材料科学与工程的科学内涵

精品文档 1欢迎下载 材料科学与工程的科学内涵材料科学与工程的科学内涵 材料材料 09030903 200922082200922082 侯雪原侯雪原 材料科学与工程简称材料科学与工程简称 MSEMSE 是是 MaterialsMaterials ScienceScience AndAnd TechnologyTechnology 的缩写 属于的缩写 属于 国家一级学科 国家一级学科 提纲 1 1 社会经济的发展与材料科学与工程学科演变之间的关系社会经济的发展与材料科学与工程学科演变之间的关系 2 2 材料科学与材料工程学科是伴随着社会发展对材料研究的需要而形成和发展 材料科学与材料工程学科是伴随着社会发展对材料研究的需要而形成和发展 的 的 3 3 材料科学与工程科学内涵 材料科学与工程科学内涵 一一 社会经济的发展与材料科学与工程学科演变之间的关社会经济的发展与材料科学与工程学科演变之间的关 系系 在人类社会的发展过程中 材料的发展水平始终是时代进步和社会文明的 标志 人类和材料的关系不仅广泛密切 而且非常重要 事实上 人类文明的 发展史 就是一部如何更好地利用材料和创造材料的历史 同时 材料的不断 创新和发展 也极大地推动了社会经济的发展 在当代 材料 能源 信息是 构成社会文明和国民经济的三大支柱 其中材料更是科学技术发展的物质基础 和技术先导 以下从三个方面来分析社会经济发展与材料科学与工程学科发展 之间的密切关系 1 1 社会经济的发展对材料学科的发展始终发挥着巨大的推动作用社会经济的发展对材料学科的发展始终发挥着巨大的推动作用 材料是人类社会进步的象征 也是社会经济发展的结果 传统材料不仅为现代社会大量使用 同时在高新技术的推动和社会经济发 展的要求下 其性能不断提高 满足了不同层次的社会需求 近代的两次工业革命 给社会创造出巨大的财富 促进了社会经济的巨大 发展 随着石油天然气的广泛应用 促进了高分子材料产品的石化工业迅速发 展 于 20 世纪 30 年代形成了高分子学科 高分子材料发展至今 已经渗透到 人类社会生活的方方面面 进入 21 世纪以后 新时期国民经济可持续发展对高 分子材料的发展提出了更高的要求 在材料科学与工程学科领域中 高分子学 科与金属材料学科 无机非金属学科并列成为材料学科的重要分支 精品文档 2欢迎下载 传统材料不仅为现代社会大量使用 同时在高新技术的推动和社会经济发 展的要求下 其性能不断提高 满足了不同层次的社会需求 近代的两次工业革命 给社会创造出巨大的财富 促进了社会经济的巨大发展 随着石油天然气的广泛应用 促进了高分子材料产品的石化工业迅速发展 于 20 世纪 30 年代形成了高分子学科 高分子材料发展至今 已经渗透到人类社 会生活的方方面面 进入 21 世纪以后 新时期国民经济可持续发展对高分子材 料的发展提出了更高的要求 在材料科学与工程学科领域中 高分子学科与金 属材料学科 无机非金属学科并列成为材料学科的重要分支 当今社会正处于信息时代 这场始于 20 世纪中叶的信息革命 是人类科学 技术上的一次重大飞跃 它对人类社会产生了深远影响 信息时代的快速发展 和信息产业的巨大增长 给材料学科带来了史无前例的推动和促进作用 总之 自从有了人类社会的历史以来 社会经济的发展对材料学科的发展始终 发挥着巨大的推动作用 2 2 材料科学与工程学科的发展对社会进步产生的巨大影响材料科学与工程学科的发展对社会进步产生的巨大影响 材料科学与工程学科有着丰富的内涵 不仅包括金属 陶瓷等传统的结构 材 料 而且包含了具有众多特殊性能和用途的功能材料 材料科学与工程的 学科内涵和人才培养与社会经济发展的水平具有密切的关系 20 世纪 60 年代以来 随着材料工程技术的迅猛发展 材料已经不仅在种 类上得到拓展 而且在包括光 声 电 磁 力 超导 高塑 以及超强 超 硬 耐高温等机能与性能上获得极大的扩展与深度发掘 此类新材料的出现 推进了高技术产品的智能化与微型化 从而极大地影响着人类的现代生活 社 会结构与文化价值 新材料与新能源 以及新材料与新能源中的高新技术的发 展 正在极大地丰富着人类的物质与精神生活 材料与能源是人类文明的奠基 石 材料是支承工业生产与工业技术的物质基础 在现代社会的经济生活中 诸多高新技术产品都是与新材料技术的发展密切相关 新材料技术已经成为一 个国家工业水平与技术能力的一个十分重要的标志 在现代经济结构中 新材 料技术在国家发展中的战略意义是不容忽视的 20 世纪 80 年代出现的新技术革命 把新材料 信息技术 生物技术并列为 新技术革命的重要标志 子报告中举例说明了材料学科的发展对 20 世纪文明发 展的重要性以及对 20 世纪社会经济的巨大推动作用 3 3 社会经济及其他相关学科的发展与材料学科发展之间的关系社会经济及其他相关学科的发展与材料学科发展之间的关系 材料是一门实用的直接的科学和技术 所以 社会经济发展的需求 总是 对材料的研究和发展产生了巨大的推动和牵引作用 精品文档 3欢迎下载 一般来说 材料的基础研究和带有明确目的的开发性研究都各有它们的价 值 它们的效用有长有短 在实际生产上的体现有快有慢 但有一点是相同的 那就是要不断探索 材料的应用研究一旦成功 即一种材料诞生之后 它的应 用价值和市场开发可以产生较大的辐射作用 现在的材料科学与工程学科是多学科性的 由于材料的应用越来越广泛 并渗透到各行业 许多领域都与材料的制备 性质 应用等密切相关 使得材 料成为机械 电子 化工 建筑 能源 生物 冶金 交通运输 信息科技等 行业的基础 并与这些相关学科交叉发展 所以 材料学科与其他学科的交叉 是一个必然趋势 也是材料学科发展的一个重要特征 现代科学技术发展的特点是 一方面学科呈现出多科性 新兴学科不断涌 现 另一方面 学科发展又呈现出高度综合的趋势 交叉学科和边缘学科层出 不穷 学科交叉的形式可以多种多样 国内绝大部分理工科高校一般都设有材料科学与工程系 或学院 包含 的专业主要为材料类专业 未来科技的发展将是多学科的交叉和综合 为了迎 接未来的知识创新和人才培养的新趋势 有必要在大学里建立新的结构层次 即跨学科的交叉中心 比如把材料科学 生物科学 医学工程科学结合在一起 构成交叉学科中心 这样必将大大推动材料学科在新领域的增长点 二 材料科学与材料工程学科是伴随着社会发展对材料研 材料科学与材料工程学科是伴随着社会发展对材料研 究的需要而形成和发展的 究的需要而形成和发展的 作为人类赖以生存和发展的物质基础 尽管材料的使用几乎和人类社会的 形成一样古老 但材料科学与工程学科的发展历史却非常短暂 但是 在仅仅 50 年的发展过程中 材料科学与工程学科已经充分显示了其在现代科学技术发 展 人类社会进步中所处的重要地位 在我国材料科学与工程学科的发展过程 中 由于历史的原因 材料科学与材料工程的研究内容逐步形成了明显的界限 其人才培养的规格也存在显著的区别 即分别进行材料理论研究的科学家和材 料应用研究的工程师的培养 而随着社会的发展及国际竞争日趋激烈 社会对 材料研究专门人才的需求已经淡化了材料科学与材料工程的概念 更多的需求 转向了材料科学与材料工程相结合的综合性人才 这体现了现代社会经济发展 中对人才知识结构和能力结构的实际需要 在材料科学与工程专门人才培养的 过程中 必须将更多的注意力放在这种社会变化上 结合各高等院校的特点 使传统的材料科学与材料工程人才的培养向实现二者的有机结合逐渐过渡 1 1 社会对材料科学与材料工程相结合的综合性人才的要求有其历史根源社会对材料科学与材料工程相结合的综合性人才的要求有其历史根源 1956 年苏联第一颗人造地球卫星的发射成功 使美国认识到材料的重要性 并 广泛开展了材料的研究 于是材料科学与工程便以此为契机 茁壮地发展起来 了 因此 材料科学与工程的诞生就是由于社会对材料科学与材料工程相结合 而产生出的惊人的科技成果的应激性反馈 精品文档 4欢迎下载 材料科学与工程的形成与发展有着内在的 更深刻的原因 材料的研究涉及到 多种学科 材料科学与材料工程必须相结合才能转化为生产力 从而为人类社 会的进步做出应有的贡献 因此 社会对材料科学与工程综合性人才的需求是有其历史性根源的 2 2 社会对材料科学与材料工程相结合的综合性人才的要求的现实原因社会对材料科学与材料工程相结合的综合性人才的要求的现实原因 随着现代社会经济的发展 对材料研究专门人才的知识结构与能力结构的要求 也同步发展 特别是我国实现传统计划经济向现代社会主义市场经济转型的现 实和加入 WTO 后面临的更激烈的国际竞争 使社会对材料科学与工程的综合性 人才的需求有了更深层次的扩展 3 3 材料科学与材料工程相结合的内涵材料科学与材料工程相结合的内涵 材料科学与工程的定义是 研究有关材料成分 结构 制备 合成 性能和使用 效能及其关系的科学技术与生产 对材料四要素的认识和理解 要有动态的观 念 材料科学与工程四个基本要素的说明和控制应放在更高 更深的层次 从材料的基本教育来说 它面向材料四要素 材料科学与工程的研究领域与纯科学研究领域及与某些专业工程研究领域都会 有重叠 而且应该鼓励这些合作与交叉研究 但从学科与基本教育看 与纯科 学的区别以及化工是有区别的 因此 我们需要材料科学家 要对材料从合成到服役的全过程进行综合性的研 究 应该特别重视材料在制备过程中的重现性和材料品质的一致性等非常重要 的实际问题 4 4 社会对材料科学与工程综合性人才的规格要求社会对材料科学与工程综合性人才的规格要求 社会对材料科学与工程学科综合性人才的规格要求是多元化并具有显著地方性 特征的 但其对材料科学与工程综合性人才规格的总体要求是具有一定共性的 主要体现在素质结构要求 能力结构要求和知识结构要求三个方面 1 素质结构要求包括思想道德素质 文化素质 专业素质 身心素质 2 能力结构要求包括获取知识的能力 应用知识能力 创新能力 3 知识结构要求包括工具性知识 人文社会科学知识 自然科学知识 工程 技术知识包括 经济管理知识包括 专业知识包括 三 材料科学与工程科学内涵三 材料科学与工程科学内涵 材料科学与工程是一个交叉领域的学科 涵盖研发新材料及改进已知的材料通 过加深对 微观结构 组成成分 合成 加工 材料加工过程的理解 组成意思 是材料的化学组成 结构意思是描述材料的原子的微观排列顺序 材料的合成 加工和材料生产过程加工的都离不开材料的合成 材料的合成就是通过人工的 精品文档 5欢迎下载 方法合成天然的化合物 材料科学与工程最重要的就是建立材料性能与其微观 结构 化学成分 加工工艺之间的关系 在材料科学当中 重点是理解材料的 合成加工 微观结构与其性能的关系 在材料工程中重点则是研究怎样将材料 转变成有用的设备或结构 材料科学与工程四面体 性能 化学成分 合成工艺 微观结构 材料四面体贯穿着一个材料的整个生命周期 下面就以超导陶瓷为例介绍 材料四面体的重要性 例如超导陶瓷在 1986 年被发现 正当大家都认为是陶瓷是绝缘体时 超导 陶瓷的发现对大家平时的观念有了质的变化 科学家也确定了超导陶瓷的组成 YBCC 该陶瓷对电流没有任何阻碍作用 针对对于金属及陶瓷已有的研究陶 瓷导电基本上是不可能的 所以第一步是发现了具有超导性质的陶瓷 但是该 陶瓷只有在低于 150K 时才具有超导性 下一步便是去研究如何让这种材料变得更好 好 意味着我们要将超导 陶瓷的最低超导温度提升到我们便于利用并且考虑如何长距离的利用超导陶瓷 传递电流 这包括材料如何加工以及材料的精细结构的研究 材料科学家想知 道材料的微观结构是如何影响材料的超导性能的 以及是否有其他的化合物业 拥有相似的超导性能 通过实验科学家分析出特定的合成精细粉末的方法来制 备超导陶瓷 作为一个研究材料工程的人来说 仅仅有以上的研究是不够的 因为我们 不仅是为了发现材料而去做研究的 我们更加是为了能将材料应用到实际 为 社会发展贡献力量 我们知道导体最终都是会以各种形式来传导电流的 因此 我们就要考虑在某种特定形态搞材料的稳定性 以及是否可以满足长距离传输 电流的需要并且找出目前常用的铜线及铝线 最后还要看以哪种工艺来生产才 最有效率 最终性价比如何 用来替换当前材料是否合算等等 当用来制造远程导线时 陶瓷材料脆性大的弱点顿时凸显出来 因此就必 须研究适当的材料加工方法来克服这个缺点 最终科学家通过反复试验 发现 可以通过将精细超导粉末填入银原子管 再制成棒状的形式可以达到目的 但 是成本却大大提高了 有时 仅仅因发现一种新材料 现象 或者设备便会引起一场的改革 今天 当我们回望历史时 硅基晶体管的发现并应用于计算机芯片领域是一场重大革 新 助推了信息革命的到来 通常一种材料在一段时期内的流行都会成为十 分重要的材料 例如许多铁合金 铜合金 等等 所以作为材料科学与工程专 业的学生来说 掌握在社会中应用十分广泛的材料是十分必要的 对于一种新 材料来说 从研发结束的原材料到实际应用加工生产间隔几年甚至几十年都是 十分普遍的 精品文档 6欢迎下载 根据材料不同的性质材料可以有不同的分类 下面可以将材料从五个大的 方面分类 1 金属及合金 导电性 易于机械加工性 表面强化性能 2 陶瓷材料 透光性 阻热性 耐烧蚀性 3 高分子材料 结构易于加工 绝缘性 4 半导体材料 单向导电性 可将电信号转换成光 等其他信号 5 复合材料 高模量 高硬度 缓震性 一一 材料科学基础研究材料科学基础研究 晶体学基础晶体学基础 无论是金属还是非金属材料 通常都是晶体 因此作为材料科学的工作 者 首先要熟悉晶体的特征及其描述方法 晶体学基础基本包括以下内容 1 空间点阵及其描述 晶系和点阵类型 2 晶体取向的解析描述 晶面及晶向指数 3 晶体中堆垛的几何学 堆垛次序 四面体及八面体的间隙 4 晶体取向的几何描述 各种晶体投影 5 道易点阵的定义 属性 及应用 6 晶体的对称性 点群和空间群 以上不仅是材料科学的基础 也是学习许多其他专业的基础 固体材料的结构固体材料的结构 固体材料的各种性质主要取决于他的晶体结构 因此要正确的 选择性能符合要求的材料或研制具有更加优良性能的材料 首先要 熟悉 乃至控制其结构 除了实用意义意外 固体材料的结构还有 很大的理论意义 因为材料的结构是和组成材料的原子之间的作用 力密切相关的 原子之间的结合键 而结合键乃是固体理论的出 发点 通过固体材料的研究可以以最直接最有效地确定结合键的特 精品文档 7欢迎下载 征和类型 由于以上原因固体材料的结构测定已成为材料科学中 一个独 立 重要的研究领域 即所谓的结构分析 结构分析的方法很多 其中最重要 应用最广泛的方法就是 X 光 电子和种子衍射方法 其基本原理在于一定的晶体结构对应着一定的衍射图样和衍射线 或斑点 强度 通过对衍射图线和强度的分析便可推知晶体的结 构 由于晶体结构和组成晶体的原子结构密切相关 因此晶体结构 是建立在对各类化学键熟悉的基础上 进而来熟悉金属 非金属 离子晶体 陶瓷材料 合金 包括固溶体和金属间化合物 晶体的范性形变晶体的范性形变 众所周知 晶体在外力作用下会变形 当外力较小时是弹性变形 外力去 除后变形可以修复 晶体在弹性变形时 应力和应变呈直线关系 此称为虎克 定律 但是当应力超过一定值时 屈服极限 应力和应变的关系就不再是直 线关系 卸载后变形也不能完全消失 而会留下一定的残余变形 这种不可恢 复的变形就叫做塑性变形 工程术语 或范性变形 金属物理用语 晶体的弹性能用弹性模量 E 和 G 表示 晶体的塑性 塑性变形能力 则 常用单位拉伸时的延伸率表示 即断面的最大相对伸长 和断面收缩率 断裂 前最大的相对面积缩减 表示 晶体的力学性能就是弹性 塑性和强度等三方 面的综合 晶体的弹性和材料的微观组织联系不大 属于对结构不敏感的性能 而晶 体的塑性和强度 主要是屈服极限 对微观组织十分敏感 属于结构敏感性能 研究晶体的变形特点主要从理论和实验两方面入手 理论方面有两条途径 一是宏观途径 即建立唯象理论 如各种弹 塑性 理论和断裂力学等 用于分析 计算工程结构和构件在工程使用及零件加工中 的应力 应变和断裂条件准则 另一条途径是微观途径 即建立晶体变形的微 观模型 研究塑性变形的微观机制 并确定微观组织 结构 与力学性能 主 要是塑性和强度 之间的关系 实验方面是利用各种宏观和微观的实验技术测定构件内的应力和应变 材 料的各种力学性能 以及微观组织和缺陷等 精品文档 8欢迎下载 晶体的缺陷的研究晶体的缺陷的研究 我们知道即使在 0K 实际晶体中也不是所有原子都是按照周期性规律的排 列的 因为晶体中的一些微小区域 在这些区域内 或穿过这些区域时 原子 排列的周期性遭到破坏 这样的区域便称为晶体缺陷 按照缺陷相对晶体的相 对大小 可将晶体缺陷分为以下四类 1 点缺陷 如果在任何方向上缺陷区的尺寸都远小于晶体或晶粒的限 度 因而可以忽略不计 这种缺陷就称为点缺陷 2 线缺陷 如果在共面的各方向上的尺寸相对晶体或晶粒线度可以忽 略不计这种缺陷就称为面缺陷或者位错 3 面缺陷 如果在共面的各方向上缺陷区的尺寸可以与晶粒的限度相 比拟 而在穿过该面的任何方向缺陷区的尺寸都远小于晶体或晶粒的线度 则 该缺陷被命名为面缺陷 4 体缺陷 如果在任意方向上缺陷区的尺寸可与晶体或晶粒的线度相 比拟 那么这种缺陷便称为体缺陷 不论是那种缺陷它的浓度都是非常低的 但是缺陷对晶体整体性质的影响 都是非常大的 它会影响到晶体的力学性质 物理性质 化学性质以及冶金性 能等 材料热力学及其在材料科学中的意义材料热力学及其在材料科学中的意义 材料热力学是应用热力学的基本原理 分析说明材料中的各种现象 是材 料科学中的重要内容 材料科学研究材料组织 结构及性能之间的关系 及其因成分处理等引起 的变化 材料的组织是由相组成 相是指系统中具有相同的组织结构和凝聚状 态和晶体结构 均匀或连续变化的成分 一致的性能 并有界面和其他部分分 开 材料热力学中给出系统中相平衡的条件和材料在一定条件下存在的相的状 态如单组员系在不同温度下的平衡相图 根据热力学基本参数可以代替实验进 而计算和确定相图 这成为相图研究的一个重要方向 材料的结构中包括界面 位错 空位等晶体缺陷 热力学分析可以给出这 些缺陷的热力学特性 例如空位是热力学平衡缺陷 而位错为热力学不平衡缺 陷 这些热力学特性决定了这些缺陷的的存在和变化 如室温条件下可以获得 无位错的晶体但是不能获得无空位的晶体 犹如空位的消失和复合 位错的分 解和形成 均由其热力学条件所确定 材料中所发生的能引起材料组织 性能 精品文档 9欢迎下载 变化的各类转变是材料科学的重要内容 这些转变包括液态到固态的结晶凝固 固态中的重结晶热处理以及形变金属加热的再结晶退火等 这些转变的发生都 是由热力学条件所决定 热力学可以给出转变的方向 驱动力大小 以及转变 的速度的定性评价 相图相图 金属材料及其他工程材料性能取决于其内部组织 结构 金属材料的组织又是 由基本的相组成 由一个相组成的组织叫单向组织 两个或两个以上的的相组 成的叫两相或多项组织 材料中想的状态是研究组织的基础 金属或其他材料内部的状态由其成分和所处大的温度来决定 相图就是用来表 示材料相的状态和温度及其成分关系的综合图形 其所表示的是平衡状态 因 而在一定温度 成分条件下是处于热力学最稳定状态 自由焓最低的状态 相图是材料科学的基础内容 在材料工程中有重要意义 可以举出以下应用的 主要方面 1 研制开发新材料 确定材料成分 2 利用相图制定材料生产和处理工艺 3 利用相图确定平衡态组织和判断非平衡态组织的发展方向 4 利用相图与性能关系推断材料性能 5 利用相图进行材料生产过程中的故障分析 界面界面 界面是晶体中的面缺陷 对晶体材料性质和发生转变都有重要影响 界面阻碍位错运动引起界面变化 提高材料的强度 界面阻碍变形 使变形分 布均匀 提高材料的塑性 强度 的塑性的提高将会使材料韧性同样的得到提 高因此材料界面的增加可以的到细晶组织 可大大改善材料的力学性能 界面具有高能量 在化学介质中不稳定 产生晶界腐蚀 故界面影响材料的化 学性能 同样界面也对材料的物理性能有着一定的影响 例如材料组织中的晶 粒增大 界面减少 可以提高导磁率 降低矫顽力 在高温下界面强度降低 称为薄弱环节 界面影响形变过程及金属加热时发生的再结晶过程 界面增大变形阻力 增加 变形储能 影响到再结晶时的晶核 细小晶粒组织可以增加再结晶的形核率 精品文档 10欢迎下载 再结晶时晶核的长大和再结晶侯晶粒的长大都是界面迁移过程 结晶凝固和固态相变都是新核生成和核心长大的过程 形核依附界面长大依靠 界面迁移率 因此界面的结构和特性影响凝固和相变过程 固体中的扩散固体中的扩散 就固体中原子或离子的运动而论 有两种不同的运动方式 一种是大量原子的 协同运动 如滑移 孪生 马氏体相变 另一种为无规则的热运动 就大量原 子讲 每个原子的运动都是随机的 所谓扩散是由于大量原子的热运动而引起 的物质的宏观迁移 此时应特别注意扩散中原子运动的自发性 随机性 经常 性 以及原子随机运动与物质宏观迁移的关系 可以从不同的角度对扩散进行 分类 在气体和液体中除了扩散之外 物质的传递还可以通过对流等方式进行 而在 固体中扩散往往是物质传递的唯一方式 研究扩散无论在理论上或是实际中都 有重要的意义 从理论上讲可以了解和分析固体的结构 原子的结合状态以及 固态相变的结构 从实际上讲 固体中发生的许多变化都与扩散密切相关 如 金属熔炼 材料的提纯 粉末金属的烧结 高温下金属的蠕变 以及腐蚀氧化 等都是通过原子的扩散进行的 并受到扩散过程的控制 通过扩散的研究可以 对以上问题进行定量 半定量的研究 凝固与结晶凝固与结晶 工程金属材料的生产 制备的一个重要的途径便是熔炼和凝固 除去粉末冶金 法制成的少数制品外 几乎所有的制品都要经过金属的熔炼和凝固过程 通过 熔炼 得到要求的成分的液态金属 浇筑在铸型中 凝固后获得铸锭或成型的 铸件 铸锭再经过各种冷热变形以制成各种型材 板材 棒材和线材 无论是成型铸件或是铸锭经变形后得到的各种型材 其性能都收到铸件或铸锭 凝固组织的决定性影响 铸锭的凝固组织也影响其热变性能 不合理的铸锭组 织会引起热变形中的开裂 破坏 降低成材率 热加工可以改善铸锭的组织及 性能 但铸造中的宏观缺陷仍将残留于制品中 给制品性能带来很大影响 回复与再结晶回复与再结晶 经受冷变形的金属和合金在加热时发生的回复 再结晶的现象及其相应的理论 是材料科学中的基本内容 在材料工程中起重要作用 金属和合金受冷塑性变形后 组织结构和性能发生明显的变化 在力学性能方 面表现为强度 硬度提高 塑性韧性的下降 此即形变硬化现象 此外变形金 精品文档 11欢迎下载 属会产生第一二类应力 当其超过材料的应力极限时 会造成工件的开裂 因 此 一般变形金属根据需要进行两类退火 一类为去应力退火 发生回复过程 以以消除应力 为了防止开裂 第二类为软化退火 发生再结晶过程 以提高 塑性 恢复变形能力 使工件进一步变形 研究冷变形金属的回复和再结晶的 基本规律 可以了解和掌握两类退火过程中发生的变化 控制和确定退火规范 保证退火质量 使材料获得所需要的使用性能 利用回复再结晶的基本规律可以获得粗大晶粒及单晶体以进行科学研究 可在 无相变的金属或合金中获得小晶粒是材料强韧化 也可在某些磁性合金中利用 再结晶后产生的有向性结构对材料的磁性进行改善 对于能源工程 喷气式发动机 及导弹工程的耐热合金要求越来越高的工作温 度 这些合金采用形变强化或形变热处理综合强化 因而对此类合金为满足较 高温度下的强化 必须提高其再结晶温度以防止其软化 研究再结晶过程的机 制和加速阻滞过程的因素也是非常重要的和必要的 固态相变 扩散相变 固态相变 扩散相变 固态相变的一般特点 当温度压力及系统中各组员的形态 数值或比值发生变化时 固体将随之发生 相变 发生固态相变时固体从一个固相转变到另一个固相时 至少伴随着下列 三个变化之一 1 晶体结构的变化 2 化学成分的变化 3 有序程度的变化 固体材料性能发生变化的根源在于某种环境的作用下 发生固态转变而导 致组织结构的变化 固体材料中可能发生的相变的类型决定与在确定的条件下 由化学成分所确定的相的相对稳定性 固体材料中实际发生的相变 多数是再 0 1 兆帕下 由给定的温度条件即加热温度和冷却时所达到的温度所决定的 这个温度的高低 一方面要受到热力学条件的限制 另一方面它又反过来对化 学动力学产生影响 以此材料可以长时间的保持自己的组织和又该组织赋予的 化学性能 但是相比于液 固相变 气 液相变 气 固相变相比固态相变时的母相是晶 体其原子呈一定规则排列 而且原子的键和比液态时牢固 同时母相中还存在 着空位 位错和晶界等一系列晶体缺陷 新相母相之间存在界面 因此在这样 的母相中必然存在一定的界面 其中起决定性作用的有以下几点 精品文档 12欢迎下载 1 固态相变阻力大 2 原子迁移率低 3 非均匀成核 4 低温相变时会出现亚稳相 5 新相往往都有自己特定的形状 固态相变 马氏体相变 固态相变 马氏体相变 当奥氏体从高温冷却时 若冷却速度足够快 能避免在冷却过程中发生高温转 变及中温转变则奥氏体将在一定温度范围内转变成马氏体 根据马氏体形成的过程来看 马氏体相变是非扩散型相变 相变过程中只有晶 格的改变而没有化学成分的变化 新相总是沿着一定的晶体学面形成 新相与 母相之间有着严格的取向关系 靠切边维持共格联系 马氏体相变不限于钢 只要冷却速度快到能避免扩散型的相变 因此也不限于 一般意义上的快冷 原则上 所有的金属及合金的高温不稳定相都可以发生马 氏体相变 而且不少的非金属也有这种相变 二二 材料的工程内涵材料的工程内涵 所有材料的生产都是用来服务我们的生活及生产的 材料工程主要研究材料如所有材料的生产都是用来服务我们的生活及生产的 材料工程主要研究材料如 何才能更加有效率的应用于生产生活中的 因此作为从事材料设计及加工的研何才能更加有效率的应用于生产生活中的 因此作为从事材料设计及加工的研 究者来说 具有一定的工程观点是十分必要的 究者来说 具有一定的工程观点是十分必要的 材料工程研究的内容主要由以下几点组成 材料工程研究的内容主要由以下几点组成 1 1 流体力学基础流体力学基础 流体力学是求解材料工程领域流体运动和流体与周围物体间的相互作用 和运动规律的科学 是帮助人们在工程实践中掌握流体的力学特性 充 分发挥流体作用的理论工具 在掌握流体力学的研究方法 建立了描述 流体力学的微分方程后 连续性方程 运动方程及能量方程 掌握实验 研究方法的理论依据 对流体运动过程中所发生的三种现象 动量 能 量及质量的传递 进行类比分析 能够从工程的角度了解最常用的机械 设备 离心式风机 2 2 两相运动现象两相运动现象 在自然界或是人类生产活动中 有着多种多样的传输 反应过程 而且 精品文档 13欢迎下载 大多数是多相共存的过程 3 3 传热学传热学 传热学是一门专门研究热能传递的客观规律的学科 在材料加工过程中 存在着众多的传热现象 工业窑炉中对物料的加热 以及高分子材料成 型过程中的加热与冷却 都以热量传递为其主要功能 因此掌握传热过 程 熟悉传热的基本原理 最大限度的将热量传给被加热的物料 减少 热损失 提高热效率具有十分重要的意义 从生产角度看 所有这些加热的目的就是使物料达到指定的温度 或是 进行换热回收利用热量 以及进行保温减少能量的损失 对工业窑炉而 言 其传热现象可以分为两大类 一类是通过加热或融化物料的有益传 热现象 如炉内高温火焰对物料的传热 废气对换热器壁的传热等现象 另一类是造成损失的有害传热现象 如窑体外壁的传热现象等 强化有 益传热削弱有害传热是我们研究传热现象的目标 掌握传热的基本规律 提出强化或者削弱传热的途径和措施 是工程技术人员必备的 知识和技 能 从技术角度看 一切材料加工过程中的传热现象均可分为以下三种 导热 对流和热辐射 4 质量传递基础质量传递基础 在两种及两种以上的组分构成的混合体系中 如果在空间存在组分浓度 分布不均匀 即浓度梯度 则该组分将自发的由高浓度向低浓度方向传 递 这一过程既是质量传递 简称传质 传质现象在生活中随处可见如食糖在水中的溶解 煤气在空气中的弥散 水的蒸发和木材燃烧等 不胜枚举 在工程科学技术中 传质被广泛应 用于材料 化工 机械 能源 动力航空航天 环保等领域 材料的干 燥燃烧等均与质量传递有着密切的关系 正如温度是热量传递的推动力一样 浓度是质量传递的推动力 在二元 混合体系中 浓度梯度的存在往往会造成扩散 这种扩散叫做热扩散 不过在浓度梯度不大的二元体系中这种扩散往往可以忽略不计 根据传质机理通常可以将传质分为两大基本类型 分别是扩散传质以及 和对流传质 在静止流体 做层流运动的流体以及固体中 物质分子由 高浓度向低浓度的区迁移 这类现象叫做分子扩散传质 而当流体做湍 流运动时 流体微团可以做与主流方向垂直的运动 如果流体存在浓度 差流团的迁移将伴随着质量的传递 这就是湍流扩散 实践中将固定表 精品文档 14欢迎下载 面与相邻流体间质量传递称为对流传质 质量传递现象与流体