材料概论全册配套最完整精品课件1.ppt

1、材料概论全册配套最完整材料概论全册配套最完整 精品课件精品课件1 材料概论的主要任务材料概论的主要任务 l材料科学与工程专业的材料科学与工程专业的重要基础课、第一门专业课重要基础课、第一门专业课； l着重介绍材料科学与工程学科的着重介绍材料科学与工程学科的内涵内涵、基本问题基本问题和和 共性问题共性问题； l介绍介绍无机非金属、高分子、金属、复合无机非金属、高分子、金属、复合材料的材料的个性个性 和和特点特点，对材料科学与工程，对材料科学与工程建立整体而又具体的认建立整体而又具体的认 识识； l介绍材料学科前沿领域和新材料的介绍材料学科前沿领域和新材料的发展趋势发展趋势。 材料概论材料概论 无

2、机化学无机化学 物理化学物理化学 材料工学材料工学 材料工程原理材料工程原理 认识实习认识实习 毕业实习毕业实习 毕业论文毕业论文 进一步深造进一步深造 分析化学分析化学 有机化学有机化学 材料科学基础材料科学基础 普通物理普通物理 现代测试方法现代测试方法 材料物理性能材料物理性能 固体物理固体物理 1.1.绪论绪论 2.2.材料科学与工程的材料科学与工程的 四个基本要素四个基本要素 3.3.无机非金属材料生产无机非金属材料生产 4.4.高分子材料生产高分子材料生产 5.5.金属材料生产金属材料生产 6.6.复合材料生产复合材料生产 7.7.材料应用材料应用 8.8.材料、环境资源材料、环境

3、资源 与可持续发展与可持续发展 9.9.材料生态设计材料生态设计 10.10.新材料和前沿材料新材料和前沿材料 周达飞周达飞.材料概论材料概论 . 北京：化学工业出版社，北京：化学工业出版社，2016 施惠生施惠生. . 材料概论材料概论. .上海：同济大学出版社，上海：同济大学出版社，20082008 Donald R. Askeland.Essentials of Materials Science and Engineering . 北京：清华大学出版社，北京：清华大学出版社，2005 冯端，师昌绪，刘治国材料科学导论北京：化学工冯端，师昌绪，刘治国材料科学导论北京：化学工 业出版社，业

4、出版社，20022002 顾家琳，杨志刚，邓海金，曾照强顾家琳，杨志刚，邓海金，曾照强材料科学与工程概材料科学与工程概 论论北京：清华大学出版社，北京：清华大学出版社，20052005 许并社许并社材料科学概论材料科学概论北京：北京工业大学出版社，北京：北京工业大学出版社， 20052005 与工程的形成与发展与工程的形成与发展 1.1.什么是材料什么是材料? 材料是由一定配比的若干相互作用材料是由一定配比的若干相互作用 的的元素元素组成、具有一定组成、具有一定结构结构层次和确定层次和确定 性能性能，并能用于制造物品、器件、构件、，并能用于制造物品、器件、构件、 机器或其他产品的机器或其他产品

5、的物质物质。 注意注意: 材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料. . 大多数的物质需通过一定的工艺过程才能转化大多数的物质需通过一定的工艺过程才能转化 为材料为材料. . 材料可由一种物质或若干种物质构成材料可由一种物质或若干种物质构成. . 同一种物质同一种物质, ,由于制备或加工方法不同由于制备或加工方法不同, ,可成为可成为 用途不同用途不同不同类型的材料不同类型的材料. . 催化剂载体催化剂载体 宝石宝石 基板材料基板材料 切削工具切削工具 激光材料激光材料 高温炉管高温炉管 Al2O3 生活中的材料生活中的材料 可口可乐容器可口可乐容器 铝

6、铝金属材料金属材料 玻璃玻璃无机非金属材料无机非金属材料 塑料塑料高分子材料高分子材料 材料是人类文明的材料是人类文明的里程碑里程碑，是人类进化的重要，是人类进化的重要 标志标志之一，人类历史曾以使用的主要材料来加之一，人类历史曾以使用的主要材料来加 以划分。以划分。 旧石器时代旧石器时代 新石器时代新石器时代 青铜器时代青铜器时代 铁器时代铁器时代 材料是人类赖以生存和发展的重要材料是人类赖以生存和发展的重要物质基础物质基础； 磨制石器磨制石器 70007000年前年前 陶器陶器 公元前公元前50005000年年 公元前公元前12001200年年 人类的文明史人类的文明史 材料的发展史材料的

7、发展史 人类学习利用材料、制造人类学习利用材料、制造 材料、创新材料的历史。材料、创新材料的历史。 材料发展近现代史材料发展近现代史 17121712年年 4 4次次技术革命技术革命 蒸汽机蒸汽机 电电 原子能原子能 计算机、生计算机、生 物、空间技术物、空间技术 纺织纺织 冶金冶金 机械机械 造船造船 电子电子 石油石油 化工化工 电气电气 通讯通讯 合成材料合成材料 半导体材料半导体材料 新型无机材料新型无机材料 高分子材料高分子材料 新型金属材料新型金属材料 复合材料复合材料 1818世纪末世纪末 1919世纪末世纪末 2020世纪中期世纪中期 2020世纪世纪7070年代年代 现代高新

8、技术的发展更离不开材料的发展现代高新技术的发展更离不开材料的发展, , 只只 有开发制备出满足性能需要的新材料后有开发制备出满足性能需要的新材料后, , 技术技术 创新才可能实现创新才可能实现, , 我们的生活才会更加丰富多我们的生活才会更加丰富多 彩彩. . 材料是人类材料是人类生存生存、社会、社会发展发展、科技、科技进步进步 的物质的物质基础，基础，是现代科技发展的是现代科技发展的先导。先导。 l材料是当代文明的三大支柱之一材料是当代文明的三大支柱之一 材料、能源、信息材料、能源、信息是当代社会文明和国民经是当代社会文明和国民经 济的三大支柱，是人类社会进步和科学技术发展济的三大支柱，是人

9、类社会进步和科学技术发展 的物质基础和技术先导。的物质基础和技术先导。 l新材料的研究、开发与应用反映一个国家的科新材料的研究、开发与应用反映一个国家的科 学技术与工业水平，关系到国家的综合国力与学技术与工业水平，关系到国家的综合国力与 安全。安全。 l材料是全球新技术革命的四大标志之一材料是全球新技术革命的四大标志之一 新材料技术、新能源技术、信息技术、生物技术。新材料技术、新能源技术、信息技术、生物技术。 以以半导体材料半导体材料为核心的计算机制造技术；为核心的计算机制造技术； 以以光导光导纤维为纤维为基础基础的光纤通讯技术；的光纤通讯技术； 以以超导超导材料为材料为基础基础的磁悬浮技术；

10、的磁悬浮技术； 以以耐热轻质耐热轻质材料为材料为结构材料结构材料的航空航天技术等，的航空航天技术等， 构成了现代科学技术的基础；构成了现代科学技术的基础； 纳米材料科学与技术纳米材料科学与技术是是2020世纪世纪8080年代发展起来的年代发展起来的 新兴学科，成为新兴学科，成为2121世纪新技术的世纪新技术的主导中心主导中心。 磁悬浮列车磁悬浮列车 核磁共振仪核磁共振仪 19461946年世界第一台计算机年世界第一台计算机 占地面积为占地面积为170170平方米左平方米左 右，重量右，重量3030吨。运算速度吨。运算速度 50005000次次/ /秒秒; ; 经过了经过了电子管、晶体管、电子管

11、、晶体管、 集成电路和超大规模集成集成电路和超大规模集成 电路电路四个阶段四个阶段。 现现: :几百亿次几百亿次/ /秒秒。 钛钛合金合金自行车自行车 28 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 190019201940196019802000 年份 发动机工作温度（） 现代涡轮喷气发动机现代涡轮喷气发动机 年代气冷年代气冷 式航空发动机式航空发动机 蒸汽机蒸汽机 1490C 3150C 6490C 10930C 19270C 发动机温度发动机温度 一次大战水冷式一次大战水冷式 3030年代空冷式年代空冷式 风扇喷气发动机风扇喷气发动机 涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机

12、 超音速燃烧冲压超音速燃烧冲压 式喷气发动机式喷气发动机 温度（温度（0 0C C） 32 波音波音777777客机上的发动机的压缩机、叶片及紧固件。客机上的发动机的压缩机、叶片及紧固件。 3030年代教练机年代教练机 二次大战战斗机二次大战战斗机 8080年代截击机年代截击机 航天飞机航天飞机 东方快车号东方快车号 10931649538 49oC 93.3oC 427oC 1093oC 1649oC 不同类型的飞行器蒙皮温度不同类型的飞行器蒙皮温度 温度（温度（0 0C C） 小飞机小飞机 直升机直升机 运输机运输机 波音波音707 战斗机战斗机 喷气式喷气式 机机 超音速飞超音速飞 机机

13、 近地卫星近地卫星 卫星卫星 飞机速率飞机速率 速度与效益速度与效益 10 102 103 104 每减少每减少1kg1kg所收获效益所收获效益 +175 +390 +595 金属金属 玻璃纤维玻璃纤维Kavlar C/CC/C复合材料复合材料 K m 导弹射程导弹射程 火箭壳体材料与导弹射程火箭壳体材料与导弹射程 按按化学组成化学组成分类分类 按材料的按材料的性能性能分类分类 按材料的按材料的应用应用分类分类 按材料按材料结晶状态结晶状态分类分类 按材料的按材料的尺寸尺寸分类分类 3.3.材料的分类材料的分类 金属材料金属材料 纯金属纯金属( (单质单质) )、合金、合金 黑色、有色、特殊金

14、属材料黑色、有色、特殊金属材料 无机非金属材料无机非金属材料 水泥、陶瓷、玻璃、耐火材料水泥、陶瓷、玻璃、耐火材料 高分子材料高分子材料 塑料、橡胶、纤维、涂料、粘合剂塑料、橡胶、纤维、涂料、粘合剂 复合材料复合材料 金属基、陶瓷基、树脂基、金属基、陶瓷基、树脂基、C/C 材料材料 1)1)按化学组成分类按化学组成分类 金属陶瓷金属陶瓷 Co+WC （硬质合金）（硬质合金） 金属、合金金属、合金 Fe,Al,Cu 钢铁钢铁 金属高分子金属高分子 橡胶橡胶 （轮胎）（轮胎） 无机非金属无机非金属 Al2O3 Si3N4，SiC 玻璃玻璃 有机高分子有机高分子 热塑性塑料热塑性塑料 弹性体弹性体

15、有机纤维有机纤维 陶瓷高分子陶瓷高分子 玻璃纤维树脂玻璃纤维树脂 碳纤维碳纤维+ +环氧树脂环氧树脂 四大类传统材料四大类传统材料 用碳纤维增强环氧树脂制得的高尔夫球杆强用碳纤维增强环氧树脂制得的高尔夫球杆强 度高、重量轻、刚性好。度高、重量轻、刚性好。 复合材料 2) 2) 根据材料的性能分类根据材料的性能分类 结构材料结构材料 功能材料功能材料 导电导电材料、材料、半导体半导体材料材料 绝缘绝缘材料、材料、超导超导材料材料 磁性磁性材料、材料、透光透光材料材料 隔热隔热材料、材料、催化催化材料材料 压电压电材料、材料、热电热电材料材料 铁电铁电材料、材料、非线性光学非线性光学材料材料 磁致

16、伸缩磁致伸缩材料、材料、光电光电材料材料 形状记忆形状记忆材料、材料、变色变色材料材料 按按物理效应物理效应分为：分为： 按按物理性质物理性质分为：分为： 结构材料结构材料 具有抵抗外场作用而保持自己的形状、具有抵抗外场作用而保持自己的形状、 结构不变的结构不变的优良力学性能优良力学性能（强度和韧性等），（强度和韧性等）， 用于用于结构目的结构目的的材料。的材料。 结构材料结构材料 杭州湾跨海钢铁大桥，桥长杭州湾跨海钢铁大桥，桥长3636公里公里 青藏铁路青藏铁路 1142公里公里 功能材料功能材料 具有优良的具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、化学和电学、磁学、光学、热学、声学、化学和

17、生物学功能及其相互转化的功能生物学功能及其相互转化的功能，被用于，被用于非结构目的非结构目的 的高技术材料。的高技术材料。 结构材料结构材料 智能材料智能材料 光学材料光学材料 磁性材料磁性材料 能源材料能源材料 电子材料电子材料 生物材料生物材料 航空、航天航空、航天 材料材料 功能材料功能材料 磁存储磁存储 电饭锅：利用磁性材料的居里点特性。电饭锅：利用磁性材料的居里点特性。 压电晶体和 光电晶体 PZT Fibers 56 3）按材料的应用分类）按材料的应用分类 电子材料电子材料、电工电工材料、材料、信息信息材料、材料、航空航天航空航天材材 料、料、 能源能源材料、材料、生物医用生物医用

18、材料、材料、建筑建筑材料材料 、 光学光学材料、材料、感光感光材料、材料、耐蚀耐蚀材料、材料、研磨研磨材料、材料、 耐火耐火材料、材料、结构结构材料、材料、包装包装材料等。材料等。 航空、航天材料航空、航天材料 能源材料能源材料 电子材料电子材料 光学材料光学材料 生物材料生物材料 建筑材料建筑材料 4）按材料的结晶状态分类）按材料的结晶状态分类 单晶材料：单晶材料：由由一个一个比较比较完整的晶粒完整的晶粒构成的材料，构成的材料， 如金刚石、单晶硅、单晶纤维；如金刚石、单晶硅、单晶纤维； 多晶材料：多晶材料：由由许多晶粒许多晶粒组成的材料，其性能与组成的材料，其性能与 晶晶 粒大小、晶界的性质

19、有密切关系粒大小、晶界的性质有密切关系, , 如各种陶瓷。如各种陶瓷。 非晶态材料：非晶态材料：由原子或分子排列由原子或分子排列远程无序远程无序的固的固 体体 材料，如玻璃、高分子材料。材料，如玻璃、高分子材料。 单晶金刚单晶金刚 石石 单晶单晶 单晶硅棒单晶硅棒 (直拉法直拉法) 多晶多晶 非晶非晶 液液 晶晶 5）按材料的尺寸分类）按材料的尺寸分类 零维材料零维材料 超微超微粒子粒子( (大小大小1 1100nm100nm的超微粒的超微粒) ) 一维材料一维材料 光导光导纤维纤维、碳纤维、硼纤维、陶瓷纤、碳纤维、硼纤维、陶瓷纤 维维; ; 晶须晶须强度和刚度最高。强度和刚度最高。 二维材料

20、二维材料 金刚石金刚石薄膜薄膜、高温超导薄膜、半导体、高温超导薄膜、半导体 薄膜薄膜 三维材料三维材料 块状块状材料。材料。 铁基纳米晶带材铁基纳米晶带材 材料科学与工程的定义材料科学与工程的定义 材料科学与工程：材料科学与工程：是关于材料是关于材料成分、结构、工成分、结构、工 艺艺和它们和它们性能性能与应用之间有关知识开发和应用与应用之间有关知识开发和应用 的科学。它是一个多学科的交叉领域，是从科的科学。它是一个多学科的交叉领域，是从科 学到工程的一个专业连续领域。学到工程的一个专业连续领域。 材料科学：材料科学：专注于理解材料成分、结构和它们专注于理解材料成分、结构和它们 性能及使用性能之

21、间的性能及使用性能之间的关系关系。 材料工程材料工程：着重于将物质或原料转变成具有适：着重于将物质或原料转变成具有适 当结构、满足使用性能要求的材料当结构、满足使用性能要求的材料材料化材料化 过程。过程。 4.4.材料科学与工程的形成与发展材料科学与工程的形成与发展 材料科学的形成材料科学的形成 社会经济需求 科学技术发展的持续推动 不同材料的诸多共性 有必要形成一门材料科学有必要形成一门材料科学 材料科学与工程的形成材料科学与工程的形成 材料科学与工程是多学科性的交叉学科。材料科学与工程是多学科性的交叉学科。 2020年代年代 A A 固体物理固体物理B B 材料工程材料工程 4040年代年

22、代 AB 6060年代年代 AB MS材料科学材料科学 7070年代以后年代以后 B MS MSE材料科学与工程材料科学与工程 材料学科的交叉和渗透材料学科的交叉和渗透 三大材料的交叉，衍生出许多复合材料。三大材料的交叉，衍生出许多复合材料。 基础学科向各材料学科的交叉和渗透。基础学科向各材料学科的交叉和渗透。 各材料学科之间的相互渗透、移植与借鉴。各材料学科之间的相互渗透、移植与借鉴。 在制造技术上也是互相渗透和借鉴。在制造技术上也是互相渗透和借鉴。 新技术在各类材料中得到广泛应用。新技术在各类材料中得到广泛应用。 金属基金属基 陶瓷基陶瓷基 树脂基树脂基 复合材料复合材料 粉末冶金粉末冶金

23、 金属陶瓷术金属陶瓷术 塑料压延成型塑料压延成型金属金属 板材轧制成型板材轧制成型 如等离子技术在冶金工业、金属材料如等离子技术在冶金工业、金属材料 焊接、表面化学热处理、气相沉积、焊接、表面化学热处理、气相沉积、 高分子和无机非金属材料等领域得到高分子和无机非金属材料等领域得到 广泛应用。广泛应用。 物理、化学、力学、物理化学、晶物理、化学、力学、物理化学、晶 体学体学 金属学金属学 无机材料科学基础无机材料科学基础 高分子物理与化学高分子物理与化学 Materials Science and Engineering 材料科学与工程的形成与发 展，反映了学科发展从细分 到整合（综合）的基本规

24、律。 材料学科的分合图材料学科的分合图 地地 质质采采 矿矿 矿矿 冶冶 化化 工工冶冶 金金 陶陶 瓷瓷 高分子高分子 物物 冶冶 化化 冶冶 物物 冶冶 力力 冶冶 物物 理理 社会科学社会科学 材料学 材料学 M M S S E E 化化 学学力力 学学 矿矿 18791879 18881888 18881888 19371937 19371937 19661966 19861986 19891989 19751975 美国美国 MIT 矿冶及材料系名称的演变矿冶及材料系名称的演变 年年系名称系名称 18651865 18791879地质与采矿工程地质与采矿工程 18791879 188

25、41884采矿工程采矿工程 18841884 18881888采矿工程采矿工程（地质、采矿、冶金）（地质、采矿、冶金） 18881888 18901890采矿与冶金采矿与冶金 18901890 19271927采矿工程与冶金采矿工程与冶金 19271927 19371937采矿与冶金采矿与冶金 19371937 19661966冶金冶金 19661966 19751975冶金与材料科学冶金与材料科学 19751975 现在现在材料科学与工程材料科学与工程 美国大学有关材料专业的变化趋势美国大学有关材料专业的变化趋势 系名称系名称196419641970197019851985 矿 物 与 采

26、矿矿 物 与 采 矿9 97 75 5 冶金冶金313121211717 材料材料111129295151 其它其它181821211717 合计合计696978789090 金属材料金属材料 材料材料 硅酸盐硅酸盐 材料材料 高分子高分子 材料科学与工程材料科学与工程 金属材料及热处理、粉末冶金金属材料及热处理、粉末冶金 高温合金、精密合金高温合金、精密合金 金属腐蚀与防护、金属物理金属腐蚀与防护、金属物理 水泥、玻璃水泥、玻璃 陶瓷、耐火材料陶瓷、耐火材料 高分子化学、高分子材料、高分子化学、高分子材料、 高分子化工、化学纤维高分子化工、化学纤维 、 橡胶制品、塑料成型加工工艺橡胶制品、塑

27、料成型加工工艺 工程工程 金属材料金属材料 材料工程材料工程 无机非金属无机非金属 材料与工程材料与工程 高分子高分子 材料科学与工程材料科学与工程 材材 料料 学学 材材 料料 物物 理理 与与 化化 学学 材材 料料 加加 工工 工工 程程 一级学科一级学科 二级学科二级学科 结论：结论： 不同的材料二级学科曾为社会培养了大量不同的材料二级学科曾为社会培养了大量 的专业人才；的专业人才； 已不能满足已不能满足21世纪人才培养的需求，必须世纪人才培养的需求，必须 进行改革；进行改革； 按照按照“四要素四要素”原则重新构建材料科学与原则重新构建材料科学与 工程的工程的大材料学科大材料学科。 材

28、料科学与工程的四要素材料科学与工程的四要素 合成与加工合成与加工 性质性质/ /使用性能使用性能 结构结构 （化学）（化学） （工程）（工程） （物理学）（物理学） 组成组成 材料科学与工程的内涵材料科学与工程的内涵 使用使用 性能性能 组成、组成、 结构结构 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 加工加工 性能性能 四四 要要 素素 陶瓷陶瓷金属金属高分子高分子 材料材料 复合材料复合材料 材料科学与工程材料科学与工程 例一、汽车底盘材料例一、汽车底盘材料 什么结构特性制约了 强度和成型性能? 什么性能控制强度? 性质性质/使用性能使用性能 成本成本 比强大小? 成型性能? 汽车的防撞性

29、如何? 制造成本? 铁基? 铝基? 使用何种合金元素? 使用量? 合成合成/制备制备 如何控制制备过程以获得高韧性、易成 型的钢铁材料? 如何制造空气动力学性能好的汽车底盘? 组成组成 结构结构 制备汽车底盘的材料要求制备汽车底盘的材料要求： 1)具有极高的强度，但易于成型，以制造出满足空气动力 学要求的外形轮廓； 2)考虑到能耗，钢板必须薄而轻； 3)为增加汽车的安全性，在撞车情况下钢板还必须能够吸 收大量的能量。 需考虑：成分、强度、重量、能量吸收性能以及延展性 材料科学家需从显微结构上检验钢材，以确定该材料是 否满足上述要求；他们还需采用低成本的制造方式。 在材料选择和设计过程中还必须考

30、虑：成型过程是否影 响钢材的力学性能？采用何种涂层可更好地提高钢的抗 腐蚀性能？这种钢材是否易于焊接？等等。 例二、三种不同的氧化铝材料例二、三种不同的氧化铝材料 单晶单晶多晶、低孔隙率多晶、低孔隙率多晶、高孔隙率多晶、高孔隙率 制备加工过程对产品性能的影制备加工过程对产品性能的影 响响 5.5.环境及其它影响材料的因素环境及其它影响材料的因素 材料设计及选用时需考虑材料设计及选用时需考虑温度、循温度、循 环应力、突然撞击、以及腐蚀和氧化环应力、突然撞击、以及腐蚀和氧化等等 环境因素的影响。环境因素的影响。 金属材料在高温下金属材料在高温下 突然失去强度突然失去强度 温度温度: : 温度的猛然

31、变化会改变材料的性能。温度的猛然变化会改变材料的性能。 材料强度随温度的变化材料强度随温度的变化 Titanic号破裂和沉没号破裂和沉没 极低温度下，金属材料和高分子材料亦发生脆化。极低温度下，金属材料和高分子材料亦发生脆化。 “挑战者挑战者”号载人航天飞机失号载人航天飞机失 事事 疲劳损伤疲劳损伤: : 当材料在使用过程中经历反复的加当材料在使用过程中经历反复的加 载和卸载，其内部微裂纹扩展而导致的材料损载和卸载，其内部微裂纹扩展而导致的材料损 伤称为疲劳损伤。伤称为疲劳损伤。 腐蚀腐蚀: : 大多数金属和高分子材料大多数金属和高分子材料与氧气和其它与氧气和其它 气体均会发生反应气体均会发生

32、反应，尤其是在较高温度下。材，尤其是在较高温度下。材 料也会受料也会受腐蚀性液体的侵蚀腐蚀性液体的侵蚀而永久损坏。而永久损坏。 应变速率应变速率: 材料选择和应用中，也应考虑应变材料选择和应用中，也应考虑应变 速率。如速率。如silly Puttysilly Putty是一种硅橡胶，当被缓是一种硅橡胶，当被缓 慢拉伸，可以变形很大，而被快速拉伸时，则慢拉伸，可以变形很大，而被快速拉伸时，则 很容易破裂。很多金属也有此现象。很容易破裂。很多金属也有此现象。 在大多数情况下，温度、疲劳损伤、应力和腐在大多数情况下，温度、疲劳损伤、应力和腐 蚀是互相相关的。材料除受到上述因素影响外，蚀是互相相关的。

33、材料除受到上述因素影响外， 还受到其它自然环境的影响，需根据材料使用还受到其它自然环境的影响，需根据材料使用 的具体环境进行选择和处理。的具体环境进行选择和处理。 材料的选择材料的选择 何种材料是恰当的？金属、陶瓷、高分子、复合材何种材料是恰当的？金属、陶瓷、高分子、复合材 料？料？ 具有具有满足性能满足性能的可选择材料。的可选择材料。 例一、液体容器的选择例一、液体容器的选择 可选材料：玻璃杯、陶瓷杯（土陶、炻器、瓷器可选材料：玻璃杯、陶瓷杯（土陶、炻器、瓷器 等）、金属（贵金属金、银等、不锈钢）、木杯、等）、金属（贵金属金、银等、不锈钢）、木杯、 纸杯、塑料杯（硬塑料、泡沫塑料）等。纸杯、

34、塑料杯（硬塑料、泡沫塑料）等。 此外，还需考虑其它一些因素：此外，还需考虑其它一些因素： 成本成本 使用寿命使用寿命 ( (一次性使用还是多次使用一次性使用还是多次使用?)?) 耐久性耐久性 ( (边缘是否易损？可否经得起机器洗涤？色边缘是否易损？可否经得起机器洗涤？色 彩保持程度如何彩保持程度如何?) ?) 外观外观 ( (是否具有装饰价值？色彩如何？等）是否具有装饰价值？色彩如何？等） 盛装何种液体盛装何种液体 ( (热的还是冷的？是否具有腐蚀性等）热的还是冷的？是否具有腐蚀性等） 综合考虑可选材料的这些因素综合考虑可选材料的这些因素产品工程师产品工程师 开发新材料，扩展可选材料品种开发新

35、材料，扩展可选材料品种材料科学家。材料科学家。 例二、高压气体容器材料的选择例二、高压气体容器材料的选择 (14MPa) 强度强度延展性延展性成本成本 金属金属 陶瓷陶瓷 高分子高分子 半导体半导体 复合材料复合材料 最终选择最终选择 金属金属 黑色金属黑色金属 有色金属有色金属 铁铁 钢钢高合金钢高合金钢 碳素钢和低合金钢碳素钢和低合金钢 ASTM A 414 - Grade G =Iron +0.31 wt% C max +1.35 wt% Mn max +0.035 wt% P max +0.04 wt% S max 材 料 概 论 各种材料(金属、高分子和无机非金属)不论其形状大小如何

36、,其宏观性能都是由其 化学组成和组织结构决定的。材料的性能与化学组成、工艺、结构的关系如下： 第二章 材料的组成、结构与性能 2.1 材料的组成 2.2 材料的结构 2.3 材料的性能 只有从不同的微观层次 上正确地了解材料的组 成和组织结构特征与性 能间的关系，才能有目 的、有选择地制备和使 用选用材料。 化学组成 工艺过程 本征性能 显微结构 材料性能 2.1 材料的组成 材料通常都是由原子or分子结合而成的，也可以 说是由各种物质组成的，而物质是由1种元素组成 的。按原子or分子的结合与结构分布状态的不同， 可分成3类： 第二章 材料的组成、结构与性能 组元、相和组织 固溶体 聚集体 复

37、合体 2.1.2 材料的化学组成 2.1.1 材料组元的结合形式 固溶体、聚集体和复合体 第二章 材料的组成、结构与性能 材料的组元: 金属材料多为纯元素，如普通碳钢 Feb)可锻铸铁;c)球墨铸铁 a c b 球状石墨 团絮状 石墨 片状/蠕虫 状石墨 铁素体 (C溶于Fe) / 铁素体+珠光体 椭球形TiO2颗粒(轴比1.3、尺寸nm量级)构成的光子晶体 （引自Jiang P., Bertone J.F., and Colvin V.L., Science 2001,291:453） 第二章 材料的组成、结构与性能 不同温度下水热电沉积制备的HA(磷酸钙盐类化合物) /TiO2复 合涂层的

38、环境扫描电镜照片 可看出：团粒状的TiO2微粒较均匀地分散在HA或CDHA涂层中，随T，HA 晶体由长针状(a)逐渐生长为长棒状(e)，晶体端面和长度呈增大趋势，从高倍 率图(f)，可看出晶体端面呈六边形。但晶体生长很不均匀，长短大小相差较 大，当200时，长度约1550m，直径约0.56 m。 (a)100(c)160 (b)140 (d)180(e)200(f)200,(e)的放 大 20m 20m 20m 20m 20m5m 2.宏观组织是用肉眼可以观察到的粗大组织， 有时是指用放大倍数20100的放大镜可观察 到组织。又可分为：单一和复合组织。这些组织 还可细分见表2-1 第二章 材料

39、的组成、结构与性能 *材料组织可分为： 1.微观组织(结构)也称微细组织、显微组织， 由原子的种类及其排列状态决定的。又可分为： 晶体结构与非晶态(无定形)结构。 组织组织(结构结构)类类 型型 主要构成物主要构成物实实 例例 微微 观观 组组 织织 晶体晶体聚集聚集 金属、无机物、有机物金属、无机物、有机物 金属、微晶玻璃、结晶高分子等金属、微晶玻璃、结晶高分子等 非晶非晶 聚集聚集 无机物、有机物无机物、有机物玻璃、玻璃态塑料、橡胶等玻璃、玻璃态塑料、橡胶等 宏宏 观观 组组 织织 单单 一一 组组 织织 致密致密 金属、无机物、有机物金属、无机物、有机物 型钢、棒钢、钢板、石材、塑料型钢

40、、棒钢、钢板、石材、塑料 板、塑料棒等板、塑料棒等 纤维纤维 金属、无机物、有机物金属、无机物、有机物 （链状高分子）（链状高分子） 金属、玻璃、石棉、羊毛、棉花、金属、玻璃、石棉、羊毛、棉花、 丝绢、尼龙、维尼纶等单纤维丝绢、尼龙、维尼纶等单纤维 复复 合合 组组 织织 聚聚 集集 组组 织织 纤维纤维 聚集聚集 无机、有机纤维的聚集无机、有机纤维的聚集 体（体（+空气）空气） 毛毡、垫料、织布等毛毡、垫料、织布等 多孔多孔 无机物、有机物无机物、有机物+空气空气 泡沫混凝土、加气混凝土、泡沫泡沫混凝土、加气混凝土、泡沫 塑料、木材等塑料、木材等 复合复合 聚集聚集 无机物、有机物复合聚无机

41、物、有机物复合聚 集体集体 灰砂浆、混凝土、纤维增强混凝灰砂浆、混凝土、纤维增强混凝 土、木纤维水泥板、石棉水泥板、土、木纤维水泥板、石棉水泥板、 玻璃钢、涂料、金属陶瓷玻璃钢、涂料、金属陶瓷 迭合组织迭合组织 两种以上材料的迭合两种以上材料的迭合 胶合板、石膏板、蜂窝板、钢筋胶合板、石膏板、蜂窝板、钢筋 混凝土等混凝土等 表2-1 材料组织的分类 (p19) 相同条件下，材料性能随其组织的不同而变，如： 第二章 材料的组成、结构与性能 *通过控制和改变钢的组织，可以使硬度很 低or很高； *胶合板是单片板用 胶合剂粘合成使纤 维方向互相垂直相 交，以改善木材各 向异性的缺点； 热轧时钢的组织

42、变化 1、轧件 2、轧前晶粒； 3、上辊 4、下辊 5、变成细长晶粒； 6、细晶粒出现； 7、新晶粒长大； 8、形成新晶粒。 *泡沫塑料是在组织内引入气孔以减轻质 量，增大弯曲刚性，同时降低其导热率； *钢筋混凝土和增强塑料，是以钢筋or纤 维作为增强材料，以获得单一材料所不 具备的优良性质。 溶体：2种的原子or分子溶合在一起时的状态。 一般是原子or分子的均匀混合物，不是化合物。 溶液：液态溶体。 第二章 材料的组成、结构与性能 固溶体 固溶体：固态溶体，即溶质组元溶入溶剂组元的晶格中所形成的单相固体。保持 溶剂组元的晶格类型。如：C溶入Fe形成以Fe为基的固溶体，其晶格没变 仍为体心立方

43、结构。 合金与陶瓷中有不少是属于固溶体。 固溶体的分类：按溶质原子在溶剂晶格中的位置不同可分成: 第二章 材料的组成、结构与性能 置换型固溶体(或称取 代型)：溶剂A晶格中的原 子被溶质B的原子取代所 形成的固溶体。原子A同 B的大小要大致相同。 填隙型固溶体(也称间隙型)：在溶剂A的晶格间隙 内有溶质B的原子填入(溶入)所形成的固溶体。B原 子必须是充分小的，如C和N等是典型的溶质原子。 对同1种晶体，可同时存在这2种形式的 固溶体，如普碳钢中，Mn在-Fe中是取 代固溶，C是填隙固溶。 第二章 材料的组成、结构与性能 与纯金属相比，合金固溶体的物理、化 学性能均发生了不同程度的变化： *溶

44、入溶质原子，将使固溶体的强度和硬度 ，称为固溶强化； *要求高导磁率、高塑性和高抗蚀性的合 金，其金相组织多数由1种固溶体组成； 第二章 材料的组成、结构与性能 *要求强韧兼备的结构材料：常采用以固溶体为 基，而细小质点的第2相呈弥散分布的材料。 *不少固溶元素可明显地改变基体的理化性 能。如Si溶入-Fe中可 导磁率、 比电阻， 含24%Si的硅钢片是1种应用广泛的软磁材料。 聚集体 第二章 材料的组成、结构与性能 有的晶粒间呈连续变化牢固地结合在一起(如 金属or固溶体等)； 一般金属or无机材料，不论是由“单元素”、 “固溶体”or由“两种元素的结晶相”构成的 抑或是“结晶相 间隙原子晶

45、体本身的原子占据了间隙位置。间隙原 子常比空位少得多, 它在金属中所引起的结构畸变太大。空 位的重要特点是能与相邻原子交换位置而运动。这使 得原子高温时可在固态中进行迁移(即扩散)。T 平 均热能 原子振动的振幅也。 组成缺陷：前面已谈的杂质原子；电荷缺陷。 理想晶体中一些原子被外界原子所代替, or晶格间隙中掺入原子, or留有原子空位, 破坏了有 规则的周期性排列, 引起质点间势场的畸变, 所造成 晶体结构的不完整, 仅仅局限在原子位置。可分为： 点缺陷： 第二章 材料的组成、结构与性能 热运动，晶体中总有一些原子要离开它的平衡位置，造 成点缺陷。金属和共价固体中2种最常见的与杂质原子无关

46、 的结构点缺陷见图2-7 。 弗伦克尔缺陷：一些能量足够 大的原子离开平衡位置后，挤到格子点的间隙中，形成间 隙原子，而原来位置上形成空位。肖特基缺陷：固体表 面层的原子获得较大能量，但还不足够使它蒸发出去，只 是移到表面外新的位置上，而留下原来位置形成空位，这 样晶格深处的原子就依次填入表面上的空位逐渐转移到 内部去。 一般，r+r-时以肖特 基缺陷为主如NaCl， 相差大时以弗伦克尔 缺陷为主如AgBr。这 两种缺陷都对离子晶 体的导电性均有贡献。 刃位错：特性是滑移方向和位错线垂直，见图2-8。 螺旋位错：由于剪应力的作用使晶面互相滑移，滑 移部分的相交位错线和滑移方向平行。位错线周围

47、的一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡面。 第二章 材料的组成、结构与性能 线缺陷： 实际晶体在结晶时受到杂质、温度变化or 振动产生的应力作用or受到打击、切削、研磨等机械 应力的作用，使晶体内部质点排列变形，原子行列间相 互滑移，不再符合理想晶格的有序的排列，形成线状的 缺陷，也称为位错。造成质点滑移面和未滑移面的交界 线称为位错线。 (a) 为在剪应力作 用下，使晶体的1 个原子面相对其相 邻原子面移动1个 原子间距； (b)为在宏观尺度中， 所引起的永久形变 表现为晶体的一部 分相对另一部分发 生位移。 第二章 材料的组成、结构与性能 多晶体是由许多结合得并不十分严密的微小晶粒构成的聚集

48、体。如图2-9所示的构造 就是1种面缺陷。 晶界(晶粒之间的边界)是能量较高的结晶不完善的区域, 其厚度等于12个原子直径。 由于晶界的原子堆积不完善, 所以杂质原子倾向于偏聚在晶界上。 第二章 材料的组成、结构与性能 面缺陷 只有在一定条件下如有籽晶存在 ,才能形成单晶体。多数固体是多晶体, 许多地点有 晶核产生。如铸锭凝固时, 形成许多晶粒。缓慢凝固的铸件, 有时能用肉眼看到晶粒; 凝 固速率较快, 晶粒尺寸就会小些, 只有借助于光学显微镜才能够看见晶粒。 每个单独的晶粒都是单晶体，在1个晶 粒内，给定的1组原子面在空间具有相 同的位向，但其相邻的晶粒具有不同的 结晶学位向。晶粒之间不是公

49、共面，而 是公共棱的。原子面从1个晶粒到相邻 的晶粒是不连续的。 图2-9 表示多晶体中各 个晶粒位向的示意图 第二章 材料的组成、结构与性能 金属材料的结构 无机非金属材料的结构 高分子材料的结构 多相复合材料的结构模式 2.2.3 材料的结构 当原子or分子结合成固体时，可能形成晶体， 也可能形成非晶体。不具有明显晶体结构的状 态统称为无定形结构or非晶质。液体、气体等 均属于无定形结构，也有例外，如液晶。 第二章 材料的组成、结构与性能 金属材料的结构：一般都是晶体。金属键无方向 性，晶体结构具有最致密的堆积方式，配位数Z(1个原 子最邻近的、等距离的原子数)也特别高。金属晶体结构 会随

50、T发生变体转变，常温下金属元素晶体结构(见图2-10) 第二章 材料的组成、结构与性能 体心立方结构BCC(body-centered cubic structure)在立方晶格的中心具有原子，如常 温下的铁、铬、钨等 (a)单位晶格 (b)2个以上晶格 (c)原子的堆积 多数是体心立方、面心立方和紧密堆积六方结构。碱金属 均为体心立方，Z=8；碱土金属多数为六方密堆积， Z=12； 过渡金属先是六方密堆积和体心立方，最后完全过渡到面 心立方结构。面心立方和六方密堆积一样，是最密的堆积 方式，Z也是12。 面心立方结构 FCC(face-centered cubic structure) 在立