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 h

3. 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

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2. 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137466.0

49199.0

合成橡胶818.260.0合成树脂13940.0643.6合成纤维

2155.4

460.3

§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

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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