材料科学与工程导论

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材料四要素

什么是材料的“四要素”

材料的性质

概述

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。

材料的性质描述

力学性质

材料在外应力作用下表现出来的与材料的变形和破坏有关的性质。

应力：作用在某一个单位面积上的力 应变：伸长量或变形量除以它的原始长度

【注】构件内一点处的应力随时间作周 期性变化，这种应力称为交变应力。

低碳钢的拉伸破坏的四个阶段

a拉伸载荷 b压缩载荷 c弯曲载荷 d剪切载荷 e扭转载荷

强 度、硬 度、刚 度、塑 性、韧 性

刚度：外应力作用下材料抵抗弹性变形能力。 强度：材料在载荷作用下抵抗明显的塑性变形或破坏的最大能力。 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。 韧性：材料从塑性变形到断裂全过程吸收能量的能力。 脆性：材料在外力作用下发生无明显塑性变形的突然破坏的性质。 硬度：材料在表面上的小体积内抵抗较硬物质刻画或压入的能力。 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。

物理性质

电学性质、磁学性质、光学性质、热学性质

电学性质

导电性

根据电阻率的大小可将材料分为：超导体，导体，半导体和绝缘体。

超导体：包含元素、合金、化合物和氧化物陶瓷材料

导体：一般金属材料

半导体：部分陶瓷材料和少数高分子材料；

绝缘体：普通陶瓷材料与大部分高分子材料

绝缘性

介电性

能把带电导体分开并能长期经受电场作用的绝缘材料称为介电材料。介电材料是一类重要的电子材料；介电性能主要包括介电常数、介质损耗、介电强度等；

压电性

某些电介质在机械力作用下发生电极化或电极化的变化，这样的性质称压电性；

铁电性

某些电介质自发极化的性质，自发极化电矩可以在外电场作用下改变方向，在交变外电场E的作用下，铁电体的宏观极化强度p与E的关系出现回线，与铁磁性十分相似，故称铁电性

磁学性质

表征磁性材料（铁磁性及亚铁磁性物质）性质的主要参数有磁化强度(M)、磁感应强度(B)、磁化率(χ)、磁导率(μ)、相对磁导率(μr) 和矫顽力(Hc)等。

抗磁性

Cu、金刚石和大多数高分子材料等；使原有磁场减弱

顺磁性

Al、Pt、La、MnAl等 使原有磁场略有增强

铁磁性及亚铁磁性

Fe、Co、Ni及其合金，MO·Fe2O3，部分高分子材料等；按磁滞特性可分为软磁材料和硬磁材料两种。 使原有磁场强烈增强

软磁材料 有较高的磁导率和饱和磁感应强度(Bs)，矫顽力(Hc)低，在磁场作用下非常容易磁化，而取消磁场后又很容易退磁化；软磁材料种类繁多，大致分为金属软磁材料及软磁铁氧体； 主要应用于变压器、电磁体等铁芯，计算机存储元件等 硬磁材料 又称永磁材料，指那些难于磁化又难于退磁化的材料；永磁材料种类较多，应用较广的主要有以下几个系列：铝镍钴系永磁合金，永磁铁氧体，稀土永磁材料，复合永磁材料等； 主要应用于制造各种永磁体，如电话、电视机、电动机磁极、选矿器等。

光学性质

物质吸收高能量的辐射（如电能、光能）后，而发射可见辐射的现象，称为发光。 根据吸收与发射之间的时间间隔，可分为两类：荧光和磷光。

荧光材料：硅酸盐、钨酸盐、无机硫化物（如ZnS）等

磷光材料：高分子材料、硫化物、硅酸盐、钨酸盐、氧化物

热学性质

导热性 热导率（导热系数）：代表材料导热能力的常数，即在单位时间内在1K的温差的1m3正方体的一个面向其所对的另一个面流过的热量，单位： W·m-1·K-1；

金属材料是热的良导体，热导率一般为20~400W·m-1·K-1 ；无机非金属材料一般热导率较低，是良好的绝热材料，一般陶瓷的热导率为2~50W·m-1·K-1 ；高分子材料一般热导率也较小，可用作绝热材料；

热膨胀 热膨胀系数：分为线膨胀系数和体积膨胀系数；前者指温度变化1K时材料单位长度的变化量 ；后者指温度变化1K时材料单位体积的变化量，单位均是：K-1；

热容 热容：通常用摩尔热容表征，表示1mol物质温度升高1K时所吸收的热量，单位：J·mol-1·K-1；

熔化

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：

化学性质

催化性质、腐蚀性质

材料的腐蚀:材料受环境介质的化学、电化学作用而引起的变质或破环现象，分为化学腐蚀和电化学腐蚀。

催化性质：能够加速化学反应，且在反应前后材料自身不被消耗。

材料的结构

材料的四级结构： ① 原子结构是材料的一级结构，决定了原子的结合方式，并影响材料的化学、物理性质。 ② 原子结合键是材料的二级结构，决定了结合力的大小，并影响材料的物理和力学性能。 ③ 原子排列方式是材料的三级结构，决定了材料的形态，影响材料的物理力学性能，并与加工工艺有关。 ④ 显微组织是材料的四级结构，决定了材料机械性能如强度、塑性等，主要由加工工艺来决定。

分类

键合结构

离子键 是指阴离子、阳离子间通过静电作用形成的化学键，大多数的盐，由碱金属或碱土金属形成的键，活泼金属氧化物都有离子键。

共价键 是由两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键。 共价键有方向性和饱和性。

金属键 是化学键的一种，主要在金属中存在。由自由电子及排列成晶格状的金属离子之间的静电吸引力组合而成。由于电子的自由运动，金属键没有固定的方向，因而是非极性键。

物理键

氢键：氢原子与电负性大的原子X以共价键结合，若与电负性大、半径小的原子Y（O F N等）接近，在X与Y之间以氢为媒介，生成X-H…Y形式的一种特殊的分子间或分子内相互作用

分子键

范德华力，一般指分子间作用力，它包括诱导力、取向力和色散力，分子间作用力只存在于分子与分子之间或惰性气体原子间的作用力，具有加和性。

晶体结构

非晶体、晶体、准晶体（材料的三级结构）

金属材料常见的三大晶体结构

无机非金属材料晶体结构（陶瓷、玻璃、水泥）

高分子材料 分子量很大（104~107，甚至更大）；链状结构：分子似“一条链”，由许多相同结构单元组成；交联网状结构；聚集态结构。

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：一个体系中任何具有相同组成、相同的物性质理和化学性质的均匀部分；

宏观组织结构、微观结构 显微组织结构 材料显微组织主要包括多晶体材料中晶界的特征及多晶中晶粒的大小、形状和取向。 对陶瓷材料和高分子材料还包括晶相及非晶相（玻璃相）的分布，气孔的尺寸、数量与位置，各种杂质、添加物、缺陷、微裂纹的存在形式及分布。 对金属材料还包括共晶组织、马氏体组织等。

铁碳合金有三个相，铁素体bbc、奥氏体fcc和渗碳体。珠光体和莱氏体由两种相混合而成 生铁、熟铁和钢 铁和碳可以形成一系列化合物，如Fe3C，Fe2C，FeC等，有实 用意义并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分铁碳相图由包晶反应、共晶反应和共析反应三个基本反应组成

构型分为几何异构和旋光异构

特点

多尺度效应（小尺寸效应）、有序与无序（晶体结构）、材料的缺陷（点线面缺陷）、表面和界面（表面效应、界面效应）、纳米材料的四大效应（小尺寸效应、表面效应、量子隧道效应、量子尺寸效应）

材料的制备与加工 定义：是指建立原子、分子和分子团的新排列，在所有尺度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。

1.从原料中提取金属（火法、熔盐电、湿法） 3.粉末烧结：使粉末成形的坯块由颗粒聚集体 转变为 晶体结合体的材料或制品. 4.高分子聚合：实现小分子发生化学反应，相互结合形成高分子

材料的改性：通过改变材料的成分、组织与结构来改变材料的性能。材料的合金化（聚合物共混、高分子合金）和热处理（加热、保温、冷却），典型热处理工艺有正火、退火、淬火、回火

材料的联接、表面工程（表面改性）、表面防护

材料的复合：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

材料“四要素”的典型案例分析

钢铁材料

丁腈橡胶

材料研究的方法及手段

材料实验手段

成分、结构表征仪器

材料性能的检测仪器 拉伸试验机、电液伺服疲劳实验机、硬度计、冲击试验机、热膨胀仪、材料动态弹性模量及阻尼内耗分析仪、材料热电性能测试装置、电化学工作站

制备与加工过程中使用的设备 电阻炉、真空感应熔炼炉、连轧机组、卧式挤压机、MOCVD、橡胶开炼机

过程控制的探测元件及装置

材料研究方法 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。