讲义第二篇材料四要素

1、第二篇 材料“四要素”材料科学与工程的四个基本要素与加工、组成与结构、性质、使用性能。探索这四个要间的关系，覆盖从基础学科到工程的全部内容。四个要间的密切关系确定了材料科学与工程这一领域，确定了材料科学基础课程的教学线索。组成与结构:组成材料的原子种类和分量，以及它们的排列方式和空间分布。上将前者叫做成分，后者叫做组织结构,这两者统称为结构。材料的性质是指材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应，主要决定于材料的组成与结构。与过程包括传统的冶炼、铸锭、制粉、压力加工、焊接等，也包括新发展的真空溅射、气相沉积等新工艺，使人工材料如超晶格、薄膜材料成为可能。使用性能是材料在使用状态下表现的行为，它与材

2、料设计、工程环境密切相关。使用性能包括可靠性、耐用性、及延寿措施等。材料的性质材料的性质是指材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应。如何描述材料的性质?力学性质：强度、硬度、刚度、塑性、韧性物理性质：电学性质、磁学性质、光学性质、热学性质化学性质：催化性质、腐蚀性质材料的力学性质：材料在外应力作用下的行为。强度：材料在载荷作用下抵抗明显的塑性变形或破坏的最大能力。塑性：外力作用下，材料发生不可逆的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。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

3、下抵抗变形的能力。韧性：材料从塑性变形到断裂全过程吸收能量的能力。材料的物理性质：材料在电、磁、光、热作用下的行为。电学性质：导电性、绝缘性、介电性等磁学性质：抗磁性、顺磁性、铁磁性等光学性质：光反射、光折射、光学损耗、光透性等热学性质：导热性、热膨胀、热容、熔化等物理性质的交互性材料应用的关键点现代功能材料不仅仅表现出单一的物理性质，更重要的是具备了特殊的物理交互性。例如：电学机械机械电学磁学机械电学磁学电学光学电致伸缩 压电特性 磁致伸缩 巨磁阻效应电致发光电致伸缩压电特性巨磁阻效应:是指磁性材料的交变阻抗随外磁场显著变化的效应。电致发光：在电场的作用下电子在发光层内高速运动， 激活发光材

4、料原子使其发生能级跃迁而发光。材料的化学性质：在外界作用下有化学反应的行为材料的腐蚀：材料受环境介质的化学、电化学作用而引起的变质或破环现象，分为化学腐蚀和电化学腐蚀。催化性质：能够化学反应，且在反应前后材料自身不被消耗。材料的组成与结构在外界条件固定时，材料的性能取决于材料内部的构造。这种构造便是组成材料的原子种类和分量，以及它们的排列方式和空间分布。上将前者叫做成分，后者叫做组织结构，而把这两者统称为结构。物质通常具有三种存在形态：气态、液态、固态，而在使用状态下的材料通常都是固态。所以，要材料结构与性能之间的关系，首先必须搞清楚材料在固态下结合方式及结构特点。材料的结合方式在所有的固体中

5、，原子靠键结合在一起。键使固体具有强度和相应的电学和热学性能。例如，强的键导致高、高弹性模量、较短的原子间距和较低的热膨胀系数。一、 化学键1 离子键 2. 共价键 3. 金属键 4. 分子键 5. 氢键离子键是由正负电荷的相互吸引造成的。例如，钠原子的价轨道中有一个电子，它很容易将外层电子而成为带正电的离子。同样，氯原子容易接受一个电子进入它们的价轨道直至达到八个电子而成为带负电的离子。既然带负电和带正电的材料之间总存在静电引力，那么在带不荷的相邻离子间就形成了键。离子键的特点是与正离子相邻的是负离子，与负离子相邻的是正离子，如 NaCl 晶体。共价键是一种强的结合键。当两个相同原子或性质相

6、近的原子接近时，价电子不会转移，原子间共用电子对所产生的力而结合，形成共价键。共价键使原子间有很强的，这一点在石中很明显，石是自然界中最硬的材料，而且它完全是由碳原子组成。每个碳原子有四个价电子，这些价电子与邻近原子共用，形成完全由价电子对结合而成的三维点阵。这些三维点阵使石具有很高的硬度和。金属是由金属键结合而成的，它具有同非金属完全不同的特性。金属原子的外层电子少，容易失去。当金属原子相互靠近时，这些外层原子就脱离原子，成为电子，为整个金属所共有，电子在金属内部运动，形成电子气。这种由电子与金属正离子之间的结合方式称为金属键，。分子键又叫键，是最弱的一种结合键。它是靠原子各自内部电子分布不

7、均匀产生较弱的静电引力，称为力，由这种分子力结合起来的键叫做分子键。力实际上是极性分子的一种特殊情况。CH、OH 或 NH 键端部另一种的质子是没有电子的，所以，这个正电荷可以吸引相邻分子的价电子，于是形成了一种型的键，称为氢键，氢键是所有键中最强的。氢键最典型的例子是水，一个水分子中氢质子吸引相邻分子中氧的孤对电子，氢键使水成为所有低分子量物质中沸点最高的物质。二、结合键对材料性能的影响1 金属材料金属材料的结合键主要是金属键。由于电子的存在，当金属受到外加电场作用时，其内部的电子将沿电场方向作定向运动，形成电子流，所以金属具有良好的导电性；金属除依靠正离子的振动传递热能外，电子的运动也能传

8、递热能，所以金属的导热性好；随着金属温度的升高，正离子的热振动加剧，使电子的定向运动阻力增加，电阻升高，所以金属具有正的电阻温度系数；当金属的两部分发生相对位移时，金属的正离子仍然保持金属键，所以具有良好的变形能力；电子可以吸收光的能量，因而金属不透明；而所吸收的能量在电子回复到原来状态时产生辐射，使金属具有光泽。金属中也有共价键（如灰锡）和离子键（如金属间化合物 Mg3Sb2）。2 陶瓷材料简单说来，陶瓷材料是包含金属和非金属元素的化合物，其结合键主要是离子键和共价键，大多数是离子键。离子键赋予陶瓷材料相当高的稳定性，所以陶瓷材料通常具有极高的和硬度，但同时陶瓷材料的脆性也很大。3 高分子材

9、料高分子材料的结合键是共价键、氢键和分子键。其中，组成分子的结合键是共价键和氢键，而分子间的结合键是键。尽管键较弱，但由于高分子材料的分子很大，所以分子间的作用力也相应较大，这使得高分子材料具有很好的力学性能。三、晶体与非晶体在了结合键后，下一步的任务就是从原子或分子的排列方式上考虑材料的结构。当原子或分子通过结合键结合在一起时，依结合键的不同以及原子或分子的大小可在空间组成不同的排列，即形成不同的结构。即使材料类型和化学键都相同，但是原子排列结构不同，其性能可以有很大的差别。一般而论，若固态下原子或分子在空间呈有序排列，则称之为晶体，反之则为非晶体。1 晶体几乎所有的金属，大部分的陶瓷以及一

10、些聚合物在其凝固时都要发生结晶，也就是原子本身沿三重复排列成有序的结构，即所谓的长程有序结构，这种结构称为晶体。晶体的特点是：（1）结构有序（2）物理性质表现为各向异性（3）有固定的2 非晶体非晶体的结构是原子无序排列，这一点与液体的结构很相似，所以非晶体往往被称为过冷液体。典型的非晶体材料是玻璃，所以非晶体也被称为玻璃体。虽然非晶体在整体上是无序的，但在很小的范围内观察，还是有一定的规律性，所以在结构上称之为短程有序。非晶体材料的特点是：（1）结构无序（2）物理性质表现为各向同性（3）没有固定（4）导热率和热膨胀性小（5）塑性形变大（6）组成的范围变化大3 晶体和非晶体的转化非晶体结构是短程

11、有序，即在很小的尺寸范围内存在着有序性，而晶体内部也有缺陷，在很小的尺寸范围内也存在着无序性。所以两者之间也有共同特点。而物质在不同条件下，既可形成晶体结构，也可形成非晶体结构。比如，金属液体在高速冷却条件下可以得到非晶态金属，即所谓的金属玻璃；而玻璃经过适当处理，也可形成晶态玻璃。有些物质可以看成是有序和无序的中间状态，如、液晶、准晶态等。从非晶体变为晶体的例子无机玻璃加热后，或者光学玻璃长时间使用后出现浑浊的现象；加热后，熔化的琥珀会部分出现结晶；拉伸状态下的尼龙强化且晶化。晶体结构晶体由基本粒子(离子、原子或分子)规则排列；晶体性能取决于：原子的电子结构及其相互作用基本粒子的空间排列晶体

12、的成分、尺寸及形状晶体材料粒子在三规则排列典型材料：金属，大部分陶瓷，一些聚合物空间点阵：为了便于分析晶体中原子或分子的排列情况，把它们抽象为规则排列于空间的无数个几何点，各个点周围的环境相同，这种点子的空间排列称为空间点阵。一、晶格晶格：用以描述晶体中原子排列规律的空间点阵格架。晶胞 ( unit cell ): 能完全反映晶格特征的最小几何单元，满足下列顺序：能充分反映整个空间点阵的对称性具有尽可能多的直角体积要最小。晶格常数是晶体物质的基本结构参数，它与原子间的结合能有直接的关系，晶格常数的变化反映了晶体内部的成分、受力状态等的变化。晶格常数亦称为点阵常数。在材料科学中，为了便于分析晶体

13、中粒子排列，可以从晶体的点阵中取出一个具有代表性的基本单元（通常是最小的平行六面体）作为点阵的组成单元，成为晶胞；晶格常数指的就是晶胞的边长，也就是每一个立方格子的边长，是 a=？埃。晶格常数：通过晶胞上的某一点（取左下角后面的点），沿晶胞的三个棱边作坐标轴 X，Y，Z 的长度 a，b，c 和三条棱边的夹角，这 6 个参数为晶格常数，可以表示晶胞的大小和形状。晶 系1855 年,法国学者(Bravais)用数学方法证明了空间点阵共有且只能有十四种,并归纳为七个晶系:1).三斜晶系abc , 90;2).单斜晶系abc ,= = 90, 90;3).abc ,= = = 90;正交晶系4).六方

14、晶系a = bc ,= 90,=120;5).a = bc , = = 90, =120;晶系6).四方晶系a = bc , = = = 90;7).立方晶系a = b = c , = = = 90。十四种点阵二、结晶指数晶向：在晶格中,任意两原子之间的连线所指的方向晶向指数:用(Miller)指数对晶格中某一原子排列在空间的位向进行标定。标定方法：1. 建立坐标系 ，结点为原点，三棱为方向，晶格常数为；2. 在晶向上任两点的坐标(x1,y1,z1) (x2,y2,z2)。(若平移晶向或坐标，让第一点在原点则下一步更简单)；3.计算 x2-x1 ： y2-y1 ： z2-z1；4.化成最小、整

15、数比u：v：w；5.放在方括号uvw中，不加逗号，负号记在上方 。晶面：在晶格中由一系列原子所的平面称为晶面。晶面指数： 用(Miller)指数对晶格中某一晶面进行标定。标定方法： 设置坐标;求截距;取倒数。材料的晶体结构单晶体 (single crystal)：一块晶体材料，其内部的晶向完全一致时，即整个材料是一个晶体，这块晶体就称之为“单晶体”，实用材料中如半导体集成电路用的单晶硅、专门制造的金须和其他一些供用的材料。多晶体 (polycrystals)：实际应用的工程材料中，那怕是一块尺寸很小材料，绝大多数包含着许许多多的小晶体，每个小晶体的内部，晶格位向是均匀一致的，而各个小晶体之间，

16、彼此的位向却不相同。称这种由多个小晶体组成的晶体结构称之为“多晶体”。固体从蒸汽、溶液或熔体中结晶出来时，只有在一定条件下，例存在时，才能形成单晶，而大多数固体属于多晶体。晶粒：多晶体材料中每个小晶体的外形多为不规则的颗粒状，通常把它们叫做“晶粒”。晶界：晶粒与晶粒之间的分界面叫“晶粒间界”，或简称“晶界”。为了适应两晶粒间不同晶格位向的过渡，在晶界处的原子排列总是不规则的。伪各向同性：多晶体材料中，尽管每个晶粒内部象单晶体那样呈现各向异性，每个晶粒在空间取向是随机分布，大量晶粒的综合作用，整个材料宏观上不出现各向异性，这个现象称为多晶体的伪各向同性。晶体中的缺陷概论理想晶体：质点严格按照空间

17、点阵排列实际晶体：存在各种各样的结构的不完整性晶体缺陷：即使在每个晶粒的内部，也并不完全象晶体学中论述的(理想晶体)那样，原子完全呈现周期性的规则重复的排列。把实际晶体中原子排列与理想晶体的差别称为晶体缺陷。缺陷的意义：晶体中缺陷的数量相当大，但因原子的数量很多，在晶体中占有的比例还是很少，材料总体具有晶体的相关性能特点，而缺陷的数量将给材料的性能带来巨大的影响。1.由于缺陷的存在，才使晶体表现出各种各样的性质，使材料加工、使用过程中的各种性能得以有效控制和改变，使材料性能的改善和复合材料的得以实现。2.了解缺陷的形成及其运动规律，对材料工艺过程的控制，对材料性能的改善，对于新型材料的设计、及

18、开发具有重要意义。缺陷对材料性能的影响举例1.材料的强化，如钢铁中渗碳2.陶瓷材料的增韧3.硅半导体4.宝石类5.半导体陶瓷超导体：钙钛矿型非整比化合物YBa2Cu3O7-x（x0.1)，它是由于氧原子不足而产生空位缺陷，正是这种缺陷，使固体具有超导性能。晶体结构缺陷的类型分类方式：几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷等；形成原因：热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷等。点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过程有关。缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺寸都很小。线缺陷指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向上较长，另外二维

19、方向上很短，在晶体中呈线状分布。如各种位错（dislocation）线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。位错造成晶格的线状畸变，极大地影响着材料的力学性能，如塑性变形、强度、疲劳、腐蚀等。面缺陷（二维缺陷）指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如晶界、表面、堆积层错、镶嵌结构等。面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关，对金属的塑性变形起着阻碍的作用。晶体内部存在着大量的晶界和亚晶界。晶界和亚晶界实际上是一个原子排列不规则的区域，该处晶体的晶格处于畸变状态，能量高于晶粒内部，在常温下强度和硬度较高，在高温下则较低，

20、晶界容易被腐蚀等。体缺陷：在三维尺寸较大，如气孔、裂纹、填隙物等。气孔 Pores (如陶瓷) 影响光学、热学和机械性能纹 Cracks 影响机械性能裂填隙物 Foreign inclus 影响电学、机械和光学性能杂质缺陷杂质缺陷也称为组成缺陷，是由外加杂质的引入所产生的缺陷。杂质原子进入晶体时，可以置换晶格中的原子，进入正常结点位置，生成置换型杂质原子，也可能进入本来就没有原子的间隙位置，生成间隙型杂质原子。特征：如果杂质的含量在固溶体的溶解度范围内，则杂质缺陷的浓度与温度无关。固体条件下，一种组分（溶剂）内“溶解”了其它组分（溶质）而形成的单一、均匀的晶态固体称为固溶体。如果固溶体是由 A

21、 物质溶解在 B 物质中形成的，一般将组分 B 称为溶剂（或主晶相、基质），将组分 A 称为溶质（或掺杂质点、杂质）。如果两种组分可以互溶，那么就将含量高的那种称为溶剂，含量低的称为溶质。杂质缺陷对材料性能的影响在某些情况下，晶体中可溶入较大量其他物质，如制造固体氧化物电池电解质材料，使用 810%（mol）Y2O3 溶入 ZrO2 中，Y3+置换 Zr4+，形成大量氧空位缺陷，可传导氧离子，从而起到离子导电作用。光电功能材料改性压电材料 PZT电光材料 PLZT在外界条件固定时，材料的性能取决于材料内部的构造。这种构造便是组成材料的原子种类和分量，以及它们的排列方式和空间分布。如何认识材料的

22、成分与结构？现代材料科学家对材料成分、结构的认识是由分析、检测实现的。使用仪器设备与物理化学等方法进行判断！相的定义:把系统中物理性质及化学性质均匀的部分称为一相与加工结构是加工的结果金属材料随塑性加工量的增大，组织结构发生明显的变化：等轴晶-带状组织-细晶组织材料的()与加工1）材料()与加工的定义2）材料()与加工的主要内容3）材料()与加工和其它要素的关系4）材料()与加工的主要发展方向1. 材料()与加工的定义“”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

23、材料所采用的各种化学方法和物理方法。Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O加工:将材料处理成可以应用的产品。需明的问题：a)和加工之间的区别变得越来越模糊;在材料科学与工程中，b)是新技术开发和现有技术改进的关键性要素;c)现代材料技术是人造材料的唯一实现途径。2. 材料()与加工的主要内容材料冶金过程 熔炼与凝固粉末烧结高分子聚合冶金物理化学凝固学理论 烧结原理聚合反应冶金过程目的： 从原料中提取出金属熔炼与凝固目的: 1.金属的精练提纯；2. 材料的“合金化”；3. 晶体的生长高分子聚合目的: 实现小分子发生化学反应，相互结合形成高分子。高分子聚合是人工三大类高分子材料：、橡胶、的基本过程。

24、材料加工材料的切削：车、铣、刨、磨、切、钻材料的成型：铸造、拉、拔、挤、压、锻材料的改性：合金化、热处理材料的联接：焊接、粘接材料的成型三大类材料的成型技术在材料工程中是内容最为丰富的一部分。如果按材料的流变特性来分析，则材料的成型方法可分为三种：1.液态成型金属的铸造、溶液纺丝2.塑变成型金属的压力加工3.流变成型金属、陶瓷、高分子成型材料的改性目的：通过改变材料的成分、组织与结构来改变材料的性能。1. 材料的“合金化”2. 材料的热处理材料的改性-材料的 “合金化”通过改变材料的成分，达到改变材料性能的方法。这种方法在金属材料和现代高分子材料的改性方面有广泛的应用。金属材料的合金化过程AB

25、固溶度变化改变性能AC + 相组成变化改变性能固溶度变化改变性能材料的改性材料的热处理通过一定的加热、保温、冷却工艺过程，来改变材料的相组成情况，达到改变材料性能的方法。这种方法在金属材料和现代陶瓷材料的改性方面有广泛的应用。典型热处理工艺：淬火、退火、回火、正火淬艺：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。正艺：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。退艺：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。回艺：淬火或正火的材料重新加热,可以松懈淬火应力和使组织向稳态过度，改善材料的延展性和韧性。材料的联接目的：实现材料

26、间的整体结合1. 焊接；2. 铆接；3. 粘接；4. 栓接。表面工程表面改性，表面防护表面改性改变材料表面的性质1.三束表面改性2.化学表面改性（化学热处理）3.表面淬火从工艺机理上分析，表面改性同整体材料的改性是相同的，即：在表面实现材料的成分、组织与结构的变化，达到改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，使能量作用效果或成分变化仅发生在表面。材料复合材料复合就是将两种或多种材料复合组成新的材料。A.金属基复合材料B.陶瓷基复合材料C.高分子复合材料I.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，进行材料的设计与。因此材料复合的过程就是材料、改性、加

27、工的过程。II.复合材料的过程融合了金属、陶瓷、高分子材料的基本原理。III.目前材料科学的发展，复合的概念越来越重要，出现了许多新型的复合材料及方法。现代材料的与加工不仅涉及到微观和宏观范围内的内容，同时也涉及到更微细化，甚至达到了原子尺度范围上的问题，因此，这里论述的与加工的内涵要大于通常所说的材料工程的内涵。与其它要素的关系提供具产生材料性质使用性能与加工结构与成分材料与加工的主要发展方向主要发展方向在化的条件下，完成与加工过程，获得的功能特性。电子材料与加工的1.大尺寸、高均匀性、高完整性的晶体生长技术；2.高精度晶片加工技术；3.MOCVD、MBE 超薄膜生长技术；4.和纯材料纯制技

28、术；5.低维材料的微细加工和技术；6.电子陶瓷、磁性材料的焙烧和成型技术；7.材料的修饰或改性技术。金属有机化学气相沉积系统(MOCVD)是利用金属有机化合物作为源物质的一种化学气相淀积(CVD)工艺.着眼点：选择特殊的反应，来降低反应温度。原料：金属的烷基，芳基，氢基，乙酰基衍生物。分子束外延的英文(molecular beamtaxy )缩写为，这是一种在晶体基片上生长高质量的晶体薄膜的新技术。在真空条件下，由装有各种所需组分的炉子加热而产生的蒸气，经小孔准直后形成的分子束或原子束，直接喷射到适当温度的单晶基片上，同时控制分子束对衬底扫描，就可使分子或原子按晶体排列一层层地“长”在基片上形成薄膜。我国在与加工方面同先进国家的差距还很大，许多落后的根源都归到这里。因此提高材料与加工的技术水平是最重要的课题。使用性能材料的性能与应用1）材料性能的定义2）材料使用性能与性质的区别与联系3）材料使用性能的设计与实际应用4）材料与环境的关系5）材料性能数据库材料性能的定义在某种环境或条件作用下，为描述材料的行为或结果，按照特定的规范所获得的表征参量。材料使用性能与性质的区别与联系成分环境性