材料方法论要点总结

第一章材料的分类：金属材料、非金属材料（无机非金属材料、有机高分子材料）、复合材料。金属材料：黑色金属、有色金属。无机非金属材料： 天然无机非金属材料、硅酸盐材料、新型硅酸盐材料。有机高分子材料： 天然高分子材料、合成高分子材料。复合材料：按强化相形态分：纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料、晶须增强复合材料。按基体相形态分：金属基复合材料、陶瓷基复合材料、高分子基复合材料。材料发展史：旧石器时代新石器时代青铜器时代铁器时代钢铁（资本主义大工业时期）合成材料（20世纪）复合材料（20世纪40年代）材料发展近代史：第一次技术革命：18世纪后期，以蒸汽机的发明为主要标志，推动了冶炼技术的发展，开始大规模钢铁生产新时代。金属材料第二次技术革命：19世纪末，以电的发明为标志，电子和化学工业的发展，促进了无机非金属材料的发展和高分子材料的出现。非金属材料第三次技术革命：20世纪中期，以原子能的应用为主要标志，实现了合成材料、半导体材料的大规模工业化。为计算机的出现做准备第四次技术革命：20世纪70年代，以计算机，特别是微电子技术、生物工程技术和空间技术为主要标志，促进了各类新型材料发展。复合材料第二章材料科学的共性规律：晶体学结构规律，材料缺陷与强度，材料的相变原理，材料的形变与断裂、材料的强韧化原理。材料的共同效应：材料的界面效应、表面效应、复合效应、形状记忆效应、动态效应、环境效应和纳米效应。学科分类：一级学科材料科学与工程二级学科材料物理化学材料学材料加工工程本科专业材料物理材料化学金属材料与工程高分子材料与工程无机非金属材料工程复合材料工程材料成型与控制相关学科物理/化学材料科学类/材料类机械工程材料科学与工程学科的发展方向：实现宏观、微观结构不同层次上的材料设计以及在此基础上的新材料开发；材料的复合化、低维化、智能化、结构-功能的材料一体化设计与制备技术；材料加工自动化、集成化等；研究和解决有关材料的质量和工程问题，不断挖掘传统材料的潜力。当前材料研究应该向多相复合材料、纳米材料、智能材料、生物医学材料及材料设计、材料的无损评价方向发展。新材料工业发展方向：原子能工业：需要耐腐蚀和耐辐射的材料航空航天、军工工业：轻质高强的材料电子工业：需要超纯、薄、细、匀材料海洋开发：需要耐腐蚀和耐高压材料农业：农业电气化、机械化、水利化、工业化都离不开材料的支持。材料研究开发趋势：单一材料向多种材料扬长避短的复合化；结构材料和功能材料的整体化；材料多功能的集成化，功能材料和器件一体化；材料制备加工的智能化、敏捷化、功能仿生化；材料科技的微型化、纳米化；材料设计的优选化、创新化；材料研究开发的环境意识化、生态化；材料科学技术的多学科渗透综合化、大学科化。材料科学与工程学科发展特点：(1) 各类材料逐步趋向统一(2) 材料的发展和应用是系统工程1989年Flemings四元体系五要素模型：(3) 科学与工程的全面融合(4) 多学科和跨学科交叉研究和应用(5) 新的思维、方法、发现和理论不断产生三大材料的结构、结合键、组成相分类：（材料缺陷与断裂强度： 陶瓷的实际晶体中也存在着各种缺陷，位错对形变、强度、结晶等过程都有影响。 实际强度 理论强度金属材料 cs 1/10c陶瓷材料 cs 1/(4050)c 高分子聚合物 cs 1/(1001000)c）材料的强韧化原理：陶瓷和金属材料中，主要的强化机制有：固溶强化、细晶强化、第二相强化；金属还有位错强化，陶瓷有相变增韧。材料的界面效应：1. 分割效应：分割大小等对基体有影响；2. 不连续效应：在界面处各种性质不连续；3. 功能效应：界面处材料的透光性、隔音性不同；4. 感应效应：对外界条件反应不同，如热膨胀性。界面的重要问题：热力学、界面偏析、界面扩散、界面化学反应等。材料的形状记忆效应：单程记忆效应、双程记忆效应、全程记忆效应第三章归纳与演绎法1. 归纳法：主要特点：个别一般；结果有一定的可靠依据； 具有或然性。分类：(1) 求同法：从不同场合中寻找相同的因素。(2) 求异法：从两种场合的差异中找出事物的因果关系。（3）同异并用法：把求同法和求异法两种推理形式结合起来寻求研究对象的因果关系（4）剩余法： 在一组复杂的自然事物或现象中，排除已有的因果关系后，来研究其它现象产生的原因。实质上是求异法的变种。归纳法的作用与局限性： 归纳法具有一定的科学性：其研究也是从积累大量数据到概括出一般原理的过程；归纳法具有很大的创造性，主要用于科学发现。归纳法具有局限性。是一种或然性的推理方法。2. 演绎法演绎法的作用与局限用逻辑推理方式为科学知识提供逻辑证明；演绎法也是解释和预见科学事实、提出科学假说的重要方法；演绎推理在检验假说中也有很重要的作用；演绎法的局限性:结论包含在前提中，难以作出新的概括； 结论可靠性受到前提制约，不绝对可靠。移植法的特点与作用：定义：将某学科的原理、方法或技术用于研究分支科学或其它学科技术领域的理论、技术或方法问题。它是通过横向、纵向联想和类比等方法进行的，所以和类比法、联想法有密切联系或相似。特点：具有显著的创新性和综合性类型：技术移植创新法；原理移植创新法；方法移植创新法；综合移植创新法。模型化方法：模型化：用适当的文字、图表和数学方程来表述系统的结构与行为的一种方法。数学模型具备条件：反映原型本质特征和关系，且合理简化；能对问题进行理论分析，逻辑推导；能合理描述具体研究对象，解决问题。分类：按建立的方法有理论型、经验型；按变量性质分类有确定型和随机型；按函数关系分，有线性和非线性型等。理论模型的特点： 关系式较复杂，有物理意义； 理论意义与实际差异大； 分析与推导难度较大。经验模型的特点： 数理统计分析得到关系式； 性质是唯象的或半唯象的； 应用范围受限制。模拟类型：模拟也称为仿真(Simulation)，是模型化的继续。基本上可分为三类：几何模拟；数字模拟；物理模拟。系统方法在科研创新中的作用：系统方法为科技发展提供了崭新的思想和方法。主要表现在三个方面：系统方法具有重大创造性的功能。如阿波罗登月计划的成功实施(韦伯博士)。系统方法研究各种复杂系统的有效手段。如用定量方法解决复杂问题，系统工程理论。用系统方法经营事业，可实现整体优化。如在生产中实现无废物循环，可持续发展原型启发与仿生法：原型启发法：对自然现象进行观察、探索受到启发来进行科学研究和发明创造的。起启发作用的事物称为原型。仿生法：指原型启发法中的原型为自然界的动植物或自然现象。自然界不断演化和进化物竟天择，适者生存。创新的基本模式：美国创造工程权威奥斯本模式：发现问题提出设想解决问题前苏联科学家戈加内夫的模式：提出问题确定目标想象顿悟顿悟英国心理学家瓦拉斯模式：创造准备酝酿明朗验证前苏联科学家卢克模式：提出问题收集信息酝酿顿悟检索美国贝利教授的模式：（适用工程技术）提出问题调研分析明确目标设计方法解决最优化试验验证第四章关于组织结构与层次，应注意五个共性问题：可分与穷尽、转变与守恒、树木与森林、表象与真实、量变与质变。量变与质变：量变到质变是一个普遍的规律。纳米材料中更为突出：当固体微粒尺寸逐步减小时，量变会引起物理化学性质的质变。在许多方面与大块材料有明显差别，有时候甚至是反常的。Hall-Petch效应并不符合纳米晶体材料。如晶粒50nm的铜，总伸长率仅为14%，晶粒尺寸为110nm的铜，总伸长率为8%，完全突破了传统理论。材料性能的基本特征：1、现象与本质：从现象的本质来看，同一材料的不同性能只是相同的内部结构，在不同的外界条件下表现出来的不同行为。物理性能：热性、声学、光学、磁性等。力学性能：强度、弹性、塑性、韧性等。化学性能：抗氧化、耐腐蚀、抗渗入等。复杂性能：复合、工艺、使用性能等。2、区分与联系：材料的各种性能之间既有区别，又有联系。要善于分析，而且是综合分析。在不同外界条件下有不同的性能行为。3、 复合与转换：复合效果在物理性质间的转换是非常普遍的。制备功能材料或元件，如热电偶、光电管、电阻应变片、压电晶体等。4、主要与次要：根据具体情况，区分主要性能与次要性能。在某些情况下主次是可以转变的。5、 常规与突变：陶瓷材料在通常情况下呈脆性，而纳米超细微粒子制成的纳米陶瓷有良好的韧性。材料结构的设计与控制选择与改进：结构与性能的系统分析方法：一、黑箱法 系统控制论的基本方法之一，是指不明确某系统的内部机制只是通过输入（目的）和输出（结果）来控制系统的结构与功能的方法。一般表达式：Y = K f(X) 输入为X，输出为Y，K为传递函数。特点：一定的适用范围；物理意义不明确；难于分析影响因素；一般用归纳法得到关系式；二、相关法 材料的组织结构与性能有着有机的对应关系。如果所研究的性能在已有理论的指导或大量实验数据的启示下，寻求与性能有关的结构参量Si，建立起它们之间的经验关系式： = f(Si) i=1, 2, 3, , n相关法的特点：是在已有的理论指导下或已有实验数据的启示下进行相关处理的；应用统计分析法得到相关系数，应提出相关关系的可信度；相关关系式可为性能控制方法提供选择的基础，也可以为理论分析提供依据；相关关系式有一定的物理意义。三、过程法：相关法解决材料性能的现象问题；过程法解决材料性能的本质问题，即深入现象研究本质，又称为分析法，与相关法相辅相成。四、环境法材料结构的自组织现象：自组织理论是系统科学的核心理论。是指“一个系统的要素按照彼此的相干性、协同性或某种默契而形成特定结构与功能的过程。”自组织过程不是按内部或外部指令完成而是系统各要素协同运动的结果。自然界的普遍规律：自然界中的系统演化、物质结构的形成或有序化都是自组织的。不仅有机物遵循这个规律，无机材料界同样存在自组织规律。材料处理、加工是开放系统，是自组织的。A形成、P分解，B转变，M相变等。再如P组织的形状有片状、细片状、粒状、针状。 材料的自组织现象也称为自适应，材料中有类似于生物体的自诊断、自修复、自调整、自繁殖等能力，是为了适应环境的变化。这种功能被称为材料的5“S”特性：自诊断（Self-diagnosis)、自调整（Self-tuning）、自适应（Self-adaptive）、自恢复（Self-recovery）、自修复（Self-repairing） 材料结构的仿生仿生学：仿生学是生物学、数学和工程技术学相互渗透而结合成的一门新兴的边缘科学。是研究生物系统的结构和性质以为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学。 生物材料的优异性能：生物材料的复合特性（优化）；生物材料的功能适应性（树木倾斜）；生物材料的自愈合性（再生机能）材料的加工制备过程有三个基本共性问题： 方向：过程沿着什么方向发生的？ 途径：过程是遵循什么途径进行的？ 结果：过程进行所达到的结果如何？ 材料过程的基本原理：过程自发进行的方向：热力学第一、第二定律。自然过程原理：“自发过程总是沿着能量降低的方向进行的。”材料过程的途径：遵循最小阻力原理或最小自由能原理，即反应趋向激活能小的途径进行。材料过程的结果：自然过程的结果是适者生存！热力学：方向和可能性；动力学：途径；结构学：结果过程类型与过程竞择性： 过程必须沿着能量降低的方向进行 热力学和动力学的综合影响因素 进行的途径和结果一般都有几种可能性 不同过程类型与过程竞择性 了解材料变化过程的竞择性原理对材料的研究和过程设计与控制是非常重要的。变化过程竞择性是自然界的普遍规律，也是社会科学的普遍规律。铸铁冷却有石墨化和析出渗碳体的竞争；晶粒长大，高温形变：回复与再结晶。第五章全球三大问题：人口膨胀、资源消耗、环境污染全球面临的主要环境问题：全球气候变暖温室效应、大气污染不断恶化、固体废弃物不断增加、水污染日益严重、酸雨蔓延、土地沙漠化侵蚀增大、海洋污染不断加重、森林面积不断减少。环境材料：其定义为具有良好的使用性能和与环境有良好协调性的材料。 生态环境材料的分类：新能源材料：是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料。新能源材料主要包括：电池材料（镍氢、锂离子、燃料、太阳能）；储氢材料；反应堆核能材料。当前的研究热点和技术前沿包括高能储氢材料、聚合物电池材料、中温固体氧化物燃料电池电解质材料、多晶薄膜太阳能电池材料等。材料环境协调性评价环境协调性评价LCA(Life Cycle Assessment)：评价产品在整个寿命周期中所造成的环境影响的方法。材料环境协调性评价MLCA(Materials LCA)：将LCA的基本概念、原则和方法应用对材料寿命周期的评价。材料环境联系的基本途径：资源、能源、废弃物在评价和设计材料时，功能性、环境性和经济性三者应该相互协调，系统考虑。新的评价理论要求材料的功能性、环境性和经济性的平衡，力求材料具有高的功能或性能、低的环境负荷和低的成本。传统材料，低成本靠近B区，先进材料，较高性能，靠近C区；天然材料，与环境协调性好，靠近A区；环境材料，位于D区。生态环境材料的设计原则：名称：绿色设计(Green Design)、生态设计(Ecological Design)、环境设计(Design for Environment)、环境意识设计(Environment Conscious Design)定义：在产品的整个生命周期内，着重考虑产品环境属性（可拆卸性，可回收性、可维护性、可重复利用性等），并将其作为设计目标，在满足环境目标要求的同时，保证产品应有的功能、使用寿命、质量等要求。3R原则：Reduce：减少环境污染，减少能源消耗； Reuse：产品和零部件重新利用；Recycled：产品和零部件回收再循环。材料环境适应性评估：材料与环境的作用：材料在与大气、土壤等环境介质的交互作用过程中，发生能量或物质的交换而失效，如金属材料的腐蚀、磨损、断裂，高分子材料的老化等。基本定义：Fitness-for-Service Technology(FFS技术)，材料适应性评估技术是对材料继续运行的安全性进行定量评定的技术。是规范标准的新技术。基本类型：材料的环境适应性是衡量材料质量的重要属性：（1）工况环境适应性；（2）自然环境适应性。工况环境适应性评估技术的发展有三个阶段：孕育期、生长期、发展应用期国际上材料环境腐蚀研究工作的发展趋势：(1) 环境腐蚀研究国际化：例如ATLAS公司在全球其它8个国家还设立了11个特殊环境的暴露场；(2) 试验方法标准化：为了提高材料的耐腐蚀性和耐老化性能及其可比性，研究工作都采用统一规范和标准；(3) 试验服务市场化：世界各国的环境腐蚀数据中心服务于社会，也得益于社会。(4) 材料自然环境适应性评估技术开始形成：根据数据建立模型，进行预测；建立加速腐蚀试验方法，已经成为材料环境腐蚀数据中心直接推广应用的两个主要方面。（国内材料自然环境适应性评估技术的发展：20世纪50年代，国家开始了材料自然环境腐蚀试验研究。1958年，建立了全国大气、海水、土壤腐蚀性试验网站。六五期间投入腐蚀性试验六大类（黑色金属、有色金属等）353种，九万多个试件，通过4个周期的试验，现已积累材料大气、海水腐蚀8-16年的数据；中碱性土壤腐蚀30-35年的腐蚀数据库和子库共20个。数据已在国家建设中得到了应用（如三峡工程），获得了显著的社会效益和经济效益。）第六章材料设计的范围与层次：材料设计的层次 ：微观层次：空间尺寸约为1nm数量级，是电子、原子、分子结构层次的设计。介观层次：介于宏观和微观之间的状态，一般认为它的尺度在纳米和毫米之间，典型的尺度为1m，是组织结构层次的设计。宏观层次：对应宏观材料，涉及大块材料的成分、组织、性能和应用的设计，是工程应用层次的设计。开展材料计算设计的研究意义：促使材料科学与工程从定性描述走向定量计算；为新材料研究与开发提供理论基础及优选方案；可以加速建立计算材料科学崭新的交叉学科。材料数据库和知识库技术及材料设计专家系统的关系：数据库：包括材料性能及一些重要参量的数据、成分、处理、试验条件以及材料的应用与评价等内容。存储具体的数据值，只能查询，不能推理，就像仓库一样。知识库：知识库是材料成分、组织、工艺和性能之间的关系以及有关理论成果，一系列数理模型。知识库存储的是规则、规律，通过推理、运算，也可进行成分和工艺控制参量的计算设计。材料设计专家系统：具有相当数量的各种背景知识，并能运用这些知识解决材料设计中有关问题的计算机程序系统。以知识检索、简单计算和推理为基础的专家系统；以计算机模拟和计算为基础的材料设计专家系统，对材料结构与性能关系进行模拟或用相关理论进行计算，以预测材料性能和工艺方案；智能专家网络系统。以模式识别和神经网络为基础。结构-性能和工艺-结构关系是两个材料核心问题。建立数学模型，预测性能、成分和工艺等。第七章材料研究的物理模拟 ：基本概念：为了达到对事物本质和规律的认识，必须根据所研究对象的特点，把次要的非本质的因素排除，有意提取主要和本质的因素加以考虑和研究。即为抽象的方法。物理模拟是通过实验室物理实验模型模拟真实物理过程的方法。如，将实际地形物理的缩小模型置于实验体（如风洞、水槽等）内，在满足基本相似条件（包括几何、运动、热力、动力和边界条件相似）的基础上，模拟真实过程的主要特征 。进行物理模拟的前提是相似条件，对于材料加工来说主要包括：几何相似条件；弹性静态相似条件；塑性静态相似条件；动态相似条件；摩擦相似条件；温度相似条件。数值模拟与物理模拟的关系：物理模拟：通过建立物理模型和试验来了解实际系统的行为和特征；模拟结构一般不能外推，准确性和普遍性依赖于测量范围和相似条件。数值模拟：利用控制方程描述过程参量变化，通过求解方程而定量；可以提供整个计算域内的数据，对很多非线性问题可以用数值方法获得定量结果。 数值模拟与物理模拟具有各自不同的特点和应用，两者具有互补性，物理模拟是数值模拟的基础，数值模拟是物理模拟的归宿，两者的结合才能有效地解决复杂工程问题。第八章机械常见的失效形式：断裂、表面损伤（磨损和腐蚀）和过量变形三大类。断裂失效主要有韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂等类型。韧性断裂在断裂前会产生明显宏观变形；脆性断裂没有宏观变形，表现为突发性断裂，常常造成灾难性的事故。机械失效分析的原因：（1）设计中的错误；（2）材料缺陷造成的失效；（3）制造产生的缺陷；（4）机械在运转过程中的错误；化学成分分析方法：平均化学成分的分析是测定材料中主量元素及微量、痕量元素的平均含量。常用的分析方法有：化学分析法和光谱分析法；无损检测失效分析的基本程序和实施步骤：（1）侦察失效现场和收集背景材料；（2）制定失效分析计划；（3）执行失效分析计划；（4）综合评定分析结果；（5）研究补救措施和预防措施；（6）起草失效分析报告；（7）评审失效分析报告；（8）反馈系统。第九章科学研究能力：专业基础能力（科学本能）：洞察能力、想象能力、记忆能力专业发展能力（科学智能）：逻辑思维能力、观察与实践能力、知识创新能力专业拓展能力（社会能力）：学术交流能力、协作与竞争能力、社会交往能力研究生如何选题，确定方向。选择课题（“三定”）：定研究“方向”；定“领域”：所在Lab（导师）固定的。定“课题”：导师研究生共同讨论制定。既考虑工作需要,也要尊重研究生的兴趣. 注重工作的连续性与新领域的开拓，课题难易程度要考虑研究生能力。第十章合金的基础理论问题主要有： 原子结构层次中，电子空间分布的几率特征，它们对性质的影响和随浓度的变化规律。 相结构层次中，原子排布的几率特征，它们对性质的影响和随浓度的变化规律。 组织结构层次中，相和相界的化学成分、原子状态、原子排布几何特征，它们对性质的影响和随浓度的变化规律。 原子、相和组织三结构层次之间的相关性，以及这种相关性随浓度的变化规律。铝锂合金的特点：塑性和韧性的改善和传统铝合金相比，铝锂合金性能存在的问题：塑性和韧性较低，短横向强度较低，各向异性较大，存在热稳定性问题(70左右)。铝锂合金塑韧性的改善： 合金化 ； 形变热处理； 分级时效； 低Li化； 纯净化各向异性的改善：过时效、微合金化（微合金化改善弥散相种类）、交叉轧制、再结晶。铝锂合金的微合金化：稀土元素的作用：添加元素：Y、Ce、La稀土作用：细化沉淀相或使之均匀分布，如，S 相；减少杂质原子向晶界的偏聚；延缓再结晶过程和细化晶粒尺寸；减少沿晶断裂的倾向，提高