第二章 材料科学与工程的四个基本要素.pptx
材料科学概论 第二章
质谱仪：可测量分子的分 子量。根据带电粒子在电 磁场中能够偏转的原理， 按物质分子碎片的质量差 异进行分离和检测物质组 成的一类仪器。质谱仪以 离子源、质量分析器和离 子检测器为核心。
8
用于材料成分结构检测的仪器
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电负性
• 电负性：表示不同元素的原子在分子中吸引电子的能 力。电负性与原子的亲合能和第一电离能之和成正 比,X=0.18(I+Y) • I-第一电离能，原子失去一个电子而成为１价正离子 所需能量。 • Y-亲合能，一个中性原子获得一个电子成为负离子所 放出的能量。 • Cl原子核外带有7个价电子，具有强烈的获得电子的 倾向；而带有1 个价电子的Na则容易失去其价电子。
合成、加工 成分、结构
Hale Waihona Puke 性能环境生态2015-6-25
DJTU Materials Science & Engineering
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本章主要内容
2.1 材料的成分与组织结构 2.2 材料的合成与加工
2.3 材料的性质与使用性能
2.4 结构材料的失效
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2.1 材料的成分与组织结构
2.1.1 材料的化学成分
A
1
6 5 4 2 3
B A B A
2015-6-25
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2）将第二层球对准第一层的 1，3，5位（B层）， 将第三层球对准第一层的 2，4，6位（C层）， 形成ABC ABC周期--面心立方堆积，f.c.c (face-centered cell) ， 配位数 12 ，同层 6，下层各 3，空间利用率74.05% 。
1
材料科学与工程专业介绍ppt【精品-ppt】(共48张PPT)
0713 材料科学类
(注:可授理学或工学学士学位)
071301 材料物理
071302 材料化学
0802 材料类
教授 1
博士
教授
博士
教授
博士
副教授
博士
副教授
博士
副材料科学与工程对社会发展的影响
1、“四要素”与结构 071302 材料化学
军事、体育类课程（教育部要求——健康保障）
（2） 电子衍射分析 ；
充分利用课堂时间
社出会的对 第材一料条科S-学N曲与线工，程开人辟才了的材要料求、组织与性成能分间（关系组的成）
新结构转化为材料与结构的演化过程
1.主要基础、公共课程设置
2.1、“材料科学基础”课程简介
2.2、材料工艺学
该课程目前是材料科学以及其它材料学 相关专业的专业基础课程，其教学内容包括 ：工艺技术、基础原理和环境保护三部分， 涉及传统材料和新型材料。有大量的实验内 容。是各种专业课的基础课程。
080201 冶金工程
080202 金属材料工程
080202 无机非金属材料 工程
080204 高分子材料与工程
本科新旧专业对照
071301 材料物理
071303W 矿物岩石材料
071302 材料化学
080201 钢铁冶金 080202 有色金属冶金
080203 冶金物理化学 080213W 冶金
提纲
工业的迅猛发展要求与之相适应的科学技术与专门人才：十七 世纪中叶英国成立了皇家学会，之后又在大学设立工程学科，大大 促进了科技人才的培养和发展。在冶金/材料领域：
材料科学与工程导论PPT课件
太空行走
可编辑课件PP火T 星探测
太空攻19 防
世界前沿科技领域的发展动向
航空技术发展面临历史性机遇，应用前景广阔
高超声速导弹、飞机有望在2020年左右进入实际应用 高效、环保发动机的研制倍受关注 智能结构技术开始得到应用，如智能蒙皮、变形飞机等 无人驾驶飞机称为研究热点
航空发动机 可编辑课件PPT
卫星
经济和社会发展对材料科技的重大需求
信息
基础及支柱产业的发展
机械计算机 电子计算机 晶体管计算机 当代计算机
电子管
晶体管 计算机的发展
集成电路
可编电辑课话件PP的T 演变历史
9
经济和社会发展对材料科技的重大需求
能源
基础及支柱产业的发展
铅酸电池 镍镉电池 镍氢电池
锂
电 池
锂离子电池 燃料电池 太阳能电池
可编辑课件PPT
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经济和社会发展对材料科技的重大需求
基础及支柱产业的发展
材料 科技
重大 前沿科技的发展 需求 生活质量的提高
外 力
材料科学自身的发展
可编辑课件PPT
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经济和社会发展对材料科技的重大需求
制备
工业原料
制备
开采
原材料
矿产
再生循环
工程材料 分类/再制造
产品设计 制造装配
废料
农业、建筑、环境
无人机20
世界前沿科技领域的发展动向
能源技术将变革未来社会的动力基础，促进人类实 现可持续发展
煤炭的高效清洁利用成为化石能源技术研发热点 核能技术酝酿新的突破 氢能技术研发和商业应用加速 新能源和可再生能源技术展现良好前景
核电站
可编辑课件PP燃T 料电池车
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。
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
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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
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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
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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
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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。
材料科学与工程基础 ppt课件
PPT课件
Figure 2.11 17
3. 共价键合 (Covalent Bonding)
两个原子共享最外壳电子的键合。
特点：
① 两原子共享最外壳层电子对；
② 两原子相应轨道上的电子各有一个，自旋方向 必须相反；
③ 有饱和性和方向性。电子云最大重叠，一共价 键仅两个电子。
PPT课件
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第二章 物质结构基础
(Structure of Matter)
• What are atomic structures and interatomic bonds？ • What are the equilibrium separation and the
bonding energy between atoms. • What is the difference in structures between
crystalline and noncrystalline materials. • What is solid solution. • What is the importance of phase diagrams. • What is the characteristic of materials surface.
PPT课件
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2 . 金属键合 (Metallic Bonding)
特点： ① 由正离子排列成有序晶 格； ② 各原子最 (及次)外层电子 释放，在晶格中随机、自由、 无规则运动，无方向性；
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Figure 2.11 16
2 . 金属键合 (Metallic Bonding)
特点： ③ 原子最外壳层有空轨道或 未配对电子，既容易得到电 子，又容易失去电子；
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科学、技术和工程的多学科交叉学科，也是一门关乎工业发展的重要学科。
它涉及的内容包括四要素：材料结构、力学性能、化学性能和工艺性能。
首先，材料结构是材料科学与工程中最基础的要素。
它既涉及材料的组成元素，也涉及各种材料的结构构造，尤其是各种复杂结构的材料，例如金属材料、金属氧化物、多层结构等。
其次，力学性能是材料科学与工程中非常重要的要素。
它涉及材料的强度、刚度、塑性、疲劳性能以及其他力学性能等。
在这一要素中，我们可以研究普通的材料，也可以研究复杂的金属材料、纳米材料或高分子材料等。
第三，化学性能是材料科学与工程中重要的要素。
它涉及材料的耐腐蚀性、物理-化学反应性、表面活性等等。
化学性能要求材料具有良好的耐热性、耐腐蚀性以及其他特殊性能。
最后，工艺性能是材料科学与工程中重要的要素，它涉及材料的成型性能、加工性能、焊接性能等等。
这些工艺性能要求材料可以在各种工艺条件下满足实用要求，也要求材料可以承受成型过程中的温度、压力、冲击等。
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。
材料导论--第二章--材料科学与工程的四个基本要素
□ 多学科交叉 □ 密切结合实际应用 □ 发展中的学科
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§2.1 材料科学与工程的形成与内涵
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”。
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。
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§2.2 材料的结构与性能
●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。
●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。
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§2.2 材料的结构与性能
材料的结构
键合结构 晶体结构
组织结构
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。
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。
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§2.1 材料科学与工程的形成与内涵
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。
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§2.1 材料科学与工程的形成与内涵 材料的结构层次
材料科学与工程ppt课件
整理ppt
6
Mechanical property of materials
Stress and strain Elastic deformation Modulus Viscoelasticity Permanent deformation Strength Fracture
true stress and strain should be computed from actual load, cross-sectional area,
and gauge len整gt理hpmpt easurements.
25Βιβλιοθήκη 同一拉伸实验中，工程应力（或名义 应力）与真实应力比较哪个数值大？
Compression stress-stain tests may be conducted when in-service forces are of this type. A com-pression test is conducted in a manner similar to the tension test, except that the force is compressive and the specimen contrasts along the direction of the stress.
整理ppt
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第四章 内容
4-1 固体材料的机械性能
4-2 材料的热性能
4-3 材料的电学性能 4-4 材料的磁学性能 4-5 材料的光学性能
4-6 材料的耐腐蚀性
4-7 复合材料的性能
4-8 纳米材料整理及ppt效应
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
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。
材料科学与工程纲要_图文
(3)腐蚀磨损 腐蚀磨损是指在摩擦力和环境介质的联合作用下， 材料表面的腐蚀产物剥落与摩擦面间的机械磨损相结合的一种磨 损，一般有氧化磨损、微动磨损、冲蚀磨损和特殊介质腐蚀磨损 。 (4)疲劳磨损 接触疲劳是零件(如齿轮、滚动轴承、钢轨和轮箍 等)的两接触面作滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变接触压应力的 长期作用下引起的一种表面疲劳剥落破坏而使物质耗损的现象， 表现为接触表面上出现许多针状或痘状的凹坑，称为麻点，也称 为麻点磨损或疲劳磨损。
2.5.2 材料的化学性质及其表征
物质在化学变化中才能表现出来的性质叫做化学性质。 材料的化学性质或化学性能是指材料抵抗各种介质作用的能力， 包括溶蚀性、耐蚀性、抗渗入性及抗氧化性等，归结为材料的化 学稳定性。此外，同材料的化学性质有关的问题还有催化性及离 子交换性等。
2.5.3 材料的力学性质及其表征
1.强度 2.弹性与塑性 3.韧性与脆性 4.硬度
表2-8 材料力学性质指标及含义
表2-8 材料力学性质指标及含义
2.6 材料设计
图2-9 新材料开发设计的过程模型图
2.7 结构材料的失效
2.7.1 2.7.2 2.7.3 2.7.4
过量变形失效 断裂失效 表面损伤失效 失效分析的主要方法
表2-9 结构材料常见失效形式
3.固相法
(1)高温烧结法 陶瓷、耐火材料、粉末冶金以及水泥熟料等通常 都是要把成型后的坯体(粗制品)或固体粉料在高温条件下进行烧 结后，才能得到相应的产品。 (2)粉末冶金法 粉末冶金法是用金属粉末或金属粉末与非金属粉 末的混合物作为原料，经过成形和烧结，制成金属材料、复合材 料以及各种类型制品的工艺技术。 (3)固相缩聚法 固相缩聚法可以在比较缓和的条件下(如温度较 低)合成高分子化合物，以避免许多在高温熔融缩聚反应下发生的 副反应。 (4)自蔓延高温合成法 自蔓延高温合成法(是利用反应本身放出 的热量维持反应的继续，反应一旦被引发就不再需要外加热源， 并以燃烧波的形式通过反应混合物。
材料科学与工程的四要素
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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
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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。
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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
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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
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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。
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5
学海无涯
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。
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学海无 涯
材 料 的 “合 金 化 ”
2.3.2 合 成 与 加 工 的 主 要 内 容 二．材料的加工 材料的改性
通过改变材料的成分， 达到改变材料性能的方法。 这种方 法在金属材料和现代高分子材料的改性方面有广泛的应用。
金属材料的合金化过程
A
B
α
α’
固溶度变化改变性能
度温
A
C
α
α
固溶度变化改变性能
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……
电流过载 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
3
2
学海无 涯
2.1.2性 质 与 性 能 的 区 别 与 关 系
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。
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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
失效温、过载荷 化学介质
电压、电流 高温
脆断、疲劳、断裂
腐蚀破坏 催化剂失效 电介质击穿
学 海 无涯
先进方式：结构与功能，材料的性质－完成设计 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 钢铁 水泥 合成橡胶 合成树脂 合成纤维
世界产量 71437.3
137466.0 818.2
13940.0 2155.4
中国产量 10124.0 49199.0
60.0 643.6 460.3
§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
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
3. 定向凝固
粉末烧结
6. 熔融法提拉单晶
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 2 . 乳液聚合
7. 韧性表征：断裂韧性 KIC，断裂韧性 JIC
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
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 机械----电学 磁学----机械 电学----磁学 电学----光学 性能定义
电致伸缩 压电特性 磁致伸缩 巨磁阻效应 电致发光
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
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
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
成
A B C
分
研 究 的 内 容 ： 1. 凝 固 过 程
2. 成 型 工 艺
3. 流 变 特 性
70
塑变成型
A
高应力
低形变量
实现加工硬化
B
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
力应
冷加工 A
热加工 B
应
变
71
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
两个对应关系的研究开始的。 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
二．材料的加工
3 . 悬浮聚合 4 . 溶液聚合
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
7
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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
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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；
§2.1
– 仪器与设备，分析与建模 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 1.基础内容
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 体视显微镜 光学显微镜 电子扫描显微 透射电镜 场离子显微镜 隧道扫描显微镜
分辨率
mm(毫 米 )--μ m（ 微 米 ） μm（微米） 微 米 --纳 米 （nm ）达 0.7nm 观 察 到 原 子 排 列 面 ， 达 0.2nm 形 貌 观 察 0.2--0.3nm 观 察 到 原 子 结 构 0.05--0.2nm
相组成变化改变性能
+β
A
B
C
α
α +β
成分
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淬火工艺
度温
2.3.2 合 成 与 加 工 的 主 要 内 容 二．材料的加工 材料的改性
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
离子建
2.2.1材 料 的 结 构
陶瓷材料
•化 学 键 •物 理 键
共价键 金属键 氢 键 分子键
能结 合
高分子材料 金属材料 冰 （ H 20）