材料科學(xué)與工程概述

第1節(jié) 材料科學(xué)與工程概述材料科學(xué)的內(nèi)涵材料科學(xué)就是從事對(duì)材料本質(zhì)的覺察、分析生疏、設(shè)計(jì)及掌握等方面爭(zhēng)論的一門科學(xué)。其目的在于提醒材料的行為，賜予材料構(gòu)造的統(tǒng)一描繪或建立模型，以及解釋構(gòu)造與性能之間的內(nèi)在關(guān)系。材料科學(xué)的內(nèi)涵可以認(rèn)為是由五大要素組成，他們之間的關(guān)聯(lián)可以用一個(gè)多面體來描述〔1-1性能在工作狀態(tài)〔受力、氣氛、溫度〕下的表現(xiàn)，材料性能可以視為材料的固有性能，而使用效能則隨工作環(huán)境不同而異，但它與材料的固有性能親熱相關(guān)。理論及材料與5個(gè)要素相連，說明它在材料科學(xué)中的特別地位。能和構(gòu)造，人們常常需要了解各種過程的現(xiàn)象，如屈服過程、斷裂過程、導(dǎo)電過程、磁化過程、相變過程等。材料中各種構(gòu)造的形成都涉及能量的變化，因此外界條件的轉(zhuǎn)變也將會(huì)引起構(gòu)造的轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致性能的轉(zhuǎn)變。因此可以說，過程是理解性能和構(gòu)造的重要環(huán)節(jié)，構(gòu)造是深入理解性能的核心，外界條件掌握著構(gòu)造的形成和過程的進(jìn)展。材料的性能是由材料的內(nèi)部構(gòu)造打算的，材料的構(gòu)造反映了材料的組成基元及其排列和運(yùn)動(dòng)的方式。材料的組成基元一般為原子、離子和分子等，材料的排列方式在很大程度上受組元間結(jié)合類型的影響，如金屬鍵、離子鍵、共價(jià)鍵、分子鍵等。組元在構(gòu)造中不是描述材料的構(gòu)造可以有不同層次，包括原子構(gòu)造、原子的排列、相構(gòu)造、顯微構(gòu)造、構(gòu)造缺陷等，每個(gè)層次的構(gòu)造特征都以不同的方式打算著材料的性能。物質(zhì)構(gòu)造是理解和掌握性能的中心環(huán)節(jié)。組成材料的原子構(gòu)造，電子圍圍著原子核的運(yùn)動(dòng)狀況對(duì)材料的物理性能有重要影響，尤其是電子構(gòu)造會(huì)影響原子的鍵合，使材料表現(xiàn)出金屬、無機(jī)非金屬或高分子的固晶體構(gòu)造會(huì)影響到材料的諸多物理性能，如強(qiáng)度、塑性、韌性等。石墨和金剛石都是由碳原子組成，但二性能差異也很大，如玻璃態(tài)的聚乙烯是透亮的，而晶態(tài)的聚乙烯是半透亮的。又如某些非晶態(tài)金屬比晶態(tài)金屬具有更高的強(qiáng)度和耐蝕性能。此外，在晶體材料中存在的某些排列的不完整性，即存在構(gòu)造缺陷，也對(duì)材料性能產(chǎn)生重要影響。我們?cè)跔?zhēng)論晶體構(gòu)造與性能的關(guān)系時(shí)，除考慮其內(nèi)部原子排列的規(guī)章性，還需要考慮其尺寸的效應(yīng)。從聚攏的角度看，三維方向尺寸都很大的材料稱為塊體材料，在一維、二維或三維方向上尺寸變小的材料叫做低維材料。低維材料可能具有塊體材料所不具備的性質(zhì)，如零維的納米粒子(100nm)具有很強(qiáng)的外表效應(yīng)、尺寸效應(yīng)和量子效應(yīng)等，使其具有獨(dú)特的物理、化學(xué)性能。納米金屬顆粒是電的絕緣體和吸8倍。具有高強(qiáng)度特征的一維材料的有機(jī)纖維、光導(dǎo)纖維，作為二維材料的金剛石薄膜、超導(dǎo)薄膜等都具有特別的物理性能。材料科學(xué)確實(shí)立與作用材料科學(xué)的提出2050年月末。1957104日前蘇聯(lián)放射了第一顆人造衛(wèi)星，80350019581311號(hào)”人造衛(wèi)星僅8千克，重量比前蘇聯(lián)的衛(wèi)星輕得多。對(duì)此美國(guó)有關(guān)部門聯(lián)合向總統(tǒng)提出報(bào)告，認(rèn)為在科技競(jìng)爭(zhēng)中美國(guó)之所以落后于蘇聯(lián)，關(guān)鍵在先進(jìn)材料的爭(zhēng)論方面。1958318日總統(tǒng)通過科學(xué)參謀委員會(huì)發(fā)17所。從那時(shí)起消滅了包括多領(lǐng)域的綜合性學(xué)科－－“材料科學(xué)與工程學(xué)科”。材料科學(xué)的形成材料科學(xué)的形成主要?dú)w功于如下五個(gè)方面的根底進(jìn)展：1819世紀(jì)電動(dòng)機(jī)的18561864年先后制造了轉(zhuǎn)爐和平爐煉188719031910年鎳鉻不銹鋼等，與此同時(shí)，銅、鉛、鋅也得到大量應(yīng)用，隨后鋁、鎂、鈦和稀有金屬相繼1909年的酚醛樹脂(膠木)，1925年的聚苯乙烯，1931年1無機(jī)非金屬材料門類較多，始終占有特別的地位，其中一些傳統(tǒng)材料資源豐富，性能價(jià)格比在全部材料中最有競(jìng)爭(zhēng)力量。20世紀(jì)中后期，通過合成原料和特別制備方法，制造出一系列具有不行替代作用的功能材料和先進(jìn)構(gòu)造材料。如電子陶瓷、鐵氧體、光學(xué)玻璃、透亮陶瓷、敏感及光電功能薄膜材料等。先進(jìn)構(gòu)造陶瓷由于高硬度、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損及質(zhì)輕等特點(diǎn)，在能源、信息等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，成為近三四十年來爭(zhēng)論工作的熱點(diǎn)，且用途還在不斷擴(kuò)大。無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)等學(xué)科的進(jìn)展，以及現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)和設(shè)備的更，使人類對(duì)物質(zhì)構(gòu)造和物理化學(xué)性質(zhì)有了更深層次的理解。同時(shí)，冶金學(xué)、金屬學(xué)、陶瓷學(xué)、高分子科學(xué)等的進(jìn)展也使對(duì)材料本身的爭(zhēng)論大大加強(qiáng)和系統(tǒng)化，從而對(duì)材料的組成、制備、構(gòu)造與性能，以及它們之間的相互關(guān)系的爭(zhēng)論也越來越深入系統(tǒng)。材料等都已自成體系。但人們?cè)陂L(zhǎng)期爭(zhēng)論中覺察，它們?cè)谥苽浜褪褂眠^程中很多概念、現(xiàn)象和變化都存在著頗多相像之處。例如相變理論中，馬氏體相變最初是金屬學(xué)家所建立，廣泛用來作為鋼的熱處理理論。后來氧化鋯增韌陶瓷中也覺察了馬氏體相變現(xiàn)象，并作為陶瓷增韌的一種有效方法。又如缺陷理論、平衡熱力學(xué)、集中、塑性變形和斷裂機(jī)理、外表與界面、晶態(tài)和非晶態(tài)構(gòu)造、電子的遷移與束縛、原子聚攏體的統(tǒng)計(jì)力學(xué)等的概念，常常可以用來解釋不同類型材料的行為。但很多方面仍舊是一樣或相近的，如顯微鏡、電子顯微鏡、外表測(cè)試、物理化學(xué)及物理性能測(cè)試儀器等。在材料生產(chǎn)中，很多加工裝置也有通用之處，如擠壓機(jī)對(duì)金屬材料可以用來進(jìn)展成型或冷加工硬化；而某些高分子材料，在承受擠壓成絲工藝以后，可使有機(jī)纖維的比強(qiáng)度和比剛度大幅度提高；隨著粉末成型技術(shù)和熱致密化技術(shù)的進(jìn)展，粉末冶金和現(xiàn)代陶瓷制造已經(jīng)很難找出明顯的區(qū)分。材料可以相互代替和補(bǔ)充，更能充分發(fā)揮各種材料的優(yōu)越性，到達(dá)物盡其用的目的。復(fù)合材料在多數(shù)狀況下是不同類型材料的組合，特別是消滅超混雜復(fù)合材料以來更為如此。假設(shè)對(duì)不同類型材料沒有一個(gè)較全面的生疏，對(duì)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)及性質(zhì)的理解必定受到影響。材料科學(xué)的作用從歷史回憶的角度，我們可以用具體的幾個(gè)例子來反映材料科學(xué)在科技進(jìn)步中的作用。1-2和圖1-3分別示出了材料比強(qiáng)度和刀具材料加工速度兩個(gè)方面隨年月不同的變化，其直接的顯著作用之一是改進(jìn)了100倍已導(dǎo)致了高效加工和制造工藝變成為低本錢。圖1-41958年問世以來的進(jìn)展趨勢(shì)，可以看出，到90年月中期，器件縮小了100萬倍，單100萬倍，這主要是由于單晶硅片直徑增加、線寬變小、合格率提高的直接結(jié)果，由此導(dǎo)致了微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)等發(fā)生了質(zhì)的飛躍，進(jìn)而引起了經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的巨大變化。需求的牽引作用，這是材料科學(xué)進(jìn)展的最重要的推動(dòng)力，例如信息技術(shù)的進(jìn)展，從電子信息處理，進(jìn)展到光電子信息處理，蝕性等，這些都為材料科學(xué)提出了大量的爭(zhēng)論問題。其次是對(duì)多學(xué)科穿插的推動(dòng)作用，材料科學(xué)本身就具有多學(xué)科穿插滲透的特征，包含著豐富的內(nèi)涵，例如材料的組分設(shè)計(jì)動(dòng)力學(xué)以至在溫順條件下的仿生合成等。當(dāng)爭(zhēng)論材料的微觀構(gòu)造與性能的關(guān)系時(shí)，要涉及到物理學(xué)，特別是分散態(tài)物理，同時(shí)也涉及到非連續(xù)介質(zhì)微觀力學(xué)等諸學(xué)科?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展具有學(xué)科間相互滲透、綜合穿插的特米時(shí)代人類制造了計(jì)算機(jī)，以納米材料為標(biāo)志的納米時(shí)代，人類將會(huì)制造出更大的輝煌。21世紀(jì)的人類科學(xué)技術(shù)，將以先進(jìn)材料技術(shù)、先進(jìn)能源技術(shù)、信息技術(shù)和生物技術(shù)等四大學(xué)科為中心，通過其相互穿插和相互影響，為人類制造出完全不同的物質(zhì)環(huán)境。將來的材料，將是與生物和自然具有很好的適應(yīng)性、相容材料，將會(huì)以更快的速度、更高的質(zhì)量獲得進(jìn)展。材料科學(xué)與材料工程的關(guān)系“為什么”的范疇。材料科學(xué)的根底理論體系，能為材料工程供給必要的設(shè)計(jì)依據(jù)，為更好地選擇材料、使用材料、發(fā)揮材料的潛力、進(jìn)展材料等供給理論根底。并可以節(jié)約時(shí)間、提高牢靠性、提高質(zhì)量、降低本錢和能耗、削減對(duì)環(huán)境的污染等?！霸鯓幼觥钡膯栴}。其目的在于經(jīng)濟(jì)地而又能為社會(huì)5個(gè)判據(jù)的考慮，即經(jīng)濟(jì)判據(jù)、質(zhì)量判據(jù)、資源判據(jù)、環(huán)保判據(jù)、能源判據(jù)。技術(shù)也為材料科學(xué)的進(jìn)展供給了客觀物質(zhì)根底。材料科學(xué)和材料工程間的不同主要在于各自強(qiáng)調(diào)的核心問題不同，它們之間并沒有一條明顯的分界限，在解決實(shí)際問題時(shí)，很難將科學(xué)因素和工程因素獨(dú)立出來考慮。因此，人們常常將二者放在一起，稱為“材料科學(xué)與工程”。第2節(jié)材料的分類及根本特征目前世界各國(guó)已注冊(cè)的材料就有幾十萬種，現(xiàn)仍在不斷地增加中。材料可以有多種分類方法，如按化學(xué)組成和結(jié)合健的性質(zhì)，可把材料分為金屬材料、無機(jī)非金屬材料、高分子材料三大類。金屬材料包括各種純金屬及其合金；無機(jī)非金屬材料主要包括晶體、陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等；塑料、合成橡膠、合成纖維等稱為有機(jī)高分子材料。此外，人們還進(jìn)展了一系列將兩種以上的材料通過特別方法結(jié)合起來而構(gòu)成的復(fù)合材料。金屬材料金屬材料通常分為黑色金屬和有色金屬兩類。黑色金屬包括鋼和鑄鐵。鋼依據(jù)化學(xué)成分分為碳素鋼和合金鋼；依據(jù)品質(zhì)又分為一般鋼、優(yōu)質(zhì)鋼和高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼；依據(jù)冶煉方法可分為平爐鋼、轉(zhuǎn)爐鋼、電爐鋼和奧氏體鋼；依據(jù)用途又分為建筑及工程用鋼、構(gòu)造鋼、工具鋼、特別鋼及專用鋼。鑄鐵通常分為灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵和特種鑄鐵等。鋼鐵是現(xiàn)代工業(yè)中的主要金屬材料，在機(jī)械產(chǎn)品中占整個(gè)用材消耗的一半以上。有色金屬是指Fe80余種，分為輕金屬(相對(duì)﹥5)A1、Cu、Zn、Sn、Pb、Mg、Ni、Ti及其合金。有色金屬的消耗雖然只占金屬材料總消耗的很少局部，但是由于它們具有獨(dú)特的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，同時(shí)相對(duì)密度小、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐熱、耐腐蝕，因而它們?cè)诠こ躺险加兄匾匚?。金屬材料的根本性質(zhì)：無機(jī)非金屬材料主要原料一局部是自然的硅酸鹽礦物，另外是人工合成的氧化物及其他化合物。它們的生產(chǎn)過程一般需經(jīng)過原料處理—成型—熱加工三個(gè)主要環(huán)節(jié)。陶瓷是最早使用的無機(jī)材料，因此無機(jī)非金屬材料在國(guó)外又習(xí)慣統(tǒng)稱為“Ceramics”(直譯為陶瓷)?！埠胁Ａ嗪蜌庀?。絕大多數(shù)陶瓷是一種或幾種金屬元素與非金屬元素組成的化合物。依據(jù)性能和用途，陶瓷可分為傳統(tǒng)陶瓷和特種陶瓷，后者隨著現(xiàn)代技術(shù)的進(jìn)展，又更Ceramics”〔精細(xì)陶瓷、“HighTechnicalCeramics”〔高技術(shù)陶瓷、“AdvancedCeramics”〔先進(jìn)陶瓷。特種陶瓷是以人工合成化合物(氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等)為主要原料制成，用于技術(shù)和工程領(lǐng)域的應(yīng)用，如信息、能源、機(jī)械、化工、動(dòng)力、生物、航天航空及其它建筑陶瓷和衛(wèi)生陶瓷。要求燒結(jié)后不變形、外觀美，但對(duì)強(qiáng)度要求不高。無機(jī)非金屬材料的根本性質(zhì)：高分子材料子聚合后分子量很大，并可在某一范圍內(nèi)變化。纖維、粘合劑、涂料等類；依據(jù)高分子化合物的主鏈構(gòu)造可分為碳鏈、雜鏈、元素高聚物三類；依據(jù)其對(duì)熱的性質(zhì)又可分為熱塑性、熱固性及熱穩(wěn)定性高聚物三類；假設(shè)依據(jù)材料的用途，又可分