材料科学导论（二）课件

材料科学导论 Introduction of Material Sciences,王玮 中国海洋大学材料学院,材料科学导论,第一章 绪论 第二章 材料学的基本知识 第三章 金属材料 第四章 无机非金属材料 第五章 高分子材料,中国海洋大学材料学院,第二章 材料学的基本知识,第一节 材料的定义 第二节 材料的分类 第三节 材料的结构 第四节 材料的力学性能指标 第五节 材料的其他性能,中国海洋大学材料学院,第一节 材料的定义,什么是材料？, 现代科学技术的三大支柱能源、材料、信息，其中材料是基础。 材料的研究、开发与应用反映着一个国家的科学技术与工业水平，关系着国家的综合国力与安全。,中国海洋大学材料学院,第一节 材料的定义,国内外3部大型辞书对材料的定义： Longman Dictionary： anything from which something is or may be made。 Oxford Advanced Learners English-Chinese Dictionary： that of which something can be made or which something is done。,中国海洋大学材料学院,第一节 材料的定义,Wikipedia(维基百科 ), the free encyclopedia： Material is synonymous with substance, and is anything made of matter hydrogen, air and water are all examples of materials. Sometimes the term “material“ is used more narrowly to refer to substances or components with certain physical properties that are used as inputs to production or manufacturing. In this sense, materials are the parts required to make something else, from buildings and art to stars and computers.,中国海洋大学材料学院,第一节 材料的定义,辞海定义可以总结为：经过人类劳动而取得的劳动对象称为原料，经过二次加工的原料称为材料。,经过人类劳动获得的、在进一步的加工过程中仍然保持原质的劳动对象称为材料。 材料的定义是“可以用来直接制造有用物件、构件或器件的物质”。,中国海洋大学材料学院,第一节 材料的定义,材料科学是从事对材料本质的发现、分析、认识、设计及控制方面的理论体系。 其目的在于揭示材料的行为，给予材料属性的描述或建立模型，以及解释组成结构与性能间的联系。,什么是材料科学？,中国海洋大学材料学院,第二节 材料的分类,按物态划分：气态、液态和固态。 按组成和结合健性质：金属材料、无机非金属材料、高分子材料。 按材料的功能：结构材料、功能材料。 按使用领域：建筑材料、电子材料、医用材料、仪表材料、能源材料等。,中国海洋大学材料学院,结构材料（Structural material）：以力学性能，如受力形变、脆性断裂和强度等作为应用性能，如制造工具、机器、车辆用的钢铁材料，建筑房屋、桥梁和铁路用的混凝土材料。这些材料都具有抵抗外力作用而保持自己的形状、结构不变的优良力学性能。 功能材料（Functional material）：此概念1965年由美国贝尔研究所的J.A.Morton博士提出，现已被各国材料界重视和接受。其定义是：具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生物学功能及相互转化的性能，被用于非结构目的的高技术材料。,第二节 材料的分类,中国海洋大学材料学院,第二节 材料的分类,图1-5 价键四面体,中国海洋大学材料学院,第三节 材料的结构,一、结构研究的内容 二、材料的结构层次,中国海洋大学材料学院,第三节 材料的结构,一、结构研究的内容,化学组成：原子、分子、离子等存在量的信息 连接方式：化学键、分子间作用力、机械连接等相互作用信息 空间分布：晶体类型、分子取向 结构尺寸：分子尺寸、晶胞尺寸、微观结构尺寸、宏观结构尺寸 界面状态：物理状态、化学状态,中国海洋大学材料学院,第三节 材料的结构,二、材料的结构层次,材料的元素组成 材料的分子结构 材料的超分子结构（凝聚态结构） 材料的晶体结构（聚集态结构） 材料的相态结构 材料的宏观结构（物理结构）,中国海洋大学材料学院,二、材料的结构层次,1、材料的元素组成：组成材料的元素种类和相对数量,中国海洋大学材料学院,二、材料的结构层次,什么是化学键？ 有几种类型？,2、材料的分子结构：元素的排列和结合形式，即价键结构（化学键、物理键、氢键）,中国海洋大学材料学院,二、材料的结构层次,什么是物理键？,包括：静电力(electrostatic)、 诱导力(induction) 色散力(dispersive force) 系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质,范德华力 Van der waals bonding,2、材料的分子结构：元素的排列和结合形式，即价键结构（化学键、物理键、氢键）,中国海洋大学材料学院,二、材料的结构层次,2、材料的分子结构：元素的排列和结合形式，即价键结构（化学键、物理键、氢键）,什么是氢键？,介于化学键与物理键之间，具有饱和性 是极性分子键，存在于HF、H2O、NH3中。在高分子中占重要地位，氢原子中唯一的电子被其它原子所共有（共价键结合），裸露原子核将与近邻分子的负端相互吸引氢桥,氢键（Hydrogen bonding）,中国海洋大学材料学院,二、材料的结构层次,中国海洋大学材料学院,二、材料的结构层次,3、材料的晶体结构（聚集态结构）： 原子、离子或分子的堆积和排列方式,晶胞晶胞是晶体的最小单位，代表晶体结构的基本重复单位。 晶胞参数用于描述晶胞的夹角和边长等参数。,中国海洋大学材料学院,晶系,二、材料的结构层次,按晶胞参数的差异将晶体分成7种晶系,中国海洋大学材料学院,按带心型式将7大晶系分为14种型式,二、材料的结构层次,空间格子,立方晶系 四方晶系 正交晶系 六方晶系 三方晶系 （菱形晶系） 单斜晶系 三斜晶系,例如，立方晶系分为简单立方、体心立方和面心立方三种型式。,中国海洋大学材料学院,二、材料的结构层次,体心立方,面心立方,中国海洋大学材料学院,二、材料的结构层次,4、材料的超分子结构（凝聚态结构）： 晶态结构、非晶态结构、取向结构、液晶结构、合金结构和分子构象等 5、材料的相态结构： 不同相界面的结构关系及性质 6、材料的宏观结构（物理结构）： 材料的宏观形态,中国海洋大学材料学院,第四节 材料的力学性能指标,一、材料基本受力形式 二、材料的基本力学性能 三、材料的其他力学性能,中国海洋大学材料学院,材料有哪些基本受力形式？,一、材料基本受力形式,第四节 材料的力学性能指标,拉力 压力 弯曲力 剪切力 摩擦力,中国海洋大学材料学院,二、材料的基本力学性能,第四节 材料的力学性能指标,1、强度 2、硬度 3、弹性 4、韧性 5、塑性,指材料在外力作用下，抵抗永久变形和断裂的能力,指材料在外力作用下变形，外力消除后恢复原来形状的能力,指材料在外力作用下发生永久变形的能力,指材料抵抗塑性变形和断裂的能力,指材料抵抗局部塑性变形的能力,中国海洋大学材料学院,材料的基本力学性能包括,抗拉、抗压、抗扭、抗弯、抗剪等性能,抗拉伸、抗压缩、抗扭转、抗弯曲、抗剪切,中国海洋大学材料学院,抗拉强度：材料承受拉伸载荷时，断裂前单位面积上承受的最大应力 抗弯强度：材料承受弯曲载荷时，断裂前单位面积上承受的最大应力 抗压强度：材料承受压缩载荷时，断裂前单位面积上承受的最大应力 抗剪强度：材料承受剪切载荷时，断裂前单位面积上承受的最大应力,强度指材料在外力作用下，抵抗变形和断裂的能力,中国海洋大学材料学院,强度指材料在外力作用下，抵抗变形和断裂的能力,蠕变性能是指在恒温、恒压下发生塑性变形的能力，用蠕变极限表示。,抗扭强度：材料承受扭转载荷时，断裂前单位面积上承受的最大应力 屈服强度：材料承受载荷时，发生永久变形时的临界应力 蠕变强度：材料在一定时间和温度下，发生规定蠕变量或蠕变速度时的应力值 疲劳强度：指材料抵抗连续交变应力的能力，无限次作用不发生断裂的应力，用疲劳极限或持久极限表示,中国海洋大学材料学院,强度指材料在外力作用下，抵抗变形和断裂的能力,中国海洋大学材料学院,硬度指材料抵抗局部塑性变形的能力,布氏硬度：把淬火钢球压入材料，测量压痕面积 洛氏硬度：把金刚石或淬火钢球压入材料，测量压痕深度 维氏硬度：把四棱锥体金刚石头压入材料，测量压痕面积 肖氏硬度：将一定质量的钢球，在一定高度下落撞击材料，测量回弹高度,中国海洋大学材料学院,硬度指材料抵抗局部塑性变形的能力,布氏硬度,维氏硬度,中国海洋大学材料学院,硬度指材料抵抗局部塑性变形的能力,洛氏硬度,中国海洋大学材料学院,硬度指材料抵抗局部塑性变形的能力,莫氏硬度是以材料抵抗刻划的能力作为衡量硬度的依据,划痕硬度试验法,中国海洋大学材料学院,三、材料的其他力学性能,第四节 材料的力学性能指标,指在指定疲劳寿命下，材料能承受的上限循环应力。分为对称循环疲劳强度和不对称循环疲劳强度。应力包括弯曲、拉伸和扭转等。,1、材料的疲劳性能指标,中国海洋大学材料学院,三、材料的其他力学性能,第四节 材料的力学性能指标,磨损是指在摩擦作用下，材料表面逐渐损伤的现象。 材料的磨损性能用与标准材料的磨损量之比表示。,2、材料的磨损指标,中国海洋大学材料学院,三、材料的其他力学性能,第四节 材料的力学性能指标,主要指材料在高温下力学性能的变化。包括高温蠕变性能，高温硬度，高温强度等。,3、材料的高温性能,中国海洋大学材料学院,第五节 材料的其他性能,一、材料的热学性能 二、材料的磁学性能 三、材料的电学性能 四、材料的光学性能 五、材料的腐蚀性能 六、材料的老化,中国海洋大学材料学院,第五节 材料的其他性能,一、材料的热学性能,1. 材料的热容：表示材料吸收热量的能力，用单位质量材料温度升高1度所吸收的热量表示 2. 材料的热膨胀：表示材料受热后外型尺寸变化的程度，用膨胀系数表示 3. 材料的热传导：表示材料的传热能力，用热导率表示，（单位截面积、单位温度梯度，单位时间传导的热量）,中国海洋大学材料学院,第五节 材料的其他性能,二、材料的磁学性能,1. 材料的磁性：材料内部电子自旋磁矩的矢量和，当其不为零时表示有磁性。 2. 材料的磁化：材料在磁场内部，产生磁性称为磁化，分为诱导磁化和永久磁化。 3. 材料的顺磁性：能够使磁场增强的材料 4. 材料的抗磁性：能够使磁场减弱的材料,中国海洋大学材料学院,第五节 材料的其他性能,三、材料的电学性能,材料的导电性能：指材料在电场作用下传导电流的能力，根据导电能力分为绝缘体材料，半导体材料和导电材料。 2. 材料的压电和热电性能：指在施加电压的情况下材料变形或放热，或者在施加压力或加热的情况下电压变化的能力，是一种能量转换形式。 3. 材料的介电性能：材料在电场作用下发生极化的能力。,中国海洋大学材料学院,第五节 材料的其他性能,四、材料的光学性能,1. 折射率：光入射角与折射角正玄函数之比，反映材料密度差别 2. 材料的色散率：材料折射率与入射光波长之间的关系 3. 材料的双折射：不同入射方向，