第二章材料科学与工程的四个基本要素九月整理doc.docx

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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；

–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。

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

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

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

§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

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

2.2.3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

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。

内容:

１.材料的“合金化”

2.材料的热处理

材料的热处理

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。

这种方法在金属材料和现代陶瓷材料的

改性方面有广泛的应用。

典型热处理工艺；淬火、退火、回火、正火

材料的联接

目的：

实现材料间的整体结合

内容:

1.焊接3.铆接

2.粘接4.栓接

三．材料表面工程

表面改性，表面防护，薄膜技术

表面改性

----改变材料表面的性质

三束表面改性

化学表面改性（化学热处理）

表面淬火

从工艺机理上分析，表面改性同整体材料的改性是相同的，即：

在

表面实现材料的成分、组织与结构的变化，达到改变材料表面性能

的目的。

不同点就是采用了特殊的能量输入方式，使能量作用效果

或成分变化仅发生在表面。

表面防护

腐蚀防护

摩擦磨损防护

腐蚀防护

b大气腐蚀海水腐蚀工业介质腐蚀

由腐蚀造成的材料失效量，占世界材料总产量的比例很高，腐蚀问

题十分严重。

因此，腐蚀防护非常重要。

美国八个工业部门对

材料性质的需求情况

化学反应

-----腐蚀的原因

主动防护

合金化，非晶化，高纯度，抗蚀材料

被动防护

表面涂镀，表面改性，表面钝化，电化学保护

摩擦磨损防护

增加抗磨损性，增加润滑性

薄膜技术

有许多种薄膜技术能够在基材表面覆盖薄膜材料层，其中最重要的

两种方法是；

物理气相沉积PVD

化学气相沉积CVD

随着材料科学技术的不断发展，薄膜技术已不仅仅是材料改性的手

段。

更重要的是，现代薄膜技术在高新技术领域，如：

微电子器件、

纳米结构与组装、光电子器件，等方面正发挥着越来越重要的作用。

四．材料的复合

金属基复合材料

陶瓷基复合材料

高分子复合材料

材料复合的主要目的就是依据不同材料性能的优势互补、协调作用的原则，进行材料的设计与制备。

因此材料复合的过程就是材料制备、改性、加工的统一过程。

复合材料的制备过程融合了金属、陶瓷、高分子材料制备的基本原理。

目前材料科学的发展，复合的概念越来越重要，出现了许多新型的复合材料及制备方法。

现代材料的合成与加工不仅涉及到微观和宏观范围内的内容，同时也涉及到更微细化，甚至达到了原子尺度范围上的问题，因此，这里论述的合成与加工的内涵要大于通常所说的材料工程的内涵。

3.3.3与其它要素的关系

3.3.4发展趋势

在极端化的条件下，完成合成与加工过程，获得更多的功能特性。

•超纯条件------单晶硅晶片

•高压条件------人工金刚石

•低温条件------超导体

•超细条件------纳米材料

电子材料合成与加工的关键技术

●大尺寸、高均匀性、高完整性的晶体生长技术；

●高精度晶片加工技术；

●MOCVD、MBE超薄膜生长技术；

●高纯和超高纯材料纯制技术；

●低维材料的微细加工和制备技术；

●高均匀超细粉体制备技术；

●电子陶瓷、磁性材料的焙烧和成型技术；

●材料的修饰或改性技术；

§3.4仪器与设备

1.成分、结构表征仪器

2.材料性能的检测仪器

3.合成与加工过程中使用的设备

4.过程控制的探测元件及装置

成分结构表征仪器

材料成分结构的表征仪器是从事材料科学研究必备的手段，如同天

文望远镜将人类视野带到了一个遥远的宇宙空间一样，材料成分结

构表征仪器则将我们的观察引进一个更为绚丽多彩的微观世界。

随着仪器能检测到的下限值不断减小，材料研究者所获取的信息也

在不断增多，对材料本质的认识也在不断加深。

材料科学研究使用的仪器、设备的精密程度代表了一个国家的综合

科技水平。

材料表面科学中使用的仪器

扫描隧道显微镜双准直离子散射仪高分辨率电子损耗光谱仪

角分辨光电子能谱仪俄歇能谱仪低能电子衍射仪

低能电子显微镜自旋极化测量场离子显微镜原子探针

材料性能的测定仪器

材料性能的测定仪器是将性能的三要素（外界环境、表现行为、表

征参量）融合在一个系统中完成，即，由仪器输入或模拟一个使用

环境（条件），使受测材料发生响应（结果），然后仪器再将响应的

模拟信号转变为数字信号表现出来（数值）。

有许许多多种材料的力学、物理、化学单项性能，每种性能都分别

对应了相应的测定方法和仪器。

这些仪器构成了一个庞大的材料性

能测定仪器家族。

合成与加工设备

材料合成与加工过程是在一个限定的空间，在给定的条件下进行的。

用以满足空间需求和提供外加条件的各种装置或部件的组合就构

成了材料合成与加工设备的主体。

同时，设备中还包含了关键的控

制系统。

空间条件：

各类反应容器、坩埚、熔炼炉

外力条件：

气压、液压、机械压制、冲击力（波）

介质环境：

真空设备、不同的气氛条件

能量供给：

电力系统、加热装置、辐照装置、激光发生器

物质输送：

气、液管路、机械进给装置

过程控制的探测元件和装置

传感器是控制系统“感知”加工过程的“器官”。

传感器从过程中获得的信号主要包括：

声、光、电、磁、热、压力、流速、浓度，等

用于传感器的无机非金属敏感材料

§2.5分析与建模（材料设计）

1.引言

2.材料设计的基本内容

3.材料设计计算机基础

1.引言

随着材料科学的飞速发展，新型材料不断涌现，与此同时，人类社

会的整体科技水平也在不断的提高，因此对材料科学又提出了更高

的要求。

传统“炒菜式”的材料研制方法已不能满足人们的要求。

“材料设计”应

运而生

核心问题：

用什么样的配方，什么样的合成加工条件，来获取具有什么样的成分、

结构和性质的材料。

“材料设计”构想始于50年代，80年代后实现“材料设计”的条件渐趋成熟。

表现在以下三个方面：

1）基础理论的形成和发展

量子力学，统计力学，能带理论，化学键理论等理论科学的发展使人们对材料的结构和性质的关系有了系统的了解；

2）计算机科学技术的发展

计算机高速运算，模式识别，数据库技术等技术的发展，为材料设计与过程仿真的实施提供了手段；

3）合成与加工新技术的涌现

各种新型材料合成加工技术为材料设计方案的实施提供了条件，同时材料智能加工又为合成加工的优化开辟了新方向。

材料设计的内容

材料设计贯穿于材料“四要素”的各个方面，即：

◆成分结构设计

◆性质性能预测

◆合成加工过程的控制与优化

微观结构设计

案例1：

杂化材料

将性质截然不同的材料在原子、分子水平上均匀混合，形成原子、分

子层次的复合材料

例如：

高分子聚乙烯和难熔重金属钨的杂化材料

同传统复合材料的区别：

复合材料不同的组成相复合

杂化材料不同的组成原子（分子）复合

同固溶体的区别：

固溶体热力学平衡体系

杂化材料热力学非平衡体系

案例2：

晶体结构计算

通过对原子排列的计算，可以了解到晶体材料的晶体学结构。

案例3：

金属间化合物预报

金属间化合物：

处于相图中间的除固溶体以外的合金相。

许多金属间

化合物都是重要的功能材料，如：

储氢材料，超导材料，磁性材料，

高温结构材料，磁滞伸缩材料等。

案例4：

超晶格结构设计

超晶格结构：

通过外延生长的方法，使两种材料以极薄的薄膜方式交

替叠合，从而沿生长方向在原晶格常数为a（几个埃）的晶格势场上，

引入了一个周期为d（100埃数量级）的一维周期势，这种一维周期

势结构就称为超晶格结构。

超晶格结构使原来的能带分裂为一系列微小能带，可使电子能够在这

些微能带间发生跃迁，从而导致各种新的物理现象产生。

如：

量子尺

寸效应、室温激子非线性光子效应、迁移率增强效应、量子霍耳效应、

共振隧穿效应。

利用超晶格结构的概念，在原子尺度上进行材料的组份及结构参数设

计，改变材料的能带结构，采用先进的制备方法，人工合成各式奇特

物理性质的新材料和新器件

——能带工程

制备方法：

分子束外延（MBE）

金属有机化合物化学

气相沉积（MOCVD）

化学束外延（CBE）

原子层外延（ALE）

连续介质的材料设计

重要的四个材料设计领域

各种物理场的数值模拟

合金的微观组织形成

断裂力学分析

复合材料的界面梯度设计

各种物理场的数值模拟

1.模拟热传导过程

2.模拟应力应变状态

3.模拟物质扩散过程

4.模拟流体传输过程

5.模拟电磁场分布规律

合金显微组织的形成

建模在合金凝固过程中的重要作用。

特别是对于大型或特大型铸件，

为保证浇注过程的一次成功和避免经济损失，进行全过程的计算机仿

真是极其必要的。

不同加工条件下获得的组织，将表现出不同的材料性能。

这些加工条

件包括许多因素，如：

成分、温度梯度及方向、重力、振动、杂质元

素、杂质相、液固界面等。

将这些因素的物理表征参量包括在一个数

学模型中，即模型建立，通过计算机数值计算及对结果的计算机仿真，

就可以了解到合金凝固过程及凝固的组织特征。

断裂的分析

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。

裂纹扩展过程中，裂纹、纤维（晶须）、

基体三元素体系的变化情况：

•纤维拔断

•纤维拔出

•纤维与基体间滑动

•纤维（晶须）偏转

•纤维周围的应力状态改变

裂纹扩展过程中能量的增量

•⊿E=E1+E2+---+E5（数学模型）

•对数学模型的数值计算，能够获得材料的宏观抗断裂性能----定量预测

复合材料的界面梯度设计

太空飞行器表面防护材料的梯度设计

表面防护材料的梯度设计的主要内容就是进行由表层到内部的材料

成分、结构的梯度设计，从而降低不同材料结合面之间的应力梯度。

宏观系统的全过程或全因素的设计

物质流与能量流的平衡设计

过程中的全因素优化设计

材料的智能加工

全过程、全因素优化设计

全过程

材料的设计合成与加工

支持与维护废弃与回收

全因素

性能指标加工性

失效分析成本指标

环境因素（包括能源、资源、环境）

在材料的制造--废弃的全过程中，对设计的各种因素进行综合的优化

设计，将是材料科学与工程领域又一新的研究课题，需要材料科学

家，机械制造工程师，数学家，经济学家等各类人员密切合作方能

完成。

材料的智能加工

近年来，日本许多产品（特别是汽车，电子元件）的质量有压倒美

国的趋势。

为保持美国在国际上的优势，美国采取的对策之一就是

材料的智能加工。

优点：

实现材料加工的自动化

提高材料的质量

提高性能的重现性

降低产品的废品率

3.材料设计的计算机基础

物理场的数值模拟

常用工程数学的计算机处理

几种重要的数学软件

计算机过程控制

物理场的数值模拟

常用工程数学的计算机处理

概率分布

误差分析

参数估计

数值分析

曲线拟合

最优化方法

推荐几种重要的数学应用软件

大型统计软件SPSS

有限元数值计算及优化ANSYS

具有多种数学功能MATHLAB

计算机过程控制

计算机接口技术

计算机图形学与图象处理技术

计算机实时控制