结构与性能绪论

材料结构与性能绪论材料科学的重要地位材料的分类材料基本用途材料技术的发展趋势材料性能与结构的关系本课程的教学内容——材料是是人类进步的象征人类历史阶段是根据使用材料划分的。从过去到现在共经历了七个时代1石器时代公元前10万年2青铜时代公元前3000年3铁器时代公元前1000年4水泥时代公元0年5钢时代1800年6硅时代1950年7新材料时代1990年一材料科学的重要地位石器时代青铜时代铁器时代硅时代铁制车轮新材料时代现代社会使用的材料种类繁多，无法简单地用某一种甚至某一类材料来象征社会的发展水平、技术水平，但材料是一切东西的物质基础仍然没有改变，而且今后也永远不会改变。正是因为有千姿百态、数不清的材料，世界才会如此丰富多彩。——材料是现代文明的基石支撑人类现代文明大厦的四大支柱技术现代文明生物技术信息技术能源技术材料科学与工程基因工程、细胞工程、发酵工程和酶工程

通信、计算机与计算机语言、计算机游戏、电子技术、光纤技术太阳能、风能、核能、生物能、地热能、海洋能等材料科学的重要地位例如，人们早就知道了喷气航空发动机比螺旋桨航空发动机有很多优点，但由于没有材料能承受喷射出燃气的高温，使这种理想只能是空中楼阁。直到1942年制成了镍基耐热合金这种新材料、才使喷气发动机的制造得以实现。如果没有1970年制成的可以实用的光导纤维，也不会有现代的光通信。如果不能制成高纯度大直径的硅单晶，就不会有高度发展的集成电路，也不会有今天如此先进的计算机和一切电子设备。这样的例子可以说举不胜举。1崭新技术的实现需要崭新材料的支持建筑、交通、能源、计算机、通信、多媒体、生物医学工程无一不依赖材料科学与技术的发展来实现和突破。没有钢铁材料，就没有今天的高楼大厦；没有专门为喷气发动机设计的材料，就没有靠飞机旅行的今天；没有耐高温复合涂层材料，就没有人类探索外空的飞船；没有固体微电子电路，就没有计算机。建筑交通一百多年来，钢铁一直是汽车工业的基础。你也许会说这已经没什么好发展的了，不过，你错了！图片是几卷高强钢。这类金属将是未来汽车的中坚力量。近来，钢铁工业已经开发出一种汽车用钢，比原先的轻24%，而强度高34%。超级钢新型钢材的优点是：高撞击能量吸收率；

高强度-质量比；

实用新型制造工艺；

可以有多种不同性能(寿命、防锈等)。轮胎取代传统轮胎，一家制造公司开发出一种经久耐用的新型轮胎，可以和钢或铝制轮胎一决高下。这种轮胎的优点可不仅仅是时髦漂亮，聚酯材料提供了优良的抗腐耐磨性能，可以有效的抑制化学物对轮胎的侵蚀。当为飞机部件选择材料时，设计师要时时考虑“权衡”，也就是要选择重量最轻而强度也要满足一定要求。今天的飞机就是使用这种化合物而且还在随着新材料的诞生而不断发展。

在美国卡拉维纳尔角航天基地待升空的（穿梭机）。它是人类高技术的结晶。它应用了成千上万种材料，特别是一些高技术的新型材料（本照片选自美国KennedySpaceCenter的Tourbook）。航天飞机磁悬浮列车，这种高温超导磁悬浮列车最大特点就是乘坐平稳、安全和快捷。没有一点轰隆隆的噪声，十分安静。它的最主要的材料是超导材料，利用超导材料的完全抗磁性制得的。超导磁悬浮列车2先进的技术又促使了新材料的诞生例如，利用计算机模拟可以计算出要求什么样的性能便应该有什么样的成分组成的材料，甚至还没有制造出来便可以先用虚拟现实技术观看所制成的零件在工作时的表现如何。这就使得在研制新材料时，具有更大的主动性、预见性，避免盲目地作大量无益的探索。更进一步，还可以算出原子之间应该怎样排列才能具有所需要的性能，并利用可以操作单个原子层的技术将其制造出来。所以，现代的材料技术正同其他高技术互相支持、共同发展。

1981年，瑞士苏黎世的IBM实验室，德国博士生比尼格（Binnig）和罗勒尔(Rohrer)教授发明扫描隧道显微镜（STM）。实现了人类直接“看”到单个原子的愿望！这是迈向纳米技术重要里程碑。比尼格和罗勒尔也因此获得了1986年的诺贝尔物理奖。扫描隧道显微镜工作原理示意图

1989年在美国加州的IBM实验内，依格勒博士（D.Eigler）采用低温、超高真空条件下的STM操纵着一个个氙原子，在一个位置上抓起一个原子，移动到另一个预先设计好的位置上，再放下该原子。重复这样的步骤，依格勒将35个氙原子排布成了世界上最小的IBM商标，实现了人类另一个幻想——直接操纵单个原子。原理上这也是实现了费曼的设想：按人的意愿排布一个个原子来构建纳米器件。依格勒博士进一步操纵单个铁原子排布成一个圆圈——量子栅。在原子操纵研究领域

1993年，中国科学院北京真空物理实验室用扫描隧道显微镜实现了原子的操纵。尽管此工作比国际上晚了数年，但却标志着我国纳米技术基础研究的开始。

1不象以前的各个材料时代，它是一个由多种材料决定社会和经济发展的时代；

2新材料科学根据我们对材料的物理和化学性能的了解，为了特定的需要设计和加工而成的。

新材料时代特征二材料的分类按材料的组成分。主要有金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料。按材料的特性和用途分。有结构材料和功能材料。按材料内部原子排列情况分。有晶态和非晶态。按材料的热力学状态分。有稳态和亚稳态材料。按材料尺寸分。有一维、二维和三维材料等。结构材料

用于制造受力条件下的材料，因此对它的要求主要是机械性能。如强度、延伸率、硬度、韧性、刚性等等。有时要求其能经受住严峻的环境条件，如要求耐热性、抗腐蚀性等。功能材料

主要用于完成某种光、热、电、磁等特殊功能的材料。如，液晶材料用于显示，但有时也要求有一定机械强度，如光导纤维主要用于传输光线，同时也要求有一定机械强度，否则连自己的重量都承受不了，也就无法构成长的通信线路。三、材料基本用途金属材料绝大部分都是结构材料，但近来也出现一些功能材料，如形状记忆合金、储氢合金、金属超导材料等。陶瓷材料有的作为结构材料，有的作为功能材料。液晶材料目前还只能作为功能材料。四材料技术的发展趋势当前，材料技术的发展趋势有以下几种：

第一、从均质材料向复合材料发展以前人们只使用金属材料、高分子材料等均质材料，现在开始越来越多地使用诸如把金属材料和高分子材料结合在一起的复合材料。

第二、由结构材料为方往向功能材料、多功能材料并重的方向发展以前讲材料，实际上都是指结构材料。但是随着高技术的发展，其他高技术要求材料技术为它们提供更多更好的功能材料，而材料技术也越来越有能力满足这一要求。所以现在各种功能材料越来越多。第三、材料结构的尺度向越来越小的方向发展

如以前组成材料的颗粒，尺寸都在微米，现在向纳米尺度方向发展。由于颗粒极度细化，使有些性能发生了截然不同的变化。第四、由被动性材料向具有主动性的智能材料方向发展过去的材料不会对外界环境的作用作出反应，完全是被动的。新的智能材料能够感知外界条件变化、进行判断并主动作出反应。

第五、通过仿生途径来发展新材料生物通过千百万年的进化，在严峻的自然界环境中经过优胜劣汰，适者生存而发展到今天，自有其独特之处。为开发新材料又提供了一条广阔的途径。五材料性能与结构的关系三种基本类型材料中：金属有好的导电性，有高的塑性和韧性；陶瓷材料则有高的硬度但很脆，且大多是电的绝缘材料；而高分子材料的弹性模量，强度，塑性都很低，多数也是不导电的。

这些材料的性能不同都是由其内部结构决定的，即原子结构，结合键，原子的排列方式（晶体和非晶体）以及显微组织。“有人认为材料科学是研究各种材料的结构、制备加工工艺、性能和使用状况之间的关系的科学。PropertiesStructureCompositionSynthesisProcessingPerformance材料科学”至今无明确定义。结构－－包括用肉眼或低倍放大镜观察到的宏观组织，用光学或电子显微镜观察到的微观组织，用场离子显微镜观察到的原子象，以及原子的电子结构。性能－－包括力学性能、物理性能、化学性能，以及冶金和加工性能等工艺性能。加工－－是指包括材料的制备、加工、后处理（再循环处理）在内的各种生产工艺。使用－－是指材料的应用效果和反响。

材料的结构、性能、加工和使用状况这四个因素称为材料科学与工程的四要素。在这四要素关系中