材料科学与工程纲要教材

第2章材料科学与工程纲要2.1材料的成分

2.2材料的组织结构

2.3材料成分与组织结构的检测

2.4材料的合成与加工

2.5材料的性质与使用性能

2.6材料设计

2.7结构材料的失效2.1材料的成分材料的成分是指组成材料的元素种类及其含量，通常用质量分数(w)表示，有时也用摩尔分数(x)表示。图2-1材料科学与工程的四要素2.2材料的组织结构2.2.1固体中的结合键与存在形式

2.2.2原子间结合键与材料类型

2.2.3固体材料的结构2.2.1固体中的结合键与存在形式1.离子键和离子晶体

2.共价键和共价晶体

3.金属键和金属晶体

4.分子键和分子晶体

5.氢键和氢键晶体2.2.2原子间结合键与材料类型1.金属材料

2.陶瓷材料

3.高分子材料

4.复合材料表2-1键型与材料物性的关系2.2.3固体材料的结构1.固体的三种类型

2.晶体结构基础

3.晶体缺陷1.固体的三种类型固体可分为晶体(Crystal)、非晶体(AmorphousBody)和准晶体(Quasi-crystal)三大类。所谓晶体，是指原子或原子团、离子或分子以周期性重复方式在三维空间有规则排列形成的固体。晶体的原子排列长程有序，且有整齐规则的几何外形；晶体还有固定的熔点，在熔化过程中，其温度始终保持不变；单晶体还有各向异性的特点。非晶体是指内部质点在三维空间不呈周期性重复排列的固体，具有近程有序排列，但不具有长程有序排列。非晶体外形为无规则形状的固体，在熔解过程中，没有明确的熔点，随着温度的升高，物质首先变软，然后逐渐由稠变稀，如玻璃。2.晶体结构基础(1)空间点阵和晶胞将晶体中的单个原子或若干个原子抽象成一个几何点，它们在三维空间的周期性重复排列就形成了空间点阵(Lattice)。

(2)其他概念图2-2晶胞示意图表2-2七种基本晶系的晶格参数及点阵晶胞表2-2七种基本晶系的晶格参数及点阵晶胞表2-3三种典型晶体结构的特征参量3.晶体缺陷(1)点缺陷(PointDefects)理想晶体中的一些原子被外界原子所代替，或在晶格间隙中掺入原子，或留有原子空位，破坏了有规则的周期性排列，引起质点间势场的畸变，造成晶体结构在原子位置上的不完整，这种缺陷称为点缺陷。

(2)线缺陷(LineDefects)实际晶体在结晶时受到杂质、温度变化或振动产生的应力作用，或由于晶体受到打击、切削、研磨等机械应力的作用，使晶体内部质点排列变形，原子行列间相互滑移，而不再符合理想晶格的有序排列，形成两维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷，称为线缺陷，习惯上也称为位错。(3)面缺陷(SurfaceDefects)一块晶体常常被一些界面分隔成许多较小的畴区，畴区内具有较高的原子排列完整性，畴区之间的界面附近存在着较严重的原子错排。图2-3空位的形成

a)Frenkel机制b)Schottky机制图2-4固溶体的两种类型

a)间隙固溶体b)置换固溶体图2-5位错示意图

a)刃型位错b)螺型位错图2-6几种面缺陷的示意图

a)晶界b)亚晶界c)α-Fe和γ-Fe中的共轭相界d)孪晶界2.3材料成分与组织结构的检测表2-4材料晶体结构检测常用仪器及分辨率2.4材料的合成与加工2.4.1原材料的选用

2.4.2材料的制备

2.4.3材料的成形加工2.4.1原材料的选用1.天然矿物原料

2.无机化工原料

3.有机化工原料2.4.2材料的制备1.气相法

2.液相法

3.固相法1.气相法PVD法是利用电弧、高频电场或等离子体等高温热源将原料加热至高温，使之汽化或形成等离子体，然后通过骤冷，使之凝聚成各种形态的材料(如晶须、薄膜、晶粒等)。其原理一般基于纯粹的物理效应，但有时也可与化学反应相关联。CVD法是以金属蒸气、挥发性金属卤化物、氢化物或金属有机化合物等蒸气为原料，进行气相热分解反应，或两种以上单质或化合物的反应，再凝聚生成各种形态的材料。其基本原理涉及反应化学、热力学、动力学、转移机理、膜生长现象和反应工程等。目前，CVD法主要用于硅、砷化镓材料的外延生长、金属薄膜材料、表面绝缘层、硬化层等，也用于粉末、块状材料、纤维等的合成。2.液相法(1)熔融法熔融法是指将合成所需材料的原料加热，使其在加热过程和熔融状态下产生各种化学反应，从而达到一定的化学成分和结构。

(2)溶液法溶液法主要用于高分子化合物的制备，分为溶液聚合和溶液缩聚。

(3)界面法界面法是指在各种界面条件下发生反应来制备材料的方法，主要有高分子材料的悬浮聚合、乳液聚合和界面缩聚。(4)液相沉淀法液相沉淀法是在原料溶液中添加适当的沉淀剂(OH-、CO2-、C2O2-、SO2-等)，使原料溶液中的阳离子形成沉淀，通过与沉淀剂之间的反应或水解反应产生沉淀，形成不溶性的草酸盐、碳酸盐、硫酸盐、氢氧化物、水合氧化物等沉淀物，沉淀颗粒的大小和形状由反应条件控制，然后经过过滤、洗涤、干燥，有时还需经过加热分解等工艺过程，最终得到超细粉体材料。

(5)溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是在低温下制备玻璃和合成其他无机新材料的方法，简称Sol-Gel法。

(6)水热法水热法是指在水溶液中或大量水蒸气存在时，在高温高压或高温常压下所进行的化学反应过程。(7)喷雾法喷雾法也称为溶剂蒸发法，是将溶解度较大的盐的水溶液雾化成小液滴，使其中的水分迅速蒸发，而使盐形成均匀的球状颗粒。

(8)溶液生长法溶液生长法主要用于人工合成晶体的制备，它是将所需制备的晶体的原料作为溶质形成过饱和溶液，然后逐渐发生结晶过程使晶体长大。图2-7SHS过程示意图3.固相法(1)高温烧结法陶瓷、耐火材料、粉末冶金以及水泥熟料等通常都是要把成型后的坯体(粗制品)或固体粉料在高温条件下进行烧结后，才能得到相应的产品。

(2)粉末冶金法粉末冶金法是用金属粉末或金属粉末与非金属粉末的混合物作为原料，经过成形和烧结，制成金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。

(3)固相缩聚法固相缩聚法可以在比较缓和的条件下(如温度较低)合成高分子化合物，以避免许多在高温熔融缩聚反应下发生的副反应。(4)自蔓延高温合成法自蔓延高温合成法(是利用反应本身放出的热量维持反应的继续，反应一旦被引发就不再需要外加热源，并以燃烧波的形式通过反应混合物。2.4.3材料的成形加工1.成形方法

2.材料的成形特性

3.金属材料常用的成形加工方法1.成形方法表2-5各类材料的主要成形方法2.材料的成形特性(1)自由流动成形自由流动成形是指成形时无外力作用下，将呈流动状态的物料倒入模型型腔，或使其附在模型表面，经改变温度、反应或溶剂挥发等作用，使之固化或凝固，从而形成具有模型形状的产品，最终产品可以是成品，也可以是半成品。

(2)受力流动成形受力流动成形是指成形时在受力作用条件下，将呈流动状态的物料注入模型型腔，或使物料通过一定形状的口模，或附在模型表面，经温度变化、反应或溶剂挥发等作用，使物料冷凝、固化，最终形成产品，产品一般无需后续加工即可直接使用。(3)受力塑性成形受力塑性成形是指在受力条件下，在高温或常温，或塑化条件下，使固态物料产生塑性变形而获得所需尺寸、形状及力学性能的成形方法。表2-6成形方法的类别表2-6成形方法的类别3.金属材料常用的成形加工方法(1)铸造(Casting)成形铸造是指将通过熔炼的金属液体浇入铸型内，经冷却凝固获得所需形状和性能的零件的制作过程。

(2)塑性成形(PlasticForming)塑性成形是指金属材料在一定的外力作用下，利用金属的塑性而使其成为具有一定形状及一定的力学性能的加工方法，也称为塑性加工或压力加工。

(3)连接成形(ConnectionForming)材料的连接成形方法主要有焊接、粘接和机械连接等。

(4)机械加工成形材料的机械加工成形方法主要有车削、铣削、钻孔、锯切、刨削、锉削、磨削及抛光等，其相关知识可查阅《金属工艺学》。(5)热处理材料的热处理是通过一定的加热、保温及冷却工艺过程，来改变材料的相组成情况，从而改变材料的性能。图2-8金属塑性成形方法示意图2.5材料的性质与使用性能2.5.1材料的物理性质及其表征

2.5.2材料的化学性质及其表征

2.5.3材料的力学性质及其表征2.5.1材料的物理性质及其表征1.热学性质

2.电学性质

3.光学性质

4.磁学性质表2-7常用物理性质参量2.电学性质(1)导电性材料的导电性用电阻率或电导率来表征。

(2)介电性材料的介电性主要包括介电常数、介质损耗及介电强度等。

(3)压电性某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。

(4)铁电性在一些电介质晶体中，晶胞的结构使正负电荷重心不重合而出现电偶极矩，产生不等于零的电极化强度，使晶体具有自发极化，晶体的这种性质叫做铁电性。2.5.2材料的化学性质及其表征物质在化学变化中才能表现出来的性质叫做化学性质。材料的化学性质或化学性能是指材料抵抗各种介质作用的能力，包括溶蚀性、耐蚀性、抗渗入性及抗氧化性等，归结为材料的化学稳定性。此外，同材料的化学性质有关的问题还有催化性及离子交换性等。2.5.3材料的力学性质及其表征1.强度

2.弹性与塑性

3.韧性与脆性

4.硬度表2-8材料力学性质指标及含义表2-8材料力学性质指标及含义2.6材料设计图2-9新材料开发设计的过程模型图2.7结构材料的失效2.7.1过量变形失效

2.7.2断裂失效

2.7.3表面损伤失效

2.7.4失效分析的主要方法表2-9结构材料常见失效形式2.7.1过量变形失效1.过量弹性变形

2.过量塑性变形2.7.2断裂失效1.断裂的分类

2.零件在静载和冲击载荷下的断裂

3.零件在交变载荷下的疲劳断裂

4.零件在高温下的蠕变变形和断裂1.断裂的分类根据断裂前金属材料产生塑性变形量的大小，断裂可分为韧性断裂和脆性断裂。根据断裂面的取向，断裂可分为正断和切断。根据裂纹扩展的途径，断裂可分为穿晶断裂和晶间断裂。根据裂纹断裂机理，断裂可分为解理断裂、微孔聚集型断裂和纯剪切断裂三类。根据载荷性质不同，断裂可分为静载和冲击载荷下的断裂、交变载荷下的疲劳断裂、高温下的蠕变断裂及腐蚀介质中的腐蚀断裂等。2.零件在静载和冲击载荷下的断裂零件在静载和冲击载荷下通常具有韧性断裂和脆性断裂两种形式。静载下评定材料抵抗断裂能力的指标有材料的抗拉强度、抗剪强度、抗扭强度及抗弯强度等。而评定材料韧性的力学性能指标主要是冲击韧性和断裂韧性。3.零件在交变载荷下的疲劳断裂(1)无裂纹零(构)件的疲劳抗力指标无裂纹零(构)件设计时最常用的疲劳抗力指标是疲劳极限、过载持久值和疲劳缺口敏感度。

(2)有裂纹零(构)件的疲劳抗力指标有裂纹零(构)件设计时常用的疲劳抗力指标是疲劳裂纹扩展速率和疲劳裂纹扩展门槛值。4.零件在高温下的蠕变变形和断裂(1)蠕变强度为了保证在高温长期载荷作用下机件不产生过量变形，要求材料具有一定的蠕变强度。

(2)持久强度蠕变强度表征了材料在高温长期载荷作用下对塑性变形的抗力，却不能反映材料断裂时的强度和塑性。2.7.3表面损伤失效1.磨损

2.腐蚀1.磨损(1)粘着磨损粘着磨损又称为咬合磨损，是因两种材料表面某些接触点的局部压应力超过该处材料的屈服强度而发生粘合并拽开产生的一种表面损伤磨损，多发生在摩擦副相对滑动速度小、接触面氧化膜脆弱、润滑条件差，以及接触应力大的滑动摩擦条件下。

(2)磨粒磨损磨粒磨损也称为磨料磨损，是指滑动摩擦时，在零件表面摩擦区存在的硬质颗粒(外界进入的或表面剥落的碎屑)，使摩擦表面发生局部塑性变形、磨粒嵌入和被磨粒切割等过程，以至摩擦表面材料逐渐损耗的一种磨损。(3)腐蚀磨损腐蚀磨损是指在摩擦力和环境介质的联合作用下，材料表面的腐蚀产物剥落与摩擦面间的机械磨损相结合的一种磨损，一般有氧化磨损、微动磨损、冲蚀磨损和特殊介质腐蚀磨损。

(4)疲劳磨损接触疲劳是零件(如齿轮、滚动轴承、钢轨和轮箍等)的两接触面作滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变接触压应力的长期作用下引起的一种表面疲劳剥落破坏而使物质耗损的现象，表现为接触表面上出现许多针状或痘状的凹坑，称为麻点，也称为麻点磨损或疲劳磨损。2.腐蚀(1)高温氧化腐蚀除少数贵金属如金、铂外，大多数金属在空气中都会发生氧化，形成氧化膜。

(2)电化学腐蚀材料发生电化学腐蚀的条件是不同材料间或同一材料的各个部分之间存在着电极电位差，而且它们是相互接触并处于相互连通的电解质溶液中，这样就构成微电池。

(3)应力腐蚀应力腐蚀是指机件在拉应力和特定的化学介质联合作用下所产生的低应力脆性断裂现象。

(4)腐蚀疲劳材料在交变载荷及腐蚀介质的共同作用下所发生的腐蚀失效现象称为腐蚀疲劳。2.7.4失效分