第二章 材料科学与工程的四个基本要素
支撑材料发展的4个要素
支撑材料发展的4个要素
材料科学与工程是研究材料组成、结构、生产过程、材料性能与使用性能以及他们之间关系的学科。
因而把组成与结构、合成与生产过程、性质以及使用效能称之为材料科学与工程的四个基本要素。
上述四个要素是基本的，缺一不可的，对材料科学与工程的发展来说，这四个要素必须是整体的。
材料的四要素反映了材料科学与工程研究的共性问题，其中合成和加工、使用性能是两个普遍的关键要素，这是在这四个要素上，各种材料相互借鉴、相互补充、相互渗透。
抓住了这四个要素，就抓住了材料科学与工程研究的本质。
而各种材料，其特征所在，反映了该种材料与众不同的个性。
如果我们这样去认识，则许多长期困扰科技工作者的问题都将迎刃而解。
材料科学与工程四要素之间的关系
材料科学与工程四要素之间的关系英文回答：Materials science and engineering (MSE) encompasses the design, development, and application of materials for a wide range of industries. It involves the study of the structure, properties, and behavior of materials, and how these factors influence their performance in specific applications. MSE is a multidisciplinary field that draws on knowledge from chemistry, physics, mathematics, and engineering.The four elements of MSE are:1. Materials Characterization: This involves using a variety of techniques to determine the structure, composition, and properties of materials. Characterization techniques can be used to identify different phases, defects, and impurities in materials, as well as to measure their mechanical, electrical, thermal, and opticalproperties.2. Materials Processing: This involves the techniques used to produce materials with specific properties. Processing techniques can include casting, forging, rolling, heat treatment, and chemical vapor deposition.3. Materials Design: This involves using knowledge of the structure and properties of materials to design new materials with specific properties. Design techniques can include alloying, doping, and composite materials.4. Materials Applications: This involves usingmaterials in a variety of applications, such as in electronics, energy, transportation, and medicine. Applications engineers must consider the specific requirements of each application when selecting materials.The four elements of MSE are closely interrelated. For example, the characterization of a material's propertiescan inform the design of a new material with improved properties. Similarly, the processing of a material canaffect its structure and properties, which in turn can affect its performance in a specific application.MSE is a rapidly growing field, driven by the need for new materials with improved properties for a wide range of applications. MSE research is focused on developing new materials that are stronger, lighter, more durable, more efficient, and more sustainable.中文回答：材料科学与工程（MSE）涵盖了为广泛的行业设计、开发和应用材料。
材料科学与工程四要素
材料科学与工程四要素材料科学与工程是一门研究材料的性能、结构和制备工艺的学科，它是现代工程技术的重要基础。
在材料科学与工程中，有四个重要的要素，它们分别是材料的结构、性能、加工工艺和应用。
这四个要素相互联系、相互影响，构成了材料科学与工程的核心内容。
首先，材料的结构是材料科学与工程的基础。
材料的结构包括原子、晶体、晶粒、晶界、晶粒内部的位错等。
不同的材料结构决定了材料的性能，如金属材料的晶粒大小和形状决定了其力学性能，陶瓷材料的晶粒尺寸和分布决定了其导热性能等。
因此，理解和控制材料的结构对于材料的性能和加工具有重要意义。
其次，材料的性能是材料科学与工程的核心内容之一。
材料的性能包括力学性能、物理性能、化学性能、热学性能等。
不同的材料具有不同的性能，如金属材料具有良好的导电性和导热性，陶瓷材料具有良好的耐高温性和耐腐蚀性等。
因此，理解和控制材料的性能对于材料的应用具有重要意义。
再次，材料的加工工艺是材料科学与工程的重要组成部分。
材料的加工工艺包括原料的提取、材料的制备、材料的成型、材料的热处理等。
不同的加工工艺会对材料的结构和性能产生重要影响，如金属材料的热处理会改变其晶粒的尺寸和分布，陶瓷材料的成型工艺会影响其力学性能等。
因此，理解和控制材料的加工工艺对于材料的性能和应用具有重要意义。
最后，材料的应用是材料科学与工程的最终目的。
材料的应用包括材料在工程、制造、生活等方面的应用。
不同的材料具有不同的应用领域，如金属材料广泛应用于汽车、航空、建筑等领域，陶瓷材料广泛应用于电子、化工、医药等领域。
因此，理解和控制材料的应用对于推动工程技术的发展具有重要意义。
综上所述，材料科学与工程的四要素，即材料的结构、性能、加工工艺和应用，相互联系、相互影响，共同构成了材料科学与工程的核心内容。
只有深入理解和掌握这四个要素，才能推动材料科学与工程的发展，促进工程技术的进步。
材料科学与工程的四要素
材料科学与工程的四要素材料科学与工程，听起来是不是有点高大上？其实，里面的门道可不少，今天咱们就来轻松聊聊这四个基本要素，让你对这门学科有个更直观的了解。
话说回来，谁说科学就得死板呢？咱们也能把它说得活灵活现！1. 材料的种类首先，得说说材料的种类。
生活中我们见到的材料，可以说是五花八门，简直是琳琅满目。
你看，金属、陶瓷、聚合物、复合材料，每种材料都有它独特的性格，就像人一样，铁汉子就得是金属，温柔的小仙女就得是聚合物。
金属的强度和导电性让它在建筑和电子产品中呼风唤雨，而陶瓷呢，坚硬耐磨，还能抵抗高温，简直是厨房里的得力助手。
而聚合物的轻便和灵活性则让它成为了生活中的“百变女王”，从塑料袋到手机壳，全都少不了它的身影。
1.1. 金属的魅力说到金属，那可真是不可小觑！从古代的青铜器到现代的飞机制造，金属材料的应用无处不在。
想象一下，金属的强度能支撑起高楼大厦，而它的导电性又让电流畅通无阻，真是现代生活的脊梁。
1.2. 陶瓷的坚韧而陶瓷呢，更是个沉稳的“老司机”。
它的耐热性让你在烤箱里随意折腾，绝对不会怕！从日常的茶具到高级的工艺品，陶瓷都能带给你一种优雅的感觉。
2. 材料的性能接下来，我们聊聊材料的性能。
这可是材料科学的“绝对主角”，性能好坏直接关系到它能否胜任某个角色。
就像演员一样，不是每个人都能演好英雄，材料也有自己的“拿手绝活”。
2.1. 力学性能材料的力学性能，包括强度、韧性和硬度，这些就像是材料的身体素质。
强度高的材料，简直就像是个“拳击手”，能抵挡住各种冲击；而韧性好的材料，则是个“铁人”，即使被折腾也不会轻易断裂。
2.2. 热学性能然后就是热学性能了。
某些材料在高温下依然能保持稳定，而某些材料则可能在热浪中“崩溃”，这可不是开玩笑。
像一些耐火材料，就像是一位“消防员”，时刻准备着应对高温的挑战。
3. 材料的加工再说到材料的加工，这个环节就像是把原材料变成美食的厨师。
无论是铸造、焊接，还是切割，每种加工方法都有自己的诀窍和窍门，能让材料变得更加适合实际应用。
材料科学与工程的四个基本要素资料
重要性
随着科技的不断发展，新材料的需求和应用越来越广泛，如航空航天、能源、医 疗等领域。
材料科学与工程的发展对于推动科技进步和满足人类需求具有重要意义，是现代 工业和科技发展的重要支柱之一。
02
材料科学与工程的四个基 本要素
结构
1 2
结构决定性质
材料的内部原子或分子的排列方式决定了其物理 和化学性质。例如，金属的晶格结构决定了其导 电性和延展性。
03
材料科学与工程的发展趋 势
高性能材料
高性能材料是指具有优异性能的材料，通常具 有高强度、高硬度、高耐热性等特点，广泛应 用于航空航天、汽车、能源等领域。
高性能材料的研发和应用对于提高产品性能、 降低能耗、减少环境污染等方面具有重要意义。
当前，高性能材料的研发正朝着复合化、多功 能化的方向发展，如碳纤维复合材料、钛合金 等。
相与晶体结构
材料可以由一种或多种相组成，相与相之间的界 面结构和性质对材料的整体性能有重要影响。
3
非晶体与晶体
非晶体材料如玻璃和陶瓷，其原子或分子无序排 列，而晶体材料则有序排列，两者在性质上有显 著差异。
性质
物理性质
如密度、电导率、热导率、磁导率等，这些性质 决定了材料在特定应用中的性能。
化学性质
对未来的展望
可持续发展
01
随着环保意识的提高，未来材料科学与工程将更加注重可持续
发展和绿色制造。
新材料与新技术的研发
02
未来将不断涌现出新型材料和制造技术，为各领域的发展提供
更多可能性。
智能化与复合化
03
材料科学与工程将与信息技术、生物技术等交叉融合，实现材
料的智能化和复合化。
THANKS
0208-材料科学与工程学科的“四要素”
0208-材料科学与⼯程学科的“四要素”材料科学与⼯程学科的“四要素”------兼顾说明组织、结构的认识邓安华认为，组织、结构是两个不同的概念。
陈明彪提到了在英语著述中，组织、结构的表述使⽤了同⼀个词：structure (结构)；并且分别从组成材料的原⼦结构( structure 或architecture)、原⼦排列结构、晶粒及晶界结构组成相及其结构进⾏表述。
这显然不够简明，⽽且不如中⽂著作中使⽤“结构”(指原⼦结构或原⼦的组合结构)和“组织”(指材料组织状态)这两个不等同的概念更⽅便和合乎逻辑。
这⾥，两位特别关注了“组织、结构”的专业⼈⼠认为组织、结构是不同的；但是，⼀个认为是“不同的概念”，⼀个认为是在使⽤过程中“更⽅便和合乎逻辑”。
这两个认识虽然都认可了“组织”、“结构”的中⽂提法，但是，却是本质上的不同，⽽不是“细节上有所差异”。
我个⼈倾向于陈明彪的认识，只是需要明确的是：组织、结构在这⾥是⼀回事；之所以在不同的地⽅使⽤“组织”或者“结构”，确实是与观察的对象的尺度范围有关。
当跨越原⼦级别后，更多的采⽤“结构”的说法。
对于这⼀概念的认识，我个⼈的来源是源于⼯作中的⼀位同事兼导师。
他曾经问过我⼀个问题：我们平时总说的“⾦相组织”到底是什么？电镜观察的事物是不是“⾦相组织”？最初，我有些懵，感觉有些不好回答。
我的导师最后说明：从本质上讲，所观察到的都可以称之为“组织”；仅仅因为技术⼿段不同，分辨能⼒、表述形式上有所差异。
在《Introduction to Structures in Metals》（Metallography and Microstructures, Vol 9, ASM Handbook, ASM International, 2004, p. 23–28）中对于structure (结构)的表述，也体现了这⼀内涵。
英语著述中的structure (结构)，涵盖了整个实际、可能的从宏观、到现有技术⼿段可以达到的最微⼩的尺度范围内的。
材料科学与工程基础第二版考试必备宝典
第1章绪论1．材料科学与工程的四个基本要素解：制备与加工、组成与结构、性能与应用、材料的设计与应用2．金属﹑无机非金属材料﹑高分子材料的基本特性解：①金属材料的基本特性：a.金属键；b.常温下固体,熔点较高；c.金属不透明,具有光泽；d.纯金属范性大、展性、延性大；e.强度较高；f.导热性、导电性好；g.多数金属在空气中易氧化;②无机非金属材料的基本性能：a.离子键、共价键及其混合键；b.硬而脆；c.熔点高、耐高温,抗氧化；d.导热性和导电性差；e.耐化学腐蚀性好；f.耐磨损；g.成型方式：粉末制坯、烧结成型;③高分子材料的基本特性：a.共价键,部分范德华键；b.分子量大,无明显熔点,有玻璃化转变温度Tg和粘流温度Tf；c.力学状态有三态：玻璃态、高弹态和粘流态；d.质量轻,比重小；e.绝缘性好；f.优越的化学稳定性；g.成型方法较多; 第2章物质结构基础1．在多电子的原子中,核外电子的排布应遵循哪些原则解：泡利不相容原理、能量最低原理、洪特规则2．电离能及其影响电离能的因素解：电离能：从孤立原子中,去除束缚最弱的电子所需外加的能量;影响因素：①同一周期,核电荷增大,原子半径减小,电离能增大；②同一族,原子半径增大,电离能减小；③电子构型的影响,惰性气体；非金属；过渡金属；碱金属；3．混合键合实例解：石墨：同一层碳原子之间以共价键结合,层与层之间以范德华力结合；高分子：同一条链原子之间以共价键结合,链与链之间以范德华力结合;4.将离子键,共价键,金属键按有无方向性进行分类,简单说明理由有方向性：共价键无方向性：离子键,金属键③金属键：正离子排列成有序晶格,每个原子尽可能同更多的原子相结合, 形成低能量的密堆结构,正离子之间相对位置的改变不破坏电子与正离子间的结合力,无饱和性又无方向性;②共价键：共用电子云最大重叠,有方向性③离子键：正负离子相间排列,构成三维晶体结构,无方向性和饱和性5.简述离子键,共价键,金属键的区别6.为什么共价键材料密度通常要小于离子键或金属键材料金属密度高的两个原因：第一,金属有较高的相对原子质量;第二,金属键没有方向性,原子趋于密集排列;7.影响原子离子间距的因素：1温度升高, 原子间距越大, 热膨胀性；2离子价负离子的半径 > 其原子半径 > 正离子的半径3键能增强,原子距离缩短,键长减少 C-C 单, 双, 叁键；4相邻原子的数目配位数配位数增加,相邻原子的电子斥力越大, 原子间距增大;相邻原子的数目越多,原子间距结合原子或离子有效半径越大;8.原子的电子排布式按照能级写出N、O、Si、Fe、Cu、Br原子的电子排布;解：N:1s22s22p3 O:1s22s22p4 Si:1s22s22p63s23p 2Fe:1s22s22p63s23p63d64s2 Cu:1s22s22p63s23p63d104s1Br:1s22s22p63s23p63d104s24p59．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;解：①金属材料：简单金属指元素周期表上主族元素的结合键完全为金属键,过渡族金属的结合键为金属键和共价键的混合,但以金属键为主;②陶瓷材料：陶瓷材料是一种或多种金属同一种非金属通常为氧相结合的化合物,其主要结合方式为离子键,也有一定成分的共价键;③高分子材料：高分子材料中,大分子内的原子之间结合方式为共价键,而大分子与大分子之间的结合方式为分子键和氢键;④复合材料：复合材料是由二种或者二种以上的材料组合而成的物质,因而其结合键非常复杂,不能一概而论;10．比较键能大小,简述各种结合键的主要特点,简述结合键类型及键能大小对材料的熔点﹑密度﹑导电性﹑导热性﹑弹性模量和塑性有何影响;解：键能大小：化学键能 > 物理键能共价键≥离子键 >金属键 >氢键 >范德华力共价键中：叁键键能 >双键键能 >单键键能结合键的主要特点：①金属键,由金属正离子和自由电子,靠库仑引力结合,电子的共有化,无饱和性,无方向性；②离子键以离子为结合单元,无饱和性,无方向性；③共价键共用电子对,有饱和性和方向性；④范德华力,原子或分子间偶极作用,无方向性,无饱和性；⑤氢键,分子间作用力,氢桥,有方向性和饱和性; 结合键类型及键能大小对材料的熔点﹑密度﹑弹性模量和塑性的影响：①结合键的键能大小决定材料的熔点高低,其中纯共价键的金刚石有最高的熔点,金属的熔点相对较低,这是陶瓷材料比金属具有更高热稳定性的根本原因;金属中过渡金属具有较高的熔点,这可能是由于这些金属的内壳层电子没有充满,是结合键中有一定比例的共价键;具有二次键结合的材料如聚合物等,熔点偏低;②密度与结合键类型有关,金属密度最高,陶瓷材料次之,高分子材料密度最低;金属的高密度有两个原因：一个是由于金属原子有较高的相对原子质量,另一个原因是因为金属键的结合方式没有方向性,所以金属原子中趋向于密集排列,金属经常得到简单的原子密排结构;离子键和共价键结合时的情况,原子排列不可能非常致密,所以陶瓷材料的密度比较低;高分子中由于是通过二次键结合,分子之间堆垛不紧密,加上组成的原子质量比较小,所以其密度最低;③弹性模量是表征材料在发生弹性变形时所需要施加力的大小;结合键的键能是影响弹性模量的主要因素,键能越大,则弹性模量越大;陶瓷250~600GPa,金属70~350GPa,高分子~;④塑性是一种在某种给定载荷下,材料产生永久变形的材料特性;材料的塑性也与结合键类型有关,金属键结合的材料具有良好的塑性,而离子键、共价键的材料的塑性变形困难,所以陶瓷材料的塑性很差,高分子材料具有一定的塑性;11.晶体的共同性质1 确定的熔点温度升高到某一值,排列方式解体,原子成无规则堆积,呈现液体；2自发形成规则多面体外形的能力；3 稳定性能量最低状态；4 各向异性不同方向, 物理性能不同；5 均匀性一块晶体各部分的宏观性质相同12.名词解释：致密度：晶胞中原子体积的总和与晶胞体积之比;13．同素异构转变,并举例说明;解：同素异构转变：改变温度或压力等条件下,固体从一种晶体结构转变成另一种晶体结构; 例：铁在不同温度下晶体结构不同, < 906℃体心立方结构,α- Fe 906～1401℃面心立方结构,γ－ Fe 1401℃～熔点1540 ℃体心立方结构,δ- Fe 高压下150kPa 密排六方结构,ε－Fe14．按键合类型,晶体分哪几类各自的键合类型和主要特点如何解：按键合类型,晶体分为：金属晶体、离子晶体、共价晶体和分子晶体; ①金属晶体：金属键结合；失去外层电子的金属离子与自由电子的吸引；无方向性和饱和性；低能量密堆结构;大多数金属晶体具有面心立方,体心立方和密排六方结构,金属晶体的原子排列比较紧密,其中面心立方和密排六方结构的配位数和致密度最高; ②离子晶体：离子键结合,无方向性和饱和性；正离子周围配位多个负离子,离子的堆积受邻近质点异号电荷及化学量比限制；堆积形式决定于正负离子的电荷数和正负相对大小;硬度高、强度大、熔点和沸点高、热膨胀系数小、脆性大、绝缘高等特点; ③共价晶体：共价键结合,具有方向性和饱和性；配位数和方向受限制,晶体的配位数为 8-N;N表示原子最外层的电子数;强度高、硬度高、脆性大、熔点高、沸点高、挥发性低、导电能力较差和结构稳定等特点;配位数比金属晶体和离子晶体低④分子晶体：范德华键合氢键结合；组元为分子,仅有范德华键时,无方向性和饱和性, 趋于密堆,分子对称性较低以及极性分子永久偶极相互作用,限制了堆砌方式；有氢键时,有方向性和饱和性;16书中各例题; 属于立方晶系d=a/√h2+k2+l2,面心立方j、k、l不全为奇数或不全为偶数时d=a/2√h2+k2+l2∴100面,d=a/2√h2+k2+l22=111面,d=a/√h2+k2+l2=112面,d=a/2√h2+k2+l2=19. 2-39在温度为912℃,铁从bcc转到fcc;此温度时铁的两种结构的原子半径分别为和,1求其变化时的体积变化V/O;从室温加热到铁1000℃,铁的体积变化解：1 bcc N1=2 fcc N2=4ρ1=N1/NaM Fe/a31,ρ2=N2/NaM Fe/a32∴ρ1/ρ2= N1a32/ N2a31=VO = V1V2/V1=1V2/ V1∴Vo =1= ∴其变化时的体积变化为;2912℃时,由bcc转变为fcc,体积减小；912℃-1000℃,受热膨胀,体积增大20. 计算面心立方、体心立方和密排六方晶胞的致密度21. 计算a面心立方金属的原子致密度；b面心立方化合物NaCl的离子致密度离子半径rNa+=,rCl-=;c由计算结果,可以引出什么结论c结论：原子大小相同时,致密度与原子的大小无关；当有不同种类的原子出现时,其原子的相对大小必然影响致密度;22．有序合金的原子排列有何特点这种排列和结合键有什么关系解：特点：各组元质点分别按照各自的布拉菲点阵排列,称为分点阵,整个固溶体由各组元的分点阵组成的复杂点阵,称为超点阵或超结构;23 2-5724.如何根据固溶体密度判断固溶体类型ρc<ρe间隙式固溶体ρc=ρe置换式固溶体ρc<ρe缺位式固溶体25.举例说明非化学计量化合物判断其正负离子空缺情况组分偏移化学式的化合物即为非化学计量化合物如FeO中Fe2+氧化成Fe3+则形成阳离子空位26.书上各例题27.铝为面心立方晶体,摩尔质量为原子半径为,求铝的密度ρc=NM/NaV28．晶体缺陷的分类; 肖脱基缺陷Schottky Defect 弗仑克尔缺陷 Frenkel Defect：点缺陷对晶体性质的影响解：肖脱基缺陷：有空位,无间隙原子,原子逃逸到晶体外表面或内界面晶界; 弗仑克尔缺陷：同时形成等量的空位和间隙原子,空位和间隙原子对其数量远少于肖脱基空位缺陷;点缺陷对晶体性质的影响：点缺陷存在和空位运动,造成小区域的晶格畸变; 1使材料电阻增加定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡力,使电子在传导中的散射增加； 2加快原子的扩散迁移空位的迁移伴随原子的反向运动； 3使材料体积增加,密度下降 4比热容增大附加空位生成焓 5改变材料力学性能间隙原子和异类原子的存在,增加位错运动阻力,使强度提高,塑性下降;29．柏氏矢量的物理意义;解：表示晶体形成位错的滑移方向和大小;30.体积晶格扩散的微观机制类型解：体积扩散是金属原子从一个平衡位置转移到另一个平衡位置;包括3种微观扩散机制：①空位机制,其中一个原子与相邻空位交换位置;②间隙机制,自间隙原子将一个相邻原子调换到间隙位置上; ③直接交换机制,相邻原子成对的互相交换位置31.比较下列各因素对扩散系数的影响,并简要说明原因;1．温度对扩散系数的影响2．金属键晶体的扩散系数与共价键晶体或离子键晶体的扩散系数3．体积扩散系数晶格或点阵与短路扩散系数沿位错、晶界、表面4．间隙固溶体的扩散系数与置换型固溶体的扩散系数;5．铁的自扩散系数αFe 与γ Fe解：1.温度越高,扩散系数越大；间隙机制和空位机制都遵循热激活规律,温度提高,超过能垒几率越大,同时晶体的平衡空位浓度也越高,扩散系数提高;2.原子的迁移要挤开通路上的原子,引起局部点阵畸变,部分破坏原子结合键才能通过;键能越强,原子间的结合键力越强,激活能越大,扩散系数越小; 共价键晶体和离子键晶体的扩散系数<金属键晶体的扩散系数;3.①晶体结构反映了原子在空间的排列情况,原子排列越紧密,原子间的结合力越强,扩散激活能越高,而扩散系数越小；②处于晶体表面、晶界和位错处的原子位能总高于正常晶格上的原子,他们扩散所需的活化能也较小,相应的扩散系数较大;D表面>D晶界>D沿位错>D晶内4.间隙型固溶体比置换型固溶体容易扩散;因为间隙扩散机制的扩散激活能小于置换型扩散;间隙型固溶体中间隙原子已位于间隙,而置换型固溶体中溶质原子通过空位机制扩散时,需要首先形成空位,因而激活能高;5.αFe 属于体心结构,γ Fe 属于面心结构,面心结构点阵比体心结构点阵紧密,铁在面心立方点阵中的自扩散系数Dγ-Fe与在体心立方点阵的Dα-Fe相比, 在912℃时,Dα-Fe≈280Dγ-Fe32.书上例题33.无规网络模型的结构特点34 2-6635．结构弛豫,非晶态的晶化和熔体结晶有何异同解：②结构驰豫刚制备的不稳定态非晶材料,常温或加热保温退火,许多性质将随时间发生变化,达到另一种亚稳态;③非晶态的晶化与熔体冷凝结晶的异同点：都是由亚稳态向晶态的相变,受成核和晶体生长控制;非晶态晶化: T ＜Tg,相变驱动力大,成核功小,利于成核和晶体生长；粘度大,固相内扩散,扩散慢,不利于成核和晶体生长,更有利于保持非晶状态;熔体冷凝结晶：Tg＜T＜Tm,液体内的扩散36．分别求WSn=%和WSn=50%时,在183℃转变时,各相的相对含量解：②WSn=50% w α = 50/19 ×100%=%,w β =1w α =%37.固体表面结构的主要特点解：固体表面结构的主要特点是存在着不饱和键和范德华力;晶体不同晶面的表面能数值不同,密排面的表面能最低,故晶体力图以密排面作为晶体的外表面；38.分析讨论影响材料表面能的因素解：表面能是增加单位面积的表面,需要做的功.扩张表面时;要克服原有原子、分子或离子之间的相互作用;作用力弱,做功小,表面能低;1键性：表面能反映质点间的引力作用,强键力的金属和无机材料表面能较高;低表面能物质：水,石蜡,PE,PTFE,PA662温度：温度升高,表面能一般减小;热运动削弱了质点间的吸引力;3杂质：含少量表面能较小的组分,可富集于表面,显着降低表面能；含少量表面能较大的组分,倾向于体内富集,对表面能影响小39.三种润湿的数学表达式解：①沾湿：WA = －ΔG = γSg+ γLg－γSL②润湿：Wi= －ΔG = γsg - γsL③铺展：S = －ΔG = γsg - γLg - γsL三种润湿的共同点: 液体将气体从固体表面排开,使原有的固/气或液/气界面消失,被固/液界面取代三种润湿的规律：沾湿粘附功Wa = A+ γLg Wa =γSg+ γLg－γSL浸湿Wi = A =γsg - γsL铺展S = A －γLgγSg越大,γSL越小,粘附张力A越大,越有利于各种润湿；沾湿：γLg大,有利沾湿；浸湿：γLg,无影响;铺展：γLg小,有利铺展; 改变润湿性主要取决于γSg,γLg,γSL的相对大小,改变γSg较难,实际上更多的是考虑改变γLg和γSL;40.润湿的本质是解：润湿的本质是异相接触后体系的表面能下降;2-2341.硅烷偶联剂硅烷偶联剂是一类在分子中同时含有两种不同化学性质基团的有机硅化合物,其经典产物可用通式YSiX3表示;式中,Y为非水解基团,包括链烯基主要为乙烯基,以及末端带有Cl、NH2、SH、环氧、N3、甲基丙烯酰氧基、异氰酸酯基等官能团的烃基,即碳官能基；X为可水解基团,包括Cl,OMe, OEt, OC2H4OCH3, OSiMe3, 及OAc等;由于这一特殊结构,在其分子中同时具有能和无机质材料如玻璃、硅砂、金属等化学结合的反应基团及与有机质材料合成树脂等化学结合的反应基团,可以用于表面处理第三章思考题1．高分子材料组成和结构的基本特征解：①平均分子量大和存在分子量分布；②高分子链具有多种形态；③分子链间以范氏力为主,部分化学键；分子内为共价键；④组成与结构的多层次性2．比较分子链的近程结构对高分子链柔顺性的影响解：①主链结构;极性小的碳链高分子,分子内相互作用不大,内旋转位垒小,柔性较大;主链中含非共轭双键,相邻单键的非键合原子带原子间距增大,使最邻接双键的单键的内旋转较容易,柔顺性好;主链中含共轭双键,因电子云重叠,没有轴对称性,Л电子云在最大程度交叠时能量最低,而内旋转会使Л键的电子云变形和破裂,不能内旋转,刚性链分子;主链含不能内旋转的芳环、芳杂环时,可提高分子链的刚性;②取代基;侧基极性越大,极性基团数目越多,相互作用越强,单键内旋转越困难,分子链柔顺性越差;③氢键和交联结构的影响;高分子的分子内或分子间形成氢键,氢键影响比极性更显着,增加分子链的刚性;3.相容剂及其增容作用添加相容剂是改善高分子分散相与基体之间相容性,稳定熔融分散混合效果的有效方法; 相容剂通常为两相高分子的共聚物;相容剂共聚物的链段会与共混体系中相应的均聚物部分相互作用,从而降低表面张力,增强分散相与基体的粘附;这一过程称为“增容作用”4.内聚能密度对高聚物结构和性能的影响内聚能密度: 单位体积的内聚能CEDCED < 290J/cm3,分子间力小,分子链柔顺,非极性高聚物,用作橡胶；CED﹦290～400J/cm3分子间力适中,分子链刚性大,用作塑料；CED > 400J/cm3 ,多含强极性基团和氢键,分子间作用力大,有较高结晶性和强度,用作纤维;5.聚合物制备方法,主要结构类型加成聚合和缩聚主要结构：无规 ~ABBAABAB~ Random n < 102交替 ~ABABAB~ Alternating嵌段 ~AAAAAAAABBBBBBB~ Block 均聚链段 n = 102～3接枝 ~AAAAAAAAAAAA~ Graft 主链和支链6.与小分子相比,高分子有何特点①平均分子量大和存在分子量分布②高分子链具有多种形态③组成与结构的多层次性7.高分子按结构单元的化学组成可分为碳链高分子,杂链高分子,元素有机高分子,无机高分子,8.聚乙烯可分为低密度聚乙烯,高密度聚乙烯,线性低密度聚乙烯,超高分子质量聚乙烯,改性聚乙烯9.与低分子晶体比较,聚合物晶体的特点;解：特点：①链段排入晶胞,分子链轴常与一根结晶主轴平行；②半晶结构结晶不完全；③熔程范围较宽,④结晶速度慢；⑤晶体形态多样;10.名词解释：热塑性聚合物：指具有加热后软化、冷却时固化、可再度软化等特性的塑料热固性聚合物：一般先形成预聚物,成型时,经加热使其中潜在的官能团继续反应成交联结构而固化;这种转变时不可逆的,只能成型一次,再加热时不能熔融塑化,也不溶于溶剂,一般是体型聚合物,如酚醛树脂、硫化橡胶等;铁碳合金1.高温莱氏体：奥氏体和渗碳体组成的机械混合物称高温莱氏体2.铁素体 F Ferrite: C溶于α-Fe中的间隙固溶体,bcc,室温 C% %727℃,硬度和强度低,塑性韧性好;3.奥氏体 A Austenite C溶于γ-Fe中的间隙固溶体,fcc, 727℃ % C% %1148℃,塑性和可锻性好,无磁性;4.渗碳体 Fe3C cementite 铁和碳的间隙化合物,熔点高1600℃; C含量%；正交晶系,塑性差,脆性大;5. 珠光体 P Pearlite 铁素体和渗碳体的共析混合物；6.马氏体 Martensite钢和铁从高温奥氏体急冷淬火强化,化学成分不变, 晶格重构, fcc变为bcc,碳在-Fe中的过饱和固溶体;硬度和强度很高;7.黄铜：黄铜是由铜和锌所组成的合金8.青铜：纯铜红铜中加入锡或铅的合金2. 根据铁碳相图,说明各点A、B、C、D、E、F、G、H、J、K、N、P、S和Q的含义;3碳对铁碳合金机械性能有何影响铁素体软而韧,铁碳合金的塑性主要由铁素体提供；渗碳体硬而脆;铁素体和渗碳体形成片状珠光体,使铁碳合金的强度和硬度提高;合金中珠光体的数量越多,合金的强度和硬度越高;wC ＝％,全部为珠光体,合金强度和硬度较高,兼有塑性和韧性;合金组织中出现以渗碳体为基体的莱氏体时,铁碳合金的塑性和韧性大大降低,强度也降低;白口铸铁脆性很大,使用价值不大;wC >％, 沿珠光体边界形成网状Fe3CⅡ,降低了晶界的断裂强度,使合金脆性大大增加; 碳钢,一般要求 wC <％4 . 钢和铸铁在成分组织性能上的主要区别是什么钢: 碳含量 < %重量的铁-碳合金;碳钢和合金钢1 碳钢1 按碳含量质量百分数分类：低碳钢 C≤％中碳钢％< C ≤％ 45号钢的概念高碳钢 C＞％含碳量越高,碳钢硬度和强度越大,但塑韧性降低;2 按钢中杂质的质量含量分类杂质硫、磷含量：普通碳素钢 S ≤％,P ≤％优质碳素钢 S ≤％,P ≤％高级优质碳素钢 S ≤％,P ≤％3按用途分类：碳素结构钢：桥梁、船舶、建筑构件、机器零件等;碳素工具钢：刀具、模具、量具等;合金钢: 碳钢中加入一种或多种合金元素,形成的钢;1按含合金元素的总含量分类：低合金钢合金元素总质量分数≤5％中合金钢合金元素总质量分数 = 5％～10％高合金钢合金元素总质量分数＞10％;2按主要合金元素种类分：铬钢不锈钢铬镍钢锰钢硅锰钢等;铸铁含碳量＞％的铁-碳合金;铸铁成分范围：C:～%, Si: ～ %,Mn: ～ %, S: ～ %,P: ～ %;为改善性能,也加入 Cr、Mo、V、Cu、Al等；与钢相比,铸铁含碳和硅量较大,含杂质元素较多;铸铁的生产设备和工艺简单,价格便宜;广泛用在机械制造、冶金、矿上、石油化工、交通等领域;按质量分数计算,铸铁件在农业机械中占 40 ～ 60％；汽车拖拉机中占 50 ～ 70％；机床制造中占 60 ～ 90％;灰口铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和可锻铸铁等;铸铁中,碳可以石墨G形式存在,与铁构成Fe－ G平衡状态5;Fe-Fe3C相图6.分析wC ＝％、wC＝％、wC＝％、wC＝％的铁碳合金从液态平衡冷却到室温的转变过程,用组织示意图说明各阶段的组织变化;7. 计算wC = %和wC = %的铁碳合金从液态平衡冷却到室温下的组织成物和相组织物含量.8．铁碳合金中碳的存在形式;灰铸铁,白口铸铁,麻口铸铁的碳的存在形式有何不同; 解：铁碳合金中,碳的存在形式：①与铁间隙固溶；溶入铁的晶格,形成间隙固溶体;②化合态的渗碳体；亚稳态,在一定条件下分解为铁和石墨;③游离态的石墨G :稳定态,可从铸铁熔液中析出,也可从奥氏体中析出; 白口铸铁碳以渗碳体形式存在,断口为白亮色灰口铸铁碳以游离石墨形式存在,断口为暗灰色麻口铸铁同时含有石墨和渗碳体,断口灰白相间9．灰铸铁的组织特点,影响灰铸铁性能的因素;解：灰口铸铁：基体组织和石墨两部分组成基体铁素体、铁素体-珠光体、珠光体＋石墨影响因素：①石墨对铸铁机械性能的影响石墨：松软而脆弱的固态物质,抗拉强度<20MPa,延伸率趋近于零；石墨存在基体中,尤如一种裂纹或孔洞,分割削弱基体,破坏基体组织连续性；还会引起应力在该处集中,构成裂纹源;因而,铸铁的抗拉强度、塑性和韧性都比钢铁低得多; 基体相同的情况下,石墨形状由片状普通灰铸铁变为细片状孕育灰铸铁和球状球墨铸铁时,其对基体的削弱作用以及应力集中的程度将依次减弱,表现出抗拉强度依次升高; ②基体对铸铁机械性能的影响基体中铁素体的数量增多,塑性、韧性提高；珠光体数量增加,塑性、韧性降低,但强度、硬度有所增高;10.灰口铸铁的组织按其基体的不同,可分为哪三种;灰口铸铁的组织可看成是；解：铁素体灰口铸铁、铁素体-珠光体灰口铸铁、珠光体灰口铸铁; 灰口铸铁的组织可看成是钢加上片状石墨11. 灰口铸铁和球墨铸铁在组织和性能上有何区别;解：灰口铸铁的组织特点是在基体上分布着片状石墨; 球墨铸铁的组织特点是基体加球状石墨性能：球化越完整,球状石墨尺寸越细小,可减少应力集中,力学性能越优越；疲劳强度与中碳钢相似,耐磨性好,制造重要和形状复杂机械零件,如曲轴、连杆、涡轮、齿轮、水压机缸套等;无机非金属材料1硅酸盐结构的基本特点和类型;解：硅酸盐晶体的结构特点：1结构中Si4+间没有直接的键,而是通过O2－连结；2以硅氧四面体为结构的基础；3每一个O2－只能连接2个硅氧四面体；4硅氧四面体间只能共顶连接,不能共面连接;硅酸盐晶体的主要结构类型：岛状结构；组群状环状结构；链状结构；层状结构；架状结构;2玻璃的定义及其通性,玻璃中的氧化物分为哪三类;。
材料科学与工程复习思考题
第1章绪论思考题1．材料科学与工程的四个基本要素解：制备与加工、组成与结构、性能与应用、材料的设计与应用2．材料科学与工程定义解：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？金属通常分哪两大类？无机非金属材料分哪四大类？高分子材料按使用性质哪几类？解：按材料特性，材料分为：金属材料、无机非金属材料、和有机高分子材料三类。
金属材料分为：黑色金属材料和有色金属材料。
无机非金属材料分为：混泥土（水泥）、玻璃、砖及耐火材料、陶瓷四大类。
高分子材料按使用性能分为：塑料、橡胶、纤维、粘合剂、涂料等类。
4．金属﹑无机非金属材料﹑高分子材料的基本特性解：①金属材料的基本特性：a.金属键；b.常温下固体，熔点较高；c.金属不透明，具有光泽；d.纯金属范性大、展性、延性大；e.强度较高；f.导热性、导电性好；g.多数金属在空气中易氧化。
②无机非金属材料的基本性能：a.离子键、共价键及其混合键；b.硬而脆；c.熔点高、耐高温，抗氧化；d.导热性和导电性差；e.耐化学腐蚀性好；f.耐磨损；g.成型方式：粉末制坯、烧结成型。
③高分子材料的基本特性：a.共价键，部分范德华键；b.分子量大，无明显熔点，有玻璃化转变温度（Tg）和粘流温度（Tf ）；c.力学状态有三态：玻璃态、高弹态和粘流态；d.质量轻，比重小；e.绝缘性好；f.优越的化学稳定性；g.成型方法较多。
第2章物质结构基础Structure of Matter思考题1. 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？解：主量子数n、角量子数l、磁量子数m l、自旋量子数m s2．在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？解：泡利不相容原理、能量最低原理、洪特规则3．配位数及其影响配位数的因素解：配位数：一个原子周围具有的第一邻近原子（离子）数。
影响因素：①共价键数；②原子的有效堆积（离子和金属键合）。
第二篇 材料四要素
材料科学与工程的四个基本要素材料工程材料科学与工程四面体材料科学与工程的四个基本要素：材料科学与工程的四个基本要素材料科学与工程的四个基本要素材料的性质材料的性质材料的性质材料的性质材料的性质材料的性质材料的性质机械电学机械磁学光学电致伸缩压电特性磁致伸缩巨磁阻效应电致发光材料的性质电致伸缩----压电特性巨磁阻效应:是指磁性材料的交变阻抗随外磁场显材料的性质材料的材料的组成与结构固定时，材料的便是组成材料的排列方式和空间分布材料的材料的组成与结构材料的材料的组成与结构共价键是一种强吸引力的结合键。
当两个相同原分子键又叫范德瓦尔斯键，是最弱的一种结合键。
材料的材料的组成与结构二、结合键对材料性能的影响材料的材料的组成与结构2．陶瓷材料材料的材料的组成与结构材料的材料的组成与结构材料的材料的组成与结构．非晶体材料的材料的组成与结构晶体和非晶体的转化加热后，熔化的琥珀会部分出现结晶；拉伸状态下的尼龙纤维强化且晶化。
琥珀晶态SiO2Si O 空间点阵格架材料的材料的组成与结构③体积要最小。
材料的材料的组成与结构Z材料的材料的组成与结构材料的材料的组成与结构十四种点阵三斜P 单斜P 单斜C 正交P 正交C 正交F 正交I 六方H 三方R 四方P 四方I 立方P 立方I 立方F材料的材料的组成与结构二、结晶指数晶向：在晶格中,任意两原子之间的连线所指的方向材料的材料的组成与结构用密勒(Miller)指数对晶格中某一原子排列在空间的位向进行标定。
晶向指数:标定方法：1. 建立坐标系，结点为原点，三棱为方向，晶格常数为单位；2. 在晶向上任两点的坐标(x1,y1,z1)(x2,y2,z2)。
(若平移晶向或坐标，让第一点在原点则下一步更简单)；3. 计算x2-x1：y2-y1：z2-z1；4. 化成最小、整数比u：v：w ；5. 放在方括号[uvw]中，不加逗号，负号记在上方。
在晶格中由一系列原子所构成的平面称为晶面。
材料导论材料科学与工程的四个基本要素
§2.1 材料科学与工程的形成与内涵
2.1.1 材料科学的形成
“材料科学”概念的提出只是20世纪50 年代末到60年代初的事情。
卫星上天引发的震动
1957年，前苏联人造卫星首先上天，
对美国人触动很大。1957年10月和11月，
苏联先后发射了两颗重量分别为80kg和
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
§2.1 材料科学与工程的形成与内涵
1）材料的结构与成分 每个特定的材料都具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
1966年，美国麻省理工学院将“冶金系”改为“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
§2.1 材料科学与工程的形成与内涵
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
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§2.1 材料科学与工程的形成与内涵
材料科学的形成
■ 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
(完整版)材料科学与工程导论试题
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、结构与成份和合成与加工。
2．材料性质的表述包括力学性质、物理性质和化学性质。
3．强度可以用弹性极限、屈服强度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：断裂、磨损和腐蚀。
5．材料的结构包括键合结构、晶体结构和组织结构。
6．晶体结构有三种形式，它们分别是：晶体、非晶体和准晶体。
7．化学分析、物理分析和谱学分析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固溶强化、加工强化、弥散强化、第二相强化和相变增韧。
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。
（错）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。
（错）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。
（错）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。
（错）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？答：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。
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？答：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。
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。
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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。
大连理工大学 材料科学导论 第二章 材料“四要素”是材料研究与应用的共性基础答案
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、结构与成份和合成与加工。
2．材料性质的表述包括力学性质、物理性质和化学性质。
3．强度可以用弹性极限、屈服强度和比例极限等来表征。
4．结构材料三类主要的失效形式分别是：断裂、磨损和腐蚀。
5．材料的结构包括键合结构、晶体结构和组织结构。
6．晶体结构有三种形式，它们分别是：晶体、非晶体和准晶体。
7．化学分析、物理分析和谱学分析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固溶强化、加工强化、弥散强化、第二相强化和相变增韧。
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．疲劳强度是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。
（错）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。
（错）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。
（错）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。
（错）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？答：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。
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？答：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。
材料科学与工程的四要素及其关系
材料科学与工程的四要素及其关系
材料科学与工程的四要素及其关系
一、四要素
材料科学与工程是一个复杂的系统，主要包括以下四要素：
（1）基础科学：指材料科学的基础知识，如物理、化学、力学、数学等;
（2）材料科学：指研究材料特性的学科，如结构材料、新能源材料、纳米材料等;
（3）材料工程：指设计、制造、运用各种材料的技术;
（4）材料应用：指将材料用于各种实际应用的学科，如能源技术、动力学技术、电子技术、生物技术等。
二、四要素之间的关系
四要素之间的关系如下：
（1）基础科学作为材料科学的基石，是材料科学与工程的基础。
它对于材料科学和材料工程的发展起到不可替代的作用。
（2）材料科学则是以基础科学为基础的一门学科，它主要研究不同材料的性能及其影响因素，同时也对材料工程的研究与开发提供了理论支持。
（3）材料工程是以材料科学为基础的应用学科，它负责设计、制造、运用各种材料，使其能够满足工程需要。
（4）材料应用是将材料好好投入工程应用的学科，它是材料科学、材料工程及其他专业知识的具体应用，致力于推动技术的创新与
进步。
总之，四要素之间的关系，分别是：基础科学支撑材料科学，材料科学支撑材料工程，材料工程支撑材料应用，材料应用促进技术创新与进步。
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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 I Ｃ,断裂韧性 J I Ｃ 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性质与性能得区别与关系 性质与使用性能得区别与关系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就是随着外因得变化而不断变化，就是个渐变过程,在这个过程中发 生量变得积累，而性质保持质得相对稳定性；当量变达到一个“度” 时,将发生质变,材料得性质发生根本得变化。
需要注意得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 针对不同得使用环境,提取出关键得材料性质并选择优良性能得材料。
3、 失效分析－--－材料使用性能得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得材料力学失效形式 断裂 磨损 腐蚀 材料得断裂韧性3、1、4材料（产品）使用性能得设计在材料使用性能（产品）设计得同时，力求改变传统得研究及设计 路线,将材料性质同时考虑进去,采取并行设计得方法。
传统方式： 结构与功能—确定材料得性质(选择材料）－完成设计先进方式:结构与功能，材料得性质－完成设计２、1、5材料性能数据库从事材料工程得人们必须注重材料性能数据库，因为；1、材料性能数据库就是材料选择得先决条件;2、材料性能数据库就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）得基础。
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得“凡尔赛计划"•原苏联及东欧各国组成了ＥCＯＮ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得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、材料得结构2、成分结构检测技术3、与其它要素得关系4、材料得成分、结构数据库5、新得机遇2、2、1材料得结构键合结构，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）材料得结构—-－－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 材料得结构—－-—组织结构定义:组成材料得不同物质表示出得某种形态特征 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、结构得认识就是由分析、检测实现得。
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 与其它要素得关系就是材料性质得原因就是合成加工得结果材料得强度金属材料得尺寸减小到一定值时,材料得工程强度值不再恒定,而就是迅速增大,原因有两点:1)按统计学原理计算单位面积上得位错缺陷数目,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－--—－结构就是性能得原因。
塑性加工金属材料随塑性加工量得增大，组织结构发生明显得变化:等轴晶－—-带状组织——-细晶组织-——-——就是加工得结果材料得强韧化-－－－位错理论得建立固溶强化，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-—－测定参数得关系»相图数据库:建立了成分——-相得关系具有一种晶体结构得物质称为一相注:这两个数据库对材料科学家得研究提供了极大得便利，几乎所有材料合成得研究都就是从了解上面两个对应关系得研究开始得。
2、2、5成分、结构研究领域得新机遇准晶，准晶得结构，潜在得应用价值纳米材料,纳米碳管,C60(巴基球),等界面科学–超导体与基体得界面结构–功能复合材料得梯度界面–半导体材料与封装材料得界面–纤维增强体与基体得结合界面以上新得研究课题，都主要就是围绕成分与结构展开得，向上追溯到材料得合成与加工，向下则牵联到材料得特征性质。
可以说,这些研究就是新材料新技术得代表。
§2、３合成与加工１、定义2、合成与加工得主要内容３、与其它要素得关系4、发展方向2、３、1 定义“合成”与“加工"就是指建立原子、分子与分子团得新排列,在所有尺度上(从原子尺寸到宏观尺度)对结构得控制，以及高效而有竞争力地制造材料与元件得演化过程。
合成就是指把各种原子或分子结合起来制成材料所采用得各种化学方法与物理方向。
加工可以同样得方式使用，还可以指较大尺度上得改变，包括材料制造。
需要说明得问题在材料科学与工程中,合成与加工之间得区别变得越来越模糊合成就是新技术开发与现有技术改进得关键性要素现代材料合成技术就是人造材料得唯一实现途径2、3、2 合成与加工得主要内容材料制备材料加工表面工程材料复合一.材料得制备冶金过程，熔炼与凝固，粉末烧结，高分子聚合不同得材料制备方法，分别具有不同得材料科学基础内容，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)目得: 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）目得: １。
金属得精练提纯2。
材料得“合金化"3。
晶体得生长内容：１、平衡凝固4、区域熔炼2、快速凝固5、玻璃得熔炼３、定向凝固６、熔融法提拉单晶粉末烧结目得：１、粉末成型 2 、粉末颗粒得结合内容：１、粉末冶金技术2、现代陶瓷材料得制备高分子聚合目得: 实现小分子发生化学反应，相互结合形成高分子。
高分子聚合就是人工合成三大类高分子材料：塑料、橡胶、合成纤维得基本过程.内容： 1 、本体聚合 3 、悬浮聚合4、溶液聚合ﻩ 2 、乳液聚合ﻩ二．材料得加工传统意义上，材料得加工范畴包括四个方面：材料得切削：车、铣、刨、磨、切、钻材料得成型:铸造、拉、拔、挤、压、锻材料得改性:合金化、热处理材料得联接：焊接、粘接注：从课程体系上分析，材料得切削应在机械工程中重点讨论材料得成型三大类材料得成型技术在材料工程中就是内容最为丰富得一部分。
如 果按材料得流变特性来分析,则材料得成型方法可分为三种: 1。
液态成型 金属得铸造、溶液纺丝 ２。
塑变成型 金属得压力加工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得半固态成型高分子材料得熔融成型 陶瓷泥料、浆料成型 玻璃得熔融浇注 材料得改性目得：通过改变材料得成分、组织与结构来改变材料得性能. 内容: １、 材料得“合金化” ２ 、 材料得热处理 材料得热处理通过一定得加热、保温、冷却工艺过程，来改变材料得相组成情况， 达到改变材料性能得方法.这种方法在金属材料与现代陶瓷材料得 改性方面有广泛得应用。