的离子之间形成
材料与化学化工学院
31
材料概论 Materials Conspectus
范德华键－分子之间的作用力
由于极化所产生的分子之间的静电作用力，较弱，作用能 在几十kJ/mol以下。
MSE的四个基本要素
H 2.1 Li 1.0 Na 0.9 K 0.8 Rb 0.8 Cs 0.7 Fr 0.7
Be 1.5 Mg 1.2 Ca 1.0 Sr 1.0 Ba 0.9 Ra 0.9
O F 3.5 4.0 Cl 3.0 Br 2.8 I 2.5 At 2.2
He Ne Ar Kr Xe Rn -
2.2.2 材料中的化学键
材料的相组成
• 金属：单相材料 • 普通陶瓷：晶相＋玻璃相＋气孔 • 水泥：C2S、C3S、C3A、C4AF • 玻璃：单相材料 • 高分子：单相材料 • 复合材料：多相材料 多相材料。 多相材料。
2.2 材料的结构
• 材料的结构是指材料的组元及其排列和运动方式。 包含形貌、化学成分、相组成、晶体结构和缺陷等 内涵。 • 材料的结构决定材料的性能。 材料结构的描述： 1. 宏观组织结构: >1000,000 nm 2. 微观显微结构: 10 ～1000 nm 3. 纳米结构: <100nm 4. 键合结构: 原子/离子间的化学键 5. 原子结构: 原子的电子结构
材料中的化学键
金属：金属键 无机非金属：离子键/共价键 高分子：共价键、范德华键、氢键 半导体：共价键、离子键/共价键
不同化学键材料的结合能和熔点温度
原子间距
• 原子间距: 当两个原子之 间的吸引力和排斥力相等 时的原子间平衡距离。 • 吸引力和原子之间距离的 平方成反比；当两个原子 靠近，排斥力随距离的减 小以6-9的指数次方迅速增 大。 • 平衡点的斜率反映了应力应变曲线的斜率，即弹性 模量。
范德华键 －分子之间的作用力
由于极化所产生的分子之间的静电作用力，较弱，作 用能在几十kJ/mol以下。
氢键——范德华键的一种
氢原子在分子中与一个原子A结合时，还与另一个原子B结合的 附加键。如H2O，键角109.5 ，接近于六边形结构。
材料科学工程基础总结
材料科学工程基础总结材料科学工程基础总结1、材料科学与工程的四个基本要素：答：1）、使用性能是材料在使用状态下表现出的行为，是材料研究的出发点和目标，主要决定于材料的力学、物理和化学等性质；2）、材料的性质是材料对热、光、机械载荷等的反应，主要决定于材料的组成与结构；3）、化学成分和4）组织结构是影响其性质的直接因素；通过合成制备过程，可改变材料的组织结构而影响其性质；2、材料科学与工程定义：答：关于材料组成、结构、制备工艺与其性能及使用过程间相互关系的知识开发及应用的科学。
3、按材料特性？材料分为哪几类？答：金属材料、无机非金属材料、高分子材料、半导体材料。
4、金属通常分哪两大类？答：黑色金属材料和有色金属材料。
5、比较金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料在结合键上的差别。
答：简单金属完全为金属键，过渡族金属为金属键和共价键的混合，但以金属键为主；陶瓷材料是由一种或多种金属同非金属(通常为氧)相结合的化合物，其主要为离子键，也有一定成分的共价键；高分子材料，大分子内的原子之间结合为共价键，而大分子与大分子之间的结合为物理键。
复合材料是由二种或二种以上的材料组合而成的物质，因而其结合链非常复杂，不能一概而论。
6、在元素周期表中，同一周期或同一主族元素原子结构有什么共同特点？从左到右或从上到下元素结构有什么区别？性质如何递变？答：同一周期元素具有相同原子核外电子层数，从左到右，核电荷增多，原子半径逐渐减小，电离能增加，失电子能力降低，得电子能力增加，金属性减弱，非金属性增强；同一主族元素核外电子数相同，从上向下，电子层数增多，原子半径增大，电离能降低，失电子能力增加，得电子能力降低，金属性增强，非金属性降低。
7、原子中一个电子的空间位置和能量可用哪四个量子数来决定？答：主量子数n、轨道角动量量子数li、磁量子数mi和自旋角动量量子数Si。
8、影响配位数的因素。
答：共价键数,与结合键类型有关，影响材料的密度。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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§2.1 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 2.1.1基础内容 材料性质：是功能特性和效用的描述符，是材料对电.磁.光.热.机械载荷的应。
材料性质描述• 力学性质；强度，硬度，刚度，塑性，韧性物理性质；电学性质，磁学性质，光学性质，热学性质 化学性质；催化性质，防化性质 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。
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。
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 性能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。
材料力学性能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：疲劳极限，疲劳寿命……6. 抗蠕变性表征：蠕变极限，持久强度……7. 韧性表征：断裂韧性 K IC ，断裂韧性 J IC 材料物理性能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…… 2.1.2性质与性能的区别与关系 性质与使用性能的区别与关系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。
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。
3. 失效分析----材料使用性能的重要研究内容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三类主要的材料力学失效形式 断裂 磨损 腐蚀 材料的断裂韧性3.1.4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。
传统方式： 结构与功能－确定材料的性质（选择材料）－完成设计先进方式：结构与功能，材料的性质－完成设计2.1.5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；1.材料性能数据库是材料选择的先决条件；2.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。
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2.1.6其它问题主要结构材料的产量统计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§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（H 20） 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）材料的结构----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 材料的结构----组织结构定义：组成材料的不同物质表示出的某种形态特征 相图特征；匀晶型组织，共晶型组织，包晶型组织结构特征；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2.2.2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。
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 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--0.2nm2.2.3 与其它要素的关系是材料性质的原因是合成加工的结果材料的强度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。
塑性加工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2.2.4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---相的关系具有一种晶体结构的物质称为一相注：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。
2.2.5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。
§2.3 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2.3.1 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。
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2.3.2 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一．材料的制备冶金过程，熔炼与凝固，粉末烧结，高分子聚合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－聚合反应冶金过程（化学冶金）目的：从原料中提取出金属内容:火法冶金，熔盐电冶金，湿法冶金熔炼与凝固（物理冶金）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. 熔融法提拉单晶粉末烧结目的: 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高分子聚合目的: 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 3 . 悬浮聚合2 . 乳液聚合 4 . 溶液聚合二．材料的加工传统意义上，材料的加工范畴包括四个方面：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、热处理材料的联接：焊接、粘接注：从课程体系上分析，材料的切削应在机械工程中重点讨论材料的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 ２．塑变成型 金属的压力加工3 . 流变成型 金属、陶瓷、高分子成型70液态成型A B C液相区液固区 固相区成 分温度A C 铸造BC半固态成型流变铸造 触变铸造研究的内容： 1. 凝固过程 2. 成型工艺 3. 流变特性2.3.2 合成与加工的主要内容二．材料的加工材料的成型71塑变成型A高应力 低形变量 实现加工硬化B 应 变应力冷加工热加工AB低应力 大形变量实现超塑性变形2.3.2 合成与加工的主要内容二．材料的加工材料的成型流变成型金属的半固态成型高分子材料的熔融成型 陶瓷泥料、浆料成型 玻璃的熔融浇注 材料的改性目的：通过改变材料的成分、组织与结构来改变材料的性能。