《材料的结构》PPT课件.ppt

1、材料的结构(序),西南石油大学 材料科学与工程 一级学科研究生学位课程 任课教师：李春福,1、材料结构概论,“材料科学与工程”是研究材料的成分、组织、结构与性能及其制备方法之间的关系的一门学科。 “材料科学”是建立在材料的物理结构和材料的化学热力学以及材料的性能学的基础之上的科学。 到目前为止，传统的材料科学研究仍然是一门以实验室研究为主的实验学科。从严格的意义上讲，还不能称之为科学。,1、材料结构概论,科学的定义：对一定条件下物质变化规律的总结。 科学的特点：可重复验证、可证伪、自身没有矛盾。 集中起来用一句简答的话语来阐述：科学是可以用完整的数学进行描述的物质变化规律； 现代物理从1930

2、年理论物理包括分析力学、电动力学，量子力学，统计力学，场论等的建立被称之为是科学， 现代化学自从1998年量子化学的密度泛函理论获诺贝尔奖为标志化学从实验学科成为科学。,1、材料结构概论,当今，材料被广泛地应用于各式各样的常规及高精尖技术领域中： 诸如机械、舰船、运输、建筑、能源、医疗、航天航空、通信、计算机等，发挥了十分关键的作用。 而材料本身也变得品种日益繁多，五花八门： 诸如金属与合金、半导体、电介质、陶瓷、玻璃、塑料、水泥乃至于层出不穷的复合材料等等。,1、材料结构概论,材料学科到目前仍然是实验科学： 新材料的设计仍不能够完全从数学模型出发进行设计，仍然是炒菜方式的试验验证方式， 虽有

3、了计算材料学和材料的理论设计，但多数处于探索阶段： 如以量子力学为基础的余瑞璜分子与固体经验电子理论，程开甲的TFDC 理论，嵌入原子理论和密度泛函理论等，但是都还没有能够对于材料设计计算进行完整的统一,1、材料结构概论,材料（Materials）是人类科学技术进步的标志。 在人类历史的长河中人们习惯用新石器时代、青铜时代和铁器时代来表达人类文明史的不同阶段。 特别是近半个世纪人类经历了从钢铁材料时代朝向以为塑料为代表高分子材料和以硅芯片为代表的电子材料时代的过渡。,1、材料结构概论,材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。 材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料。 如

4、燃料和化学原料、工业化学品、食物和药物，一般都不算是材料。 但是这个定义并不那么严格，如炸药、固体火箭推进剂一般称之为“含能材料”，因为它属于火炮或火箭的组成部分。近年来，石油工业中的应用高分子材料，又将一些水基高分子材料纳入其中，统称石油应用高分子材料。,1、材料结构概论,材料是人类赖以生存和发展肋物质基础。20世纪70年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。20世纪80年代以高技术群为代表的新技术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。这主要是因为材料与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关,1、材料结构概论,材料从物理化学属性来分，可分为: 金属材料、

5、无机非金属材料、有机高分子材料和不同类型材料所组成的复合材料。 从用途来分，又分为电子材料、航空航天材料、核材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。更常见的两种分类方法则是结构材料与功能材料；,1、材料结构概论,传统材料与新型材料。结构材料是以力学性能为基础，以制造受力构件所用材料， 结构材料对物理或化学性能也有一定要求，如光泽、热导串、抗辐照、抗腐蚀、抗氧化等。功能材料则主要是利用物质的独特物理、化学性质或生物功能等而形成的一类材料。一种材料往往既是结构材料又是功能材料，如钛、铜、铝等。,1、材料结构概论,材料是人类社会进步的里程碑 人类发展的历史证明，材料是社会进步的物质基础，是人类进步程度

6、的主要标 所以人类社会的进步以材料作为里程碑。纵观人类发现材料利用材料的历史，每一种重要材料的发现和广泛利用，都会把人类支配和改造自然的能力提高到一个新水平，给社会生产力和人类生活水平带来巨大的变化，把人类的物质文明和精神文明向前推进一步。,1.2、材料科学的形成与内涵,“材料”是早已存在的名词，但“材料科学”的提出只是20世纪6D年代初的事。1957年前苏联人造卫星首先上天，美国朝野上下为之震惊，认为自己落后的主要原因之一是先进材料落后，于是在一些大学相继成立了十余个材料研究中心。采用先进的科学理论与实验方法对材料进行深入的研究，取得重要成果。从此，材料科学”这个名词使开始流行。 “材料科学

7、”的形成实际是现代科学技术，尤其是现代理论物理。理论化学和现代的物理化学实验技术以及计算机技术发展的结果。,2 材料科学史,和人类使用材料的漫长历史相比，科学家研究材料科学的历史比较短哲。 由于实用的金属与陶瓷材料多半是多组元的复相物质，使得习惯于研究简单物质的科学家望之而却步。 因而长期以来材料的发展依靠工匠、技师们穷年累月里汇聚起来的手艺、诀窍和经验。,2 材料科学史,近几个世纪，随着固体物理、无机化学、有机化学、物理化学等学科的发展，对物质结构和物性的深入研究推动了人类对材料本质的了解； 同时，冶金学、金属学、陶瓷学、高分子科学等的发展也使对材料本身的研究大大加强，从而对材料的制备、结构

8、与性能，以及它们之间的相互关系的研究也愈来愈深入,2 材料科学史,材料结构研究的进步为材料科学的形成打下了比较坚实的基础。 19世纪中叶以后，随着大机器工业的发展，钢铁冶炼中的转炉与平炉炼钢相继问世，钢铁生产开始成为大规模的企业。而钢铁材料的热处理过程是影响钢铁质量的关键问题，亟需科学研究的支持。 金相学的产生：科学家首先应用光学显微镜来观察抛光金属表面的显微组织的变化，确定了一些重要的物相，开辟了金相学这一学科。,2 材料科学史,相律的建立：在19世纪，物理学中的热力学与经典统计力学相继问世，对于这两个学科都有杰出贡献的科学家吉布斯（JwGibbs）于1878年发表了著名的长篇论文“论复相物

9、质的平衡”(On the equilibrium of complex phase Substances)， 从而对物理化学产生深远的影响，同时也为理解材料的相平衡的规律(包括相律)，乃至相变动力学等重要问题，提供了必要的科学依据。,2 材料科学史,金属学的建立： 由于Gibbs的论述抽象难懂，直到19世纪与20世纪之交，由于HWBRoozeboom等的阐述，才将合金热力学建立起来，并将相变研究付诸实践，其中包括了一张大体上正确的铁碳相图。 1912年之后x射线晶体结构分析技术的发展又将材料结构的研究推进到原子的尺度。 这样，到20世纪20一30年代，基于物理化学的金属学作为一门学科得以建立。

10、,2 材料科学史,上世纪中叶以来，科学技术得到飞速发展， 相应的陶瓷学科得到了飞快的发展； 有机合成工业的建立，最终导致高分子材料学科的建立以及复合材料学科的建立 到上世纪末，随着计算机技术的进步，电子材料、膜材料的飞速发展， 以及随着人类能源需求，新兴能源材料的学科建立,2 材料科学史,量子化学和固体物理 1925年后，微观世界的基本规律量了力学得以确立。在原子物理学范围内取得巨大成功之后、随将它应用于分子与化学键，开创了量子化学，又将它应用于固体，开创了固体物理学。这两门新学科的建立，为理解材料的键合与物性等问题，提供了充分的科学依据。,2 材料科学史,材料科学：是研究材料的组织结构、性质

11、、生产流程和使用效能，以及它们之间相互关系的科学。 材料科学是多学科交叉与结合的结晶，是一门与工程技术密不可分的应用科学。 中国的材料科学研究水平位居世界前列，有些领域甚至居于世界领先水平。,3材料科学发展历程,材料科学的形成是科学技术发展的结果。这是因为： 第一，固体物理、无机化学、有机化学、物理化学等学科的发展，对物质结构和物性的深入研究，推动了对材料本质的研究和了解； 同时，冶金学、金属学、陶瓷学等对材料本身的研究也大大加强，从而对材料的制备、结构和性能，以及它们之间的相互关系的研究也愈来愈深入，这为材料科学的形成打下了比较坚实的基础。,3材料科学发展历程,第二，在材料科学这个名词出现以

12、前，金属材料、高分子材料与陶瓷材料科学都已自成体系，它们之间存在着颇多相似之处，可以相互借鉴，促进本学科的发展。 如马氏体相变本来是金属学家提出来的，而且广泛地用来作为钢热处理的理论基础。但在氧化锆陶瓷材料中也发现了马氏体相变现象，并用来作陶瓷增韧的一种有效手段。,3材料科学发展历程,第三，各类材料的研究设备与生产手段也有很多相似之处。 虽然不同类型的材料各有专用测试设备与生产装置，但更多的是相同或相近的， 如：显微镜、电子显微镜、表面测试及物理性能和力学性能测试设备等。 在材料生产中，许多加工装置也是通用的。研究设备与生产装备的通用不但节约了资金，更重要的是相互得到启发和借鉴，加速了材料的发

13、展。,3材料科学发展历程,第四，科学技术的发展，要求不同类型的材料之间能相互代替，充分发挥各类材料的优越性，以达到物尽其用的目的。 长期以来，金属、高分子及无机非金属材料学科相互分割，自成体系。 由于互不了解，习惯于使用金属材料的想不到采用高分子材料，即使想用，又对其不太了解，不敢问津。相反，习惯于用高分子材料的，也不想用金属材料或陶瓷材料。因此，科学技术发展对材料提出的新的要求，促进了材料科学的形成。,3材料科学发展历程,第五，复合材料的发展，将各种材料有机地联成了一体。 复合材料在多数情况下是不同类型材料的组合，通过材料科学的研究，可以对各种类型材料有一个更深入的了解，为复合材料的发展提供

14、必要的基础。 在上述发展的基础上，形成了材料科学的概念。 材料科学：是研究材料的组织结构、性质、生产流程和使用效能，以及它们之间相互关系的科学。,3材料科学发展历程,1.3.1 人类思维方式的演变与金属材料科学的发展 Mehl和Cahn详细叙述了金属材料科学发展的历史。 这里以他们提供的史料为主要依据, 结合各专门学科和理论形成情况, 将人类思维方式在金属材料科学中的体现划分为四个时期, 将金属材料科学的发展历程划分为相应的四个阶段见表1。,3材料科学发展历程,表1金属材料科学发展的阶段与人类思维方式的演变,3材料科学发展历程,按照材料科学的研究对象和研究深度研究手段，这个学科经过了： 宏观和

15、显微观察阶段：形成的是以光学显微镜观察为基础的一材料的纤维组织科学。典型的是上世纪80年代之前的金属学(或称之为物理冶金学) 此时的金属研究是以高温奥氏体、和室温铁素体、珠光体、索氏体、屈氏体、马氏体等为基础的金属组织学,3材料科学发展历程,到上世纪80年代之后，人类随着量子力学、统计热力学等现代科学和微观分析手段进步，对于材料的认识深入到原子尺度，形成现在使用的材料科学基础，单打材料的融合性很勉强。 进入20世纪90年代以来，材料科学技术的发展异常迅猛，材料科学与生命科学、信息科学、环境科学等共同构成了当代科学技术的前沿。 量子力学、统计热力学等现代科学与材料自身的结构星湖融合，材料科学的发

16、展进入第电子尺度，大材料的融合正逐步形成。最终会形成以材料电子结构为主线条的材料科学基础。,3材料科学发展历程,材料的性质与其结构、构造有着密切关系。也可以说材料的结构、构造是决定建筑材料性质的极其重要因素。 材料的结构大体上可以划分为:宏观结构、亚微观结构和微观结构三个 材料的微观结构：指的是指物质的原子、分子层次的微观结构。一般要借助于电子显微镜、X射线衍射仪等具有高分辨率的设备进行观察、分析,其分析程度是以埃 (1A1010m)为单位表示的。 材料的许多物理性质,如强度、硬度、弹塑性、导热性等都有密切的关系。材料的结构可以分为晶体、玻璃体和胶体。,4材料结构研究对象,从工程材料的角度出发

17、介绍 晶体，准晶，非晶体的结构； 包括晶体的概念、晶体的性质，晶体的基本结构学 晶体缺陷理论：点缺陷、线缺陷-位错理论以及面缺陷理论以及相应的应用理论 晶体结构理论对现代新材料发展的作用和21世纪有巨大影响的新型材料。,4材料结构研究对象,原子的结合方式-化学键 1.离子键 ：形成正、负离子靠静电引力结合在一起而形成的结合键称为离子键。 NaCl晶体结构如图1-1所示。 性能特点：离子晶体的硬度高、强度大、热膨胀系数大，但脆性大，具有很好的绝缘性。典型的离子晶体是无色透明的。,4材料结构研究对象,共价键 形成：元素周期表中的A、A、A族大多数元素或电负性不大的原子相互结合时，原子间不产生电子的转移，以共价电子形成稳定的电子满壳层的方式实现结合。 这种由共用电子对产生的结合键称为共价键。,4材料结构研究对象,性能特点： 共价键结合力很大，所以共价晶体的强度、硬度高、脆性大，熔点、沸点高，挥发度低。,4材料结构研究对象,分子键 形成：一个分子的正电荷部位与另一分子的负电荷部位间以微弱静电引力相引而结合在一起称为范德华键（或分子键）。 特性：分子晶体因其结合键能很低，所以其熔点很低，硬度也低。但其绝缘性良好。,4材料结构研究对象,晶体结构 晶体与非晶体 晶体是指原子