材料科学与工程纲要(1)(1)

这是一个关于材料科学与工程纲要(1)(1)的思维导图，包含材料的历史和发展、材料的分类、材料科学与工程的四个基本要素、材料的合成与加工等。

材料科学与工程纲要

材料的历史和发展

材料

材料是物质，但不一定所有的物质都是材料

定义：是指人类社会可接受的、能经济地制造有用器件的物质

作用

材料是人类社会进步的里程碑

人类社会

科学技术

材料是经济和社会发展的基础和先导

1.是工业革命和产业发展的先导

2.是各类产业的基础

3.是高技术发展的基础

材料发展的七个时代

石器时代（陶瓷）

青铜器时代（人类历史上出现的第一个合金是铜锡合金）

铁器时代

水泥时代

钢时代

硅时代

新材料时代

材料的分类

按组成与结构分类

金属材料

简单金属的结合键为金属键

无机非金属材料（陶瓷）

陶瓷材料主要以离子键为主

高分子材料

大分子内的原子之间由很强的共价键结合

复合材料

结合键非常复杂

按使用性能分类

结构材料——工程构件用材，机械制造用材等

强调力学性能

功能材料——电子材料、半导体材料、磁性材料、能源材料、生物材料等

强调物理、化学性能

按应用和发展分类

传统材料

新材料

材料科学与工程的四个基本要素

性能

研究材料的出发点和目标（落脚点）

合成加工

组织结构

核心

化学成分

结构材料的失效

材料在外加载荷和环境的共同作用下，损失原有的性能直到不能继续服役的现象为失效

材料失效的形式

过量变形

过量弹性变形→刚度不够是零件产生过量弹性变形的根本原因（陶瓷弹性模量最高）

过量塑性变形→屈服强度低是零件产生过量塑性变形的根本原因

两者无明显区别

断裂失效

有裂纹的萌生、扩展、最终断裂三个过程

断裂的分类

塑性变形量的大小: 韧性断裂 脆性断裂

裂纹扩展的途径: 穿晶断裂 晶间断裂

零件在静载和冲击载荷下的断裂

零件在交变载荷下的疲劳断裂

引起疲劳断裂的应力常常低于静载下的屈服强度

断裂时无明显的宏观塑性变形，为脆性断裂

疲劳断口能清楚地显示出裂纹的形成、扩展和最后断裂

拉伸疲劳

拉压疲劳

弯曲疲劳

扭转疲劳

各种混合受力方式的疲劳

零件在静载和冲击载荷下的断裂

蠕变强度

持久强度

表面损伤失效

分类

表面磨损

接触疲劳

表面腐蚀

磨损

粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损

在各种磨损条件下，提高材料表面硬度是提高耐磨性的关键

腐蚀

腐蚀性质

化学腐蚀

电化学腐蚀

腐蚀部位

均匀腐蚀

点腐蚀（穿孔）

晶间腐蚀

材料的性质和使用性能

性质分类

磁学性质

热学性质

热效应:吸热、传热和膨胀

电学性质

介电性

介电常数

介电损耗（介电损耗小，绝缘性能好）

介电强度（介电强度大，绝缘体的质量好）

介电性越差，绝缘性越好

光学性质（荧光性）

材料的力学性质

定义:材料在不同载荷和环境作用下表现出来的变形和断裂行为

分类:弹性变形 塑性变形

强度（外力作用）:抗拉、抗压、抗剪、疲劳强度 蠕变强度与持久强度是度量材料在高温下抵抗变形和断裂的能力

弹性和塑性

可逆（弹性）和不可逆（塑性）

韧性和脆性

度量韧性的指标有冲击韧性和断裂韧性

硬度:是指材料抵抗局部变形的能力

材料的合成与加工

原材料的选用

天然矿物材料（铁矿石、方铅矿等）

无机化工原料

氧化物原料（氧化铝、氧化镁、尖晶石、莫来石等）

非氧化物原料

有机化工原料（天然和合成材料）

材料的制备

气相法（直接利用气体or通过各种手段将物质变为气体）

PVD法（物理气相沉积法）

CVD法（化学气相沉积法）

液相法

熔融法、溶液法、界面法液相沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法（高温高压or高温常压）、喷雾法、溶液生长法、

固相法

高温烧结法

粉末冶金法

固相缩聚法

自蔓延高温合成法

材料的成型加工

成型方法分类

自由流动成型

受力流动成型

受力塑性成型

其他成型

成型特性

金属铸造是利用材料的可流动性能成型的

可流动性和可塑性变形性

金属材料的成型加工方法

铸造成型

塑性成型

连接成型

材料设计

材料在制造、使用、废弃和再生的过程中都须具备良好的环境协调性

材料的成分及组织结构

成分：是指组成材料的元素种类及其含量，通常用（w)和（x)来表示 组元：是指组成材料最基本独立的物质，可以是纯元素，也可以是稳定的化合物 相：是指材料中具有同一化学成分并且结构相同的均匀部分 组织：是指材料内部的微观形貌，它反映各组成相的形态、尺寸及分布

结构：材料的组成单元（原子、离子或分子等）之间相互吸引和排斥作用达到平衡时的空间排列方式

结构的层次

宏观层次

显微层次

微观层次

材料的组织结构

离子键和离子晶体

1.由于离子键的结合力很大，离子晶体一般具有较高的熔点、沸点和较高的硬度

2.典型的离子晶体是无色透明的

3.离子晶体都是良好的绝缘体

共价键和共价晶体

具有方向性和饱和性

金属键和金属晶体

分子键和分子晶体

分子晶体硬度很低，熔点和沸点也都很低

氢键和氢键晶体

具有方向性和饱和性

固体材料的三种结构

准晶体

介于晶体和非晶体之间的一种晶体

非晶体

是在内部质点三维空间不呈周期性重复排列的固体，具有近程有序排列，但不具有长程有序排列

晶体

是指原子或原子团、离子或分子以周期性重复方式在三维空间有规则排列形成的固体

结构基础

空间点阵和晶胞

晶胞无隙并置，完全等同

其他概念

（1）晶胞原子数：是指一个晶胞内所包含的原子数目（2）原子半径：晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半 （3）配位数：是指晶格中与任一原子处于相等距离并相距最近的原子数目 （4）致密度：是指晶胞中原子本身所占有的体积分数，也称为晶格的密排系数

晶体缺陷

点缺陷

本征缺陷（空位、间隙）

杂质缺陷（替换原子一定是杂质缺陷）

电子缺陷（非化学计量结构缺陷）

线缺陷（位错）

面缺陷

晶体和非晶体的区别: 1.晶体的原子排列长程有序，非晶体的排列不具有长程有序 2.晶体有整齐规则的几何外形，非晶体外形为无规则性质的固体 3.晶体有固定的熔点，非晶体没有明确的熔点 4.单晶体还有各向异性，非晶体有各向同性