武汉理工大学《材料科学基础》课件

绪论—材料引言什么是材料?材料与人类文明什么是材料科学？0.1材料分类0.2组成-结构-性质-工艺过程之间的关系什么是材料?世界万物，凡于我有用者，皆谓之材料。材料是具有一定性能，可以用来制作器件、构件、工具、装置等物品的物质。材料存在于我们的周围，与我们的生活、我们的生命息息相关。材料是人类文明、社会进步、科技发展的物质基础。材料与人类文明材料是人类文明、社会进步、科学技术发展的物质基础和技术先导。在历史上，人们将石器、青铜器、铁器等当时的主导材料作为时代的标志，称其为石器时代、青铜器时代和铁器时代。在近代，材料的种类及其繁多，各种新材料不断涌现，很难用一种材料来代表当今时代的特征。第一次产业革命的突破口是推广应用蒸汽机，但只有在开发了铁和铜等新材料以后，蒸汽机才得以使用并逐步推广。第二次产业革命一直延续到20世纪中叶，以石油开发和新能源广泛使用为突破口，大力发展飞机、汽车和其他工业，支持这个时期产业革命的仍然是新材料开发。如合金钢、铝合金以及各种非金属材料的发展。材料是当代文明的三大支柱之一材料、能源、信息是当代社会文明和国民经济的三大支柱，是人类社会进步和科学技术发展的物质基础和技术先导。材料是全球新技术革命的四大标志之一（新材料技术、新能源技术、信息技术、生物技术）。什么是材料科学？材料科学是一门以固体材料为研究对象，以固体物理、热力学、动力学、量子力学、冶金、化工为理论基础的边缘交叉基础应用学科，它运用电子显微镜、X-射线衍射、热谱、电子离子探针等各种精密仪器和技术，探讨材料的组成、结构、制备工艺和加工使用过程与其机械、物理、化学性能之间的规律的一门基础应用学科，是研究材料共性的一门学科。材料科学基础课程的教学内容材料科学基础课程是材料科学与工程专业的重要的学科基础课之一，主要介绍材料科学中的共性规律，即材料的组成-形成（工艺）条件-结构-性能-材料用途之间相互关系及制约规律。内容主要包括：材料种类、晶体结构、缺陷化学、非晶体结构、材料的表面与界面、相图、扩散、相变、固相反应、烧结和材料的环境效应等基础知识。0.1.1材料按化学组成（或基本组成）分类0.1.2根据材料的性能分类0.1.3材料按服役的领域来分类0.1.4材料按结晶状态分类0.1.5材料按材料的尺寸分类0.1材料分类按物理性质可分为：导电材料、绝缘材料、半导体材料、磁性材料、透光材料、高强度材料、高温材料、超硬材料等。按物理效应分为：压电材料、热电材料、铁电材料、非线性光学材料、磁光材料、电光材料、声光材料、激光材料等。按用途分为：电子材料、电工材料、光学材料、感光材料、耐酸材料、研磨材料、耐火材料、建筑材料、结构材料、包装材料等。0.1.1按化学组成（或基本组成）分类：1.金属材料2.无机非金属材料3.高分子材料（聚合物）4.复合材料1.金属材料金属材料是由化学元素周期表中的金属元素组成的材料。可分为由一种金属元素构成的单质（纯金属）；由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素构成的合金。合金又可分为固溶体和金属间化合物。在103种元素中，除He,Ne,Ar等6种惰性元素和C、Si、N等16种非金属元素外，其余81种为金属元素。除Hg之外，单质金属在常温下呈现固体形态，外观不透明，具有特殊的金属光泽及良好的导电性和导热性。在力学性质方面，具有较高的强度、刚度、延展性及耐冲击性。合金是由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素熔合在一起形成的具有金属特性的新物质。合金的性质与组成合金的各个相的性质有关，同时也与这些相在合金中的数量、形状及分布有关。合金又分为固溶体和金属间化合物。当金属的晶体结构保持溶剂组元的晶体结构时，这种合金称为一次固溶体或端际固溶体，简称为固溶体。金属元素与其它金属元素或非金属元素之间形成合金时，除固溶体外，还可能形成金属间化合物。合金中的固溶体：根据溶质原子在溶剂晶体结构中的位置，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体。在置换固溶体中，溶质原子位于溶剂晶体结构的晶格格点上；在间隙固溶体中，溶质原子位于溶剂晶体结构的晶格间隙。溶质原子在固溶体中的分布可以是随机的，即呈统计分布；也可以是部分有序或完全有序，在完全有序固溶体中，异类原子趋于相邻，这种结构亦称为超点阵或超结构。此外，合金中溶质原子还可能形成丛聚，即同类原子趋于相邻。丛聚可以呈随机弥散分布。事实上，实验中还没有见到溶质原子呈完全随机分布的固溶体。因此，只能在宏观尺度上认为处于热力学平衡态的固溶体是真正均匀的，而原子尺度上并不要求它也是均匀的。不同类型固溶体中原子排列情况示于图0.1。图0.1不同类型固溶体中原子排列示意图（a）随机置换固溶体（b）有序置换固溶体（c）随机间隙固溶体（d）固溶体中的溶质丛聚合金中的金属间化合物：金属间化合物可分为三类，即由负电性决定的原子价化合物（简称价化合物）、由电子浓度决定的电子化合物（亦称为电子相）以及由原子尺寸决定的尺寸因素化合物。除了这三类由单一元素决定的典型金属间化合物外，还有许多金属间化合物，其结构由两个或多个因素决定，称之为复杂化合物。2.无机非金属材料无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料。是除金属材料、高分子材料以外所有材料的总称。它与广义的陶瓷材料有等同的含义。无机非金属材料种类繁多，用途各异，目前还没有统一完善的分类方法。一般将其分为传统的（普通的）和新型的（先进的）无机非金属材料两大类。传统的无机非金属材料主要是指由SiO2及其硅酸盐化合物为主要成分制成的材料，包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。此外，搪瓷、磨料、铸石（辉绿岩、玄武岩等）、碳素材料、非金属矿（石棉、云母、大理石等）也属于传统的无机非金属材料。先进（或新型）无机非金属材料是用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各种无机非金属化合物经特殊的先进工艺制成的材料。主要包括先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、无机涂层、无机纤维等。陶瓷按其概念和用途不同，可分为两大类，即普通陶瓷和特种陶瓷。根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能的差异，陶瓷制品可分为陶器和瓷器。传统的无机非金属材料之一：陶瓷普通陶瓷即传统陶瓷，是指以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎混练、成型、煅烧等过程而制成的各种制品。包括日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷以及其它工业用陶瓷。见表0-1。表0-1普通陶瓷的分类方法类别主要种类用途中餐具（盘、碗、碟、羹、壶、杯等）餐具西餐具（碗、盘、碟、糖缸、奶盅、壶、杯等）茶具、咖啡具茶盘、水果盘、点心盘、杯、壶、碟等酒具酒壶、酒杯、杯托、托盘文具笔筒、笔洗、水盂、EP色盒、笔架日用陶瓷陈设瓷（美术瓷）花瓶、灯具、雕塑瓶、薄胎碗等建筑陶瓷玻化砖（渗花或非渗花）、彩釉砖、锦砖（马赛克）、内墙砖、外墙砖、腰线砖、广场砖、劈裂砖、园林陶瓷等建筑卫生陶瓷卫生瓷砖洗面器、大便器、小便器、洗涤器、水箱、水槽、存水弯、肥皂盒、手纸盒、淋浴盒低压电瓷用于1kV以下的电瓷高压电瓷用于1kV以上的电瓷、如普通高压瓷、铝质高强度瓷电瓷超高压电瓷用于500kV以上的电瓷耐酸砖耐酸砖、耐酸耐温砖耐酸容器储酸缸、酸洗槽、电解槽、耐酸塔等耐酸机械（部件）耐酸离心泵、风机、球磨机等化工瓷化学瓷瓷坩埚、蒸发皿、研钵、漏斗、过滤板、燃烧舟等特种陶瓷是用于各种现代工业及尖端科学技术领域的陶瓷制品。包括结构陶瓷和功能陶瓷。结构陶瓷主要用于耐磨损、高强度、耐高温、耐热冲击、硬质、高刚性、低膨胀、隔热等场所。功能陶瓷主要包括电磁功能、光学功能、生物功能、核功能及其它功能的陶瓷材料。常见高温结构陶瓷包括：高熔点氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、硅化物。功能陶瓷包括:装置瓷（即电绝缘瓷）、电容器陶瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷（又称为铁氧体）、导电陶瓷、超导陶瓷、半导体陶瓷（又称为敏感陶瓷）、热学功能陶瓷（热释电陶瓷、导热陶瓷、低膨胀陶瓷、红外辐射陶瓷等）、化学功能陶瓷（多孔陶瓷载体等）、生物功能陶瓷等。根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能的差异，陶瓷制品可分为陶器和瓷器，见表0-2。陶器包括粗陶器、普陶器和细陶器。陶器的坯体结构较疏松，致密度较低，有一定吸水率，断口粗糙无光，没有半透明性，断面成面状或贝壳状。吸水率（%）特征陶器粗陶器15不时施釉，制作粗糙普通陶器≤12断面颗粒较粗，气孔较大，表面施釉，制作不够精细细陶器≤15断面颗粒较细，气孔较小，施釉或不施釉，制作不够精细瓷器炻瓷器≤3透光性差，通常胎体较厚，呈色，断口呈石状，制作精细普通瓷器≤1有一定透光性，断而呈石状或贝壳状，制作精细细瓷器≤0.5透光性好，断面细腻，呈贝壳状，制作精细性质及特征类别表0-2中国日用瓷分类标准传统的无机非金属材料之二：玻璃玻璃是由熔体过冷所制得的非晶态材料。根据其形成网络的组分不同可分为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等，其网络形成剂分为SiO2、B2O3和P2O5。习惯上玻璃态材料可分为普通玻璃和特种玻璃两大类。普通玻璃是指采用天然原料，能够大规模生产的玻璃。普通玻璃包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光学玻璃和玻璃纤维等。特种玻璃（亦称为新型玻璃）是指采用精制、高纯或新型原料，通过新工艺在特殊条件下或严格控制形成过程制成的一些具有特殊功能或特殊用途的玻璃。特种玻璃包括SiO2含量在85%以上或55%以下的硅酸盐玻璃、非硅酸盐氧化物玻璃（硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐、碲酸盐、铝酸盐及氧氮玻璃、氧碳玻璃等）、非氧化物玻璃（卤化物、氮化物、硫化物、硫卤化物、金属玻璃等）以及光学纤维等。根据用途不同，特种玻璃分为防辐射玻璃、激光玻璃、生物玻璃、多孔玻璃、非线性光学玻璃和光纤玻璃等。传统的无机非金属材料之三：水泥水泥是指加入适量水后可成塑性浆体，既能在空气中硬化又能在水中硬化，并能够将砂、石等材料牢固地胶结在一起的细粉状水硬性材料。水泥的种类很多，按其用途和性能可分为：通用水泥、专用水泥和特性水泥三大类；按其所含的主要水硬性矿物，水泥又可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥以及以工业废渣和地方材料为主要组分的水泥。目前水泥品种已达一百多种。通用水泥为大量土木工程所使用的一般用途的水泥，如硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥等。专用水泥指有专门用途的水泥，如油井水泥、砌筑水泥等。特性水泥则是某种性能比较突出的一类水泥，如快硬硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥、自应力铝酸盐水泥等。传统的无机非金属材料之四：耐火材料耐火材料是指耐火度不低于1580℃的无机非金属材料。它是为高温技术服务的基础材料。尽管各国对其定义不同，但基本含义是相同的，即耐火材料是用作高温窑炉等热工设备的结构材料，以及用作工业高温容器和部件的材料，并能承受相应的物理化学变化及机械作用。大部分耐火材料是以天然矿石（如耐火粘土、硅石、菱镁矿、白云母等）为原料制造的。按矿物组成分为氧化硅质、硅酸铝质、镁质、白云石质、橄榄石质、尖晶石质、含碳质、含锆质耐火材料及特殊耐火材料；按制造方法分为天然矿石和人造制品；按形状分为块状制品和不定形耐火材料；按热处理方式分为不烧制品、烧成制品和熔铸制品；按耐火度分为普通、高级及特级耐火制品；按化学性质分为酸性、中性及碱性耐火材料；按密度分为轻质及重质耐火材料。按制品的形状和尺寸可分为标准砖、异型砖、特异型砖、管和耐火器皿等。按应用分为高炉用、水泥窑用、玻璃窑用、陶瓷窑用耐火材料等等。3.有机高分子材料（高聚物）高聚物是由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物。高聚物的种类繁多，性能各异，其分类的方法多种多样。按高分子材料来源分为天然高分子材料和合成高分子材料；按材料的性能和用途可将高聚物分为橡胶、纤维、塑料和胶粘剂等。橡胶的特点是室温弹性高，即使在很小的外力作用下，也能产生很大的形变（可达1000%），外力去除后，能迅速恢复原