化工材料学基础概论

目录TOC\o"1-5"\h\z\u一、 材料概论 5第一节 材料的发展史及分类 5一、材料的定义 5二、材料的发展史 6（1）人类使用材料的六个时代 6（2）新材料 6三、材料工程与材料科学 7四、材料的分类 7材料发展趋势 8第二节材料的成分与组织结构 8一、材料的成分与结构 9晶体非晶体 9晶体与非晶体的区别 9单晶体与多晶体的区别 9晶体的几个定义 9晶系与布拉菲点阵 9晶体形成的途径 10晶体的组成 10晶体的缺陷 11二、材料的组织 12三、材料成分和组织结构的检测 12

高分辨率透射电子显微镜（HRTEM） 13

扫描电子显微镜（SEM） 14

扫描隧道显微镜（STM） 14

原子力显微镜（AFM） 15

X射线衍射（XRD） 15

热重/差热分析（TG/DTA） 15

差示扫描量热法（DSC） 15

BET气体吸附表面积测量和孔结构分析（BET法） 15

其它的方法 15第三节材料的主要性能指标及涵义 15一、力学性质 161．弹性 162．强度 16蠕变和蠕变强度 16疲劳和疲劳强度 16屈服和屈服强度 16韧度和断裂韧度 163．硬度 174．塑性 175．韧性 17二、物理性质 171．密度 172．热学性能 173．电学性能 174．磁学性能 17三、材料的化学性质 17四、材料的使用性能 18材料的性质和使用性能之间的关系 18第四节结构材料的失效 18一、材料的变形 181．弹性变形 182．塑性变形（范性变形） 18二、材料的断裂 18材料的断裂分类 18三、材料的磨损 19材料磨损的主要类型 19四、材料的腐蚀 19五、防腐 19总结 20问题1什么叫材料？ 20问题2人类使用材料经历了哪七个时代？ 20问题3新材料和新材料时代的定义和特征是什么？ 20问题4材料科学四要素是什么？ 20问题5材料按化学成分、生产过程、结构及性能特点分为哪四类？ 20问题6材料按照使用性能分为哪两类？ 20问题7材料按照结构分为哪三类？ 20问题8什么叫材料的结构？ 20问题9试述晶体与非晶体的区别。 20问题10晶体有哪七大晶系？ 20问题11结构材料的失效形式有哪四种？ 21问题12材料的性质指哪三种性质？ 21问题13材料的常用表征方法有哪些？为什么说表征方法具有特别的重要性？ 21课堂作业题 21什么是化工材料？与化工有关的材料，几乎涉及全部的材料。通过化工技术生产的材料，重要涉及高分子材料和无机材料，如：涂料、塑料、橡胶、陶瓷等。化工与材料建造化工装置需要大量的工程材料和功效材料，如：金属材料、非金属材料及高分子材料及复合材料等。化工装置技术的进步与材料的发展密不可分。许多材料都是通过不同化工过程及单元操作生产出来的。化工学科的发展进步增进材料性能的提高；新材料的不停涌现和发展，推动化工学科的进步。材料概论第一节材料的发展史及分类一、材料的定义1、材料的定义1）定义可为人类社会接受的、能经济地用于制造有用物品的物质。在生产生活中人类用于制造物品、器件、构件、机器或其它多个满足多个需要的产品。作为材料，普通是固态，可作为工程上的物质；作为材料科学的研究对象，重要是那些制造器件或者物品的人造物质。（简洁：材料是用来制造有用的构件、器件或物品的物质。）2）材料定义的内涵（1）材料的有用性相对的（2）材料的经济性临时的（3）范畴材料是制造物品的构成部分，或者制造物品中含有某种材料的成分。3）材料与物质注意：（1）材料是物质，但不是全部物质都能够称为材料。例如燃料和化学原料、工业化学品、食物和药品，普通都不算是材料。但是这个定义并不那么严格，如炸药、固体火箭推动剂，普通称之为"含能材料"，由于它属于火炮或火箭的构成部分。（2）广义上的材料A燃料也是一种材料，是制造过程不可或缺的。B空气C催化剂D天然矿物4)材料判据（肖纪美院士提出）（1）资源判据（2）能源判据材料在生产、使用过程中的能耗问题？（3）环保判据材料在生产、使用过程中，满足环保规定？（4）质量判据能否有效制造？（5）经济判据在材料生产和研究中，成本？效益？资源、能源、环境为战略性判据！经济与质量是技术性判据。二、材料的发展史（1）人类使用材料的六个时代1．石器时代：公元前10万年•是考古学对早期人类历史分期的第一种时代。即从出现人类到铜器的出现，大概始于距今二三百万年、止于距今6000至40左右。这一时代是人类从猿人通过漫长的历史、逐步进化为当代人的时期。•根据人们使用的石制工具的形状和复杂程度，石器时代普通划分为旧石器时代、中石器时代和新石器时代。•旧石器时代：使用打制石器为主的时代。中石器时代：使用打制石器，也有用磨制石器的时代。会使用天然火烤熟猎物。新石器时代：使用磨制石器为主的时代。在新石器时代的猿人已经会使用陷阱捕获猎物。2．青铜器时代（灭火的铜鼎）：公元前30√青铜器时代，约从公元前40至公元初年。指重要以青铜为材料制造工具、用品、武器的人类物质文化发展阶段。√青铜是红铜(纯铜)与锡或铅的合金，熔点在700-900℃之间，比红铜的熔点(1083℃)低。含锡10％的青铜，硬度为红铜的4.7倍，性能良好。青铜出现后，对提高社会生产力起了划时代的作用。3．铁器时代：公元前15•铁器时代是人类发展史中一种极为重要的时代，它以能够冶铁和制造铁器为标志。•约始于公元前14人类开始锻造铁器,制造工具，增进了社会生产力的发展。加速了奴隶制社会的崩溃4．钢时代（机械化生产）：185．硅时代（单晶硅生产集成电路）：1950年6．新材料时代：1990年•由多个材料决定社会和经济发展•以人造为特性•为了特定的需要设计和加工而成多晶硅与光伏产业；磁性材料和多晶硅与光伏产业；（2）新材料新材料是指新出现的或正在发展中的，含有传统材料所不含有的优秀性能和特殊功效的材料；或采用新技术(工艺,装备)，使传统材料性能有明显提高或产生新功效的材料。“新材料产业”涉及新材料及其有关产品和技术装备。其研发水平及产业化规模已成为衡量一种国家经济，社会发展,科技进步和国防实力的重要标志，世界各国特别是发达国家都十分重视新材料产业的发展。新材料分类•信息材料，现在的研究热点和技术前沿涉及柔性晶体管,光子晶体,SiC,GaN,ZnSe等宽禁带半导体材料为代表的第三代半导体材料,有机显示材料以及多个纳米电子材料等。•能源材料，现在研究热点和技术前沿涉及高能储氢材料,聚合物电池材料,中温固体氧化物燃料电池电解质材料,多晶薄膜太阳能电池材料等。•生物材料，生物材料是和生命系统结合,用以诊疗,治疗或替代机体组织,器官或增进其功效的材料。重要涉及药品控制释放材料,组织工程材料,仿生材料,纳米生物材料,生物活性材料,介入诊疗和治疗材料,可降解和吸取生物材料,新型人造器官,人造血液等。•纳米材料•超导材料与技术•稀土材料•新型钢铁材料•新型有色金属合金材料•新型建筑材料•生态环境材料•军工新材料三、材料工程与材料科学材料工程：材料工程是研究、开发、生产和应用多个材料的工程领域。材料工程基础理论材料工程基础理论材料科学通过材料本质的发现、分析和理解等方面的研究，提供材料构造的统一描绘或模型，以及解释材料构造与性能之间的关系的科学。材料科学与工程：材料成分、构造、工艺和性能与用途之间有关知识和应用的科学材料工程材料工程材料科学材料科学与工程材料科学四要素：组织构造是核心，性能是目的，合成加工是手段1）成分/构造(Composition/Structure)：影响其性质的直接因素2）合成/加工(Synthesis/Processing)：变化材料的组织构造而影响其性质3）性质(Properties)（性能）：力学性质、物理性质和化学性质4）效能(Performance)（使用性能或效果）：是指材料在使用条件下的体现，涉及环境影响、受力状态、材料特性曲线，乃至寿命预计等。四、材料的分类1．按化学成分、生产过程、构造及性能特点分类：1）金属材料：以金属元素为基础的材料，如：钢、锰等。a.铁及铁基合金b.非铁金属及其合金特点：优良的力学性能，特别是高强度和高韧性；优良的可加工性2）有机高分子材料一类由一种或几个分子或分子团（构造单元或单体）以共价键结合成含有多个重复单元的大分子材料，如：合成塑料、橡胶等。特点：种类多、密度小，比强度大，电绝缘性、耐腐蚀性好、加工容易，可符合多个、特种用途的规定。3）无机非金属材料除金属材料、有机高分子材料以外的几乎全部材料，如：多晶硅、粘土、水泥、玻璃等特点：耐高温、高硬度、抗腐蚀，以及优良的介电、压电、光学、电磁性能及其功效转换特性等4）复合材料由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的材料。（1）按基体可分为金属基、有机高分子基、无机非金属基复合材料（2）按用途可分为构造复合材料和功效复合材料2．按使用性能分类1）构造材料：以力学性能为主的材料的统称，如：水泥、混凝土及钢材，等。2）功效材料：以特殊物理性能或化学性能为主的材料的统称，如磁性材料、光学材料3．按构造分类晶态材料：构成的原子、分子的空间排列呈现周期性和平移对称性非晶态材料：其构成的原子、分子的空间排列不呈现周期性和平移对称性，晶态的长程序受到破坏；只是由于原子间的互有关联作用，使其在几个原子（或分子）直径的社区域内含有短程序。由于至今尚无任何有效的实验办法能够精确测定非晶态材料的原子构造准晶态材料：构成的原子、分子的空间排列呈现周期性，但不含有平移对称性4．按物理性质分类导电材料半导体材料绝缘材料高温材料高强度材料5．按物理效应分类光电材料压电材料激光材料热电材料声光材料智能材料磁光材料非线性光学材料6．按用途分类电子材料研磨材料电工材料光学材料建筑材料材料发展趋势•复合材料是构造材料发展的重点，其中重要涉及树脂基高强度、高模量纤维复合材料，金属基复合材料，陶瓷基复合材料及碳碳基复合材料等。表面涂层或改性是另一类复合材料，其量大面广、经济实用，含有广阔的发展前景。•功效材料与器件相结合，趋于小型化与多功效化。特别是外延技术与超晶格理论的发展，使材料与器件的制备能够控制在原子尺度上，这将成为发展的重点。•开发低维材料。低维材料含有体材料不含有的性质。例如零维的纳米级金属颗粒是电的绝缘体及吸光的黑体，以纳米微粒制成的陶瓷含有较高的韧性和超塑性；纳米级金属铝的硬度为块体铝的8倍；作为一维材料的高强度有机纤维、光导纤维，作为二维材料的金刚石薄膜、超导薄膜、石墨烯等都已显示出广阔的应用前景。•信息功效材料增加品种、提高性能。这里重要是指半导体、激光、红外、光电子、液晶、敏感及磁性材料等，它们是发展信息产业的基础。•生物材料将得到更多应用和发展。一是生物医学材料，可用以替代或修复人的多个器官、血液及组织等；另一是生物模拟材料，即模拟生物的机能，如反渗入膜等。•传统材料仍将占有重要位置。金属材料在性能价格比、工艺及现有装备上都含有明显优势，并且新品种不停涌现，此后仍将有很强的生命力。高分子材料还会大大发展，性能会更优秀，特别是高分子功效材料将有大发展。工程陶瓷将在性能提高、成本减少的条件下得到发展。功效陶瓷已在功效材料中占重要地位，还将不停发展。第二节材料的成分与组织构造一、材料的成分与构造材料的成分：指构成材料的元素种类及其含量普通用质量分数（ω）或粒子数分数（x）表达材料的构造：指材料中原子（离子或分子等）的排列方式。材料原子、离子和分子间的结合键决定材料的性质。晶体非晶体晶体：由许多质点（涉及原子、离子或分子）在三维空间作有规律的周期性重复排列而形成的固体。近程有序、远程有序非晶体：在三维空间不呈周期性的规则排列。近程有序、远程无序晶体与非晶体的区别质点与否在三维空间作有规则的周期性重复排列晶体熔化时含有固定的熔点，而非晶体无明显熔点，只存在一种软化温度范畴晶体含有各向异性，非晶体呈各向同性单晶体与多晶体的区别单晶体:质点按同一取向排列，由一种核心（晶核）生长而成的晶体多晶体:由许多不同位向的小晶体(晶粒)所构成的晶体各向同性－假等向性晶体的几个定义1）阵点：将构成晶体的实际质点（原子、离子、分子）抽象成纯正的几何点称为阵点。2）空间点阵（简称为点阵）：阵点在空间呈周期性规则排列，并含有等同的周边环境的模型。3）晶格：作许多平行的直线把阵点连接起来，构成一种三维的几何格架称为晶格。4）晶胞：晶格中能够完全反映晶格特性的最小几何单元称为晶胞。普通是在晶格中取一种最小的平行六面体作为晶胞。5）晶胞参数：晶胞三条棱边（晶轴）的边长a、b、c及晶轴之间的夹角α、β、γ称为晶胞参数。晶系与布拉菲点阵根据晶胞的外形，即晶轴长度和晶轴夹角将晶体分为七大晶系：立方、四方、正交、六方、单斜、三斜、三方（菱方）十四种布拉菲点阵：立方：简朴立方，体心立方，面心立方四方：简朴四方，体心四方正交：简朴正交，底心正交，体心正交，面心正交六方：简朴六方单斜：简朴单斜，底心单斜三斜：简朴三斜三方（菱方）：简朴三方（菱方）三种立方晶体构造简朴立方体心立方面心立方晶体形成的途径•熔融态物质凝固•气态物质冷却不经液态直接凝固(凝华)•溶质从溶液中析出晶体的构成多元晶体：由两种或更多元素构成构成方式：固溶体和化合物固溶体：加盟组元（溶质）原子占据基本组元原子晶体中所占位置的一部分或它们之间的某些空隙，而仍保持基本组元（溶剂）的晶体构造化合物：加盟组元与基本组元以一定的比值重新组合形成新的晶体构造固溶体合金两种或多金属不仅熔融时能互相溶解，并且凝固时也能保持互溶状态的液。纯金属的晶格→取代固溶体的晶格间隙固溶体的晶格晶体的缺点晶体构造缺点的类型：1.点缺点：零维缺点2.线缺点：一维缺点，位错3.面缺点：二维缺点点缺点指原子应占而未占的空位或间隙中不该存在而存在的间隙原子而造成的缺点。缺点尺寸很小，仅引发几个原子范畴的点阵构造的不完整（a）空位（b）杂质质点（c）间隙质点线缺点线缺点：晶体中某处一列或若干列原子发生了有规律的错排现象刃位错螺位错面缺点在二维方向上偏离抱负晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺点，如晶界、相界等二、材料的组织在光学显微镜或电子显微镜下可观察到，能反映各构成相形态、尺寸及分布的图像三、材料成分和组织构造的检测高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）扫描电子显微镜（SEM）扫描探针显微镜/扫描隧道显微镜（SPM/STM）原子力显微镜（AFM）X射线衍射（XRD）热重/差热分析/差示扫描量热法（TG/DTA/DSC）超导量子相干磁力测定仪（SQUID）BET气体吸附表面积测量和孔构造分析（BET法）

高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）高压电子束穿过很薄的样品，制止电子通过的样品区域呈现出图像。分辨率可达0.1nm，放大倍数在150万倍以上。透射电镜的基本原理阿贝光学显微镜衍射成像原理同样适合于透射电子显微镜。不仅能够在物镜的像平面获得放大的电子像，还能够在物镜的后焦面处获得晶体的电子衍射谱。

扫描电子显微镜（SEM）当聚焦得很细的电子束在试样表面扫描时，用探测器收集有关信息，逐点逐行地在显像管上显示出来。采用场发射电子枪的超高分辨SEM的分辨高达0.6nm。扫描电镜构造电子枪透镜系统样品室扫描系统真空系统构成电子光学系统成像原理•运用扫描线圈使电子束在样品表面进行扫描。•由于高能电子束与样品物质的互相作用，产生多个电子信息：二次电子，反射电子，吸取电子，X射线，俄歇电子等。•这些信息收集后通过放大送到成像系统。样品表面扫描过程任意点发射的信息均能够统计下来，获得图像的信息。•由样品表面上的电子束扫描幅度和显像管上电子束扫描幅度决定图像的放大倍数。

扫描隧道显微镜（STM）将探针靠近导电样品表面对其进行扫描,样品和探头之间的隧道电流可持续监测,获得其表面图像，也称为扫描隧道显微镜（STM）。横向分辨本领高达0.1－0.2nm，而深度分辨率为0.01nm。能够在超高真空，真空，大气，液体中无损伤地直接观察物质表面构造。√扫描隧道显微镜（STM）是IBM公司苏黎世研究所的G．Binnig和H．Rohrer于1981年发明的，他们因此共同获得1986年诺贝尔物理学奖。√STM是一种基于量子隧道效应的新型高分辨率显微镜，它能以原子级空间分辨率来观察物质表面原子或分子的几何分布和态密度分布，拟定物体局域光、电、磁、热和机械特性。√STM能够实时测量物体表面的实空间三维图像。测量分辨率对平行和垂直于表面方向分别为0.1nm和0.01nm。这将会实现人类长久追求的直接观察原子真面目的愿望。√STM还含有广泛的合用性，如刻划纳米级微细线条、移动原子等实际操作。因此SIM已成为纳米科学技术的重要工具。STM还可在自然条件下对生物大分子进行原子级直接观察，因而在生命科学研究中含有极大的潜力。

原子力显微镜（AFM）运用针尖和试样原子间的互相微弱作用力来获得试样表面的形貌图像。可用于研究绝缘体，半导体及导体，也可对DNA分子进行切割。

X射线衍射（XRD）通过晶体的衍射探测其构造

热重/差热分析（TG/DTA）热重法(TG):在温度程序控制下，测量物质质量与温度之间关系的技术。差热分析(DTA)：在温度程序控制下，测量物质的温度和参比物温度差和温度关系的一种技术。

差示扫描量热法（DSC）在程序控制温度下，测量输入到试样和参比物的功率差（如以热的形式）与温度的关系。以样品吸热或放热的速率，即热流率dH/dt（单位毫焦/秒）为纵坐标，以温度T或时间t为横坐标，能够测定多个热力学和动力学参数，例如比热容、反映热、转变热、相图、反映速率、结晶速率、高聚物结晶度、样品纯度等。DTA是测量ΔT-T的关系，而DSC是保持ΔT=0，测定ΔH-T的关系。两两者最大的差别是DTA只能定性或半量，而DSC的成果可用于定量分析。

BET气体吸附表面积测量和孔构造分析（BET法）Brunauer-Emmett-Teller三人提出多分子层理论的公式简称为BET公式。运用压力和氮气吸附量的关系绘图，就能够通过氮气的单层物理吸附计算出样品的比表面积，也能测定孔径分布，孔容积。

其它的办法红外光谱（IR）紫外－可见光光谱（UV－Vis）X射线光电子能谱（XPS）俄歇能谱（AES)第三节材料的重要性能指标及涵义材料的性质力学性质：材料在不同载荷和环境作用下体现的变形和断裂行为的描述(构造材料)物理性质：指从物理学的观点表征材料的热学、电学、磁学和光学等性质（功效材料）化学性质：指材料发生化学反映时所显示的性质一、力学性质1．弹性指材料在外力作用下产生变形，当外力取消后又恢复到原来的形状和大小的一种特性。1）弹性模量E或G（MPa或N/mm2）：材料在弹性范畴内，应力与应变的比值。弹性模量表征材料抵抗弹性变形的能力。应变(符号ε)是伸长量与原长度的比值:△L/L,为一无量纲量.2）比例极限σp（Sigma，MPa或N/mm2）：材料在弹性范畴内，应力与应变保持直线关系，开始偏离直线时的应力。3）弹性极限σe（MPa或N/mm2）：弹性变形阶段，不产生塑性变形时所能承受的最大应力。2．强度指材料在外力作用下，抵抗变形或断裂的能力1）抗拉强度（拉伸强度）σb：材料承受拉伸载荷时，断裂前单位面积上所承受的最大应力2）抗弯强度（弯曲强度）σbb：材料承受弯曲载荷时，断裂前单位面积上所承受的最大应力3）抗压强度σbc：材料承受压缩载荷时，断裂前单位面积上所承受的最大应力4）抗剪强度（剪切强度）τ（Tau）：材料承受剪切载荷时，断裂前单位面积上所承受的最大应力5）抗扭强度（扭曲强度）τb：材料承受扭转载荷时，断裂前单位面积上所承受的最大应力蠕变和蠕变强度•固体材料在保持应力不变的状况下，应变随时间缓慢增加的现象。•金属、高分子材料和岩石等在一定条件下都含有蠕变性质。•蠕变材料的瞬时应力状态不仅与瞬时变形有关，并且与该瞬时以前的变形过程有关。•瞬时响应后随时间发展的蠕变普通可分成3个阶段：第一阶段是衰减蠕变，应变率随时间增加而逐步减小；第二阶段是定常蠕变，应变率近似为常值；第三阶段是加速蠕变，应变率随时间逐步增加，最后造成蠕变断裂。•同一材料在不同的应力水平或不同温度下，可处在不同的蠕变阶段。普通温度升高或应力增大会使蠕变加紧。•不同材料的蠕变微观机制不同。引发多晶体材料蠕变的因素是原子晶间位错引发的点阵滑移以及晶界扩散等；而聚合物的蠕变机理则是高聚物分子在外力长时间作用下发生的构形和位移变化。•研究材料的蠕变性质对安全而经济地设计构造和机械零件含有重要意义。蠕变强度：材料在一定的温度下，通过一定时间，蠕变速度不超出规定的数值，此时所能承受的最大应力。在设计高温下使用的构件时，就不能仅把强度极限等作为计算需用应力的根据，而要考虑材料的蠕变强度。疲劳和疲劳强度•疲劳是指材料或构件在长久交变载荷持续作用下产生裂纹，直至失效或断裂的现象。•疲劳极限：材料在交变载荷作用下，通过无限次应力循环而不引发断裂的最大循环应力，也称疲劳强度。屈服和屈服强度屈服：材料在拉伸或压缩过程中，当应力超出弹性极限后，变形增加较快，材料失去了抵抗继续变形的能力。当应力达成一定值时，应力虽不增加（或在微小范畴内波动），而变形却急速增加的现象，称为屈服。屈服强度σs：材料承受载荷时，产生屈服现象时的临界应力。它表达材料抵抗塑性变形的能力。屈服强度在工程上也是材料的某些力学行为和工艺性能的大致度量。例如材料屈服强度增高，对应力腐蚀和氢脆就敏感；材料屈服强度低，冷加工成型性能和焊接性能就好.韧度和断裂韧度•韧度即物体抗磨损、抗拉伸、抗压入等的能力，也可叫做抗破裂的能力。所谓韧度高，即表达物体难于破裂。可分为冲击韧度（J/cm2）和断裂韧度(N/mm2/3)。•在弹塑性条件下，当应力场强度因子增大到某一临界值，裂纹便失稳扩展而造成材料断裂，这个临界或失稳扩展的应力场强度因子即断裂韧度。它反映了材料抵抗裂纹失稳扩展即抵抗脆断的能力，是材料的力学性能指标。3．硬度材料抵抗局部塑性变型的能力，称为硬度。硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度及肖氏硬度。4．塑性材料在外力作用下，产生永久变形的能力称为塑性1）伸长率δ（Delta，％）：材料在外力作用下被拉断后，在标距内总伸长长度同原来标距长度相比的百分率δ<2~5%属脆性材科δ≈5~10%属韧性材料δ>10%属塑性材料2）断面收缩率ψ（Psi，％）：材料在外力作用下被拉断后，其横截面面积的缩小量与原来横截面积相比的百分率5．韧性指材料抵抗塑性变形和破坏的能力1）冲击韧性（抗冲强度、冲击强度）（aK）：材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。在一次性冲击实验中，用试样受冲击而破坏时单位面积破断所吸取的能量来表达。2）断裂韧性（KIc）：材料在裂纹存在的状况下抵抗脆性断裂的能力。二、物理性质1．密度密度（ρ，Rho，kg/m3）：材料单位体积的质量。2．热学性能1）熔点（K）：材料由固态转变为液态的熔化温度2）比热容（c，J/(kgK)）：单位质量的物质，在温度升高或减少1K时所吸取或放出的热量3）热导率（λ，Lambada，W/(mK)）：在单位时间内，沿热流方向单位长度上温度减少1K时，单位面积允许导过的热量4）线膨胀系数（α1，K-1）：材料温度每升高1K所增加的长度与原长度的比值。3．电学性能1）电阻率（ρ，Ω.mm2/m）：反映材料绝缘性能的参数，与材料的截面积成正比，与长度成反比。2）电导率（γ，Gamma，S/m）：电阻率的倒数4．磁学性能1）磁导率（μ，H/m）：衡量磁性材料磁化难易程度的性能指标，是磁感应强度与磁场强度的比值。。2）磁感应强度（B，T）：表达磁场强度与方向特性的物理量。3）磁场强度（H，A/m）：是表达磁场中各点磁力大小和方向的物理量。4）矫顽力（Hc，A/m）：消除剩磁感应强度所需外加反向磁场的磁场强度的绝对值。三、材料的化学性质材料的化学性质是指材料发生化学反映时所显示的性质，涉及材料的耐氧化性、耐蚀性、抗高温氧化性等，惯用的有腐蚀速率、电极电位等参量。对不同材料又有所侧重。•金属材料的化学性质（腐蚀）•非金属材料的化学性质（化学惰性）•高分子材料的化学性质（高温氧化性）•复合材料的化学性质四、材料的使用性能•是指材料在服役条件下所体现的特性，它是材料性质与服役条件、产品设计及加工融合在一起所决定的要素。•度量指标有寿命、速度、能量效率、安全性和寿命期及费用等。材料的性质和使用性能之间的关系•材料的物理、化学及力学性质都是成分和构造的体现，决定着材料的使用范畴和使用性能。•随着对材料性质及其成分和构造的进一步理解，人们在一定程度上可按需设计材料。•材料性质数据库的建立和发展含有重要的意义。第四节构造材料的失效失效：材料在外加载荷和环境的作用下，会逐步损失原有的物理、化学或力学性能，直至不能继续服役，这一现象称为失效。构造材料常见的失效形式：过量变形断裂磨损腐蚀一、材料的变形材料在载荷的作用下发生几何尺寸变化称为变形。1．弹性变形在外力作用下，材料产生变形，当外力去除后，变形消失而恢复原状，这样的变形称为弹性变形。可逆2．塑性变形（范性变形）材料在外力作用下产生去除外力后不能恢复原状的永久性变形称为塑性变形。不可逆弹性变形或塑性变形量超出材料所允许的范畴，即发生过量弹性变形失效或过量塑性变形失效方法：加大零件截面尺寸、提高材料弹性模量或屈服强度二、材料的断裂固体材料在力的作用下分裂为若干部分的现象称为断裂。材料的断裂是力对材料作用的最后成果，意味着材料的彻底失效。材料断裂而造成机件失效的危害性最大。断裂过程：裂纹的萌生＋扩展材料的断裂分类•按照断裂前宏观塑性变形的程度，断裂可分为韧性断裂和脆性断裂。•按照断裂面的取向，断裂分为正断和切断。•按照裂纹扩展的途径，断裂可分为穿晶断裂和沿晶断裂。•按照裂纹断裂机理，断裂分为解离断裂、微孔聚集型断裂和纯剪切断裂。衡量材料抗断裂能力的力学性能指标重要是抗拉强度、疲劳强度、韧度及断裂韧度。三、材料的磨损√在机件表面互相接触并做相对运动产生的摩擦过程中，会有微小颗粒从表面不停分离出来形成尺寸和形状不同的磨屑，使材料逐步损失，造成机件尺寸变化和质量损失，这种表面损伤现象即为磨损。√磨损普通来源于摩擦，但磨损与摩擦力、摩擦系数之间的关系却很复杂。在具体工作条件下影响磨损的因素诸多，其中有环境因素（湿度、温度和介质等)、润滑条件、工作条件(载荷、速度和运动方式等)、材料的成分和组织，以及工件表面的物理化学性质等。√机件的摩擦磨损大概消耗总能源的1/3－1/2。材料磨损的重要类型•粘着磨损:由于局部的粘着作用，两相对运动件的接触表面材料从一种表面转移到另一种表面的磨损•磨料磨损:在摩擦过程中磨粒或凸出物使材料表面耗失的一种磨损.要减少磨料磨损，重要是提高材料硬度。•表面疲劳磨损:由于循环接触应力的作用，在材料的摩擦工件表面或表面层内形成裂纹并扩展，使材料表层剥落的一种磨损.(表面光滑)•腐蚀磨损：在摩擦过程中伴有腐蚀作用的一种磨损。避免腐蚀磨损重要采用合理选材、实施材料表面保护解决、减少工作温度和选择适宜的润滑剂等方法。四、材料的腐蚀物质表面因发生化学或电化学反映而受到破坏的现象称为腐蚀化学腐蚀：金属表面与介质发生化学反映而引发的破坏。（介质：气体或非导电有机物）电化学腐蚀：金属表面与介质发生电化学反映引发的破坏。（随着有电流的产生）金属材料防腐是一种重要的研究课题。•可分为湿腐蚀和干腐蚀两类。湿腐蚀指金属在有水存在下的腐蚀，干腐蚀则指在无液态水存在下的干气体中的腐蚀。由于大气中普遍含有水，化工生产中也经常解决多个水溶液，因此湿腐蚀是最常见的，但高温操作时干腐蚀造成的危害也不容无视。•局部腐蚀：腐蚀只发生在金属表面的局部。其危害性比均匀腐蚀严重得多，它约占化工机械腐蚀破坏总数的70%,并且可能是突发性和灾难性的,会引发爆炸、火灾等事故。五、防腐•防腐就是通过采用多个手段，保护容易锈蚀的金属物品的，来达成延长其使用寿命的目的，普通采用物理防腐，化学防腐，电化学防腐等办法。•针对金属腐蚀的因素采用适宜的办法避免金属腐蚀，惯用的办法有：1）变化金属的内部组织构造：例如制造多个耐腐蚀的合金，如在普通钢铁中加入铬、镍等制成不锈钢。2）在金属表面覆盖保护层，使金属制品与周边腐蚀介质隔离，从而避免腐蚀。3）电化学保护法：运用原电池原理进行金属的保护，设法消除引发电化腐蚀的原电池反映。电化学保护法分为阳极保护和阴极保护两大类。牺牲阳极保护法：此法是将活泼金属连接在被保护的金属上，当发生电化腐蚀时，这种活泼金属作为负极发生氧化反映，因而减小或避免被保护金属的腐蚀。外加电流的保护法：将被保护的金属和电源的负极连接，另选一块能导电的惰性材料接电源正极。通电后，使金属表面产生负电荷（电子）的聚积，因而克制了金属失电子而达成保护目的。4）对腐蚀介质进行解决：消除腐蚀介质，如经常揩净金属器材、在精密仪器中放置干燥剂和在腐蚀介质中加入少量能减慢腐蚀速度的缓蚀剂等。总结问题1什么叫材料？材料是用来制造有用的构件、器件或物品的物质。问题2人类使用材料经历了哪七个时代？1．石器时代2．青铜器时代3．铁器时代4．钢时代5．硅时代6．新材料时代问题3新材料和新材料时代的定义和特性是什么？问题4材料科学四要素是什么？成分/构造合成/加工性质效能问题5材料按化学成分、生产过程、构造及性能特点分为哪四类？金属材料有机高分子材料无机非金属材料复合材料问题6材料按照使用性能分为哪两类？构造材料功效材料问题7材料按照构造分为哪三类？晶态材料非晶态材料准晶态材料问题8什么叫材料的构造？指材料中原子（离子或分子等）的排列方式问题9试述晶体与非晶体的区别。•质点与否在三维空间作有规则的周期性重复排列。•晶体熔化时含有固定的熔点，而非晶体无明显熔点，只存在一种软化温度范畴。•晶体含有各向异性，非晶体呈各向同性问题10晶体有哪七大晶系？见上图问题11构造材料的失效形式有哪四种？过量变形断裂磨损腐蚀问题12材料的性质指哪三种性质？力学性质物理性质化学性质问题13材料的惯用表征办法有哪些？为什么说表征办法含有特别的重要性？课堂作业题什么是材料？写出你最熟悉的五种物品，各属于那种材料？举例：当代汽车用化工材料√汽车工业反映了一种国家的综合工业水平。是国民经济的支柱产业。√材料是汽车的基础,汽车技术的发展在很大程度上取决于汽车材料的发展。汽车制造工业消耗了世界总产量2%的钢铁材料、58%的橡胶及46%的石油。√随着人类对汽车安全性能、舒适性能以及环保性能等的规定不停提高,汽车工业面临着巨大的挑战,这也对汽车材料提出了更高的规定。随着科学技术的不停进步,多个新材料的出现和发展为汽车工业带来了勃勃生机。当代汽车用化工材料•世界铝业