新材料概论

第1章材料概论

1.材料的定义:材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其它产品的那些物质。

2.材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料。如燃料和化学原料、工业化学品、食物和药物，一般都不算是材料。

3.材料的分类

根据材料的来源分类:天然材料,人工材料(钢铁材料，陶瓷材料，合成纤维，复合材等）

材料按化学组成（或基本组成）分类:

①金属材料

②无机非金属材料（以某些元素的氧化物、碳化物、氢化物、卤素化合物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。）如：陶瓷，玻璃，水泥，耐火材料

③高分子材料（聚合物）

④复合材料（是由两种或两种以上化学本质不同的材料组合在一起，使之互补性能优势，从而制成的一类新型材料。一种组成为基体，其粘结作用，另一种或几种为增强体或功能组元，起增加强度或功能的作用。）按基体材料分类: 金属基复合材料，陶瓷基复合材料，水泥、混凝土基复合材料，塑料基复合材料，橡胶基复合材料等。按增强剂形状分类：粒子、纤维及层状复合材料。

材料按用途来分类：结构材料（以力学性能为基础，制造受力构件所用材料。），功能材料（主要是利用物质的独特物理、化学性质或生物功能等而形成的一类材料。）

一种材料往往既是结构材料又是功能材料，如铁、铜、铝等。结构材料对物理或化学性能也有一定要求，如光泽、热导率、抗辐照、抗腐蚀、抗氧化等。

材料按结晶状态分类：单晶材料（由一个比较完整的晶粒构成的材料，如单晶纤维、单晶硅；）多晶材料（由许多晶粒组成的材料，其性能与晶粒大小、晶界的性质有密切的关系。）

非晶态材料（由原子或分子排列无明显规律的固体材料，如玻璃、高分子材料。）准晶材料（指准周期性晶体材料的简称，准晶仍然是晶体，准晶中的原子分布有严格的位置序，但位置序无周期性，即没有周期性平移对称关系。）

材料按使用领域分类：根据材料服役的技术领域可分为信息材料、航空航天材料、能源材料、生物医用材料等。

其他常见的分类方法：传统材料（基础材料）如钢铁、水泥、塑料等。新型材料(先进材料)

4.新材料一般具有以下特点：

（1）具有一些优异性能或特定功能

如：超高强度、超高硬度、超塑性等力学性能，超导性、磁致伸缩、能量转化、形状记忆等特殊物理或化学性能

（2）新材料的发展与材料科学理论比传统材料更为密切

（3）新材料的制备和生产往往与新技术、新工艺紧密相关

（4）更新换代快，样式多变

5.所有材料的宏观性能都是由其化学组成和内部组织结构决定。

6.组元（或称组分）是组成材料最基本的、能够独立存在的物质。组元可以是元素（金属材料），也可以是稳定的化合物（陶瓷材料，高分子材料）。

7.相是材料中具有化学成分相同并且结构和性质相同的均匀连续部分。相与相之间有明显的界面

8.材料的组织：材料内部的微观形貌。一般分为微观组织与宏观组织。

9.材料中的化学键合：

一次键——结合力较强，包括离子键、共价键和金属键。

二次键——结合力较弱，包括范德瓦耳斯键和氢键。

10.离子键：金属和非金属原子分别形成正离子与负离子，正、负离子间相互吸引

特点：饱和性和无定向性。离子键的键能高，结合力很大。材料的性能表现为硬度高、强度大、热膨胀系数小，常温下导电性差

11.共价键：共价结合时由于电子对之间的强烈排斥力，使共价键具有明显的饱和性和方向性，不允许改变原子间的相对位置，所以材料不具塑性且比较坚硬，像金刚石就是世界上最坚硬的物质之一。共价键晶体具有很高的熔点和硬度，但延展性和导电性差。

12.金属键：没有方向性，因而金属具有良好的塑性。金属正离子被另一种金属的正离子取代时也不会破坏结合键，这种金属之间的溶解 (称固溶) 能力也是金属的重要特性。金属导电性、导热性以及金属晶体中原子的密集排列等，都直接起因于金属键结合。金属对光的非透明性和金属表面的高反射性。

13.范德瓦耳斯键，氢键：是靠原子 (或分子)的偶极吸引力结合的，只是氢键中氢原子起了

关键作用，结合力比范德瓦耳斯键强

14.材料的力学性能：主要是指材料在力的作用下抵抗变形和开裂的性能

15.力学性能指标: 弹性、刚度、塑性、韧性、强度、硬度、疲劳强度等。

16.材料的强度：材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。

1)屈服强度σs/条件屈服强度σ:代表材料开始明显塑性变形的抗力.（?σ条件屈服强度：

中高碳钢等无屈服点）σs=Ps/Fo （Ps试样屈服时的载荷( N )，Fo 试样原始横截面积( mm2)）

2)抗拉强度σb：代表材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值。

σb=Pb/Fo （Pb试样断裂前的最大载荷(N)

3)疲劳强度σ-1 （疲劳极限σ-1 ）：材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应

力值。条件疲劳极限：经受107应力循环而不致断裂的最大应力值。

17.疲劳现象：承受载荷的大小和方向随时间作周期性变化。在交变应力作用下，往往在远小于强度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。80%的断裂由疲劳造成。

18.塑性：材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。（延伸率，断面收缩率，越大，塑性愈好）

19.刚度：材料在受力时，抵抗弹性变形的能力

20.弹性：材料不产生塑性变形的情况下，所能承受的最大应力

21.硬度：抵抗外物压入的能力：布氏硬度HB ，洛氏硬度HR ，维氏硬度

22.冲击韧性：材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。

23.断裂韧性：是材料的一种固有特性，与裂纹本身的大小、形状、外加应力等无关，而与材料本身的成分、热处理及加工工艺有关。（表明了材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂的能力。）

24.材料科学与工程是研究材料组成、结构、生产过程、材料性能与使用效能以及它们之间的关系。因而把组成与结构（composition-structure ）、合成与生产过程（synthesis-processing ）、性质（properties ）及使用效能（performance ）称之为材料科学与工程的四个基本要素（basic elements ）。把四要素连结在一起，便形成一个四面体（tetrahedron ）

25.材料科学与工程内涵：材料科学与工程就是研究有关材料组成，结构，制备工艺流程与材料性能和用途的关系的知识产生及其运用。

第2章 高性能结构材料

1. 超级钢：

钢铁是钢和铸铁的总称，它们是铁元素和碳元素（以及其它元素）形成的合性质 合成/制备

结构/成份 性能