材料科学与工程导论

1、材料的分类分类一：按物理化学属性划分无机非金属材料 金属材料 高分子材料 复合材料 分类二：按用途分 电子信息材料 航空航天材料 核材料 建筑材料 生物医用材料 能源材料分类三：按性能分 结构材料：力学性能为基础，制造受力构件所需的材料。 功能材料：利用物质独特的物理化学性质或生物功能而形成的材料。21世纪材料生产模式 材料的单项循环：材料产业：资源 能源 消耗大户 环境污染的主要来源材料循环 材料双向循环模式废物在不同生产过程中循环 多产品共生的工业模式 三废综合利用材料科学与工程的定义材料科学：研究材料的组织结构与性质之间的关系。材料工程：是研究材料在制备、处理加工过程中的工艺和各种工程问

2、题。材料科学与工程：是指出研究有关材料的组成、结构、制备工艺流程与材料性能和用途关系的知识和它的应用。材料科学与工程的特点基础科学研究结构 性能 使用特性社会需求和经验科学知识经验积累MSE工艺材料科学与工程的特点一是多学科科交。它是物理学、化学、金学、金属学、陶瓷学、高分子化学及计算科学相互融合和科交的结果；二是一种与与实使用结合非非常紧的科学。发展材料科学的目的在于开发新材料，提高材料的性能和质量，合理使用材料，同时降低材料成本和减少污染；三是材料科学是一一个在发展中的科学。不像物理学、化学已有很成熟的体系，它将随着各有关学科的发展而得到充与和发展。材料科学与工程的内涵组成要素：成分结构合

3、成加工使用效能是各学科综合发展的必然结果固体物理、无机有机化学、物理化学物质结构和性质、金学、金属学陶瓷学、高分子学材料的制备结构与性能金属材料、高分子材料与陶瓷材料之间的共性规律材料科学材料性质：是功能特性和效用的描述符，是材料材料性质：是功能特性和效用的描述符，是材料 对电对电. .磁磁. .光光. .热热. .机械载荷的反应。机械载荷的反应。9材料性质描述材料性质描述力学性质力学性质物理性质物理性质化学性质化学性质强度强度硬度硬度刚度刚度塑性塑性韧性韧性电学性质电学性质磁学性质磁学性质光学性质光学性质热学性质热学性质催化性质催化性质腐蚀性腐蚀性氧化性氧化性10材料力学性能材料力学性能在外

4、加载荷或与环境因素联合作用下表现出的各种行为。11结构材料性质的表征-材料力学性质强度：材料抵抗外应力的能力。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。硬度：材料在表面上的小体积内抵抗变形或 破裂的能力。刚度：外应力作用下材料抵抗弹性变形能力。12结构材料性质的表征-材料力学性质疲劳强度：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。韧性：材料从塑性变形到断裂全过程中 吸收能量的能力。13强度范畴刚度范畴塑性范畴韧性范畴应 力应 变142. 2. 强度表征： 弹性极限 屈服强度 抗拉强度 断裂强度 强 度1. 1. 强

5、度定义： 抵抗变形抵抗变形和断和断 裂的能力裂的能力强度指标的意义 弹性极限：发生弹性形变中的最大应力。弹性结束 塑性变形的开始。 理论值。 0.01残留 塑 性变形0.01应力。15弹性变形是物体卸载后就完全消失的那种变形,而塑性变形则是指卸载后不能消失而残留下来的那部分变形又称残余变形。强度指标及意义 屈服强度：屈服现象开始发生时的应力，是材料发生明显塑性变形的抗力。 屈服：试样继续拉长载荷却不增加。条件屈服强度：一定残余伸长对应的应力。0.01 0.2 应用：制品的设计材料加工如 高压气紧容器 常锢螺栓 紧封圈 橡胶垫16强度指标的意义 抗拉强度：开始发生颈缩时的应力。 断裂强度：断裂时

6、的应力值。17bf比较各种材料的性能。但对材料选择和加工意义不大。屈服强度决定18材料力学性能材料力学性能 塑性表征及意义塑性表征及意义塑性：断裂前材料发生塑性：断裂前材料发生塑性变形塑性变形的的能力。能力。指卸载后不能消失而残留下来的那部分变形 延伸率延伸率断面收缩率断面收缩率19延伸率延伸率 是塑性伸长的量度是塑性伸长的量度 =L/L0=（L-L0）/L0 原始标距长度原始标距长度 断裂后试样的标距长度断裂后试样的标距长度断面收缩率断面收缩率 是塑性收缩的量度是塑性收缩的量度=Af/A0加工硬化 金属材料在再结晶温度以下经加工（压锻）产生塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象。2

7、0加工硬化 有利：它可提高金属的强度、硬度和耐磨性。如冷拉高强度钢丝和冷卷弹簧 负面：进一步加工带来困难。 冷轧钢板愈轧愈硬 切削加工使工件表层变脆硬使刀具磨损、增大切削力2122材料力学性能材料力学性能硬度：材料表面局部抵抗变硬度：材料表面局部抵抗变形的能力。形的能力。测量：压痕法测量：压痕法 压头压头 一定压力一定压力 材材料表面压痕尺寸。料表面压痕尺寸。布氏试验布氏试验 -布氏硬度布氏硬度洛氏试验洛氏试验-洛氏硬度洛氏硬度维氏试验维氏试验 -维氏硬度维氏硬度硬度表征及意义硬度表征及意义 布氏硬度：淬火钢球 载荷 压痕总面积 维氏硬度：金刚石棱锥 载荷 压痕总面积 洛氏硬度：金刚石圆锥 压

8、入深度2324材料力学性能材料力学性能 刚度刚度 表征和意义表征和意义刚度：外应力作用下材料抵抗弹性变形能力。弹性变形：外载荷撤去后，能完全弹性变形：外载荷撤去后，能完全消失恢复试样原样的变形。消失恢复试样原样的变形。 刚度的表征 弹性模量：弹性变形阶段应力和应变的比值，E 取决于材料本质，内部原子结合键的强弱。 与组织变化关系不大25弹性行为：载荷取消后，试样尺寸恢复原样的行为。刚度表征和意义 弹性行为 分类26线形 非线性 滞弹性阻尼 减震27材料力学性能材料力学性能 疲劳强度表征疲劳强度表征疲劳强度：疲劳强度：材料抵抗交变应力作用下断裂破坏的能力。 疲劳：承受载荷低于屈服强度，但在交变应

9、力下长时间工作材料失效的现象。疲劳失效过程：裂纹形成，裂纹发展和突然断裂。28疲劳寿命：在一定交变应力下，不发生断裂疲劳寿命：在一定交变应力下，不发生断裂的最大时间的最大时间疲劳极限：材料能够经受无限多次（108）循环应力而不断裂的最大应力。29材料力学性能材料力学性能 抗蠕变性能表征意义抗蠕变性能表征意义抗蠕变性：材料在恒定应力（或恒定载 荷）作用下抵抗变形的能力。蠕变：高温下受到应力，随时间发生缓慢塑性变形的现象。抗蠕变性表征：抗蠕变性表征：蠕变极限蠕变极限 持久强度持久强度 蠕变极限：在一定温T度和规定时间t内,式样产生一定蠕变伸长量的应力。 符号表示和意义 持久强度：在一定温度下，规定

10、时间内 发生断裂的应力。符号表示和意义3031材料力学性能材料力学性能 韧性表征和意义韧性表征和意义韧性表征：韧性表征：冲击韧性冲击韧性 KIC断裂韧性断裂韧性 KIC韧性：材料从塑性变形到断裂全过程中 吸收能量的能力。是强度和塑性 的综合量度。韧性表征和意义 断裂韧性：抵抗裂纹失稳扩展而断裂的能力。 断裂：裂纹产生，扩展超过临界尺寸，失稳快速扩展断裂。 KI 应力场强因子 KIC 临界应力场强因子 裂纹扩展的临界状态对应的场强因子，代表材料的断裂韧性。3233KI 应力场强因子外加应力 决定电导率的基本参数决定电导率的基本参数 parameters parameters 载流子类型载流子类型

11、 charge carrier 电子、空穴、个离子、负离子 载流子数载流子数 charge carrier density-n, charge carrier density-n, 一一/m/m3 3 载流子迁移率载流子迁移率 electron mobility mobility 聚合物的电导性聚合物的电导性结构型结构型 共轭效应共轭效应 双键双键 环环添加型添加型 参杂参杂 添加或去掉电子添加或去掉电子 卤族原子卤族原子 碱金属离子碱金属离子 复合复合 导电的纳米粉体导电的纳米粉体 石墨石墨 碳纳米管碳纳米管 金属粉末等金属粉末等导电聚合物的应用导电聚合物的应用理理想情况下，导电聚合物具有金

12、属导电性，想情况下，导电聚合物具有金属导电性，且重量轻、易加工、材料来源广等特点且重量轻、易加工、材料来源广等特点 。用作电极、电磁波屏蔽、抗静电材料等用作电极、电磁波屏蔽、抗静电材料等 半导体器件和发光器件方面得应用半导体器件和发光器件方面得应用 聚合物电池、电致变色显示器、聚合物电池、电致变色显示器、 电化学传感器、场效应管、电化学传感器、场效应管、 聚合物发光二极管（聚合物发光二极管（LED）超导电性超导电性在一定低温下材料突然失去电阻的在一定低温下材料突然失去电阻的现象现象 （小于10-25cm）1913年年 , 超导现象发现超导现象发现, 诺贝尔物理奖诺贝尔物理奖 1987年年, 在

13、陶瓷（金属氧化物）中发现超导现象，在陶瓷（金属氧化物）中发现超导现象，超导研究取得重大突破超导研究取得重大突破, 诺贝尔物理奖诺贝尔物理奖超导体的两种特性超导体的两种特性： 完全导电性完全导电性 完全抗磁性磁场强度始终为完全抗磁性磁场强度始终为零零三一性能指标三一性能指标 超导转变温度超导转变温度Tc 愈高愈好 临界磁场临界磁场Hc 破坏超导态的最小磁场。 随温度降低，Hc将增加； 当TTc时, Hc=Hc临界电流紧度临界电流紧度Jc 材料的分类及其电导率材料的分类及其电导率 材料材料 电阻率电阻率 电导率电导率 超导体超导体 导体导体 半导体半导体 绝缘体绝缘体 0 10-8-10-5 10

14、-5-107 107-1018 105-108 10-7-105 10-18-10-7 40材料物理性能材料物理性能 磁性磁性2. 磁学性：磁学性：磁化磁化 强度强度 外磁场，物质被磁化的程度。磁化磁化: 在外磁场作用下,各磁矩规则取向，宏观呈磁性 磁导率磁导率 磁感应强度和磁场强度比值，磁感应强度和磁场强度比值，表征物质被磁化程度的物理量 磁化率磁化率 磁化强度和磁场的比值磁化强度和磁场的比值磁矩磁矩表征磁性物体磁性大小的物理量。m 电子轨道轨道磁矩 电子自旋自旋磁矩磁感应强度：磁感应强度：物质在外磁场中，会被磁化并感生一附加磁场，其磁场强度H与外磁场强度H之和称为该物质的磁感应强度B磁性的

15、本质磁性的本质 电子的磁矩电子的磁矩 电子的自旋磁矩轨道磁矩电子的自旋磁矩轨道磁矩 孤立原子孤立原子 具有“永久磁矩永久磁矩” 有未被填满的电子壳层 不具磁性不具磁性 原子各层都充满电子 抗磁性抗磁性 外磁场中，感生一一磁矩，与外磁场方向相反 顺磁性顺磁性 原子内部存在永久磁矩永久磁矩 有外磁场有外磁场，显示极弱磁性 无外磁场无外磁场，宏观无磁性铁磁性铁磁性 强磁性物质强磁性物质，Fe，Co，Ni 室温下磁化率可达103。 较弱磁场 较高的磁化强度； 外磁场移去保留较强磁性44矫顽力：矫顽力：使剩磁降低为零所需要的磁场强度。 磁滞特性磁滞特性 软磁材料软磁材料 硬磁材料硬磁材料无机非金属材料的

16、磁学性能无机非金属材料的磁学性能 磁性无机材料一般是含铁及其它元素的复合氧化物，通非称为铁氧体铁氧体 亚铁磁性亚铁磁性 高分子材料的磁学性能高分子材料的磁学性能1、大多数体系为抗磁性材料抗磁性材料 2、顺磁性顺磁性仅存在于两类有机物 含有过渡金属过渡金属 含有属于定域态或较少离域的未成对电子未成对电子 （不饱和键、自由基等）47材料物理性能材料物理性能 热学性能表征：热学性能表征：热导率热导率热膨胀系数热膨胀系数熔点熔点比热比热 热应力热应力 耐热性耐热性热导率热导率：单位温度梯度单位温度梯度下， 单位时间单位时间内通过单位垂直单位垂直 面积面积上的热量热量 耐热性耐热性指在受负荷下，材料失去

17、其物理机械性能而发生永久变形永久变形的温度。 耐热性耐热性指在受负荷下，材料失去其物理机械性能而发生永久变形永久变形的温度。 各种 材料的使用上限温度 高分子材料高分子材料 非温及中温条件下使用，500C，一般170C。 钢钢550C；合金900C；石墨3000C。 陶瓷陶瓷2000C。材料的化学性质 腐蚀：材料在周围介质作用下，基体遭受破坏的现象。 化学腐蚀 电化学腐蚀 物理腐蚀49 腐蚀防护合金化涂层阴极保护502. 性质与使用性能的区别与关系性质与使用性能的区别与关系成分成分结构结构环境环境性质性质规范规范使用使用性能性能所以，性能是包括材料在内的整个系统特征的体现； 性质则是材料本身特

18、征的体现。51性能是随着外因的变化而不断变化，是个渐变过程，在这个过程中发生量变的积累，而性质保持质的相对稳定性；当量变达到一个“度”时，将发生质变，材料的性质发生根本的变化。性质与性能的区别与关系52失效性质失效性质失效环境失效环境失效行为失效行为力学力学低温、过载荷低温、过载荷脆断、疲劳、断裂脆断、疲劳、断裂化学化学化学介质化学介质腐蚀破坏腐蚀破坏催化剂失效催化剂失效电学电学电压、电流电压、电流电介质击穿电介质击穿电流过载电流过载热学热学高温高温高温融化高温融化蠕变破坏蠕变破坏3. 失效分析失效分析材料材料使用性能使用性能的重要研究内容的重要研究内容53断裂断裂磨损磨损腐蚀腐蚀三类主要的材

19、料力学失效形式三类主要的材料力学失效形式54 材料的结构材料的结构键合结构键合结构晶体结构晶体结构组织结构组织结构55 材料的结构材料的结构-键合结构键合结构离子建离子建共价键共价键金属键金属键化学键化学键氢氢 键键分子键分子键物理键物理键结合能结合能陶瓷材料陶瓷材料高分子材料高分子材料金属材料金属材料冰（冰（H20）卤族晶体卤族晶体注：注：1. 有些陶瓷材料属共价键化合物，如有些陶瓷材料属共价键化合物，如SiC陶瓷；陶瓷； 2. 分子键又称范德瓦尔斯力分子键又称范德瓦尔斯力 3. 实际晶体并非只有一种键合结构，如冰晶（共价键、氢键）实际晶体并非只有一种键合结构，如冰晶（共价键、氢键）原子参量

20、及原子空间配位 材料是众多原子的以一定的键和方式形成“聚集”体。 原子间距和各原子的空间配置（配位） 原子间距由原子本身的尺寸和成键类别决定。 原子配位数：一一原子以化学键形式所连接的原子数，也是此原子所具有的第一近邻数。键和结构与材料性质 弹性模量 ： 组成原子的 间距的变化弹性变形 原子的键和形式 陶瓷材料 金属材料 高分子 高弹模量 模量高 模量低 共价键 金属键 分子间58晶晶 体：体：原子排列长程有序，有周期原子排列长程有序，有周期 材料的结构-原子的排列原子的排列 晶体结构晶体结构非晶体：原子排列短程有序，无周期非晶体：原子排列短程有序，无周期准晶体：原子排列长程有序，无周期准晶体

21、：原子排列长程有序，无周期晶体和非晶体晶体大多有规则外形本质区别：原子是否周期规则排列（X射线）凝固点和熔点晶体 各向异性非晶体各项同性一定条件下可相互转化 玻璃高温处理晶态玻璃， 晶体液化后快速冷凝成非晶体（差热分析） 晶核 单晶 多晶 晶粒 晶界晶体和非晶体非晶体：短程有序，长程无序热力学上处于亚稳态高温退火晶化低温退火结构松弛。金属纯铁显微组织及晶粒位向示意图假各向同性晶体结构的基本概念 晶体：组成原子分子或离子在三维空间规则周期排列的物体。 这种排列方式为晶体结构。 空间点阵 原子抽象为点 空间格子 点连接起来晶格参数 单位晶胞：能够反映晶格特性的最小几何单元。 晶胞描述：晶胞一点为原

22、点，过此点的三棱为晶轴 XYZ 各轴夹角为轴间夹角。 七大晶系14种布拉斐点阵根据各棱长是否相等棱角是否相等成直角等为分类依据。晶向指数和晶面指数 晶向：任意两一原子连线所指的方向。 晶向指数的确定 1。选坐标 晶轴为长度单位。 2。平移晶向线得OP 3。确定点P及坐标值 4。取最小整数u v w 晶面：一系列原子构成的平面。 晶面指数确定： 1。定坐标原点不在晶面上 2。晶面截距平行无穷 3。取倒数 4。化为最小整数（h k L ）三种典型晶体结构 金属晶体 尽可能的常紧排列结构。 面心立方 face- centered cubic (fcc) 体心立方 body-centered cubi

23、c（bcc） 紧排六方 hexagonal closed packed (hcp) 同素异晶转变 有的元素具有多种晶体结构，在一定条件下可以相互转变这种转变称为912a-Fe912-1394r-Fe1394-Fe小于18灰锡高于18白锡高分子材料的结构 单体 链节 分子链 聚合度晶体缺陷点缺陷 空位 间隙原子 置换原子等线缺陷 位错 刃型 螺旋型面缺陷 晶界 亚晶界热致无序 -273度 原子基本静止 原子在平衡位置附近，因热振动引起的微小位移所产生的不规则性。点缺陷空位 原子热运动离开原位置间隙原子置换原子 共价晶体引起电子缺陷离子晶体 引起阳离子空位面缺陷晶体材料的表面就是最大的面缺陷。晶界

24、：晶体材料一般由许多小晶粒组成，各晶粒之间的分界面。相邻晶粒的晶轴取向一般不同，位相差在10-15以下形成的晶界小角度晶界。不同晶粒的原子的取向不同，所以晶界处的原子排列极为混乱，也就形成了面缺陷。亚晶界， 相界等非晶态 玻璃 热固性树脂 非晶态 金属液体 急速冷却 106k/s 非晶态 金属玻璃 软糍材料 涡磁损耗 硅钢片的1/3 超强 耐高温 耐腐蚀熔化 晶体结构破坏，原子取向和位置有序消失。玻璃化转变和结晶 结晶：温度低于熔点，缓慢降温，晶核形成，长大，是结构无序向结构有序，原子无定域向有定域的共同转变。液晶态 晶态结构受热熔融或溶剂溶解，成流动性液体，分子位置无序，但结构上有序排列，具

25、有各向异性，是晶体和液体的过渡态。 热致液晶 溶致液晶相图原理 相图：一定条件下，处于热力学平衡态的物质系统中平衡相之间关系的图形。每一点都反映 该条件下，材料由什么相组成，各相的成分与含量。 吉布斯相率：热力学平衡，自由度与组元数和相数之间关系的规律。 相图原理 相：系统中性质与成分 均一的 一部分。不同的相之间有界面隔开。可以是 固液或气态气相数最多为一液固可有两相或更多 相的种类大小形态和分布构成材料的显微组织结构。 相平衡：多相系统中，所有相的强度性质（温度、压强、每一组分在所有相中的化学位等）均相等，体系性质不会自发随时间变化的状态。 相图原理 组元：决定各平衡相的成分， 且可以独立

26、变化的成分（元素或化合物）。 自由度：可以在一定范围内任意改变而不引起任何相的产生与消失的最大变量数。 变量：一般指温度 压强和成分。组元数 C，自由度F和相数P在热力学平衡系统中：F=C-P+n 自由度必须大于或等于零n 影响系统平衡的外界条件 温度 压强 等材料相图意义 用图解的方式描述平衡状态下，材料的成分、相合外界条件的相互关系。 一般以成分、温度和压力为变量来绘制相图。二元匀晶相图二元匀晶相图两组元在液态和固态都能无限互溶。如两组元在液态和固态都能无限互溶。如CuCuNiNi、AgAgAuAu形成二元形成二元合金对应的相图就是二元匀晶相图合金对应的相图就是二元匀晶相图相图的构成相图的

27、构成：由两条曲线：由两条曲线将相图分为三一区。左将相图分为三一区。左右两端点分别为组元的右两端点分别为组元的熔点。上面的一条曲线熔点。上面的一条曲线称为液相线，液相线之称为液相线，液相线之上为液相的单相区，非上为液相的单相区，非用用L L表示；下面的一条曲表示；下面的一条曲线称为固相线，固相线线称为固相线，固相线之下为固溶体的单相区，之下为固溶体的单相区，非用非用表示；两条曲线表示；两条曲线之 间 是 双 相 区 ， 标 记之 间 是 双 相 区 ， 标 记L+L+表示。表示。 相图的用途1.1. 由材料的成分和温度预知平衡相；由材料的成分和温度预知平衡相；2.2. 材料的成分一定而温度发生变

28、化时其他平衡相变化的规律；材料的成分一定而温度发生变化时其他平衡相变化的规律；3.3. 估算平衡相的数量。估算平衡相的数量。预测材料的组织和性能预测材料的组织和性能二元共晶相二元共晶相两组元在液态下无限互溶，固态下有限溶解，一组元溶入另一组两组元在液态下无限互溶，固态下有限溶解，一组元溶入另一组元中时元中时都都使凝固温度下降，并发生共晶转变。如使凝固温度下降，并发生共晶转变。如PbPbSnSn、AgAgCuCu等形成二元合金对应的相图就是二元匀晶相图等形成二元合金对应的相图就是二元匀晶相图。 相图的构成相图的构成：tAE和和t tB BE E为两液相线，为两液相线，与其对应的与其对应的t tA

29、 AC C和和t tB BD D为两固相线；为两固相线；CGCG和和DHDH固溶体固溶体、的溶解度随的溶解度随温度变化线；温度变化线；CEDCED为为水平水平共晶线。共晶线。将相图分成将相图分成三一单相区三一单相区 L L、；三一双相区三一双相区L L、L L、和和 一一三相区一一三相区L L，即，即CEDCED为共晶线。为共晶线。 83成分、结构检测技术成分、结构检测技术现代材料对材料成分、结构的认识是现代材料对材料成分、结构的认识是由分析、检测与现的。由分析、检测与现的。成 分 分 析化学分析：化验物理分析：物理量间接测定谱学分析：质谱， 红外光谱、光电子能谱，等结构分析 检测仪器 分辨率

30、体视显微镜mm(毫米)-m（微米）光学显微镜m（微米）电子扫描显微微米-纳米（nm）达 0.7nm透射电镜观察到原子排列面，达 0.2nm场离子显微镜形貌观察 0.2-0.3nm隧道扫描显微镜观察到原子结构 0.05-0.2nm84 合成与加工合成与加工1.1.定义定义2.2.合成与加工的主要内容合成与加工的主要内容3.3.与其它要素的关系与其它要素的关系4.4.发展方向发展方向85861.定义“合成”与“加工”是指建立原子、分子和分子团的新排列，在所有尺度上（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。是指把各种原子或分子结合起来制成材料所采用的各种化学

31、方法和物理方法。可以同样的方式使用，还可以指较大尺度上的改变，包括材料制造。Fe2O3+3H2=2Fe+3H2Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O O ？ 合成合成制备制备88需要说明的问题需要说明的问题在材料科学与工程中，合成和加在材料科学与工程中，合成和加工之间的区别变得越来越模糊工之间的区别变得越来越模糊合成是新技术开发和现有技术改合成是新技术开发和现有技术改进的关键性要素进的关键性要素现代材料合成技术是人造材料的现代材料合成技术是人造材料的唯一与现途径唯一与现途径89材料制备材料制备材料加工材料加工表面工程表面工程材料复合材料复合2 . 合成与加工的主要内容合成与加工的主要内容90一材

32、料的制备一材料的制备冶金过程冶金过程熔炼与凝固熔炼与凝固粉末烧结粉末烧结高分子聚合高分子聚合91不同的材料制备方法，分别具有不同不同的材料制备方法，分别具有不同的材料科学基础内容，即：的材料科学基础内容，即：冶金过程冶金过程冶金物理化学冶金物理化学熔炼与凝固熔炼与凝固凝固学理论凝固学理论粉末烧结粉末烧结烧结原理烧结原理高分子聚合高分子聚合聚合反应聚合反应92目的：目的： 从原料中提取出金属从原料中提取出金属火法冶金火法冶金熔盐电冶金熔盐电冶金湿法冶金湿法冶金内容内容:炼铁、炼铜炼铁、炼铜电解铝、镁电解铝、镁水溶液电解锌水溶液电解锌938熔炼与凝固（物理冶金）目的目的: 金属的精练提纯金属的精练

33、提纯 材料的材料的“合金化合金化” 晶体的生长晶体的生长内容内容: 1. 平衡凝固平衡凝固 4. 区域熔炼区域熔炼 2. 快速凝固快速凝固 5. 玻璃的熔炼玻璃的熔炼 3. 定向凝固定向凝固 6. 熔融法提拉单晶熔融法提拉单晶94目的目的: . 粉末成型粉末成型 2 . 粉末颗粒的结合粉末颗粒的结合内容内容: 1 . 粉末冶金技术粉末冶金技术 2 . 现代陶瓷材料的制备现代陶瓷材料的制备95目的目的: 实现小分子发生化学反应，相互结合形实现小分子发生化学反应，相互结合形 成高分子。高分子聚合是人工合成三大成高分子。高分子聚合是人工合成三大 类高分子材料：塑料、橡胶、合成纤维类高分子材料：塑料、

34、橡胶、合成纤维 的基本过程。的基本过程。内容内容: 1 . 本体聚合本体聚合 3 . 悬浮聚合悬浮聚合 2 . 乳液聚合乳液聚合 4 . 溶液聚合溶液聚合96二材料的加工二材料的加工传统意义上，材料的加工范畴包括四个方面：传统意义上，材料的加工范畴包括四个方面：材料的切削：车、铣、刨、磨、切、钻材料的切削：车、铣、刨、磨、切、钻材料的成型：铸造、拉、拔、挤、压、锻材料的成型：铸造、拉、拔、挤、压、锻材料的改性：合金化、热处理材料的改性：合金化、热处理v0淬火工艺淬火工艺通过快速冷却，获得远离平衡态的通过快速冷却，获得远离平衡态的不稳定组织，达到强化材料的目的。不稳定组织，达到强化材料的目的。1

35、04时时 间间温温 度度正火工艺正火工艺在奥氏体状态下，空气或保护气体冷却获得在奥氏体状态下，空气或保护气体冷却获得珠光体均匀组织，提高强度，改善韧性。珠光体均匀组织，提高强度，改善韧性。105时时 间间温温 度度退火工艺退火工艺通过缓慢冷却，获得接近平衡态的组通过缓慢冷却，获得接近平衡态的组织，达到均匀化、消除内应力的目的。织，达到均匀化、消除内应力的目的。106时时 间间温温 度度回火工艺回火工艺淬火或正火的材料重新加热。目的在于松懈淬火或正火的材料重新加热。目的在于松懈淬火应力和使组织向稳态过度，改善材料的淬火应力和使组织向稳态过度，改善材料的延展性和韧性，并稳定工件的尺寸。延展性和韧性

36、，并稳定工件的尺寸。107目的：实现材料间的整体结合目的：实现材料间的整体结合内容内容: 1. 焊接焊接 3. 铆接铆接 2. 粘接粘接 4. 栓接栓接108三材料表面工程三材料表面工程表面改性表面改性表面防护表面防护薄膜技术薄膜技术109-改变材料表面的性质改变材料表面的性质三束表面改性三束表面改性化学表面改性（化学热处理）化学表面改性（化学热处理）表面淬火表面淬火110从工艺机理上分析，表面改性同整体材从工艺机理上分析，表面改性同整体材料的改性是相同的，即：在表面实现材料的改性是相同的，即：在表面实现材料的成分、组织与结构的变化，达到改料的成分、组织与结构的变化，达到改变材料表面性能的目的

37、。不同点就是采变材料表面性能的目的。不同点就是采用了特殊的能量输入方式，使能量作用用了特殊的能量输入方式，使能量作用效果或成分变化仅效果或成分变化仅发生在表面发生在表面。111激光束激光束 - 组织变化组织变化电子束电子束 -组织变化组织变化离子束离子束 - 成分、组织变化成分、组织变化细晶化细晶化均匀化均匀化非晶化非晶化金属元素金属元素合金化合金化112改变材料表面的化学成分改变材料表面的化学成分 - - 化学渗入化学渗入成成 分分温温 度度ABC + + 心部心部浓浓 度度表面表面C+N+Me+C0113 高频淬火高频淬火电磁能电磁能集肤电流集肤电流表面热能表面热能 火焰淬火火焰淬火气体化

38、学反应气体化学反应表面热能表面热能热处理热处理组织改变组织改变性能改变性能改变114 腐蚀防护腐蚀防护 摩擦磨损防护摩擦磨损防护115b 大气腐蚀大气腐蚀b 海水腐蚀海水腐蚀b 工业介质腐蚀工业介质腐蚀116-腐蚀的原因腐蚀的原因主动防护主动防护被动防护被动防护合金化合金化非晶化非晶化高纯度高纯度表面涂镀表面涂镀表面改性表面改性表面钝化表面钝化电化学保护电化学保护抗蚀材料抗蚀材料117b 增加抗磨损性增加抗磨损性b 增加润滑性增加润滑性118有许多种薄膜技术能够在基材表面覆盖薄有许多种薄膜技术能够在基材表面覆盖薄膜材料层，其中最重要的两种方法是：膜材料层，其中最重要的两种方法是：119四材料的

39、复合四材料的复合金属基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料高分子复合材料高分子复合材料120材料复合的主要目的就是依据不同材料性能材料复合的主要目的就是依据不同材料性能的优势互补、协调作用的原则，进行材料的的优势互补、协调作用的原则，进行材料的设计与制备。因此材料复合的过程就是材料设计与制备。因此材料复合的过程就是材料制备、改性、加工的统一过程。制备、改性、加工的统一过程。复合材料的制备过程融合了金属、陶瓷、高复合材料的制备过程融合了金属、陶瓷、高分子材料制备的基本原理。分子材料制备的基本原理。目前材料科学的发展，复合的概念越来越重目前材料科学的发展，复合的概念越来越重要，出现了

40、许多新型的复合材料及制备方法。要，出现了许多新型的复合材料及制备方法。121与其它要素的关系与其它要素的关系从材料的产生到进入使用过程，直至损耗，从材料的产生到进入使用过程，直至损耗，四大要素存在着逻辑上的因果顺序，即：四大要素存在着逻辑上的因果顺序，即：合成与加工合成与加工结构与成分结构与成分材料性质材料性质使用性能使用性能产生具备提供122定向凝固技术在熔模铸造型壳中建立特定方向的温度梯度，使熔融合金沿着与热流相反的方向按照要求的结晶取向凝固的一种铸造工艺。定向凝固技术最突出的成就是在航空工业中的应用。1238 在极端化的条件下，完成合成与加 工过程，获得更多的功能特性。 超纯条件-单晶硅

41、晶片高压条件-人工金刚石低温条件-超导体超细条件-纳米材料4.4.发展趋势发展趋势第三章结构材料钢铁材料有色金属材料陶瓷材料玻璃材料水材料高分子材料复合材料什么是“结构材料结构材料” ？结构材料是主要利用材料的强度、韧性、弹性等力学性能，用于制造在不同环境下工作时承受载荷的各种结构件和零部件的一类材料，即机械结构材料和建筑结构材料。碳钢的非规热处理碳钢的非规热处理退火退火将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（随炉冷却），以获得接近于平衡缓慢冷却（随炉冷却），以获得接近于平衡状态组织的热处理工艺。状态组织的热处理工艺。个火个火完全退火、等温退火、球

42、化退火、扩散退火、去应力退火将钢件加热到将钢件加热到AC3和和Acm以上以上3050度，度，保持适当时间后，在空气中冷却，保持适当时间后，在空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。得到珠光体类组织的热处理工艺。碳钢的非规热处理碳钢的非规热处理淬火淬火将钢件加热到奥氏体化后，快速冷却，使组织将钢件加热到奥氏体化后，快速冷却，使组织转变为马氏体的热处理工艺。所得的马氏体的转变为马氏体的热处理工艺。所得的马氏体的形态与钢的成分、原始奥氏体晶粒的大小以及形态与钢的成分、原始奥氏体晶粒的大小以及形成条件有紧切关系。奥氏体晶粒越小，马氏形成条件有紧切关系。奥氏体晶粒越小，马氏体越细。体越细。回火回火将钢

43、件淬火后，为了消除内应力并获得所要求将钢件淬火后，为了消除内应力并获得所要求的性能，将其加热到的性能，将其加热到AC1以下的某一温度，保以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。合金钢合金钢合金钢分类合金钢分类铁及铁基合金铁及铁基合金在碳钢中加入一种或多种合金元素，在碳钢中加入一种或多种合金元素，形成的钢称之为合金钢。形成的钢称之为合金钢。按所含合金元素的多少分：低合金钢（总质量分按所含合金元素的多少分：低合金钢（总质量分数低于数低于5）、中合金钢（总质量分数）、中合金钢（总质量分数510）、高合金钢（总质量分数高于）、高合金钢（总质量分

44、数高于10）。）。按主要合金元素种类分：铬钢、铬镍钢、按主要合金元素种类分：铬钢、铬镍钢、锰钢、硅锰钢等。锰钢、硅锰钢等。按用途分：结构钢、工具钢、特殊性能按用途分：结构钢、工具钢、特殊性能钢。钢。铸铁铸铁铁及铁基合金铁及铁基合金碳的质量分数大于碳的质量分数大于2.11%2.11%的铁碳合金称之的铁碳合金称之为铸铁，通非还含有较多的为铸铁，通非还含有较多的SiSi、MnMn、S S、P P等元素。等元素。用用 途途铸铁时工程上最非用的金属材料，广泛应用在铸铁时工程上最非用的金属材料，广泛应用在机械制造、金、矿上、石油化工。科通等领机械制造、金、矿上、石油化工。科通等领域。铸铁的生产设备和工艺简

45、单，价格便宜。域。铸铁的生产设备和工艺简单，价格便宜。铁及铁基合金铁及铁基合金铁碳合金中碳的存在形式铁碳合金中碳的存在形式间隙固溶于铁间隙固溶于铁化合态的渗碳体化合态的渗碳体游离态的石墨游离态的石墨亚稳态，在一定条件下分解亚稳态，在一定条件下分解为铁和石墨为铁和石墨稳定态，可以从铸铁熔液中稳定态，可以从铸铁熔液中析出，也可以从奥氏体中析出析出，也可以从奥氏体中析出Fe3C碳溶解在Fe中的间隙固溶体铁及铁基合金铁及铁基合金铸铁的种类铸铁的种类根据石墨化程度的不同，铸铁的类型和组织也不同。根据石墨化程度的不同，铸铁的类型和组织也不同。灰口铸铁灰口铸铁白口铸铁白口铸铁可煅铸铁可煅铸铁球墨铸铁球墨铸铁

46、蠕墨铸铁蠕墨铸铁铸铁白口铸铁：碳绝大部分以化合物 存在， 断口银白色。性能：硬而脆，难于加工，使用价值低。灰口铸铁：碳以 形式存在，断口呈暗灰色。性能：价格低廉，易切削加工，常用于气缸，支座机床等。铁及铁基合金铁及铁基合金渗碳体FeFe3 3C C 片状石墨铁及铁基合金铁及铁基合金铸铁可锻铸铁：由一定成分的白口铸铁经石墨化退火处理而获得，其中碳大部分或全部以团絮状石墨形式存在，由于具有较灰口铸铁高得多的塑性和韧性，习惯上称为可锻铸铁，实际上并不可锻。渗碳体团絮石墨生产周期长，单件成本高，一般制作形状复杂的薄壁小件。铸铁特性：球化减小应力集中，基体强度利用率高，可以进行热处理加工，屈强比高。机械

47、性能高，生产工艺比可锻铸铁简单，近年来日益得到广泛的应用。“以铁代钢，以铸代锻”球墨铸铁：铁水在浇注前经球化处理，其中碳大部分或全部以球状石墨形式存在。铁及铁基合金铁及铁基合金铸铁 碳以蠕虫状石墨存在，介于片状和球状之间，所以性能在在灰铸铁和球墨铸铁之间。 优点：导热性和耐疲劳性好，高部件。 合金铸铁：铸铁中加入合金元素如CrCr、CuCu、AlAl、等，可得到耐、等，可得到耐蚀、耐热及耐磨等特性的合金铸铁。铁及铁基合金铁及铁基合金蠕墨铸铁：蠕化处理不宜控制石墨的存在对铸铁的特殊作用石墨的存在对铸铁的特殊作用减弱晶粒间振动能的传递，并将振动能转变为热能流动性好，凝固过程中析出比容较大的石墨，减

48、小凝固收缩减摩、断屑的作用；脱落形成显微凹穴，起储油作用，可维持油膜的连续性片状石墨相当于许多微小缺口良好的润滑剂，脱落在摩擦面高分子材料分类 按材料来源分类 天然高分子 合成高分子 按材料性能和用途分类 塑料塑料 橡胶橡胶 纤维纤维 涂料 粘合剂 功能高分子称为三大合成材料通用高分子材料通用高分子材料 塑料、橡胶、纤维，称为三大合成材料塑料、橡胶、纤维，称为三大合成材料 全世界产量全世界产量1 1亿多吨亿多吨 塑料主要品种有：塑料主要品种有： 合成橡胶主要用途为制造轮胎，约占合成橡胶主要用途为制造轮胎，约占60%60% 合成纤维主要品种有：涤纶（合成纤维主要品种有：涤纶（PETPET）、尼龙

49、、聚丙）、尼龙、聚丙烯腈、聚丙烯等烯腈、聚丙烯等聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等工程塑料工程塑料 性能：坚硬、韧性、耐磨、耐热水及蒸气，性能：坚硬、韧性、耐磨、耐热水及蒸气，加工时尺寸稳定性好、化学稳定性好。加工时尺寸稳定性好、化学稳定性好。 主要有：尼龙（聚酰胺）、聚碳酸酯主要有：尼龙（聚酰胺）、聚碳酸酯（PCPC）、聚苯醚（）、聚苯醚（PPOPPO）、聚甲醛（）、聚甲醛（POMPOM）、）、饱和聚酯（饱和聚酯（PETPET、PBTPBT）等）等硬塑料应力纤维软塑料应变橡胶材料应力材料应力应变曲线应变曲线 热塑性塑料热塑性塑料：受热后软化，冷却后又变硬

50、，可重复循环。受热后软化，冷却后又变硬，可重复循环。 热固性塑料热固性塑料：由单体直接形成网状聚合物或通过交联线由单体直接形成网状聚合物或通过交联线型预聚体而形成，一旦形成交联聚合物，受热后不能再回型预聚体而形成，一旦形成交联聚合物，受热后不能再回到可塑状态。制品不溶不熔。到可塑状态。制品不溶不熔。 优点：质轻、电绝缘、耐化学腐蚀、容易成形加优点：质轻、电绝缘、耐化学腐蚀、容易成形加工等；工等； 缺点：力学性能比金属材料差，表面硬度低，大缺点：力学性能比金属材料差，表面硬度低，大多数品种易燃，耐热性差。多数品种易燃，耐热性差。热塑性与热固性热塑性与热固性聚合物分子运动特点聚合物分子运动特点 聚

51、合物分子运动具有多重性。聚合物分子运动具有多重性。 运动单元：侧基、支链、链节、链段及整个大分子等。运动单元：侧基、支链、链节、链段及整个大分子等。 运动方式：键长、键角的振动或扭曲；侧基、支链或链节的运动方式：键长、键角的振动或扭曲；侧基、支链或链节的摇摆、旋转；分子内旋转及整个大分子的重心位移等。摇摆、旋转；分子内旋转及整个大分子的重心位移等。 聚合物分子运动具有明显的松弛特性。聚合物分子运动具有明显的松弛特性。 具有时间依赖性的过程称为松弛过程。具有时间依赖性的过程称为松弛过程。 分子运动是一个速度过程，要达到一定的运动状态，提高温分子运动是一个速度过程，要达到一定的运动状态，提高温度和

52、延长时间具有相同的效果，这称为时度和延长时间具有相同的效果，这称为时- -温等效原理，或温等效原理，或时时- -温转化效应。温转化效应。玻璃化转变玻璃化转变 聚合物的玻璃化转变是指从玻璃态到高弹态之间聚合物的玻璃化转变是指从玻璃态到高弹态之间的转变。从分子运动的角度看，玻璃化温度的转变。从分子运动的角度看，玻璃化温度T Tg g是是大分子链段开始运动的温度。大分子链段开始运动的温度。 玻璃化转变是一个松弛过程。玻璃化转变是一个松弛过程。 在时间尺度不变时，凡是加速链段运动速度的因在时间尺度不变时，凡是加速链段运动速度的因素，如大分子链柔性的增大、分子间作用力减小素，如大分子链柔性的增大、分子间

53、作用力减小等结构因素，都使等结构因素，都使T Tg g下降。下降。聚乙烯（PE） 聚乙烯从1939年开始工业化生产，是目前产量最大，应用最广泛的品种。 低密度聚乙烯（LDPE） 在各种聚乙烯中产量最大，主要用于生产薄膜（制造食品袋、垃圾袋、地膜、大鹏膜等）；约10%用于生产注塑用品。 线型低密度聚乙烯（LLDPE） 主要用于生产薄膜，厚度比低密度聚乙烯更薄，制品性能更好。还用于生产扁丝，制造编织袋。 高密度聚乙烯 注塑制品：工业容器、家用器皿、玩具等。 中空吹塑制品：食品、药品、化妆品的包装瓶等。 薄膜制品（约占20%）：大量用于食品包装。聚乙烯管材聚乙烯管材 应用领域主要有：生活用水和煤气管

54、道、农业排灌用管道以及圆珠笔内的油墨管子等。 质轻、坚韧耐磨，力学性能良好，使用寿命长，施工安装简便，输送阻力小、安全可靠，铺设费用低。 超高分子量聚乙烯（UHMWPE）可作为工程塑料 在汽车、机械、原子能以及宇宙飞行等领域得到重要应用。 具有优异的耐冲击和自润滑性，耐腐蚀、抗磨损、不粘着等特性。可作齿轮、轴套、滑板、储罐衬里等。催化剂决定材料性能 齐格勒 茂金属聚乙烯 韧性、透明度、热粘性、热封温度、低气味方面等明显优于传统聚乙烯PVCPVC，是耗石油最少的热塑性树脂。具有阻燃，是耗石油最少的热塑性树脂。具有阻燃及较高的机械强度。PVCPVC可以兼有两种截然不可以兼有两种截然不同的性能，从软

55、质到硬质，具有不同的用途。 应用： 农用塑料制品：农地膜、渔用单丝、绳缆等； 包装材料，保鲜、防锈、防霉等，塑料编织袋、包装容器等；日用品，塑料鞋、塑料袋、人造革、塑料玩具等； 化学建材，塑钢门窗、水管、电线穿线管等。PSPS，无色透明，相对密度，无色透明，相对密度1.051.05，电绝缘性能，电绝缘性能优异，耐热性好，吸湿性低、质硬、刚性强，耐化学性好，易被染色，有良好的加工性。 应用： 世界市场上，PSPS主要用于包装，其次是电子、主要用于包装，其次是电子、电电器。发泡聚苯乙烯（EPSEPS）质轻、隔热、防）质轻、隔热、防震、价震、价廉，用于建筑和包装。国内最大的市场是家电行业。国内彩色电

56、视机外壳有60% 60% 使用高抗冲聚苯乙烯（使用高抗冲聚苯乙烯（HIPSHIPS）。）。氟塑料氟塑料是各种含氟塑料的总称。是各种含氟塑料的总称。聚四氟乙烯（聚四氟乙烯（PTFEPTFE）。）。19501950年首先由杜邦公司投产。有年首先由杜邦公司投产。有“塑料王塑料王”之称。之称。是高结晶度聚合物，无是高结晶度聚合物，无熔融熔融态，分解温度态，分解温度400 400 ，可在，可在260 260 以下长期下使用，耐低温达以下长期下使用，耐低温达-200 -200 ，力学性能优异。光滑不粘，力学性能优异。光滑不粘，摩擦系数极小摩擦系数极小，具有自润滑性。耐，具有自润滑性。耐化学腐蚀性极强化学腐

57、蚀性极强，耐强酸、强，耐强酸、强碱、有机溶剂，能耐碱、有机溶剂，能耐王水及沸腾的氢氟酸王水及沸腾的氢氟酸。具有塑料中最好的电。具有塑料中最好的电绝缘性能。绝缘性能。广泛用于化工机械和容器的防腐、耐磨密封、电绝缘等。广泛用于化工机械和容器的防腐、耐磨密封、电绝缘等。四氟乙烯、六氟丙烯、三氟氯乙烯等单体纤维 涤纶 尼龙（锦纶） 聚丙烯腈（腈纶、人造羊毛）保鲜膜保鲜膜 性能要求性能要求 保鲜、保洁、自粘保鲜、保洁、自粘 安全、无毒安全、无毒 市场上的保鲜膜市场上的保鲜膜 聚乙烯（聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（）、聚氯乙烯（PVC）、偏聚氯）、偏聚氯乙烯及其他材质乙烯及其他材质 聚氯乙烯（聚氯乙烯（PVC

58、）保鲜膜存在的问题）保鲜膜存在的问题聚合物光盘基片聚合物光盘基片 性能要求性能要求 高的透光率、光学纯度、尺寸稳定性和热变形高的透光率、光学纯度、尺寸稳定性和热变形温度，较好的机械性能和加工性能、低的双折温度，较好的机械性能和加工性能、低的双折射和成本等。射和成本等。 主要材料：主要材料： 聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯（聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMAPMMA）、改）、改性双酚性双酚A A环氧树脂、非晶态聚烯烃等环氧树脂、非晶态聚烯烃等铝及铝合金铝及铝合金铝及铝合金的特点铝及铝合金的特点密度低、比强度高。纯铝的密度只有密度低、比强度高。纯铝的密度只有2700kg/m32700kg/m3，仅为

59、铁的仅为铁的1/3。优良的物理、化学性能。导电性能好、磁化率低、优良的物理、化学性能。导电性能好、磁化率低、耐腐蚀等。耐腐蚀等。加工性能好。铸造性能好、易于塑性变形，经热处加工性能好。铸造性能好、易于塑性变形，经热处理后还具有很高的强度。理后还具有很高的强度。有色金属材料有色金属材料铝及铝合金铝及铝合金合金元素的作用合金元素的作用铝中加入合金元素后，可提高合金的强度，并保持铝中加入合金元素后，可提高合金的强度，并保持良好的加工性能。良好的加工性能。提高强度提高强度阻碍位错运动阻碍位错运动铜及铜合金铜及铜合金纯铜纯铜纯铜为紫色，又称紫铜。主要用于制作纯铜为紫色，又称紫铜。主要用于制作电导体及配制

60、合金。工业纯铜分为电导体及配制合金。工业纯铜分为4 4种：种：T1T1、T2T2、T3T3、T4T4。编号越大，纯度越低。编号越大，纯度越低。纯铜的强度低，不宜用作结构材料纯铜的强度低，不宜用作结构材料钛及钛合金钛及钛合金钛及钛合金的特点钛及钛合金的特点密度低、比强度高，密度低、比强度高，生物相容性。生物相容性。耐高温、耐腐蚀性能、低温韧性好等。耐高温、耐腐蚀性能、低温韧性好等。加工条件复杂，成本较高。加工条件复杂，成本较高。镁及镁合金镁及镁合金纯镁的特点纯镁的特点密度低、比强度高。纯镁的密度只有密度低、比强度高。纯镁的密度只有1749kg/m31749kg/m3，仅为铁的仅为铁的1/41/4