第二章 材料科学与工程的四个基本要素创

第二章

材料科学与工程的四个基本要素欧阳歌谷（2021.02.01）MSE四要素；–使用性能，材料的性质，结构与成分，合成与加工两个重要内容；–仪器与设备，分析与建模§2.1

性质与使用性能1.基础概念2.性质与性能的区别与关系3.材料的失效分析4.材料（产品）使用性能的设计5.材料性能数据库6.其它问题2.1.1基础内容材料性质：是功能特性和效用的描述符，是材料对电.磁.光.热.机械载荷的应。材料性质描述•

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，防化性质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。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。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

电致伸缩机械----电学

压电特性磁学----机械

磁致伸缩电学----磁学

巨磁阻效应电学----光学

电致发光性能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。材料力学性能1.

强度表征：弹性极限，屈服强度，比例极限……2.

塑性表征：延伸率δ，断面收缩率φ，冲杯深度h3.

硬度表征：布氏硬度，洛氏硬度，维氏硬度……4.

刚度表征：弹性模量，杨氏模量，剪切模量……5.

疲劳强度表征：疲劳极限，疲劳寿命……6.

抗蠕变性表征：蠕变极限，持久强度……7.

韧性表征：断裂韧性KIC，断裂韧性JIC材料物理性能1.

电学性能表征：导电率，电阻率，介电常数……2.

磁学性能表征：磁导率，矫顽力，磁化率……3.

光学性能表征：光反射率，光折射率，光损耗率……4.

热学性能表征：热导率，热膨胀系数，熔点，比热……2.1.2性质与性能的区别与关系性质与使用性能的区别与关系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。需要注意的一点在材料科学研究及工程化应用中，材料人员应具备这样一种能力：能针对不同的使用环境，提取出关键的材料性质并选择优良性能的材料。3.失效分析----材料使用性能的重要研究内容三类主要的材料力学失效形式断裂

磨损

腐蚀材料的断裂韧性3.1.4材料（产品）使用性能的设计在材料使用性能（产品）设计的同时，力求改变传统的研究及设计路线，将材料性质同时考虑进去，采取并行设计的方法。传统方式：结构与功能－确定材料的性质（选择材料）－完成设计先进方式：结构与功能，材料的性质－完成设计2.1.5材料性能数据库从事材料工程的人们必须注重材料性能数据库，因为；1.材料性能数据库是材料选择的先决条件；2.材料性能数据库是实现计算机辅助选材（CAMS）、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）的基础。国际材料数据库建设简况•英、美金属学会合建金属材料数据库•西方七国组成有关新材料数据及标准的“凡尔赛计划”•原苏联及东欧各国组成了COMECON材料数据系统，包括16个数据库•北京科技大学等单位联合建成材料腐蚀数据库•武汉材料保护研究所建成材料磨损数据库•北京钢铁研究总院建立合金钢数据库•航天航空部材料研究所建立航天材料数据库2.1.6其它问题主要结构材料的产量统计§2.2

成分与结构1.材料的结构2.成分结构检测技术3.与其它要素的关系4.材料的成分.结构数据库5.新的机遇2.2.1材料的结构键合结构，晶体结构，组织结构材料的结构----晶体结构晶

体：原子排列长程有序，有周期非晶体：原子排列短程有序，无周期准晶体：原子排列长程有序，无周期材料的结构----组织结构定义：组成材料的不同物质表示出的某种形态特征相图特征；匀晶型组织，共晶型组织，包晶型组织结构特征；fcc结构，bcc结构，hcp结构组织特征；单相组织，两相组织，多相组织2.2.2成分、结构检测技术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。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：红外光谱、光电子能谱，等结构分析2.2.3与其它要素的关系是材料性质的原因是合成加工的结果材料的强度金属材料的尺寸减小到一定值时，材料的工程强度值不再恒定，而是迅速增大，原因有两点：1）按统计学原理计算单位面积上的位错缺陷数目，由于截面减小而不能满足大样本空间时，这个数值不再恒定；2）晶体结构越来越接近无缺陷理想晶体，强度值也就越接近于理论强度值-----结构是性能的原因。塑性加工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------是加工的结果材料的强韧化----位错理论的建立固溶强化，加工硬化，弥散强化，第二相强化，相变增韧2.2.4成分、结构数据库»X衍射数据库：建立了结构---测定参数的关系»相图数据库：建立了成分---相的关系具有一种晶体结构的物质称为一相注：这两个数据库对材料科学家的研究提供了极大的便利，几乎所有材料合成的研究都是从了解上面两个对应关系的研究开始的。2.2.5成分、结构研究领域的新机遇准晶，准晶的结构，潜在的应用价值纳米材料，纳米碳管，C60(巴基球)，等界面科学–超导体与基体的界面结构–功能复合材料的梯度界面–半导体材料与封装材料的界面–纤维增强体与基体的结合界面以上新的研究课题，都主要是围绕成分与结构展开的，向上追溯到材料的合成与加工，向下则牵联到材料的特征性质。可以说，这些研究是新材料新技术的代表。§2.3

合成与加工1.定义2.合成与加工的主要内容3.与其它要素的关系4.发展方向2.3.1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。合成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方法和物理方向。加工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。需要说明的问题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合成是新技术开发和现有技术改进的关键性要素现代材料合成技术是人造材料的唯一实现途径2.3.2合成与加工的主要内容材料制备材料加工表面工程材料复合一．材料的制备冶金过程，熔炼与凝固，粉末烧结，高分子聚合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：冶金过程－冶金物理化学熔炼与凝固－凝固学理论粉末烧结－烧结原理高分子聚合－聚合反应冶金过程（化学冶金）目的：从原料中提取出金属内容:火法冶金，熔盐电冶金，湿法冶金熔炼与凝固（物理冶金）目的:１．金属的精练提纯２．材料的“合金化”３．晶体的生长内容:1.平衡凝固

4.区域熔炼2.快速凝固

5.玻璃的熔炼3.定向凝固

6.熔融法提拉单晶粉末烧结目的:１.

粉末成型

2.

粉末颗粒的结合内容:

1.

粉末冶金技术2.

现代陶瓷材料的制备高分子聚合目的:

实现小分子发生化学反应，相互结合形成高分子。高分子聚合是人工合成三大类高分子材料：塑料、橡胶、合成纤维的基本过程。内容:

1.本体聚合

3.悬浮聚合2.乳液聚合

4.溶液聚合二．材料的加工传统意义上，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、粘接注：从课程体系上分析，材料的切削应在机械工程中重点讨论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、高分子成型流变成型金属的半固态成型高分子材料的熔融成型陶瓷泥料、浆料成型玻璃的熔融浇注材料的改性目的：通过改变材料的成分、组织与结构来改变材料的性能。内容:１.

材料的“合金化”2.

材料的热处理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、正火材料的联接目的：实现材料间的整体结合内容:

1.

焊接

3.

铆接2.

粘接

4.

栓接三．材料表面工程表面改性，表面防护，薄膜技术表面改性----改变材料表面的性质三束表面改性化学表面改性（化学热处理）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。表面防护腐蚀防护摩擦磨损防护腐蚀防护b大气腐蚀

海水腐蚀

工业介质腐蚀由腐蚀造成的材料失效量，占世界材料总产量的比例很高，腐蚀问题十分严重。因此，腐蚀防护非常重要。美国八个工业部门对材料性质的需求情况化学反应-----腐蚀的原因主动防护合金化，非晶化，高纯度，抗蚀材料被动防护表面涂镀，表面改性，表面钝化，电化学保护摩擦磨损防护增加抗磨损性，增加润滑性薄膜技术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；物理气相沉积PVD化学气相沉积CVD随着材料科学技术的不断发展，薄膜技术已不仅仅是材料改性的手段。更重要的是，现代薄膜技术在高新技术领域，如：微电子器件、纳米结构与组装、光电子器件，等方面正发挥着越来越重要的作用。四．材料的复合

金属基复合材料

陶瓷基复合材料

高分子复合材料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。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。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制备方法。

现代材料的合成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，这里论述的合成与加工的内涵要大于通常所说的材料工程的内涵。3.3.3与其它要素的关系3.3.4发展趋势在极端化的条件下，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------纳米材料电子材料合成与加工的关键技术●大尺寸、高均匀性、高完整性的晶体生长技术；●高精度晶片加工技术；●MOCVD、MBE超薄膜生长技术；●高纯和超高纯材料纯制技术；●低维材料的微细加工和制备技术；●高均匀超细粉体制备技术；●电子陶瓷、磁性材料的焙烧和成型技术；●材料的修饰或改性技术；§3.4仪器与设备1.成分、结构表征仪器2.材料性能的检测仪器3.合成与加工过程中使用的设备4.过程控制的探测元件及装置成分结构表征仪器材料成分结构的表征仪器是从事材料科学研究必备的手段，如同天文望远镜将人类视野带到了一个遥远的宇宙空间一样，材料成分结构表征仪器则将我们的观察引进一个更为绚丽多彩的微观世界。随着仪器能检测到的下限值不断减小，材料研究者所获取的信息也在不断增多，对材料本质的认识也在不断加深。材料科学研究使用的仪器、设备的精密程度代表了一个国家的综合科技水平。材料表面科学中使用的仪器扫描隧道显微镜

双准直离子散射仪

高分辨率电子损耗光谱仪

角分辨光电子能谱仪

俄歇能谱仪

低能电子衍射仪低能电子显微镜

自旋极化测量

场离子显微镜

原子探针材料性能的测定仪器材料性能的测定仪器是将性能的三要素（外界环境、表现行为、表征参量）融合在一个系统中完成，即，由仪器输入或模拟一个使用环境（条件），使受测材料发生响应（结果），然后仪器再将响应的模拟信号转变为数字信号表现出来（数值）。有许许多多种材料的力学、物理、化学单项性能，每种性能都分别对应了相应的测定方法和仪器。这些仪器构成了一个庞大的材料性能测定仪器家族。合成与加工设备材料合成与加工过程是在一个限定的空间，在给定的条件下进行的。用以满足空间需求和提供外加条件的各种装置或部件的组合就构成了材料合成与加工设备的主体。同时，设备中还包含了关键的控制系统。空间条件：各类反应容器、坩埚、熔炼炉外力条件：气压、液压、机械压制、冲击力（波）介质环境：真空设备、不同的气氛条件能量供给：电力系统、加热装置、辐照装置、激光发生器物质输送：气、液管路、机械进给装置过程控制的探测元件和装置传感器是控制系统“感知”加工过程的“器官”。传感器从过程中获得的信号主要包括：声、光、电、磁、热、压力、流速、浓度，等用于传感器的无机非金属敏感材料§2.5分析与建模（材料设计）1.引言2.材料设计的基本内容3.材料设计计算机基础1.引言随着材料科学的飞速发展，新型材料不断涌现，与此同时，人类社会的整体科技水平也在不断的提高，因此对材料科学又提出了更高的要求。传统“炒菜式”的材料研制方法已不能满足人们的要求。“材料设计”应

运而生核心问题：用什么样的配方，什么样的合成加工条件，来获取具有什么样的成分、结构和性质的材料。“材料设计”构想始于50年代，80年代后实现“材料设计”的条件渐趋成熟。表现在以下三个方面：1）基础理论的形成和发展量子力学，统计力学，能带理论，化学键理论等理论科学的发展使人们对材料的结构和性质的关系有了系统的了解；2）计算机科学技术的发展计算机高速运算，模式识别，数据库技术等技术的发展，为材料设计与过程仿真的实施提供了手段；3）合成与加工新技术的涌现各种新型材料合成加工技术为材料设计方案的实施提供了条件，同时材料智能加工又为合成加工的优化开辟了新方向。材料设计的内容材料设计贯穿于材料“四要素”的各个方面，即：◆成分结构设计◆性质性能预测◆合成加工过程的控制与优化微观结构设计案例1：杂化材料将性质截然不同的材料在原子、分子水平上均匀混合，形成原子、分子层次的复合材料例如：高分子聚乙烯和难熔重金属钨的杂化材料同传统复合材料的区别：复合材料

不同的组成相复合杂化材料

不同的组成原子（分子）复合同固溶体的区别：固溶体

热力学平衡体系杂化材料

热力学非平衡体系案例2：晶体结构计算通过对原子排列的计算，可以了解到晶体材料的晶体学结构。案例3：金属间化合物预报金属间化合物：处于相图中间的除固溶体以外的合金相。许多金属间化合物都是重要的功能材料，如：储氢材料，超导材料，磁性材料，高温结构材料，磁滞伸缩材料等。案例4：超晶格结构设计超晶格结构：通过外延生长的方法，使两种材料以极薄的薄膜方式交替叠合，从而沿生长方向在原晶格常数为a（几个埃）的晶格势场上，引入了一个周期为d（100埃数量级）的一维周期势，这种一维周期势结构就称为超晶格结构。超晶格结构使原来的能带分裂为一系列微小能带，可使电子能够在这些微能带间发生跃迁，从而导致各种新的物理现象产生。如：量子尺寸效应、室温激子非线性光子效应、迁移率增强效应、量子霍耳效应、共振隧穿效应。利用超晶格结构的概念，在原子尺度上进行材料的组份及结构参数设计，改变材料的能带结构，采用先进的制备方法，人工合成各式奇特物理性质的新材料和新器件——能带工程制备方法：分子束外延（MBE）金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）化学束外延（CBE）原子层外延（ALE）连续介质的材料设计重要的四个材料设计领域

各种物理场的数值模拟

合金的微观组织形成

断裂力学分析

复合材料的界面梯度设计各种物理场的数值模拟1.模拟

热传导过程2.模拟

应力应变状态3.模拟

物质扩散过程4.模拟

流体传输过程5.模拟

电磁场分布规律合金显微组织的形成建模在合金凝固过程中的重要作用。特别是对于大型或特大型铸件，为保证浇注过程的一次成功和避免经济损失，进行全过程的计算机仿真是极其必要的。不同加工条件下获得的组织，将表现出不同的材料性能。这些加工条件包括许多因素，如：成分、温度梯度及方向、重力、振动、杂质元素、杂质相、液固界面等。将这些因素的物理表征参量包括在一个数学模型中，即模型建立，通过计算机数值计算及对结果的计算机仿真，就可以了解到合金凝固过程及凝固的组织特征。断裂的分析材料中裂纹的形成和扩展的研究是微观断裂力学的核心问题。裂纹扩展过程中，裂纹、纤维（晶须）、基体三元素体系的变化情况：•纤维拔断•纤维拔出•纤维与