材料科学与工程方法论-材料结构、性能与表征的因果

材料科学与工程方法论中南大学王德志

材料科学与工程的整体观

材料结构、性能与表征的因果关系

材料设计与制备的统一性四

方法论概述一三五提纲六

环境、能源、信息、军工、铁道材料的发展观

材料科学与工程研究的客观规律性二

四、材料结构、性能与表征的因果关系1、材料的结构与性能核心关系其核心是围绕:“结构与性能”的相互辩证关系1、材料的结构与性能组织结构材料性能1、材料的结构与性能材料的合成与制备：研究获取材料的手段，以工艺技术的进步为标志；成分与组织结构：反映材料的本质，是认识材料的理论基础；材料特性：表征了材料固有的性能，是选用材料的重要依据；服役行为与使用寿命：与材料的加工和服役条件相结合来考察材料的使用寿命，它往往成为MSE的最终目标。合成与制备材料特性成分与组织结构服役行为与寿命1、材料的结构与性能化学成分组成制备加工工艺组织结构性能结构表征与性能检测工作条件

定义：

表明材料的组元及其排列和运动方式。(1)组元：一般用材料中原子的种类和数量来表示成分，原子种类叫组元。(2)排列方式：组元间的排列方式取决于组元间的结合类型。(3)运动方式：用文字描述或参量来表达原子(或分子)及电子的运动。

结构的测定：通过人眼来确定。具有以下特点：(1)籍助于可见光入射在材料的断面上；(2)从反射光获得断口的图象；(3)从已有的知识对图象进行判断，作出结论；(4)分辨能力约0.1mm；(5)断面上的外来物质或其它环境因素对于图象及判断可以有干扰。2、材料的结构

材料的晶体结构：(1)金属的晶体结构：a.典型的晶体结构在金属元素中，约90%以上的金属晶体结构属于如下三种密排的晶格形式：体心立方(b.c.c)面心立方(f.c.c)密排六方(h.c.p)

body-centeredcubicface-centeredcubichexagonalclose-packed2、材料的结构b.实际的晶体结构◆点缺陷：是一种在三维空间各个方向上尺寸都很小，尺寸范围约为一个或几个原子间距的缺陷。如空位(正常晶格结点上，未被原子占有而空着的位置)、间隙(不占有正常的晶格位置，而处在晶格间隙中的多余原子)、置换原子(置换晶格结点上的原子，占据正常结点)。

空位置换原子间隙原子点缺陷的存在，原子间作用力的平衡被破坏，周围其它原子发生靠拢或撑开的不规则排列，此变化为晶格畸变。2、材料的结构◆线缺缺陷：：是在在三维维空间间两维维方向向尺寸寸较小小，在在另一一维方方向的尺寸寸相对对较大大的缺缺陷。。如位位错。。位错：：是晶晶体中中的某某处有有一列列或若若干列列原子子发生生了某种有有规律律的错错排现现象。。位错对对材料料的强强度理理论有有很大大贡献献。◆面缺缺陷：：是在在三维维空间间一维维方向向上尺尺寸很很小，，另外外两维维方向上上尺寸寸较大大的缺缺陷。。主要要是晶晶界和和亚晶晶界。。多晶体体中，，晶粒粒位向向不同同，存存在位位向差差，晶晶粒交交界处处原子子排列列不一一致，，存在在一个个过渡渡层，，即晶晶界。。实际晶晶体中中，这这三种种缺陷陷随加加工条条件变变化而而变化化，可可产生生、发发展，，也可可消失失，对对材料料性能能有很很大影影响。。2、材料的的结构(2)非非金属属的晶晶体结结构a.陶陶瓷瓷的组组织结结构：：陶瓷：：是由金金属和和非金金属的的无机机化合合物所所构成成的多多晶固固体物物质，，实际际上是是各种种无机机非金金属材材料的的总称称。晶体结结构：：以离离子键键为主主的离离子晶晶体(呈晶晶态)以共价价键为为主的的共价价晶体体(呈呈非晶晶态)组织：：晶相相：是是主要要组成成相。。(主晶晶相、、次晶晶相、、第三三晶相相)材材料的的性能能取决决于主主晶相相。玻璃相相：高温烧烧结时时各组组成物物与杂杂质反反应后后形成成的一一种非非晶态态物质质。其其作用用是将将分散散的晶晶相粘粘结在在一起起，抑抑制晶晶粒长长大，，填充充气孔孔。缺点：强强度低、、热稳定定性差，，应控制制在一定定范围。。(20~40%)气相：即即材料中中的气孔孔，使性性能下降降。(若要求求材料密密度小，，绝热性性好，则则希望一一定气相相)2、材料的结构b.高高分子材材料的结结构：高分子材材料：以以高分子子化合物物为主要要组分的的材料。。高分子子化合物物是分子子中含原子数数很多，，分子量量很大的的物质。。高分子子亦称大大分子，，高分子化合合物又称称高聚物物或聚合合物。结构：大分子链链的组成成：非金金属或非非金属元元素组成成。大分子链链的构型型：即高聚物物结构单单元的排排列顺序序和连接接方式。。大分子链链的形态态：线型结构构：整个个分子呈呈细长线线条状支链型结结构：主主链上有有一些或或长或短短支链体型结构构：在空空间呈网网状结构构。大分子链链的构象象：由于单键键内旋引引起的原原子在空空间占据据不同位位置所构构成的分分子链的各种形象象。柔性链、刚刚性链高聚物的聚聚集态结构构：晶性高聚物物：排列规规则有序无无定性高聚物：排排列规则无无序2、材料的结构相：(1)定义：具有有相同的物物理或化学学性能并与与该系统的的其余部分以界界面分开的的物质部分分。(具有有同一化学成分、同同一结构和和原子聚集集状态，并并以界面互相分开开的、均匀匀的组成部部分)(2)相相的结构类类型：固溶体：相相的晶体结结构与某一一组元的晶晶体结构相相同；金属化合物物：相的晶晶体结构与与组元的晶晶体结构均均不相同(3)固固溶体：置换固溶体体间间隙固溶溶体2、材料的结构(4)金金属化合物物(金属间间化合物)：是指合金组组元间发生生相互作用用而形成的的具有金属属特性的新新相。此新新相可能是是另一种固固溶体，也也可能是一一种晶格类类型和性能能完全不同同于任一合合金组元的的化合物。。a.特点点：具有一一定的金属属性质；熔熔点高、硬硬而脆，塑性、韧性性不高。b.种类类：正常价价化合物：：符合一般化化合物的原原子价规律律，成分固固定，可用化学式表表示。Mg2Si电子化合物物：不遵守原子子价规律，，服从电子子浓度规律律；间隙化合物物：过渡族金属属元素与C、N、H、B等原原子半径较较小的非金属属元素形成成的化合物物。显微组织：：材料中各相相及更微观观组元(化化学或几何何学的)的的形貌及含含量所构成成的图象。。(显微镜镜下所观察察到的金属属中的各种种晶粒的大大小、形态态和分布)2、材料的结构金属的加工工工艺与结结构、性能能的关系金属塑性变变形后的组组织结构与与性能(1)塑塑性变形后后金属的组组织结构：：a.显微微组织的变变化：形成成“纤维组组织”；b.亚结结构的细化化：位错缠缠结、晶粒粒破碎；c.织构构现象的产产生：织构：在塑塑性变形过过程中，晶晶粒转动，，当变形量量达到一定定程度(70~90%以以上)时，，会使绝大大部分晶粒粒的某一位位向与外力方向趋趋于一致。。缺陷：制耳耳；优点：使硅硅钢片的特特定晶界、、晶向平行行于磁力线线方向，提提高导磁率，，减小磁磁滞耗损。。2、材料的结构(2)塑塑性变形后后金属的性性能：a.力学学性能：强强度、硬度度↗，塑性性、韧性↘↘残余应力：：材料经塑塑性变形后后残存在内内部的应力力。其产生生是由于金金属内部各各区域变形形不均匀所所致；可分分为三种：：宏观残余应力(第一类内内应力)：：由宏观变变形不均匀匀引起，使使工件变形形；微观残余应力(第二类内内应力)：：由晶粒或或亚晶粒间间变形不均均匀引起，，使工件内内部产生微裂裂纹晶格畸变应力(第三三类内应力力)：由晶晶格畸变引引起，使工工件强度、、硬度↗，，塑性、抗蚀性性↘。b.理化化性能：电电阻率↗；；电阻温度度系数↘；；导磁率↘↘；导热率↘；；腐蚀↗。。2、材料的结构变形金属加加热后的组组织结构与与性能(1)回回复：把经经过冷变形形的金属加加热时，在在显微组织织发生变化前所所发生的一一些亚结构构的改变过过程称为回复。特点：a.显微组组织没有明明显变化；；b.力学学性能变化化不大；c.残余余应力显著著降低；d.理化化性能基本本恢复到变变形前情况况。应用：低温温去应力退退火(如深深冲黄铜弹弹壳，会自自动变形，甚至开开裂，需经经2600℃左右的的去应力退退火)。2、材料的结构(2)再再结晶：变变形金属加加热到较高高温度时，，由于原子子扩散能力力增加，在晶格格畸变严重重处形成一一些位向与与变形晶粒粒不同，内部缺缺陷减少的的等轴小晶晶粒，这些些小晶粒不不断向外扩展长大大，直至金金属中的变变形金属全全部被等轴轴晶取代，即冷变变形组织完完全消失，，这一过程程为再结晶晶。a.变形形金属的再再结晶：位位错密度↘↘，强度、、硬度↘，，塑性、韧性性↗，内应应力消除。。b.再结结晶温度：：开始产生生再结晶现现象的最低低温度；工业条件下下定义：经经大变形量量(~70%以上)的金属，，在一小时时的保温时间内内全部完成成再结晶所所需的最低低温度。影响因素：：预先变形形程度加热速度与与保温时间间原始晶粒度度金属纯度及及成分2、材料的结构(3)晶晶粒长大：：再结晶后，，形成等轴轴晶，若T↗，或t↗，则d↗。a.是一一个自发过过程：d↗↗，晶晶界面积↘↘，表面能能↘，是一个能量降降低的自发发过程。b.实质质：晶界迁迁移。一个晶界的的边界向另另一晶粒迁迁移，把另另一晶粒中中的晶格位向向逐步地改改变成为与与这个晶粒粒相同的晶晶格位向，于是另另一晶粒便便逐步地被被这一晶粒粒“吞并””，合并成成为一个大晶晶粒。c.正常常长大与异异常长大：：正常长大：：再结晶后后的晶粒细细而均匀，，长大时均均匀；异常长大：：再结晶后后的晶粒大大小不均匀匀，大晶粒粒吞并小晶粒，形成成异常粗大大的晶粒。。(二次再再结晶)2、材料的结构3、材料的性能材料的性能能是指材料料的性质和和功能。性性质是本身身所具有的的特质或本本性；功能能是人们对对材料的某某种期待与与要求或某某种可以承承担的功效效，以及承承担该功效效下的表现现或能力。。材料的性能能使用性能工艺性能力学性能物理性能化学性能铸造性可锻性可焊性切削加工性性热处理性力学性能：：材料在不同同环境（温温度、介质质、湿度））下，承受受各种外加加载荷（拉拉伸、压缩缩、弯曲、、扭转、冲冲击、交变变应力等））时所表现现出的力学学特征。。常用的力学学性能：脆性：材料料在损坏之之前没有发发生塑性变变形的一种种特性。它它与韧性和和塑性相反反。脆性材材料没有屈屈服点，有有断裂强度度和极限强强度，并且且二者几乎乎一样。强度：金属属材料在静静载荷作用用下抵抗永永久变形或或断裂的能能力。它可可以定义为为比例极限限、屈服强强度、断裂裂强度或极极限强度。。没有一个个确切的单单一参数能能够准确定定义这个特特性。塑性：金属属材料在载载荷作用下下产生永久久变形而不不破坏的能能力。塑性性变形发生生在金属材材料承受的的应力超过过弹性极限限并且载荷荷去除之后后，此时材材料保留了了一部分或或全部载荷荷时的变形形。硬度：金属属材料表面面抵抗比他他更硬的物物体压入的的能力。韧性：金属属材料在拉拉应力的作作用下，在在发生断裂裂前有一定定塑性变形形的特性。。疲劳强度：：材料零件件和结构零零件对疲劳劳破坏的抗抗力。弹性：金属属材料在外外力消失时时，能使材材料恢复原原先尺寸的的一种特性性。伸长率：材材料在拉应应力或压应应力的作用用下，材料料断裂前承承受一定塑塑性变形的的特性。刚性：金属属材料承受受较高应力力而没有发发生很大应应变的特性性。刚性的的大小通过过测量材料料的弹性模模量E来评评价。屈服点或屈屈服应力：：金属的应应力水平，，用MPa度量。在在屈服点以以上，当外外来载荷撤撤除后，金金属的变形形仍然存在在，金属材材料发生了了塑性变形形。3、材料的性能材料在外力力的作用下下将发生形形状和尺寸寸变化，称称为变形。外力去处后后能够恢复复的变形称称为弹性变形。外力去处后后不能恢复复的变形称称为塑性变形。五万吨水压机3、材料的性能低碳钢的应力-应变曲线拉伸试样拉伸试验机应力=P/F0应变=(l-l0)/l03、材料的性能弹性和刚度度弹性：指标为弹性性极限e，即材料承受最最大弹性变变形时的应应力。刚度：材料受力时时抵抗弹性性变形的能能力。指标为弹性性模量E。。e弹性模量的的大小主要要取决于材材料的本性性，除随温温度升高而而逐渐降低低外，其他他强化材料料的手段如如热处理、、冷热加工工、合金化化等对弹性性模量的影影响很小。。可以通过过增加横截截面积或改改变截面形形状来提高高零件的刚刚度。3、材料的性能陶瓷强度的的测定：a.弯弯曲强度：：三点弯曲曲或四点弯弯曲方法；；b.抗拉拉强度：测测定时技术术上有一定定难度，常常用弯曲强度代替，，弯曲强度度比抗拉强强度高20~40%；c.抗压压强度：远远大于抗拉拉强度，相相差10倍倍左右，特特别适合于制制造承受压压缩载荷作作用的零部件。3、材料的性能强度与塑性性强度：材料在外力力作用下抵抵抗变形和和破坏的能能力。屈服强度s：材料发生微微量塑性变变形时的应应力值。条件屈服强强度0.2：残余变形量量为0.2%时的应应力值。抗拉强度b：材料断裂前前所承受的的最大应力力值。s0.23、材料的性能塑性：材料受力破破坏前可承承受最大塑塑性变形的的能力。指标为：伸长率：断面收缩率：断裂后拉伸试样的颈缩现象3、材料的性能硬度材料抵抗表表面局部塑塑性变形的的能力。布氏硬度HB布氏硬度计3、材料的性能洛氏硬度h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度用用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002根据压头类类型和主载载荷不同，，分为九个个标尺，常常用的标尺尺为A、B、C。3、材料的性能维氏硬度用用符号HV表示，符号前的数数字为硬度度值，后面面的数字按按顺序分别别表示载荷荷值及载荷荷保持时间间。根据载荷范范围不同，，规定了三三种测定方方法—维氏硬度试试验、小小负荷维氏氏硬度试验验、显微维维氏硬度试试验。维氏硬度保保留了布氏氏硬度和洛氏硬度的的优点。小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计3、材料的性能维氏硬度断裂：含裂纹体承承载达到临临界值时，，致使裂纹纹失稳扩展展，最终产产生破坏的的现象。断裂的基本本形式：延性断裂和和脆性断裂裂断裂机理：：(1)微微孔集结断断裂(韧性性断裂)断口上出现现抛物线型型的韧窝，，主要是金金属和高聚聚物的断裂裂机理；(2)解解理断裂(脆性断裂裂)是一种低能能量断裂，，也是晶体体材料中最最脆的一种种断裂；沿沿晶体中解解理面断开开原子键而而引起的断断裂，非常常平坦，一一晶粒内的的解理裂纹纹具有平直直性；一个个晶粒内的的一条解理理裂纹可同同时在两个个平行的解解理面上扩扩展，形成成解理台阶阶。(3)晶晶界断裂裂纹择优沿沿晶界扩展展而引起的的断裂；也也是一种低低能量脆性性断裂，断断口呈现颗颗粒状形貌貌。3、材料的性能3、材料的性能韧性：是强度和塑塑性的综合合表现，是是材料从塑塑性变形到到断裂全过过程中吸收收能量的能能力。强度：材料料在外力作作用下抵抗抗塑性变形形和断裂的能力。。塑性：材料料在外力作作用下产生生塑性变形形而不断裂的能力力。常以延伸率率和断面收收缩率来表表征。3、材料的性能图中为单向向拉伸条件件下两种钢钢光滑试样的应应力—应变变曲线。单单位体积材料的的弹性应变变能(Uoe)为：式中，σp为比例极限限，εp为对应于σp的弹性应变变，E为弹弹性模量。Uoe也就是△OAB(或或△OA’’B’)的的面积，表表示弹性。。同样，用单单位体积材材料在变形形和断裂全全过程中吸吸收的能量量(UOT)表示韧性性，也可用用单位体积积材料在塑塑性变形和和断裂全过过程中吸收收的能量(Uop)表示韧性性，一般用用UOT表示韧性。。3、材料的性能高碳弹簧钢钢：Uoe=面面积积OABUop=面面积积BACDUoT=面面积积OACD低碳碳结结构构钢钢：：Uoe=面面积积OA’’B’’Uop=面面积积B’’A’’C’’D’’UoT=面面积积OA’’C’’D’’由于于UoT=Uoe+Uop当断断裂裂时时的的应应变变εεf远大大于于εεe时，，UoT≈Uop，韧韧性性的的两两种种定定义义近近似似一一致致。。图中中两两种种钢钢的的弹弹性性模模量量相相同同，，但但高高碳碳弹弹簧簧钢钢的的σσp及对对应应的的εεe较大大，，故故弹弹性性较较大大，，在在弹弹性性范范围围内内能能贮贮存存的的弹弹性性应应变变能能较较多多，，有有较较大大的的回回弹弹力力。。其其抗抗拉拉强强度度σσb虽大大于于低低碳碳结结构构钢钢，，但但εεf却远远小小于于低低碳碳结结构构钢钢，，综综合合σσb及εεf，高高碳碳弹弹簧簧钢钢的的韧韧性性低低于于低低碳碳结结构构钢钢。。3、材料料的的性能能韧性性的的划划分分：：(1)光光滑滑试试样样————如如上上图图所所示示，，用用应应力力——应应变变曲曲线线下下的的面面积积大大小小来来表表征征韧韧性性的的高高低低；；(2)缺缺口口试试样样————工工程程上上惯惯用用冲冲击击韧韧性性，，即即冲冲断断给给定定缺缺口口试试样样所所消消耗耗的的功功，，或或试试样样在在冲冲击击条条件件下下从从形形变变到到断断裂裂全全过过程程所所吸吸收收的的能能量量。。有有ααk及Cv，分分别别为为U形形和和V形形缺缺口口。。(3)裂裂纹纹试试样样————对对于于平平面面应应变变条条件件有有GIC及JIC，分分别别为为线线弹弹性性及及弹弹塑塑性性范范围围内内裂裂纹纹扩扩展展单单位位面面积积所所需需的的能能量量。。对于于直直线线穿穿透透型型裂裂纹纹沿沿裂裂纹纹面面扩扩展展时时，，有有：：裂纹纹试试样样的的韧韧性性俗俗称称断断裂裂韧韧性性，，实实质质上上是是裂裂纹纹断断裂裂韧韧性性。。3、材料料的的性能能冲击击韧韧性性是指指材材料料抵抵抗抗冲冲击击载载荷荷作作用用而而不不破破坏坏的的能能力力。。指标标为为冲冲击击韧韧性性值值ak(通通过过冲冲击击实实验验测测得得)。。3、材料料的的性能能韧脆脆转转变变温温度度材料料的的冲冲击击韧韧性性随随温温度度下下降降而而下下降降。。在某某一一温温度度范范围围内内冲冲击击韧韧性性值值急急剧剧下下降降的的现现象象称称韧脆脆转转变变。发生生韧韧脆脆转转变变的的温温度度范范围围称称韧脆脆转转变变温度度。材料料的的使使用用温温度度应应高高于于韧韧脆脆转转变变温温度度。。韧体心心立立方方金金属属具具有有韧韧脆脆转转变变温温度度，，而而大大多多数数面面心心立立方方金金属属没没有有。。3、材料料的的性能能TITANIC建造中的Titanic号TITANIC的沉沉没没与与船船体体材材料料的的质质量量直直接接有有关关3、材料料的的性能能Titanic近代船用钢板Titanic号号钢钢板板（左左图图））和近代代船船用用钢钢板板（右右图图））的冲冲击击试试验验结结果果疲劳劳强强度度：被测测材材料料抵抵抗抗交交变变载载荷荷的的性性能能。。疲劳劳材料料在在低低于于s的重重复复交交变变应应力力作作用用下下发发生生断断裂裂的的现现象象。。材料料在在规规定定次次数数应应力力循循环环后后仍仍不不发发生生断断裂裂时时的的最最大大应应力力称称为为疲劳劳极极限限。用-1表示示。。钢铁铁材材料料规规定定次次数数为为107，有有色色金金属属合合金金为为108。疲劳应力示意图疲劳曲线示意图3、材料料的的性能能疲劳劳曲曲线线：：交交变变应应力力σσ与与交交变变次次数数N的的关关系系疲劳劳断断口口通过过改善善材材料料的的形形状状结结构构，，减减少少表表面面缺缺陷陷，，提提高高表表面面光光洁洁度度，，进进行行表表面面强强化化等方方法法可可提提高高材材料料疲疲劳劳抗抗力力。。轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）3、材料料的的性能能◆特特点点1：：无无论论是是脆脆性性材材料料，，还还是是塑塑性性材材料料，，疲疲劳劳断断裂裂均均不不产产生生明显显的的塑塑性性变变形形；；特点点2：：裂裂纹纹产产生生及及扩扩展展区区呈呈““贝贝壳壳””花花样样，，最最后后断断裂裂区区呈呈纤纤维维状或结结晶状状。阻尼及及阻尼尼性能能材料的的阻尼尼：是一种种材料料内部部所引引起的的对于于振动动能量量的消消耗，，即““内耗耗”。。内耗的的来源源是由由于材材料内内部有有缺陷陷或不不均匀匀结构构存在在。阻尼性性能：：材料能能够很很快地地压抑抑机械械振动动的性性能就就是材材料的的阻尼尼性能能。3、材料的的性能材料表表现出出来的的密度度、熔熔点、、热膨膨胀(系数数)性性、导导电性性、磁磁学及及光学学等性性能。。物理性性能3、材料的的性能磁学性性能铁电性性能超导电电性能能光学性性能3、材料的的性能磁学性性能材料磁磁性的的来源源与分分类：：(1)原原子磁磁矩：：由电电子轨轨道运运动磁磁矩、、电子子自转转磁矩矩及原原子核核磁矩矩组成成。材料中中原子子的电电子态态和磁磁性与与孤立立的原原子相相比发发生了了变化化，晶晶体电电场效效应也引起起材料料中电电子态态发生生变化化。(2)材材料磁磁性概概述和和分类类：a.概概述述：材材料在在外磁磁场中中恒被被磁化化而获获得磁磁矩，，单位位体积积的磁磁矩称称为磁磁化强强度M，，磁化化强度度与磁磁场强强度H的比比值称称为磁磁化率率χ。。b.分分类类：抗抗磁性性、顺顺磁性性、反反铁磁磁性、、铁磁磁性及及亚铁铁磁性性。前前三种种磁性性很弱弱，χ约为为10-3~10-6。后两两种为为强磁磁性，，χ约约为10~106。①抗磁磁性：：物质质的磁磁化率率为负负，其其磁化化强度度M与与磁场场H反反向，，大多多数有有机和和无机机材料料均呈呈现抗抗磁性性。②顺磁磁性：：物质质的磁磁化率率为正正，M与H同向向。③反铁铁磁性性：物物质的的磁化化率为为正，，但很很弱，，约为为10-3。④铁磁磁性和和亚铁铁磁性性：材料都都有磁磁有序序相变变点(居里里点Tc)，当当温度度高于于Tc时，呈呈顺磁磁性，，当温温度低低于Tc时，呈呈铁磁磁性或或亚铁铁磁性性，均均为强强磁性性。几个概概念：：矫顽力力(Hc)：表表征材材料抵抵抗退退磁作作用的的本领领。磁畴：：铁磁磁体，，包含含许多多自发发磁化化的区区域，，由于于它们们的磁磁化方方向各各异，，因此此总的磁磁化强强度为为零，，这种种自发发磁化化的区区域即即为磁磁畴。。磁滞伸伸缩：：强磁磁体被被磁场场磁化化时，，其形形状和和体积积随之之变化化。磁性材材料：：具有有强磁磁性的的材料料。软磁材材料：：指那那些容容易反反复磁磁化，，在外外磁场场去掉掉后容容易退退磁的的材料料。具具有高高磁导率率和低低矫顽顽力。。硬磁材材料：：指那那些难难以磁磁化，，且除除去外外场后后仍能能保留留高的的剩余余磁化化强度度的材材料。具具有高高矫顽顽力，，不易易退磁磁，在在磁路路不闭闭合时时仍可可保持持较高高的剩磁，，提供供应用用所需需的磁磁场或或磁矩矩。(永磁磁材料料)强磁材材料按按组成成与结结构分分类：：单质：：只有有金属属呈现现强磁磁性，，3个个过渡渡族铁铁磁金金属铁铁、钴钴、镍镍，具有高高于室室温的的居里里温度度，获获得广广泛应应用。。6个个稀土土金属有强强磁转转变。。合金：：以铁铁磁元元素为为基的的合金金和非非铁磁磁元素素构成成的铁铁磁合合金。。非金属属氧化化物：：包括括铁氧氧体(如磁磁铁矿矿Fe3O4)、强强磁化化合物物(如如EuO、、CrO2)。非晶强强磁合合金：：即金金属玻玻璃。。3、材料的的性能够铁电体体是电电介质质的一一个亚亚类，，其基基本特特征是是具有有自发发电极极化并并且这这种电电极化化可以以在外外电场场作用用下改改变方方向。。电介质质的极极化与与铁电电性：：导电材材料：：以电电荷长长程迁迁移即即传导导的方方式对对外电电场作作出响响应。电介质质：以以感应应的方方式对对外电电场作作出响响应，，即沿沿电场场方向向产生生电偶偶极矩矩或电偶偶极矩矩的改改变，，此现现象为为电介介质的的极化化，此此材料料为电电介质质。电介质质的极极化：：在外外电场场的作作用下下，呈呈电中中性的的电介介质由由于正正、负负电荷荷重心不不重合合而产产生感感应电电偶极极矩的的过程程。铁电性性：具具有自自发电电极化化并且且这种种电极极化可可以在在外电电场作作用下下改变变方向向。铁电性性能3、材料的的性能超导电电性能历史：：1911年年荷兰兰低温温物理理学家家H.K.Onnes发发现有有些物物质从从特定定的温温度开开始会会转变变为完完全没没有电电阻的的状态态，这这就是是超导导(电电)现现象。。这些些超导导体的的转变变温度度不超超过23.2K，即即必须须用液液氦冷冷却才才会出出现(低温温超导导体)。1986年年G.Bednorz和K.A.Muller发发现某某些稀稀土元元素的的氧化化物是是超导导体，，其转转变温温度在在30K以以上，，称高高温超超导体体。(有的的高温温超导导体的的转变变温度度达到到135K)。。基本特特征：：(1)零零电阻阻效应应：超超低温温下超超导体体的电电阻为为零；；Tc：超导导转变变温度度，即即临界界温度度。(2)迈迈斯纳纳效应：：处于超超导态的的物质完完全排斥斥磁场，，即磁力力线不能能进入超超导体内部，，称为完完全抗磁磁性或迈迈斯纳效效应。(3)超超导体体的临界界参数：：温度低于于Tc时，当磁磁场值超超过某一一临界值值Hc时，材料料从超导导态转变变为正常常态，Hc称为临界界磁场。。温度低低于Tc时，当样样品的电电流密度度J超过过某一临临界值Jc时，材料料从超导导态转变变为正常常态，Jc称为临界界电流密密度。把Tc、Hc、Jc称为超导导体的三三个临界界参数。。3、材料的性能第二类超超导体：：高临界参参数(高高Tc、高Hc和高Jc)的超导导体，如如Nb3­­Sn，有有两个临临界磁场场：下临临界场Hc1和上临界界场Hc2，当磁场场小于Hc1时，完全全处于迈迈斯纳态态，当磁磁场大于于Hc2时，完全全恢复正正常态，，当磁场场介于Hc1和Hc2之间时，，处于““混合态态”，将将只存在在一个临临界场的的超导体体称为第第一类超超导体，，将存在在两个临临界场的的超导体体称为第第二类超超导体。。超导隧道道效应(约瑟夫夫森效应应)：弱连接超超导体(两块超超导体中中间夹一一块纳米米厚度的的绝缘膜膜，形成成超导层层-绝缘缘层-超超导层，，由于中中间的绝绝缘层较较薄，使使它两侧侧的超导导体在电电磁性质质上弱耦耦合在一一起)，，当有一一个很小小的电流流从一个个超导体体穿过绝绝缘层而而流到另另一个超超导体时时，如果果电流很很小，没没有超过过这种结结构的临临界电流流，则两两侧的超超导体层层间没有有电压，，整个弱弱连接超超导体呈呈现零电电阻性。。两超导导体中间间的绝缘缘层也能能让超导导电流通通过和现现象叫超超导隧道道效应。。3、材料的性能光学性能能光优于电电子的特特点：光光在介电电材料中中的传播播速度远远高于电电子在金金属导线线中的传传播速度度，光可可以携带带更多的的信息；；介电材材料的带带宽远大大于金属属；光子子间不像像电子间间具有很很强的相相互作用用，有助助于降低低能量损损耗。光波在光光纤中的的传播：：光纤即光光导纤维维，是由由低损耗耗材料制制成的其其结构类类似于同同轴电缆缆的圆形形介质波波导：内内芯是一一种较高高折射率率的材料料，周围围是另一一种较低低折射率率的材料料构成的的包层，，最外层层是保护护层。(1)光光纤的的分类：：阶跃型型折射率率光纤和和梯度型型折射率率光纤。。阶跃型折折射率光光纤，内内芯和包包层间折折射率的的过渡是是阶跃的的；梯度型折折射率光光纤，折折射率的的分布为为从中心心轴线沿沿径向逐逐渐减小小。材料：石石英光纤纤、多组组分玻璃璃光纤、、塑料光光纤、红红外光纤纤、紫外外光纤和和有源光光纤等。3、材料的性能(2)光光纤的的传光特特性和集集光本领领：物理基础础是全内内反射。。(3)光光纤的的色散与与损耗：：色散影响响光通信信系统的的传输容容量和误误码率，，而损耗耗影响传传输距离离。色散种类类：材料色散散，本身折折射率随随频率变变化，导导致不同同的频率率分量的的传播速速度的不同而而产生色色散；波导色散散，依赖于于光纤芯芯径与波波长的比比值，与与光纤的的结构有有关；模色散，适于多多模色散散。损耗是光光波在传传输过程程中由于于某种或或某些因因素所致致的衰减减。光纤中的的损耗主主要有吸吸收损耗耗和散射射损耗。。光的发射射：光发射目目前主要要是通过过激光器器实现的的。激光的特特点：(1)方方向性性好，亮亮度高，，能量集集中，可可在微米米级圆斑斑内产生生几万乃乃至几百百万度的的高温；；(2)单单色性性好，谱谱线宽度度小于10-7；(3)相相干线线好，即即相干长长度很长长，激光光束的相相干长度度比普通通光束要要长数十十倍，甚甚至数百百倍；(4)激激光传传递信息息的容量量大；(5)高高简并并度的强强激光，，因其场场强远大大于分子子、原子子内库仑仑场强，，故而它它与物质质相互作作用，会会引起倍倍频、和和频、差差频等许许多新的的物理效效应。3、材料料的的性能能单项项性性能能的的评评价价：：对材材料料性性能能的的测测定定需需要要建建立立一一种种广广义义力力与与广广义义位位移移的的关关系系，，在在关关系系为为线线性性时时，，材材料料性性能能由由线线性性常常数数表表征征，，如如弹弹性性模模量量(σσ＝＝Eεε)、、热热容容(S=CT)等等。。在在关关系系偏偏离离线线性性时时，，材材料料的的性性能能需需要要由由高高阶阶的的常常数数来来描描述述，，如如光光学学晶晶体体在在强强光光照照射射下下的的极极化化率率。。综合合性性能能的的评评价价：：新材材料料的的发发展展提提出出了了一一些些难难以以用用单单项项性性能能进进行行评评价价的的材材料料特特征征。。如如金金属属的的可可焊焊性性、、材材料料的的加加工工性性、、高高温温氧氧化化气气氛氛下下的的抗抗腐腐蚀蚀性性等等。。由由于于涉涉及及的的因因素素较较多多，，不不同同场场合合使使用用的的侧侧重重点点也也不不同同，，对对材材料料性性能能的的测测试试提提出出了了更更高高的的要要求求，，需需要要考考虑虑一一个个测测试试体体系系，，创创造造一一个个测测试试环环境境，，以以求求所所测测性性能能尽尽可可能能真真实实。。4、材料料的的表征征性能能检检测测组织织分分析析电子子与与样样品品相相互互作作用用材料料被被一一个个细细的的、、约束束较较好好的的聚聚焦焦电电子子束束照照射，，并并且且入入射射束束有有足足够够的的束流流以以产产生生显显微微分分析析所所需需的信信号号。。4、材料料的的表征征(1)向向前散散射电电子：：即透透射电电子，，是电电子穿穿透样样品的的部分分。这这些电电子携携带被被样品品吸收收、衍衍射的的信息息，用用于透透射电电镜明明场像像和透透射扫扫描电电镜的的扫描描图像像。揭示样样品内内部微微观结结构的的形貌貌。(2)非非弹性性散射射电子子：这这些电电子在在穿过过样品品时损损失了了部分分能量量，方方向也也有微微小变变化。。用于电电子能能量损损失谱谱，提提供成成分和和化学学信息息。(3)弹弹性散散射电电子：：在晶晶体材材料中中，电电子按按布拉拉格定定律，，被具具有不不同取取向及及面间间距的的周期期排列列原子子平面面散射射不同同角度度，产产生电电子衍衍射图图，提供晶晶体结结构、、对称称性、、取向向和样样品厚厚度等等信息息。(2dsinθ=nλλ)(4)X射线线：入入射电电子在在样品品原子子激发发内层层电子子后外外层电电子跃跃迁至至内层层时发发出的的光子子，用于电电子照照射区区域化化学成成分的的定性性和定定量分分析。。(5)背背散射射电子子：入入射电电子在在样品品中经经散射射后再再从上上表面面射出出来的的电子子。扫扫描电电子显显微术术、透透射扫扫描电电子显显微术术收集集这些些电子子成像像可反映样样品表表面不不同取取向、、不同同平均均原子子量的的区域域差别别。(6)俄俄歇电电子：：与X射线线一样样由原原子内内壳层层电子子被入入射电电子电电离而而产生生，其其能量量与入入射电电子无无关，，可表表征原原子及及电子子结构构，成成为表征材材料表表面化化学成成分，，特别别是元元素偏偏聚的的有力力工具具。(7)二二次电电子：：由样样品中中原子子外壳壳层释释放出出来，，在扫扫描电电子显显微术术中主主要用用于成成像，，反映样样品上上表面面的形形貌特特征。。4、材料的的表征结构表表征显微结结构表表征包包括观观察组组织的的形貌貌，确确定其其原子子排列列方式式和分分析化化学组组分。。分析方方法可可按观观察形形貌的的显微微镜、、测定定结构构的衍衍射仪仪及分分析成成分的的各种种谱仪仪进行行分类类。4、材料的的表征形貌观观察：：光学显显微术术和金金相学学是在在微米米尺度度观察察材料料组织织结构构的最最常用用方法法。(1)扫扫描电电镜和和透射射电