材料科學與工程導論材料科學與工程綱要

1、1 第二章第二章 材料科學與工程綱要材料科學與工程綱要 2.1 材料科學與工程的形成與內(nèi)涵材料科學與工程的形成與內(nèi)涵 2.1.1 2.1.1 材料科學的形成材料科學的形成 衛(wèi)星上天引發(fā)的震動 “材料科學”概念的提出只是20世紀50年代末到60年 代初的事情。 1957年，前蘇聯(lián)人造衛(wèi)星首先上天，對 美國人觸動很大。1957年10月和11月，蘇聯(lián) 先后發(fā)射了兩顆重量分別為80kg和500kg的人 造衛(wèi)星。直到第二年的1月底，美國才發(fā)射了 一個重量僅8kg的人造衛(wèi)星。 2 由于當時正是蘇美兩國爭奪世界霸權的冷戰(zhàn)時代， 這件事在美國朝野引起很大震動。各有關部門聯(lián)合向 總統(tǒng)提出報告，認為美國落后于蘇聯(lián)

2、的原因主要在于 先進材料的研究開發(fā)方面。 1958年3月，美國總統(tǒng)發(fā)布了“全國材料規(guī)劃”， 決定由12所大學成立材料科學研究中心，采用先進的 科學理論和實驗方法對材料進行深入研究，從此出現(xiàn) 了“材料科學材料科學”一詞。 1966年，美國麻省理工學院將“冶金系”改為 “冶金與材料科學系”，1975年又將其更名為“材料 科學與工程系”。這標志著人們開始把材料的研究作 為自然科學的一個分支，從此“材料科學”學科開始 興起。 2.1 2.1 材料科學與工程的形成與內(nèi)涵材料科學與工程的形成與內(nèi)涵 3 科技發(fā)展的必然結果科技發(fā)展的必然結果 1） 20世紀上半葉基礎學科的發(fā)展奠定了材料科學的基世紀上半葉基礎

3、學科的發(fā)展奠定了材料科學的基 礎礎 量子力學、固體物理、無機化學、有機化學、物理 化學等基礎學科的發(fā)展為材料科學的形成奠定了重要的 理論基礎；而各種現(xiàn)代分析技術的進步，加深了人們對 物質(zhì)結構和材料的物理化學性質(zhì)的理解；同時，冶金學、 金屬學、陶瓷學、高分子科學等應用科學的發(fā)展也使人 們對材料本身的研究大大加強。這使人們對材料的制備、 結構、性能以及它們之間的相互關系的研究也越來越深 入。 2）不同材料應用理論的交叉融合促進了材料科學的形成）不同材料應用理論的交叉融合促進了材料科學的形成 在“材料科學”概念出現(xiàn)以前，金屬、陶瓷和高分 子都已自成體系，但它們之間存在頗多相似之處，不同 材料之間可以

4、相互借鑒，促使了該學科的發(fā)展。 2.1 2.1 材料科學與工程的形成與內(nèi)涵材料科學與工程的形成與內(nèi)涵 4 3）不同材料測試技術及工藝技術的交叉融合也促進了材）不同材料測試技術及工藝技術的交叉融合也促進了材 料科學的形成料科學的形成 雖然不同類型的材料各有其專用的生產(chǎn)設備和測試 手段，但它們在許多方面是相同或相近的。 一方面，不同材料的一方面，不同材料的結構結構與與性能性能表征方法大體上是表征方法大體上是 相通的。相通的。 例如，光學顯微鏡、電子顯微鏡、表面測試設備、力學性能及例如，光學顯微鏡、電子顯微鏡、表面測試設備、力學性能及 其他物理性能測試設備等，對不同類型的材料而言是通用的。其他物理性

5、能測試設備等，對不同類型的材料而言是通用的。 另一方面，在材料的另一方面，在材料的制備制備與與加工加工中，有許多工藝也中，有許多工藝也 是通用的。是通用的。 例如，擠壓工藝常用于金屬材料的成形加工以提高強度，而某例如，擠壓工藝常用于金屬材料的成形加工以提高強度，而某 些高分子材料通過擠壓法形成纖維同樣能使其比強度和比剛度大幅些高分子材料通過擠壓法形成纖維同樣能使其比強度和比剛度大幅 度提高。度提高。 2.1 2.1 材料科學與工程的形成與內(nèi)涵材料科學與工程的形成與內(nèi)涵 5 材料科學的提出20世紀60年代初 “材料材料”早以存在早以存在 1957年蘇聯(lián)衛(wèi)星上天，美國震動很大，在大學年蘇聯(lián)衛(wèi)星上天

6、，美國震動很大，在大學 相繼建立十余個材料科學研究中心。自此，相繼建立十余個材料科學研究中心。自此，“材料科材料科 學學”一詞廣泛應用。一詞廣泛應用。 材料科學的形成是科學技術發(fā)展的結果 材料科學材料科學是當代科學技術發(fā)展的基礎、工業(yè)生產(chǎn)的支是當代科學技術發(fā)展的基礎、工業(yè)生產(chǎn)的支 柱，是當今世界的帶頭學科之一柱，是當今世界的帶頭學科之一 材料科學的形成材料科學的形成 材料學的三個重要特性材料學的三個重要特性 多學科交叉多學科交叉 密切結合實際應用密切結合實際應用 發(fā)展中的學科發(fā)展中的學科 2.1 2.1 材料科學與工程的形成與內(nèi)涵材料科學與工程的形成與內(nèi)涵 6 2.1.2 2.1.2 材料科學

7、與工程的形成材料科學與工程的形成 材料科學的核心內(nèi)容，在于研究材料的成分、組織結 構與性能的關系，具有科學的性質(zhì)，其目的是解決“為什為什 么么”。 材料工程的核心內(nèi)容，在于研究材料在制備、成形、 處理和加工過程中的工藝技術問題，其目的是解決“怎樣怎樣 做做”。 把“材料科學”與“材料工程”兩者有機結合起來， 就形成了“材料科學與工程”。 材料科學為材料工程提供設計依據(jù)，為更好地選擇、使材料科學為材料工程提供設計依據(jù)，為更好地選擇、使 用和發(fā)展新材料提供理論基礎；材料工程又為材料科學提供用和發(fā)展新材料提供理論基礎；材料工程又為材料科學提供 豐富的研究課題和物質(zhì)基礎?？梢?，材料科學與材料工程是豐富

8、的研究課題和物質(zhì)基礎?？梢?，材料科學與材料工程是 緊密聯(lián)系的。緊密聯(lián)系的。 2.1 2.1 材料科學與工程的形成與內(nèi)涵材料科學與工程的形成與內(nèi)涵 7 2.1.3 2.1.3 材料科學與工程的特點材料科學與工程的特點 1）材料科學與工程具有鮮明的工程性）材料科學與工程具有鮮明的工程性 材料科學與工程具有物理學、化學、冶金學、陶瓷 學、高分子學等多學科相互融合、相互交叉的特點，并 且與實際應用的關系非常密切，具有鮮明的工程性。 實驗室的研究成果必須經(jīng)過工程研究與開發(fā)，以確定合理實驗室的研究成果必須經(jīng)過工程研究與開發(fā)，以確定合理 的工藝流程，并通過中試試驗后才能生產(chǎn)出符合要求的材料；此的工藝流程，并

9、通過中試試驗后才能生產(chǎn)出符合要求的材料；此 外，各種材料在使用中，還會暴露出一些問題，需要反饋到研究外，各種材料在使用中，還會暴露出一些問題，需要反饋到研究 與開發(fā)環(huán)節(jié)，進行改進后再回到應用領域。與開發(fā)環(huán)節(jié)，進行改進后再回到應用領域。 只有經(jīng)過多次反復的應用與改進，才能成為成熟的材料。即只有經(jīng)過多次反復的應用與改進，才能成為成熟的材料。即 便是成熟的材料，隨著科技的發(fā)展與需求的推動，還要不斷加以便是成熟的材料，隨著科技的發(fā)展與需求的推動，還要不斷加以 改進。因此，在材料研究中，將會涉及到材料研究、工藝改進、改進。因此，在材料研究中，將會涉及到材料研究、工藝改進、 試驗測試、中試試驗、推廣應用和

10、完善改進等各階段的研究工作。試驗測試、中試試驗、推廣應用和完善改進等各階段的研究工作。 2.1 2.1 材料科學與工程的形成與內(nèi)涵材料科學與工程的形成與內(nèi)涵 8 2）材料科學與工程有明確的應用背景和應用目的）材料科學與工程有明確的應用背景和應用目的 發(fā)展材料科學與工程的目的是開發(fā)新材料，并為之 提供新技術、新方法和新工藝；或者提高已有材料的性 能和質(zhì)量，降低成本和減少污染，以更好地使用已有材 料，充分發(fā)揮其作用。材料科學與工程在這一點上與材 料物理、材料化學有重要區(qū)別。 3）材料科學與材料工程是相輔相成、密不可分的）材料科學與材料工程是相輔相成、密不可分的 在材料科學與工程中，材料科學側重于發(fā)

11、現(xiàn)和揭示 材料四要素之間的關系，以提出新概念和新理論；材料 工程則側重于尋求新手段以實現(xiàn)新材料的設計思想并使 之投入應用。兩者是相輔相成、密不可分的。 2.1 2.1 材料科學與工程的形成與內(nèi)涵材料科學與工程的形成與內(nèi)涵 9 2.1.4 2.1.4 材料科學與工程的四要素材料科學與工程的四要素 材料的化學成分、組織結構是影響其各種性質(zhì)的直接因 素，加工過程通過改變材料的組織結構而影響其性質(zhì)。另一 方面，改變化學成分會改變材料的組織結構，從而影響其性 質(zhì)。 組織結構組織結構是核心，是核心，性能性能是研究工作的落腳點。是研究工作的落腳點。 2.1 2.1 材料科學與工程的形成與內(nèi)涵材料科學與工程的

12、形成與內(nèi)涵 (性質(zhì)） 10 材料的品種及其應用多種多樣，材料的問題涉及 到許多科學與工程學科，因此，人們一直關心各種材 料的統(tǒng)一性和相關性。 材料科學與工程四個基本要素的提出，才使得在 貌似不相關的材料之間找到了共同點，即無論哪種材 料都包括以下四個基本要素： 成分與結構 合成與加工 性能（性質(zhì)或固有屬性） 使用性能 2.1 2.1 材料科學與工程的形成與內(nèi)涵材料科學與工程的形成與內(nèi)涵 把四大要素連接在一起，就形成一個四面體。該四面體模型較好把四大要素連接在一起，就形成一個四面體。該四面體模型較好 地描述了作為一個整體的地描述了作為一個整體的材料科學與工程的材料科學與工程的內(nèi)涵內(nèi)涵和和特點特點

13、，反映了材料，反映了材料 科學與工程研究中的共性問題。因此，抓住了材料科學與工程的四個科學與工程研究中的共性問題。因此，抓住了材料科學與工程的四個 要素，就抓住了材料科學與工程的本質(zhì)。要素，就抓住了材料科學與工程的本質(zhì)。 11 1）材料的結構與成分）材料的結構與成分 每個特定的材料都具有一個從原子、電子尺度到宏 觀尺度的結構。在各種尺度上，對材料的結構進行研究 是材料科學與工程學科的重要方面。 材料的結構一般包含幾個層次： 電子層次； 原子或分子排列層次； （納米層次） 顯微層次； 宏觀層次 當前，由于材料的性質(zhì)和使用性能愈來愈多地取決 于材料的納米結構，對介于宏觀尺度和微觀尺度之間的 納米尺

14、度的探究已成為材料科學與工程的新重點。 2.1 2.1 材料科學與工程的形成與內(nèi)涵材料科學與工程的形成與內(nèi)涵 12 材料的結構層次材料的結構層次 宏觀結構 Macroscopic Structure 微觀結構 Microscopic Structure 原子尺度 Atomic Level 亞原子尺度 Subatomic Level 2.1 2.1 材料科學與工程的形成與內(nèi)涵材料科學與工程的形成與內(nèi)涵 13 材料的不同層次的結構：材料的不同層次的結構： 原子結構、電子結構原子結構、電子結構是研究材料特性的兩個最基本的物質(zhì)層是研究材料特性的兩個最基本的物質(zhì)層 次次; ; 鍵合結構鍵合結構: : 描

15、述原子描述原子/ /離子間的化學鍵性質(zhì)離子間的化學鍵性質(zhì) 納米結構納米結構: : 納米尺度上的結構納米尺度上的結構 顯微組織（顯微結構顯微組織（顯微結構, Microstructure, Microstructure）指多晶材料的微指多晶材料的微 觀形貌、晶體學結構和取向、晶界、相界、界面相、亞晶界、觀形貌、晶體學結構和取向、晶界、相界、界面相、亞晶界、 位錯、層錯、孿晶、固溶和析出、偏析和夾雜、有序化等。位錯、層錯、孿晶、固溶和析出、偏析和夾雜、有序化等。 宏觀組織（宏觀組織（MacrostructureMacrostructure）如材料的孔隙、巖石的層理、如材料的孔隙、巖石的層理、 木材

16、的紋理（纖維狀）等。木材的紋理（纖維狀）等。 材料的材料的顯微結構顯微結構對材料的性能具有相當大的影響。對材料的性能具有相當大的影響。 2.1 2.1 材料科學與工程的形成與內(nèi)涵材料科學與工程的形成與內(nèi)涵 14 2）材料的合成與加工）材料的合成與加工 材料的合成與加工過程實質(zhì)上是一個建立原子、分子 的新排列，從原子尺度到宏觀尺度上對材料結構進行控制 的過程。 合成合成通常是指把原子和分子組合在一起來制造新材通常是指把原子和分子組合在一起來制造新材 料時所采用的物理和化學方法。料時所采用的物理和化學方法。 加工加工除了為生產(chǎn)有用材料而對原子、分子進行控制除了為生產(chǎn)有用材料而對原子、分子進行控制

17、外，還包括材料外，還包括材料形狀形狀在較大尺度上的改變。在較大尺度上的改變。 2.1 2.1 材料科學與工程的形成與內(nèi)涵材料科學與工程的形成與內(nèi)涵 研究表明，材料的性質(zhì)和使用性能取決于材料的組成及結 構，后者又取決于合成與加工工藝。 15 3）材料的性能）材料的性能（性質(zhì)或固有屬性）（性質(zhì)或固有屬性） 每一種材料都有其固有的性質(zhì)，因而材料在各種外部 作用的刺激下就會有特定的響應，材料的性能就是材料這 種固有屬性的定量描述。 材料的任何材料的任何性能性能，都源于材料，都源于材料 特定的特定的結構結構，都是材料經(jīng)，都是材料經(jīng)合成或加合成或加 工工后由其結構與成分的變化而產(chǎn)生后由其結構與成分的變化而

18、產(chǎn)生 的結果。的結果。 2.1 2.1 材料科學與工程的形成與內(nèi)涵材料科學與工程的形成與內(nèi)涵 材料的性能 物理性能 化學性能 力學性能 如導電性、導熱性、折射率、磁化率等如導電性、導熱性、折射率、磁化率等 如抗氧化性、抗腐蝕性等如抗氧化性、抗腐蝕性等 如強度、塑性、韌性等如強度、塑性、韌性等 16 4）材料的使用性能）材料的使用性能（服役性能）（服役性能） 2.1 2.1 材料科學與工程的形成與內(nèi)涵材料科學與工程的形成與內(nèi)涵 材料的使用性能：指材料在服役條件下所表現(xiàn)的特 性，它是材料性質(zhì)與服役條件、產(chǎn)品設計及加工融合在 一起所決定的要素，其度量指標有可靠性、有效壽命、 安全性和成本等綜合因素。

19、 材料的物理、化學、材料的物理、化學、 力學性質(zhì)都是成分和結構力學性質(zhì)都是成分和結構 的體現(xiàn)，它們決定著材料的體現(xiàn)，它們決定著材料 的使用范圍。的使用范圍。 使用性能取決于材料的基本性能。使用性能取決于材料的基本性能。 17 材料四要素之間的相互關系是材料科學與工程所 關心的基本問題，而材料的結構-性能關系正是這一問 題的核心。 無論金屬材料、高分子材料還是無機非金屬材料， 其宏觀性能都是由其化學組成和內(nèi)部結構決定的。 材料的使用材料的使用依賴于材料的依賴于材料的性性 能能，而，而其性能其性能都是由其都是由其化學組化學組 成成和和結構結構決定的。決定的。 只有從只有從微觀上微觀上了解材料的了解

20、材料的組組 成、結構與性能成、結構與性能的關系，才能的關系，才能 有效地選擇有效地選擇制備制備和和使用材料使用材料。 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能 18 定義: : 組成材料的原子或分子之間的空間分布。 組成材料的原子或分子之間的空間分布。 材料的結構決定材料的性能。材料的結構決定材料的性能。 內(nèi)涵：包含化學成分、晶體結構和缺陷、相組成、形貌等。 包含化學成分、晶體結構和缺陷、相組成、形貌等。 鍵合結構鍵合結構 晶體結構晶體結構組織結構組織結構 材料的結構材料的結構 2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能 19 核心關系 “材料貫穿于機械工程的始終?！?而其核心是圍繞:

21、“結構與性能”的相互辯證關系。 2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能 20 2.2.1 2.2.1 材料結構的基本知識材料結構的基本知識 1. 1. 成分與結構成分與結構 材料的成分是指組成材料的元素種類及其含量，通常用 質(zhì)量分數(shù)(w)表示，有時也用粒子數(shù)分數(shù)(x)表 示及原子分數(shù)（at%）。 材料的結構材料的結構主要是指材料中主要是指材料中原子原子(離子或分子等。為了敘離子或分子等。為了敘 述簡便，以下統(tǒng)一由原子代表述簡便，以下統(tǒng)一由原子代表)的排列方式的排列方式。 2.2.組元、相和組織組元、相和組織 組元：組元是組成材料最基本的、獨立的物質(zhì)。 組元可以是純元素，也可以是能穩(wěn)定

22、存在的化合物。金組元可以是純元素，也可以是能穩(wěn)定存在的化合物。金 屬材料的組元多為純元素，陶瓷材料的組元多為化合物。高屬材料的組元多為純元素，陶瓷材料的組元多為化合物。高 分子材料則是以高分子化合物為主要組元的材料。分子材料則是以高分子化合物為主要組元的材料。 2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能 21 相相：材料中具有同一化學成分并且結構和性質(zhì)相同的均中具有同一化學成分并且結構和性質(zhì)相同的均 勻連續(xù)部分稱為相。勻連續(xù)部分稱為相。 相與相之間有明顯的界面，材料的結構和性質(zhì)在相界相與相之間有明顯的界面，材料的結構和性質(zhì)在相界 面上會發(fā)生突變，但有界面分開的不一定都是兩相，例面上會發(fā)生

23、突變，但有界面分開的不一定都是兩相，例 如，如果材料是由成分、結構均相同的同種晶粒構成的，如，如果材料是由成分、結構均相同的同種晶粒構成的， 盡管各晶粒之間有晶界隔開，但它們?nèi)詫儆谕环N相。盡管各晶粒之間有晶界隔開，但它們?nèi)詫儆谕环N相。 2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能 22 組織：材料內(nèi)部的微觀形貌稱為材料的組織。 在光學顯微鏡或電子顯微鏡下可觀察到，能反映各在光學顯微鏡或電子顯微鏡下可觀察到，能反映各 組成相形態(tài)、尺寸及分布的圖像。組成相形態(tài)、尺寸及分布的圖像。 白口鑄鐵白口鑄鐵 球墨鑄鐵球墨鑄鐵 2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能 23 3.3.材料中的化

24、學鍵合材料中的化學鍵合 單個原子通過化學鍵結合在一起組成材料，各類材 料在結構和特性上的差異本質(zhì)上是由不同元素以特定的 鍵合方式結合造成的。 化學鍵 物理鍵 離子鍵 金屬鍵 范德華鍵 氫鍵 共價鍵 結合鍵結合鍵 原子、分子間的結合力：是原子、分子之間吸引力和 排斥力的合力。 金屬離子與自由電子相金屬離子與自由電子相 互吸引所形成的結合力。互吸引所形成的結合力。 2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能 24 電負性：不同元素的原子在分子中吸引電子的能力不同元素的原子在分子中吸引電子的能力 , , 與原子的親合能和第一電離能之和成正比。與原子的親合能和第一電離能之和成正比。 2.2 2.

25、2 材料的結構與性能材料的結構與性能 25 電負性與鍵性的關系電負性與鍵性的關系 電負性小的原子結合形成金屬鍵； 電負性大的原子結合形成共價鍵； 電負性相差大的不同原子結合形成離子鍵； 電負性相差小的不同原子結合形成共價鍵和離子 鍵的混合鍵。 2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能 26 4.4.晶體結構和空間點陣晶體結構和空間點陣 晶體結構：晶體結構：晶體結構是指晶體中，原子（離子、分子）在晶體結構是指晶體中，原子（離子、分子）在 三維空間的排列方式。三維空間的排列方式。 空間點陣（晶格）：為了研究方便，通常把在空間中排列 的原子（離子、分子）抽象成幾何上的點，然后用直線把 它們連

26、接起來，就構成了一個有規(guī)則的幾何格架，即所謂 的空間點陣（或晶格）。 2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能 27 晶胞晶胞 2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能 晶胞：能夠充分反映整個晶體結構特征的最小構造單位。 28 布拉菲點陣布拉菲點陣：可以用晶胞棱邊長度a、b、c及棱邊之間的 夾角、來描述晶胞的大小和形狀。 1948年，布拉菲利首先用數(shù)學分析方法證明，自然界 可能存在的空間點陣只有14種，分屬7個不同的晶系，如 下圖。 2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能 29 晶體的晶體的7種晶系和種晶系和14種布拉菲點陣種布拉菲點陣 晶系晶系布拉菲點陣和符號布拉菲

27、點陣和符號晶胞參數(shù)關系晶胞參數(shù)關系 立方晶系立方晶系 簡單簡單（P P） a a = = b b = = c c, , = = = = = = 9090體心（體心（I I） 面心面心（F F） 六方晶系六方晶系簡單簡單（P P） a a = = b b c c, , = = = 90= 90, , = = 120120 正方晶系（四方）正方晶系（四方） 簡單簡單（P P） a a = = b b c c, , = = = = = = 9090 體心（體心（I I） 菱方晶系（三方）菱方晶系（三方）簡單（簡單（R R）a a b b c c, , = = = = 9090 正交晶系（斜方）正交晶

28、系（斜方） 簡單（簡單（P P） a a = = b b c c, , = = = = = = 9090體心（體心（I I） 底心底心（C C） 單斜晶系單斜晶系 面心（面心（F F） a a = = b b c c, , = = = = 9090 簡單簡單（P P） 三斜晶系三斜晶系 底心底心（C C） a a = = b b c c, , 9090 簡單簡單（P P） 2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能 30 十四種布拉菲點陣示意圖十四種布拉菲點陣示意圖 2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能 31 非晶 單晶 多晶 晶體：晶體：原子以周期性重復方式在三維空間有規(guī)則

29、排列的固原子以周期性重復方式在三維空間有規(guī)則排列的固 體，否則稱為體，否則稱為非晶體。非晶體。 非晶體：非晶體：原子排列短程有序，無周期原子排列短程有序，無周期 晶體晶體 金剛石、NaClNaCl、冰 等。 液體液體 非晶體非晶體 ： 蜂蠟、玻璃 等。 2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能 非晶 多晶 單晶 32 2.2.2 2.2.2 材料的結構材料的結構 1. 1.金屬材料的結構金屬材料的結構 金屬材料一般都是金屬材料一般都是晶體晶體，在常溫下，純，在常溫下，純 金屬的晶體結構大部分屬于下面金屬的晶體結構大部分屬于下面3 3種。種。 n面心立方結構；面心立方結構； n體心立方結

30、構；體心立方結構； n密排六方結構。密排六方結構。 溫度發(fā)生變化時，同一種金屬可溫度發(fā)生變化時，同一種金屬可 能會發(fā)生晶體結構轉變。能會發(fā)生晶體結構轉變。 n常溫下的鎳、鋁、銅、鉛、銀等金屬屬于常溫下的鎳、鋁、銅、鉛、銀等金屬屬于 面心立方結構；面心立方結構； n常溫下的鐵、鉬、鎢、鈮等屬于體心立方常溫下的鐵、鉬、鎢、鈮等屬于體心立方 結構；結構； n常溫下的鈦、鎂、鋅等屬于密排六方結常溫下的鈦、鎂、鋅等屬于密排六方結 構。構。 面心立方結構面心立方結構 體心立方結構體心立方結構 密排六方結構密排六方結構 2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能 33 置換型固溶體：溶質(zhì)原子占據(jù)陣點的

31、固溶體置換型固溶體：溶質(zhì)原子占據(jù)陣點的固溶體 間隙型固溶體：溶質(zhì)原子占據(jù)基本組元原子間隙型固溶體：溶質(zhì)原子占據(jù)基本組元原子 間隙的固溶體間隙的固溶體 固溶體固溶體 間隙式固溶體 置換式固溶體 當金屬與其他元素形成合金合金時，在合金中會形成一 定的相相。從結構上可以將合金中的相分為固溶體和化合 物兩類。 2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能 合金合金(Alloy)以一種金屬元素為基礎，加入其它金屬或 非金屬而組成的具有金屬特性的材料。 34 金屬間化合物金屬間化合物 把金屬與金屬或金屬與非金屬元素之間形成的化合物 稱為金屬間化合物。 金屬間化合物的晶體結構一般都比較復雜，其結合鍵 中

32、含有較多的離子鍵和共價鍵成分，因此金屬間化合物通 常具有熔點高、硬度高、脆性大等特點。 金屬間化合物在合金中一般作為強化相存在，能明顯 提高合金的強度、硬度和耐磨性。 幾種金屬間化合物的晶胞幾種金屬間化合物的晶胞 （a）CaF2結構;（b）閃鋅礦結構;（c）VC結構;（d）Fe3C結構 2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能 35 2.2.無機非金屬材料的結構無機非金屬材料的結構 無機非金屬材料中的相組成較為復雜，其典型組織由晶 體相、玻璃相和氣相三者組成，其中的晶體相是主要的組成 相。晶體相常見的結構有氧化物結構、非氧化物結構和硅酸 鹽結構。 氧化物結構氧化物結構 幾種典型氧化物的

33、結構幾種典型氧化物的結構 （a）MgO；（b）ThO2；（c）A12O3 2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能 在 -A12O3中， O2-占據(jù)密排六方 晶格的結點位置， 而Al3+對稱地填充 在其八面體間隙中。 36 非氧化合物結構非氧化合物結構 非氧化合物是指金屬碳化物、氮化物、硅化物和硼化 物等，其結合鍵主要是離子鍵，也有一定成分的金屬鍵和 共價鍵。 幾種非氧化合物的結構幾種非氧化合物的結構 （a）碳化物；（b）氮化物；（c）硼化物；（d）硅化物 2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能 37 硅酸鹽結構硅酸鹽結構 硅酸鹽的結合鍵為離子鍵和共價鍵的混合鍵，其主要結 構

34、特征是Si4+總是位于由4個O2-離子組成的四面體中心，以 此構成硅酸鹽的基本單元硅氧四面體SiO44-，如下圖 （a）所示。 部分硅酸鹽結構示意圖部分硅酸鹽結構示意圖 （a）SiO44-；（；（b）Si2O76-；（；（c）Si3O96-；（；（d）Si6O1812-；（；（e） SiO32 2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能 38 3.3.高分子材料的結構高分子材料的結構 高分子材料的結構包括高分子鏈結構和聚集態(tài)結構 兩個層次。 高分子鏈結構高分子鏈結構 高分子鏈形狀示意圖 a）線型分子鏈；b）支鏈型分子鏈；c）體 型分子鏈 線型分子鏈線型分子鏈 支鏈型分子鏈支鏈型分子鏈 體

35、型分子鏈體型分子鏈 由由大量重復的結構單元大量重復的結構單元連接成。連接成。 （網(wǎng)型分子鏈）（網(wǎng)型分子鏈） 2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能 39 由線型和支鏈型分子鏈構成的聚合物的性能特點是彈 性高，塑性好，硬度低，可以通過加熱和冷卻的方法使 其重新軟化（或熔化）和硬化（或固化），故又稱為熱 塑性聚合物。例如，滌綸、尼龍、生橡膠等。 體型分子鏈構成的聚合物，由于網(wǎng)狀分子鏈的形 成，使聚合物分子之間不易相互流動，從而提高了聚合 物的強度、耐熱性和化學穩(wěn)定性。這類聚合物具有較高 的強度和熱固性，加熱加壓成形固化后，不能再加熱熔 化或軟化，故又稱為熱固性聚合物。例如，酚醛塑料、 環(huán)

36、氧樹脂、硫化橡膠等。 2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能 40 高分子的聚集態(tài)結構高分子的聚集態(tài)結構 高分子材料的聚集態(tài)結構是指其內(nèi)部高分子鏈的幾何排 列和堆砌結構。一般可分為晶態(tài)（分子鏈規(guī)則排列）、部分 晶態(tài)（分子鏈部分規(guī)則排列）和非晶態(tài)（分子鏈無規(guī)則排列） 三類。 由由線型分子鏈線型分子鏈構成的聚合物在一定條件下可以形成構成的聚合物在一定條件下可以形成晶晶 態(tài)態(tài)或或部分晶態(tài)部分晶態(tài)，而由，而由體型分子鏈體型分子鏈構成的聚合物均為構成的聚合物均為非晶非晶 態(tài)態(tài)。 高分子的聚集態(tài)結構示意圖高分子的聚集態(tài)結構示意圖 （a a）晶態(tài)）晶態(tài); ;（b b）部分晶態(tài)）部分晶態(tài); ;（c

37、c）非晶態(tài)）非晶態(tài) 2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能 41 4.4.晶體結構的不完整性晶體結構的不完整性 晶體結構缺陷:晶體中原子排列的周期性受到破壞的區(qū)域。 分點缺陷、線缺陷和面缺陷。 點缺陷：是指原子應占而未占的空位或間隙中不該存在存 在的間隙原子。 形成原因- 熱缺陷、雜質(zhì)缺陷、非化學計量缺陷等。 晶體中存在的各種點缺陷示意圖晶體中存在的各種點缺陷示意圖 （a a）空位）空位; ;（b b）間隙原子；（）間隙原子；（c c）小置換原子；（）小置換原子；（d d）大置換原子）大置換原子 2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能 點缺陷點缺陷使周圍晶格發(fā)生畸變，提高晶

38、體內(nèi)能，降低使周圍晶格發(fā)生畸變，提高晶體內(nèi)能，降低 導電率，導電率，提高強度提高強度。 42 線缺陷：線缺陷是對材料性能有重大影響的一維缺陷，稱 為位錯（刃型位錯和螺位錯）。 刃型位錯刃型位錯螺型位錯螺型位錯 2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能 由晶體中原子平面的錯動引起。 產(chǎn)生原因：點缺陷坍塌；應力作用下的塑性變形。產(chǎn)生原因：點缺陷坍塌；應力作用下的塑性變形。 位錯越多，其運動越困難，材料的強度、硬度越高，脆性位錯越多，其運動越困難，材料的強度、硬度越高，脆性 越大。越大。 43 面缺陷：面缺陷是指多相材料組成相間的界面和單相材料晶 粒間的界面，它們在光學顯微鏡下即可被看到。

39、晶界與亞晶界示意圖晶界與亞晶界示意圖 （a a）晶界）晶界; ;（b b）亞晶界）亞晶界 2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能 顯微鏡照片 面缺陷包括面缺陷包括晶界晶界、亞晶界亞晶界、 相界面相界面、表面表面等。等。 44 體缺陷 體缺陷是三維缺陷，包括： 孔洞(Pores)影響材料的力學、光學、熱學性能； 裂紋(Cracks)影響材料的力學性能； 夾雜(Inclusions)影響材料的力學、光學、電學性能。 2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能 45 2.2.3 2.2.3 材料的性能材料的性能 材料性能材料性能是用于表征材料在給定外在條件下行為的參量。是用于表征材料

40、在給定外在條件下行為的參量。 力學性質(zhì)力學性質(zhì) 物理性質(zhì)物理性質(zhì) 化學性質(zhì)化學性質(zhì) 硬度硬度 磁學磁學 催化催化 剛度剛度 光學光學 防腐防腐 強度強度 熱學熱學 塑性塑性 電學電學 韌性韌性 聲學聲學 1.1.力學性能力學性能 材料的力學性能是指材料受到外力作用時的變形行為 以及材料抵抗變形和破壞的能力。 2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能 46 強度強度：材料抵抗外應力的能力。 與缺陷、鍵力有關。 表征：抗拉強度（表征：抗拉強度（ b b ）、屈服強度（）、屈服強度（s s） 、抗彎強度、抗彎強度、 抗壓強度?？箟簭姸取?塑性塑性：外力作用下，材料發(fā)生不可逆的永久性變形而不破

41、壞 的能力。 表征：延伸率表征：延伸率、斷面收縮率、斷面收縮率 2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能 47 硬度硬度：材料在表面上的小體積內(nèi)抵抗變形或破裂的能力。 彈性彈性：在外力作用下材料產(chǎn)生變形，外力除去后能恢復原 狀的能力。 剛度剛度：抵抗彈性變形能力。 表征：彈性模量、楊氏模量、剪切模量表征：彈性模量、楊氏模量、剪切模量 疲勞強度疲勞強度：材料抵抗交變應力作用下斷裂破壞的能力。 表征：疲勞極限、疲勞壽命表征：疲勞極限、疲勞壽命 抗蠕變性抗蠕變性：材料在恒定應力（或恒定載荷）作用下抵抗變 形的能力。 表征：蠕變極限、持久強度表征：蠕變極限、持久強度 韌韌 性性：材料從塑性變形

42、到斷裂全過程中吸收能量的能力。 表征：斷裂韌性表征：斷裂韌性 KICKIC、斷裂韌性、斷裂韌性 JICJIC 2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能 48 材料的物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì) 磁學性質(zhì)磁學性質(zhì)光學性質(zhì)光學性質(zhì) 電學性質(zhì)電學性質(zhì) 導電性導電性 絕緣性絕緣性 介電性介電性 順磁性順磁性 鐵磁性鐵磁性 抗磁性抗磁性 光反射光反射 光折射光折射 光學損耗光學損耗 光透性光透性 熱學性質(zhì)熱學性質(zhì) 導熱性導熱性 熱膨脹熱膨脹 熱容熱容 熔化熔化 2.2.物理性能物理性能 1. 1. 電學性能表征電學性能表征：導電率、電阻率、介電常數(shù)導電率、電阻率、介電常數(shù) 2. 2. 磁學性能表征磁學

43、性能表征：磁導率、矯頑力、磁化率磁導率、矯頑力、磁化率 3. 3. 光學性能表征光學性能表征：光反射率、光折射率、光損耗率光反射率、光折射率、光損耗率 4. 4. 熱學性能表征熱學性能表征：熱導率、熱膨脹系數(shù)、熔點、比熱熱導率、熱膨脹系數(shù)、熔點、比熱 2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能 49 3.3.化學性能化學性能 材料總是在一定的環(huán)境介質(zhì)中工作的，這些介質(zhì)常常會 與材料發(fā)生化學反應，影響材料性能的發(fā)揮。例如，隨處可 見的生銹現(xiàn)象，不僅浪費了大量金屬資源，而且還會導致各 種災難性的事故。 材料抵抗各種介質(zhì)作用的能力。 包括溶蝕性、耐腐蝕性、抗?jié)B性、抗氧化性，即化學 穩(wěn)定性。還有

44、催化性和離子交換性。 2.2 2.2 材料的結構與性能材料的結構與性能 50 2.3 材料科學與工程的發(fā)展趨勢材料科學與工程的發(fā)展趨勢 今天，通信產(chǎn)業(yè)、生物技術、新能源技術、宇航技術 等，都對材料提出了更高的要求。復合化、功能化、智能 化、低維化、高性能化、與環(huán)境相協(xié)調(diào)已成為新材料開發(fā) 的重要目標。 這要求人們從材料的四個要素出發(fā)，深入到原子和電 子尺度研究材料結構與性質(zhì)的關系，按使用要求對材料進 行組裝和剪裁，得到一系列具有理想性質(zhì)的新材料，同時 還要重視開發(fā)材料的先進制造技術。 51 實際上，很多新材料是在傳統(tǒng)材料的基礎上發(fā)展起來 的。因為在現(xiàn)有材料產(chǎn)業(yè)中，還存在著大量材料科學與工 程方面

45、的問題需要解決。 由于金屬、玻璃、陶瓷、高分子材料等原材料多為礦 產(chǎn)資源，屬于不可再生的資源。因此，在材料生產(chǎn)過程中 必須注意節(jié)省資源、節(jié)約能源，重視再生利用和環(huán)境保護。 從這個意義上講，未來的材料必將是與自然具有更好的適 應性、相容性和環(huán)境友好的材料。 2.3.1 2.3.1 傳統(tǒng)材料的地位及其發(fā)展方向傳統(tǒng)材料的地位及其發(fā)展方向 2.3 材料科學與工程的發(fā)展趨勢材料科學與工程的發(fā)展趨勢 52 傳統(tǒng)材料，特別是對發(fā)展中國家來說，往往比新材料 更為重要。這是因為，傳統(tǒng)材料是國民經(jīng)濟的基礎，與人 民基本生活的關系最為密切；傳統(tǒng)材料量大面廣，即使有 一點改進，收益也很可觀。據(jù)估計，如果全美國的道路和

46、 橋梁的使用壽命增加1%，其收益就可達300億美元。因 此，世界各國對傳統(tǒng)材料都給予了足夠的重視。 第一，除了努力增產(chǎn)，增加品種規(guī)格以外，更多的力量第一，除了努力增產(chǎn)，增加品種規(guī)格以外，更多的力量 應該放在改進產(chǎn)品質(zhì)量，做好資源的綜合利用上。應該放在改進產(chǎn)品質(zhì)量，做好資源的綜合利用上。 第二，要改進生產(chǎn)工藝，提高生產(chǎn)效率，降低能耗，提高第二，要改進生產(chǎn)工藝，提高生產(chǎn)效率，降低能耗，提高 經(jīng)濟效益。經(jīng)濟效益。 第三，采用新技術使傳統(tǒng)材料的生產(chǎn)不斷更新?lián)Q代。第三，采用新技術使傳統(tǒng)材料的生產(chǎn)不斷更新?lián)Q代。 第四，要十分重視環(huán)境保護。第四，要十分重視環(huán)境保護。 2.3 材料科學與工程的發(fā)展趨勢材料科學

47、與工程的發(fā)展趨勢 53 2.3.2 2.3.2 開發(fā)新材料和發(fā)展高技術開發(fā)新材料和發(fā)展高技術 目前，高技術和高技術產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為綜合國力競爭的 焦點。新材料是發(fā)展高技術的基礎和先導，而新材料研制 與開發(fā)本身又是高技術的一部分。因此，發(fā)展高技術，必 須重視開發(fā)新材料。新材料的發(fā)展重點主要在以下幾個方 面。 材料制備工藝與技術的開發(fā)材料制備工藝與技術的開發(fā) 材料的應用研究與開發(fā)材料的應用研究與開發(fā) 開發(fā)先進材料，發(fā)展高技術產(chǎn)業(yè)開發(fā)先進材料，發(fā)展高技術產(chǎn)業(yè) 科學儀器與檢測裝置科學儀器與檢測裝置 2.3 材料科學與工程的發(fā)展趨勢材料科學與工程的發(fā)展趨勢 54 微電子材料和器件微電子材料和器件 DNA生物

48、芯片生物芯片其包含密度比硅芯片高其包含密度比硅芯片高100萬倍萬倍 超導材料超導材料 室溫超導是室溫超導是21世紀的重大研究課題世紀的重大研究課題 新型納米陶瓷新型納米陶瓷 解決脆性、耐高溫、提高熱效率，引發(fā)交通和電力業(yè)重大變革解決脆性、耐高溫、提高熱效率，引發(fā)交通和電力業(yè)重大變革 光纖通訊材料光纖通訊材料 ZrF4、LaF4和和BaF2三元混和體的氟玻璃，性能優(yōu)于三元混和體的氟玻璃，性能優(yōu)于SiO2材料材料 聚合物結構材料聚合物結構材料 高強度結構材料，如聚高強度結構材料，如聚(對苯二甲酰對苯二胺對苯二甲酰對苯二胺)的強度的強度/質(zhì)量比是鋼鐵的質(zhì)量比是鋼鐵的6倍倍 醫(yī)用材料醫(yī)用材料 模擬和合成與人體相容性的醫(yī)用材料模擬和合成與人體相容性的醫(yī)用材料 21世紀新材料展望世紀新材料展望 2.3 材料科學與工程的發(fā)展趨勢材料科學與工程的發(fā)展趨勢 55 2）材料科學與工程有明確的應用背景和應用目的）材料科學與工程有明確的應用背景和應用目的 發(fā)展材料科學與工程的目的是開發(fā)新材料，并為之 提供新技術、新方法和新工藝；或者提高已有材料的性