材料四要素

EngineeringScience材料与社会概论材料的定义与分类材料的地位和作用材料科学与工程的形成和发展材料“四要素”是材料研究与应用的共性基础第一章本章主要内容：什么是材料的“四要素”？材料研究手段成分/结构材料科学与工程“四要素”制备/加工性质§1.1什么是材料的“四要素”使用性能材料科学与工程就是指出研究有关材料的组成、结构、制备工艺流程与材料性能和用途关系的知识和它的应用。力学性质物理性质化学性质强硬刚塑韧度度度性性电学性质磁学性质光学性质热学性质催化性质腐蚀性质1材料的性质材料性质：是功能特性和效用的描述符，是材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应。材料性质描述材料的力学性质材料的力学性质：材料在外应力作用下的行为。了解表征材料力学性能的一些参数及其物理意义。弹性：反映晶格中原子在外力作用下自平衡位置产生可逆位移的力学性能之一。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。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。刚度：材料力学中的弹性模量。它的物理意义是指材料产生单位弹性的相对变形所需的应力。外应力作用下材料抵抗弹性变形能力。韧性：材料从塑性变形到断裂全过程吸收能量的能力。硬度：材料在表面上的小体积内抵抗变形或破裂的能力。电学性质导电性绝缘性介电性光学性质光反射光折射光学损耗光透性热学性质导热性热膨胀热容熔化注：上面只列出了材料的主要物理性质材料的物理性质材料的物理性质磁学性质抗磁性顺磁性铁磁性材料的物理性质物理性质的交互性----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SN电信号磁致伸缩机械震动磁致伸缩液位计材料的物理性质电致伸缩----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，激活发光材料原子使其发生能级跃迁而发光。材料的物理性质材料的化学性质材料的腐蚀: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：能够加速化学反应，且在反应前后材料自身不被消耗。1）材料成分结构的分类2）材料结构的特点3）材料成分结构的表征方法4）材料成分、结构数据库5）材料成分结构与其它要素的关系2材料的成分与结构a.建立材料的性质由其内部结构所决定，各种材料都具有不同的内部结构这一概念；b.明确内部微观结构有几个不同的层次；c.明确不同层次的结构对性能有不同的影响。2材料的成分与结构键合结构组织结构晶体结构1）材料成分结构的分类2材料的成分与结构2材料的成分与结构材料的结构包括不同晶体结构和非晶体，以及显微镜下的微观结构，哪些主要因素能够影响和改变结构？只有了解了这些才能实现控制结构的目的。其内部结构包括四个层次：①原子的电子结构；②结合键；③原子的排列结构（~10-10m）；④显微组织（10-7~10-10m）；2材料的成分与结构（1）原子的电子结构与结合键a.原子核外的电子数量、排布决定了原子核对其价电子吸引能力的大小，电负性就是表征原子这种特性的一个物理量。b.正是由于原子对价电子占有方式的不同，当由原子形成材料时，便产生了离子键、共价键、金属键、分子键。c.元素间的电负性差对于形成什么样的键有一定的规律性。d.不同的结合键对材料性能有着根本的影响，可据此将材料分成金属、无机非金属、高分子材料等大类。键合结构离子建共价键金属键化学键陶瓷材料高分子材料、陶瓷材料SiC金属材料结合能材料结构的分类：氢键分子键物理键结合能冰（H2O）卤族晶体键合结构材料结构的分类：注：①实际上的凝聚态材料的键合情况往往不是单一的，而是混合的，如周期表中II－VI族元素及III－V族元素形成的化合物，其结合键就既有离子键的成份也有共价键的成份。对II－VI族化合物来说，离子键是主要的；对III－V族化合物，共价键是主要的。②电负性是一个非常有用的概念，可用来定性判断形成凝聚态所采取的结合类型：a.当两个成键原子的电负性相差很大时，如周期表中I－VII族元素组成的化合物，主要是离子键；b.电负性相差小的元素的原子之间成键，主要是共价键，也有一定的离子键成份，价电子不仅为两原子共享，而且应偏向于电负性大的原子一边；c.同种原子之间成键，由于电负性相同，可以是共价键，也可能是金属键。③材料的键合方式决定其性能。在熔点、硬度上反映明显。键合结构材料结构的分类：原子排列方式：在组成元素相同，结合键类型相同的情况下，原子排列方式不同也会形成完全不同的材料。因此原子排列也是一种重要的结构层次。晶体：原子原子或分子有规则排列的物质称之为晶体。材料结构的分类：晶体结构晶体宏观特征和微观结构的实验验证从外表特征描述，晶体具有规则的几何外形晶体的本质：晶体内部质点的有序排列氯化钠晶体氯化钠内部质点排列扫描隧道显微镜所探测到的石墨层面的碳原子排列材料结构的分类：晶体准晶体非晶体晶体结构原子排列长程有序，无周期。原子排列长程有序，有周期原子排列短程有序，无周期。非晶态固体的性能是各向同性的晶体周期性布喇菲(Bravais)空间点阵学说：理想晶体的内部结构是组成晶体的原子、分子或原子团等在三维空间中有规则地周期性重复排列，这种周期性排列是晶体最基本的特点，也是研究晶体各种物理性质的重要基础。◎布喇菲点阵组成晶体的原子、离子、分子或原子团统称为晶体的基本结构单元，简称基元。为了简单明了地认识晶体的几何规则性，我们可以把晶体中的基元用处在那个位置的几何点来代替，这样就得到了一个晶体基元周期性排列的点的集合，它就称为“晶格”（或点阵），这些点被称为格点。因此，可以说晶体的结构是由组成晶体的基元加上空间点阵来决定的。材料结构的分类：晶体结构•晶胞为了描述晶体在微观空间里原子的排列，无需画出千千万万个原子，只需在晶体微观空间里取出一个基本结构单元即可。这个描述晶体基本结构的单元称为晶胞。–晶体的一个基本结构单元，形状为平行六面体–晶体的最小重复单元，晶体通过晶胞在空间平移无隙地堆砌而成材料结构的分类：晶体结构•晶胞的大小与形状–晶胞参数（点阵参数）表示是描述晶胞尺寸和形状的参数，它包括晶胞各边的长度a、b、c和各边之间的夹角α、β、γ材料结构的分类：晶体结构立方晶胞5.628埃5.628埃14种空间点阵材料结构的分类：晶体结构典型金属的晶体结构体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格原子排列特征晶格常数a＝b＝c，α＝β＝γ＝90°a＝b＝c，α＝β＝γ＝90°a=b≠c，=1.633，α=β=90º，γ=120º原子半径r＝0.433ar=0.354ar=0.5a晶胞含原子数246配位数81212致密度0.680.740.74具有面心立方结构的常见金属有:γ-Fe、Al、b-Co、Ni、Cu、Ag、Au、Pt，等具有体心立方结构的常见金属有：b-Ti、V、Cr、a-Fe、b-Zr、Nb、Mo、Ta、W等具有密排六方结构的常见金属有：a-Ti、a-Zr、Co、Mg、Zn等金属所具有的典型晶体结构为面心立方结构（fcc）（图2-27），体心立方结构（bcc）（图2-28）和密排六方结构（hcp）（图2-29）。组织结构材料结构的分类：相与组织：组成元素相同、结合键类型相同、原子排列方式也相同的材料也可以有不同的性能。也就是说还有影响性能的微观结构规律存在，这就是组织。构成组织的基本单元是相。相是材料中具有同样聚集状态、同样原子排列特征和性质并以界面隔开的均匀组成部分；组织是由几个相组成，各个相的相对量、尺寸、形态、分布的不同都会形成不同的组织。组织对材料的强度、塑性等有重要影响。组织比原子结合键及原子排列方式更易随加工工艺而变化。因此组织是一个非常敏感而重要的结构因素。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材料结构的分类：铁-碳相图相图：是描述系统的状态、温度、压力及成份之间关系的一种图解。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材料结构的分类：各种组织形貌组织结构定义：组成材料的不同物质表示出的某种形态特征材料结构的分类：图2-55共析钢的组织(a)片状珠光体(b)球状珠光体组织结构定义：组成材料的不同物质表示出的某种形态特征相图特征共晶白口铁共析钢匀晶型组织共晶型组织包晶型组织……材料结构的分类：定义：组成材料的不同物质表示出的某种形态特征结构特征马氏体组织索氏体组织贝氏体组织…...马氏体组织索氏体组织贝氏体组织组织结构材料结构的分类：定义：组成材料的不同物质表示出的某种形态特征组合特征单相组织两相组织多相组织AlAl＋Al-Er相Al+Al6Mn+Al3Er组织结构材料结构的分类：多尺度效应稳定性有序与无序材料的缺陷表面和界面2材料的成分与结构2）材料结构的特点微观领域[0,Å]多尺度效应材料结构的特点：介观领域[1~100nm]宏观领域[μm,∞)小尺寸效应介观尺度随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变，由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。特殊的光学性质特殊的热学性质特殊的磁学性质特殊的力学性质材料结构的特点：多尺度效应小尺寸效应特殊的光学性质所有的金属在超微颗粒状态都失去了原有的色泽呈现为黑色，尺寸越小，颜色愈黑。金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。材料结构的特点：多尺度效应介观尺度小尺寸效应特殊的热学性质纳米化后材料的熔点将会显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。颗粒大小金熔点为常态1064℃10nm1037℃2nm327℃材料结构的特点：多尺度效应介观尺度小尺寸效应特殊的磁学性质大块的纯铁矫顽力约为80安／米，而当颗粒尺寸减小到20nm以下时，其矫顽力可增加1千倍，若进一步减小其尺寸，大约小于6nm时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。利用这些特性可制备高贮存密度的磁记录磁粉、磁性液体等新材料。材料结构的特点：多尺度效应介观尺度性，纳米铜在室温下竟可延伸50多倍而“不折不挠”。小尺寸效应特殊的力学性质微米陶瓷材料是脆性材料，然而纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。纳米金属具有超塑延展纳米铜材料结构的特点：多尺度效应介观尺度材料结构的特点：有序与无序晶态准晶态非晶态原子排列长程有序，有周期原子排列长程有序，无周期原子排列短程有序，无周期有序无序材料的缺陷材料结构的特点：点缺陷线缺陷面缺陷表面效应纳米材料由于纳米粒子尺寸减小造成表层原子数目和比表面积巨增，使纳米粒子表现出特殊的性质。材料结构的特点：表面和界面1021×1×1021×1021×1021×10211cm36000m212×1021条8×1021个11cm36cm2128个数总体积总面积棱边数顶角数1cm1nm颗粒表面原子随粒径的变化规律表面原子数/总原子数90202总原子数303×1043×107粒径（nm）110100材料结构的特点：表面和界面材料纳米化后，发生了三种变化晶体的周期性遭到破坏表面原子的悬空键增多表层原子数剧增纤维增强体与基体的结合界面材料结构的特点：表面和界面2材料的成分与结构3）材料成分结构的表征方法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。热分析仪光学显微镜成分分析化学分析：化验物理分析：物理量间接测定3）材料成分结构的表征方法谱学分析：红外光谱分析等光谱分析系统化学分析物理分析检测仪器体视显微镜光学显微镜电子扫描显微透射电镜场离子显微镜扫描隧道显微镜分辨率mm(毫米)--μm（微米）μm（微米）微米--纳米（nm）达0.7nm观察到原子排列面，达0.2nm形貌观察0.2--0.3nm观察到原子结构0.05--0.2nm结构分析3）材料成分结构的表征方法Al2O3Al-Si3）材料成分结构的表征方法OM—OpticalMicroscope碳纤维分子