材料科學與工程綱要教材

第2章材料科學與工程綱要2.1材料的成分

2.2材料的組織結構

2.3材料成分與組織結構的檢測

2.4材料的合成與加工

2.5材料的性質與使用性能

2.6材料設計

2.7結構材料的失效2.1材料的成分材料的成分是指組成材料的元素種類及其含量，通常用質量分數(w)表示，有時也用摩爾分數(x)表示。圖2-1材料科學與工程的四要素2.2材料的組織結構2.2.1固體中的結合鍵與存在形式

2.2.2原子間結合鍵與材料類型

2.2.3固體材料的結構2.2.1固體中的結合鍵與存在形式1.離子鍵和離子晶體

2.共價鍵和共價晶體

3.金屬鍵和金屬晶體

4.分子鍵和分子晶體

5.氫鍵和氫鍵晶體2.2.2原子間結合鍵與材料類型1.金屬材料

2.陶瓷材料

3.高分子材料

4.復合材料表2-1鍵型與材料物性的關系2.2.3固體材料的結構1.固體的三種類型

2.晶體結構基礎

3.晶體缺陷1.固體的三種類型固體可分為晶體(Crystal)、非晶體(AmorphousBody)和準晶體(Quasi-crystal)三大類。所謂晶體，是指原子或原子團、離子或分子以周期性重復方式在三維空間有規(guī)則排列形成的固體。晶體的原子排列長程有序，且有整齊規(guī)則的幾何外形；晶體還有固定的熔點，在熔化過程中，其溫度始終保持不變；單晶體還有各向異性的特點。非晶體是指內部質點在三維空間不呈周期性重復排列的固體，具有近程有序排列，但不具有長程有序排列。非晶體外形為無規(guī)則形狀的固體，在熔解過程中，沒有明確的熔點，隨著溫度的升高，物質首先變軟，然后逐漸由稠變稀，如玻璃。2.晶體結構基礎(1)空間點陣和晶胞將晶體中的單個原子或若干個原子抽象成一個幾何點，它們在三維空間的周期性重復排列就形成了空間點陣(Lattice)。

(2)其他概念圖2-2晶胞示意圖表2-2七種基本晶系的晶格參數及點陣晶胞表2-2七種基本晶系的晶格參數及點陣晶胞表2-3三種典型晶體結構的特征參量3.晶體缺陷(1)點缺陷(PointDefects)理想晶體中的一些原子被外界原子所代替，或在晶格間隙中摻入原子，或留有原子空位，破壞了有規(guī)則的周期性排列，引起質點間勢場的畸變，造成晶體結構在原子位置上的不完整，這種缺陷稱為點缺陷。

(2)線缺陷(LineDefects)實際晶體在結晶時受到雜質、溫度變化或振動產生的應力作用，或由于晶體受到打擊、切削、研磨等機械應力的作用，使晶體內部質點排列變形，原子行列間相互滑移，而不再符合理想晶格的有序排列，形成兩維尺度很小而第三維尺度很大的缺陷，稱為線缺陷，習慣上也稱為位錯。(3)面缺陷(SurfaceDefects)一塊晶體常常被一些界面分隔成許多較小的疇區(qū)，疇區(qū)內具有較高的原子排列完整性，疇區(qū)之間的界面附近存在著較嚴重的原子錯排。圖2-3空位的形成

a)Frenkel機制b)Schottky機制圖2-4固溶體的兩種類型

a)間隙固溶體b)置換固溶體圖2-5位錯示意圖

a)刃型位錯b)螺型位錯圖2-6幾種面缺陷的示意圖

a)晶界b)亞晶界c)α-Fe和γ-Fe中的共軛相界d)孿晶界2.3材料成分與組織結構的檢測表2-4材料晶體結構檢測常用儀器及分辨率2.4材料的合成與加工2.4.1原材料的選用

2.4.2材料的制備

2.4.3材料的成形加工2.4.1原材料的選用1.天然礦物原料

2.無機化工原料

3.有機化工原料2.4.2材料的制備1.氣相法

2.液相法

3.固相法1.氣相法PVD法是利用電弧、高頻電場或等離子體等高溫熱源將原料加熱至高溫，使之汽化或形成等離子體，然后通過驟冷，使之凝聚成各種形態(tài)的材料(如晶須、薄膜、晶粒等)。其原理一般基于純粹的物理效應，但有時也可與化學反應相關聯(lián)。CVD法是以金屬蒸氣、揮發(fā)性金屬鹵化物、氫化物或金屬有機化合物等蒸氣為原料，進行氣相熱分解反應，或兩種以上單質或化合物的反應，再凝聚生成各種形態(tài)的材料。其基本原理涉及反應化學、熱力學、動力學、轉移機理、膜生長現象和反應工程等。目前，CVD法主要用于硅、砷化鎵材料的外延生長、金屬薄膜材料、表面絕緣層、硬化層等，也用于粉末、塊狀材料、纖維等的合成。2.液相法(1)熔融法熔融法是指將合成所需材料的原料加熱，使其在加熱過程和熔融狀態(tài)下產生各種化學反應，從而達到一定的化學成分和結構。

(2)溶液法溶液法主要用于高分子化合物的制備，分為溶液聚合和溶液縮聚。

(3)界面法界面法是指在各種界面條件下發(fā)生反應來制備材料的方法，主要有高分子材料的懸浮聚合、乳液聚合和界面縮聚。(4)液相沉淀法液相沉淀法是在原料溶液中添加適當的沉淀劑(OH-、CO2-、C2O2-、SO2-等)，使原料溶液中的陽離子形成沉淀，通過與沉淀劑之間的反應或水解反應產生沉淀，形成不溶性的草酸鹽、碳酸鹽、硫酸鹽、氫氧化物、水合氧化物等沉淀物，沉淀顆粒的大小和形狀由反應條件控制，然后經過過濾、洗滌、干燥，有時還需經過加熱分解等工藝過程，最終得到超細粉體材料。

(5)溶膠-凝膠法溶膠-凝膠法是在低溫下制備玻璃和合成其他無機新材料的方法，簡稱Sol-Gel法。

(6)水熱法水熱法是指在水溶液中或大量水蒸氣存在時，在高溫高壓或高溫常壓下所進行的化學反應過程。(7)噴霧法噴霧法也稱為溶劑蒸發(fā)法，是將溶解度較大的鹽的水溶液霧化成小液滴，使其中的水分迅速蒸發(fā)，而使鹽形成均勻的球狀顆粒。

(8)溶液生長法溶液生長法主要用于人工合成晶體的制備，它是將所需制備的晶體的原料作為溶質形成過飽和溶液，然后逐漸發(fā)生結晶過程使晶體長大。圖2-7SHS過程示意圖3.固相法(1)高溫燒結法陶瓷、耐火材料、粉末冶金以及水泥熟料等通常都是要把成型后的坯體(粗制品)或固體粉料在高溫條件下進行燒結后，才能得到相應的產品。

(2)粉末冶金法粉末冶金法是用金屬粉末或金屬粉末與非金屬粉末的混合物作為原料，經過成形和燒結，制成金屬材料、復合材料以及各種類型制品的工藝技術。

(3)固相縮聚法固相縮聚法可以在比較緩和的條件下(如溫度較低)合成高分子化合物，以避免許多在高溫熔融縮聚反應下發(fā)生的副反應。(4)自蔓延高溫合成法自蔓延高溫合成法(是利用反應本身放出的熱量維持反應的繼續(xù)，反應一旦被引發(fā)就不再需要外加熱源，并以燃燒波的形式通過反應混合物。2.4.3材料的成形加工1.成形方法

2.材料的成形特性

3.金屬材料常用的成形加工方法1.成形方法表2-5各類材料的主要成形方法2.材料的成形特性(1)自由流動成形自由流動成形是指成形時無外力作用下，將呈流動狀態(tài)的物料倒入模型型腔，或使其附在模型表面，經改變溫度、反應或溶劑揮發(fā)等作用，使之固化或凝固，從而形成具有模型形狀的產品，最終產品可以是成品，也可以是半成品。

(2)受力流動成形受力流動成形是指成形時在受力作用條件下，將呈流動狀態(tài)的物料注入模型型腔，或使物料通過一定形狀的口模，或附在模型表面，經溫度變化、反應或溶劑揮發(fā)等作用，使物料冷凝、固化，最終形成產品，產品一般無需后續(xù)加工即可直接使用。(3)受力塑性成形受力塑性成形是指在受力條件下，在高溫或常溫，或塑化條件下，使固態(tài)物料產生塑性變形而獲得所需尺寸、形狀及力學性能的成形方法。表2-6成形方法的類別表2-6成形方法的類別3.金屬材料常用的成形加工方法(1)鑄造(Casting)成形鑄造是指將通過熔煉的金屬液體澆入鑄型內，經冷卻凝固獲得所需形狀和性能的零件的制作過程。

(2)塑性成形(PlasticForming)塑性成形是指金屬材料在一定的外力作用下，利用金屬的塑性而使其成為具有一定形狀及一定的力學性能的加工方法，也稱為塑性加工或壓力加工。

(3)連接成形(ConnectionForming)材料的連接成形方法主要有焊接、粘接和機械連接等。

(4)機械加工成形材料的機械加工成形方法主要有車削、銑削、鉆孔、鋸切、刨削、銼削、磨削及拋光等，其相關知識可查閱《金屬工藝學》。(5)熱處理材料的熱處理是通過一定的加熱、保溫及冷卻工藝過程，來改變材料的相組成情況，從而改變材料的性能。圖2-8金屬塑性成形方法示意圖2.5材料的性質與使用性能2.5.1材料的物理性質及其表征

2.5.2材料的化學性質及其表征

2.5.3材料的力學性質及其表征2.5.1材料的物理性質及其表征1.熱學性質

2.電學性質

3.光學性質

4.磁學性質表2-7常用物理性質參量2.電學性質(1)導電性材料的導電性用電阻率或電導率來表征。

(2)介電性材料的介電性主要包括介電常數、介質損耗及介電強度等。

(3)壓電性某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內部會產生極化現象，同時在它的兩個相對表面上出現正負相反的電荷。

(4)鐵電性在一些電介質晶體中，晶胞的結構使正負電荷重心不重合而出現電偶極矩，產生不等于零的電極化強度，使晶體具有自發(fā)極化，晶體的這種性質叫做鐵電性。2.5.2材料的化學性質及其表征物質在化學變化中才能表現出來的性質叫做化學性質。材料的化學性質或化學性能是指材料抵抗各種介質作用的能力，包括溶蝕性、耐蝕性、抗?jié)B入性及抗氧化性等，歸結為材料的化學穩(wěn)定性。此外，同材料的化學性質有關的問題還有催化性及離子交換性等。2.5.3材料的力學性質及其表征1.強度

2.彈性與塑性

3.韌性與脆性

4.硬度表2-8材料力學性質指標及含義表2-8材料力學性質指標及含義2.6材料設計圖2-9新材料開發(fā)設計的過程模型圖2.7結構材料的失效2.7.1過量變形失效

2.7.2斷裂失效

2.7.3表面損傷失效

2.7.4失效分析的主要方法表2-9結構材料常見失效形式2.7.1過量變形失效1.過量彈性變形

2.過量塑性變形2.7.2斷裂失效1.斷裂的分類

2.零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂

3.零件在交變載荷下的疲勞斷裂

4.零件在高溫下的蠕變變形和斷裂1.斷裂的分類根據斷裂前金屬材料產生塑性變形量的大小，斷裂可分為韌性斷裂和脆性斷裂。根據斷裂面的取向，斷裂可分為正斷和切斷。根據裂紋擴展的途徑，斷裂可分為穿晶斷裂和晶間斷裂。根據裂紋斷裂機理，斷裂可分為解理斷裂、微孔聚集型斷裂和純剪切斷裂三類。根據載荷性質不同，斷裂可分為靜載和沖擊載荷下的斷裂、交變載荷下的疲勞斷裂、高溫下的蠕變斷裂及腐蝕介質中的腐蝕斷裂等。2.零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂零件在靜載和沖擊載荷下通常具有韌性斷裂和脆性斷裂兩種形式。靜載下評定材料抵抗斷裂能力的指標有材料的抗拉強度、抗剪強度、抗扭強度及抗彎強度等。而評定材料韌性的力學性能指標主要是沖擊韌性和斷裂韌性。3.零件在交變載荷下的疲勞斷裂(1)無裂紋零(構)件的疲勞抗力指標無裂紋零(構)件設計時最常用的疲勞抗力指標是疲勞極限、過載持久值和疲勞缺口敏感度。

(2)有裂紋零(構)件的疲勞抗力指標有裂紋零(構)件設計時常用的疲勞抗力指標是疲勞裂紋擴展速率和疲勞裂紋擴展門檻值。4.零件在高溫下的蠕變變形和斷裂(1)蠕變強度為了保證在高溫長期載荷作用下機件不產生過量變形，要求材料具有一定的蠕變強度。

(2)持久強度蠕變強度表征了材料在高溫長期載荷作用下對塑性變形的抗力，卻不能反映材料斷裂時的強度和塑性。2.7.3表面損傷失效1.磨損

2.腐蝕1.磨損(1)粘著磨損粘著磨損又稱為咬合磨損，是因兩種材料表面某些接觸點的局部壓應力超過該處材料的屈服強度而發(fā)生粘合并拽開產生的一種表面損傷磨損，多發(fā)生在摩擦副相對滑動速度小、接觸面氧化膜脆弱、潤滑條件差，以及接觸應力大的滑動摩擦條件下。

(2)磨粒磨損磨粒磨損也稱為磨料磨損，是指滑動摩擦時，在零件表面摩擦區(qū)存在的硬質顆粒(外界進入的或表面剝落的碎屑)，使摩擦表面發(fā)生局部塑性變形、磨粒嵌入和被磨粒切割等過程，以至摩擦表面材料逐漸損耗的一種磨損。(3)腐蝕磨損腐蝕磨損是指在摩擦力和環(huán)境介質的聯(lián)合作用下，材料表面的腐蝕產物剝落與摩擦面間的機械磨損相結合的一種磨損，一般有氧化磨損、微動磨損、沖蝕磨損和特殊介質腐蝕磨損。

(4)疲勞磨損接觸疲勞是零件(如齒輪、滾動軸承、鋼軌和輪箍等)的兩接觸面作滾動或滾動加滑動摩擦時，在交變接觸壓應力的長期作用下引起的一種表面疲勞剝落破壞而使物質耗損的現象，表現為接觸表面上出現許多針狀或痘狀的凹坑，稱為麻點，也稱為麻點磨損或疲勞磨損。2.腐蝕(1)高溫氧化腐蝕除少數貴金屬如金、鉑外，大多數金屬在空氣中都會發(fā)生氧化，形成氧化膜。

(2)電化學腐蝕材料發(fā)生電化學腐蝕的條件是不同材料間或同一材料的各個部分之間存在著電極電位差，而且它們是相互接觸并處于相互連通的電解質溶液中，這樣就構成微電池。

(3)應力腐蝕應力腐蝕是指機件在拉應力和特定的化學介質聯(lián)合作用下所產生的低應力脆性斷裂現象。

(4)腐蝕疲勞材料在交變載荷及腐蝕介質的共同作用下所發(fā)生的腐蝕失效現象稱為腐蝕疲勞。2.7.4失效分