北工大材料科学与工程学导论课件第2章 材料“四要素”是材料研究与应用的共性基础

本章主要内容：

什么是材料的“

四要素”？

材料研究手段和方法

材料“

四要素”的典型案例分析

讨论环节材料“

四要素”

是材料研究与应用的共性基础第二章性质成分/结构使用性能

§2.1

什么是材料的“

四要素”材料科学与工程“

四要素”制备/加工物理性质电学性质磁学性质光学性质热学性质力学性质强

度硬

度刚

度塑

性韧

性化学性质催化性质腐蚀性质材料性质描述材料性质：是功能特性和效用的描述符，

是材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应。1

材料的性质材料的力学性质：材料在外应力作用下的行为。强度：材料在载荷作用下抵抗明显的塑性变形或破获的最大能力。塑性：外力作用下，材料发生不可逆的永久性变形而不破坏的能力。

材料的力学性质硬度：材料在表面上的小体积内抵抗变形或破裂的能力。刚度：外应力作用下材料抵抗弹性变形能力。

材料的力学性质疲劳强度：材料抵抗交变应力作用下断裂破坏的能力。抗蠕变性：材料在恒定应力（或恒定载荷）作用下抵抗变形的能力。韧性：材料从塑性变形到断裂全过程吸收能量的能力。

材料的力学性质韧性范畴塑性范畴力

刚度范畴应

变强度范畴应

材料的力学性质材料的应力——应变曲线材料的物理性质材料的物理性质光学性质光反射光折射光学损耗光透性热学性质导热性热膨胀热容熔化抗磁性顺磁性铁磁性导电性绝缘性介电性电学性质

磁学性质注：上面只列出了材料的主要物理性质电学----机械机械----电学磁学----机械电学----磁学电学----光学电致伸缩压电特性磁致伸缩巨磁阻效应电致发光物理性质的交互性----材料应用的关键点现代功能材料不仅仅表现出单一的物理性质，

更重要的是具备了特殊的物理交互性。

例如：

材料的物理性质磁致伸缩

SN

材料的物理性质电致伸缩----压电特性磁致伸缩液位计机械震动电信号巨磁阻效应:是指磁性材料的交变阻抗随外磁场显著变化的效应

。电致发光：在电场的作用下电子在发光层内高速运动，

激活发光材料原子使其发生能级跃迁而发光。

材料的物理性质材料的腐蚀:材料受环境介质的化学、

电化学作用而引起的变质或破环现象，

分为化学腐蚀和电化学腐蚀。催化性质：能够加速化学反应，

且在反应前后材料自身不被消耗。

材料的化学性质1

）材料成分结构的分类2

）材料结构的特点3）材料成分结构的表征方法4

）材料成分、结构数据库5

）材料成分结构与其它要素的关系2

材料的成分与结构2

材料的成分与结构组织结构键合结构晶体结构1

）材料结构的分类陶瓷材料高分子材料金属材料离子建共价键金属键键合结构材料结构的分类：结合能化学键物

理

键氢键分子键材料结构的分类：键合结构

结合能冰（H2O）卤族晶体注：1.有些陶瓷材料属共价键化合物，

如SiC陶瓷；2.分子键又称范德瓦尔斯力;3.实际晶体并非只有一种键合结构，

如冰晶。材料结构的分类：键合结构原子排列短程有序，无周期原子排列长程有序，无周期非晶体准晶体晶体晶体结构材料结构的分类：原子排列长程有序，有周期定义：组成材料的不同物质表示出的某种形态特征相图特征

匀晶型组织

共晶型组织

包晶型组织……组织结构材料结构的分类：共晶白口铁共析钢定义：组成材料的不同物质表示出的某种形态特征结构特征

马氏体组织

索氏体组织

贝氏体组织…...材料结构的分类：

组织结构马氏体组织

索氏体组织

贝氏体组织定义：组成材料的不同物质表示出的某种形态特征组合特征

单相组织

两相组织

多相组织材料结构的分类：

组织结构Al

Al＋Al-Er相

Al+Al6

Mn+

Al3

Er多尺度效应有序与无序稳定性材料的缺陷表面和界面2

材料的成分与结构2

）材料结构的特点材料结构的特点：

多尺度效应微观领域[0,A]介观领域[1~100nm]宏观领域[μm,

∞)随着颗粒尺寸的量变，

在一定条件下会引起颗粒性质的质变，

由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。特殊的光学性质特殊的热学性质特殊的磁学性质特殊的力学性质小尺寸效应介观尺度材料结构的特点：多尺度效应特殊的光学性质所有的金属在超微颗粒状态都失去了原有的色泽呈现为黑色，

尺寸越小，颜色愈黑。金属超微颗粒对光的反射率很低，

通常可低于l%,大约几微米的厚度就能完全消光。

利用这个特性可以作为高效率的光热、

光电等转换材料，

可以高效率地将太阳能转变为热能、

电能。小尺寸效应介观尺度材料结构的特点：多尺度效应特殊的热学性质纳米化后材料的熔点将会显著降低，

当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。颗粒大小

常态

10nm2nm金熔点为

1064℃

1037℃

327℃小尺寸效应介观尺度材料结构的特点：多尺度效应特殊的磁学性质大块的纯铁矫顽力约为

80安／米，而当颗粒尺寸减小到

20nm以下时，其矫顽力可增加1千倍，若进一步减小其尺寸，

大约小于

6nm时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。

利用这些特性可制备高贮存密度的磁记录磁粉、

磁性液体等新材料。小尺寸效应介观尺度材料结构的特点：多尺度效应

微米陶瓷材料是脆性材料，然而纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。

纳米金属具有超塑延展性，纳米铜在室温下竟可延伸50多倍而“

不折不挠”。

纳米铜小尺寸效应介观尺度材料结构的特点：多尺度效应特殊的力学性质材料结构的特点：有序与无序原子排列短程有序，无周期原子排列长程有序，有周期原子排列长程有序，无周期非晶态准晶态晶态有序无序材料结构的特点：材料的缺陷面缺陷线缺陷点缺陷个数110211021

×总体积1cm

31cm

31

×总面积6cm

26000m21021

×棱边数1212

×1021条1021

×顶角数88

×1021个1021

×由于纳米粒子尺寸减小造成表层原子数目和比表面积巨增，使纳米粒子表现出特殊的性质。三纳米材料

三1cm

——i

1nm材料结构的特点：表面和界面表面效应粒径（

nm

）总原子数表面原子数/总原子数13090103

×

104201003

×

1072材料纳米化后，

发生了三种变化u晶体的周期性遭到破坏u表面原子的悬空键增多u表层原子数剧增颗粒表面原子随粒径的变化规律材料结构的特点：表面和界面材料结构的特点：表面和界面功能复合材料的梯度界面界面效应材料结构的特点：表面和界面半导体材料与封装材料的界面材料结构的特点：表面和界面纤维增强体与基体的结合界面3）材料成分结构的表征方法现代材料科学家对材料成分、结构的认识是由分析、检测实现的。2

材料的成分与结构光学显微镜热分析仪化学分析：化验物理分析：物理量间接测定谱学分析：红外光谱分析等

化学分析3）材料成分结构的表征方法成

分

分

析光谱分析系统物理分析检测仪器分辨率体视显微镜mm(毫米)--

μm（微米）光学显微镜μm（微米）电子扫描显微微米--纳米（nm）达

0.7nm透射电镜观察到原子排列面，达

0.2nm场离子显微镜形貌观察

0.2--0.3nm隧道扫描显微镜观察到原子结构

0.05--0.2nm

3）材料成分结构的表征方法结

构

分

析

3）材料成分结构的表征方法OM—Optical

MicroscopeAl2O3Al-Si

3）材料成分结构的表征方法SEM—Scanning

Electron

Microscope碳纤维

分子筛

3）材料成分结构的表征方法Mg-6Gd-1Zn-0.6Zr

Nano-SiO2

Nano-C-tubeTEM—Transmission

Electron

Microscope

3）材料成分结构的表征方法STM--ScanningTunneling

MicroscopeX衍射数据库：

建立了

结构

测定参数

的关系相图数据库：

建立了

成分

相

的关系相的定义:把系统中物理性质及化学性质均匀的部分称为一相

4）材料成分结构数据库Al2MgO4结构及XRD图

4）材料成分结构数据库Fe-C

phasediagram

5）材料成分结构与其它要素的关系是材料性能的原因

是合成加工的结果1

）按统计学原理计算单位面积上的位错缺陷数目，由于截面减小而不能满足大样本空间时，这个数值不再恒定；2）晶体结构越来越接近无缺陷理想晶体，强度值也就越接近于理论强度值。

5）材料成分结构与其它要素的关系结构是材料性能的原因金属材料随塑性加工量的增大，

组织结构发生明显的变化：等轴晶---带状组织---细晶组织

5）材料成分结构与其它要素的关系结构是合成加工的结果

5）材料成分结构与其它要素的关系

位错理论的建立弥散强化材料的强韧化固溶强化复相强化材料的强韧化

位错理论的建立加工硬化相变增韧

5）材料成分结构与其它要素的关系1

）材料制备与加工的定义2

）材料制备与加工的主要内容3）材料制备与加工和其它要素的关系4

）材料制备与加工的主要发展方向3

材料的制备与加工1.定义“

制备”与“加工”是指建立原子、分子和分子团的新排列，在所有尺度上（从原子尺寸到宏观尺度）对结构的控制，

以及高效而有竞争力地制造材料与元件的演化过程。3

材料的制备与加工制备是指把各种原子或分子结合起来制成材料所采用的各种化学方法和物理方法。Fe2O3+3H2〓2Fe+3H2O加工可以同样的方式使用，

还可以指较大尺度上的改变，包括材料制造。3

材料的制备与加工u在材料科学与工程中，

制备和加工之间的区别变得越来越模糊u制备是新技术开发和现有技术改进的关键性要素u现代材料制备技术是人造材料的唯一实现途径需要说明的问题3

材料的制备与加工2

.

主要内容材料制备

+

+

材料加工

表面工程

--材料复合

+

3

材料的制备与加工w

W3

材料的制备与加工凝固学理论冶金物理化学烧结原理聚合反应熔炼与凝固粉末烧结冶金过程高分子聚合材料制备目的：

从原料中提取出金属内容:

火法冶金

-

-

-

-

-h炼铁、炼铜熔盐电冶金

电解铝、镁湿法冶金

----

-h

水溶液电解锌...

.

.

.3

材料的制备与加工冶金过程材料制备铁的生产过程炼铁高炉铝的生产过程目的:

1.金属的精练提纯2.材料的“合金化”3.

晶体的生长内容:

1.平衡凝固

4.

区域熔炼2.快速凝固

5.

玻璃的熔炼3.定向凝固

6.熔融法提拉单晶3

材料的制备与加工熔炼与凝固材料制备a—起弧；b—穿井；c—主熔化；d—熔末升温；

e—精炼期直流电弧炉用于钢铁精炼单晶Si的提拉快速凝固放电等离子体烧结系统微波烧结系统粉末烧结过程目的:

实现小分子发生化学反应，

相互结合形成高分子。

高分子聚合是人工合成三大类高分子材料：塑料、橡胶、合成纤维的基本过程。内容:1

.本体聚合

3

.

悬浮聚合2

.乳液聚合

4

.

溶液聚合

3

材料的制备与加工

材料制备

高分子聚合

/材料的切削

车、铣、刨、磨、切、钻材料的联接

焊接、粘接

材料的成型铸造、拉、拔、挤、压、锻3

材料的制备与加工材料的改性

合金化、

热处理材料

加

工三大类材料的成型技术在材料工程中是内容最为丰富的一部分。如果按材料的流变特性来分析，

则材料的成型方法可分为三种：1.液态成型

金属的铸造、溶液纺丝2.塑变成型

金属的压力加工3.流变成型

金属、

陶瓷、高分子成型材料的制备与加工材料加工材料的成型3液相区液固区固相区ABC成

分A

C

铸造B

C

半固态成型材料的成型----液态成型研究内容：

1.

凝固过程

2.

成型工艺

3.

流变特性3

材料的制备与加工流变铸造触变铸造材料加工温

度A热加工B应

变冷加工B低应力大形变量实现超塑性变形--

高应力低形变量实现加工硬化材料的成型----塑变成型3

材料的制备与加工材料加工应

力A金属的半固态成型高分子材料的熔融成型陶瓷泥料、浆料成型玻璃的熔融浇注材料的成型----流变成型3

材料的制备与加工材料加工目的：通过改变材料的成分、组织与结构来改变材料的性能。内容:

1.

材料的“合金化”2.材料的热处理3

材料的制备与加工材料的改性材料加工金属材料的合金化过程AB

α

α’固溶度变化改变性能A

C

α

α

+

β固溶度变化改变性能相组成变化改变性能A

B

Cα

α

+

β成

分通过改变材料的成分，达到改变材料性能的方法。这种方法在金属材料和现代高分子材料的改性方面有广泛的应用。材料的改性----材料的“合金化”3

材料的制备与加工材料加工温

度通过一定的加热、

保温、冷却工艺过程，

来改变材料的相组成情况，

达到改变材料性能的方法。

这种方法在金属材料和现代陶瓷材料的改性方面有广泛的应用。典型热处理工艺淬火、退火、回火、正火材料的改性----材料的热处理3

材料的制备与加工材料加工温

度时

间v0v>v0温

度v通过快速冷却，

获得远离平衡态的不稳定组织，

达到强化材料的目的。材料的改性----材料的热处理----淬火工艺3

材料的制备与加工材料加工成

分正火淬火温度时

间在奥氏体状态下，

空气或保护气体冷却获得珠光体均匀组织，提高强度，

改善韧性。材料的改性----材料的热处理----正火工艺3

材料的制备与加工材料加工温

度

3

材料的制备与加工

材料的改性----材料的热处理----退火工艺

时

间通过缓慢冷却，

获得接近平衡态的组织，

达到均匀化、消除内应力的目的。材料加工温

度

3

材料的制备与加工

材料的改性----材料的热处理----回火工艺

时

间淬火或正火的材料重新加热,可以松懈淬火应力和使组织向稳态过度，

改善材料的延展性和韧性.材料加工目的：

实现材料间的整体结合内容:

1.焊接

2.

铆接3.

粘接

4.栓接3

材料的制备与加工材料的联接材料加工3

材料的制备与加工材料的联接铆接焊接材料加工3

材料的制备与加工材料的联接粘接栓接材料加工3

材料的制备与加工

表面工程表面改性表面防护1.三束表面改性2.化学表面改性（化学热处理）3.表面淬火从工艺机理上分析，表面改性同整体材料的改性是相同的，即：在表面实现材料的成分、组织与结构的变化，达到改变材料表面性能的目的。不同点就是采用了特殊的能量输入方式，使能量作用效果或成分变化仅发生在表面。表面改性

----改变材料表面的性质3

材料的制备与加工表面工程激光束

组织变化电子束

组织变化细晶化均匀化非晶化表面改性----三束表面改性离子束

成分、组织变化3

材料的制备与加工表面工程金属元素合金化

3

材料的制备与加工

表面改性----三束表面改性

AB

C离子束改性对表面应力状况的影响A---

原始受力状态B---

改性受力状态C---

最终受力状态强度极限疲劳极限表面工程C0表面C+N+Me+温

度浓

度心部

3

材料的制备与加工

表面改性----化学表面改性

α

α

+

β成

分A

B

C改变材料表面的化学成分

---

化学渗入表面工程高频淬火电磁能

集肤电流

表面热能火焰淬火气体化学反应

表面热能表面改性----表面淬火性能改变

组织改变3

材料的制备与加工表面工程热处理1.腐蚀防护2.摩擦磨损防护3

材料的制备与加工表面防护表面工程u大气腐蚀u海水腐蚀u工业介质腐蚀表面防护----腐蚀防护3

材料的制备与加工化学反应表面工程被动防护表面涂镀表面改性表面钝化电化学保护主动防护合金化非晶化高纯度抗蚀材料表面防护----腐蚀防护3

材料的制备与加工表面工程u增加抗磨损性u

增加润滑性表面防护----摩擦磨损防护3

材料的制备与加工表面工程u金属基复合材料u陶瓷基复合材料u高分子复合材料3

材料的制备与加工材料复合u材料复合的主要目的就是依据不同材料性能的优势互补、协调作用的原则，

进行材料的设计与制备。因此材料复合的过程就是材料制备、

改性、加工的统一过程。u复合材料的制备过程融合了金属、

陶瓷、

高分子材料制备的基本原理。u目前材料科学的发展，

复合的概念越来越重要，出现了许多新型的复合材料及制备方法。材料的制备与加工材料复合3材料复合

3

材料的制备与加工

,颗粒晶须

/

维纤材料复合

3

材料的制备与加工

,

/现代材料的制备与加工不仅涉及到微观和宏观范围内的内容，同时也涉及到更微细化，甚至达到了原子尺度范围上的问题，因此，这里论述的制备与加工的内涵要大于通常所说的材料工程的内涵。3

材料的制备与加工3.与其它要素的关系从材料的产生到进入使用过程，

直至损耗，

四大要素存在着逻辑上的因果顺序，

即：结构与成分具备使用性能

材料性质提供产生制备与加工3

材料的制备与加工近终成型技术

非晶带材：制做变压器细晶：高强材料微晶：人们正在研究这一新结构的意义和实用准晶：正在研究单晶硅尺寸

>300mm缺陷数100-1000个/cm2定向凝固共晶材料制成涡轮机叶片102~108KS-1非平衡组织3

材料的制备与加工3.与其它要素的关系10-3~1KS-1铸态组织低速冷却平衡组织3

材料的制备与加工3.与其它要素的关系提拉法制取单晶硅大尺寸单晶硅α-相

β-相生长界面3

材料的制备与加工3.与其它要素的关系定向凝固共晶组织的涡轮叶片3

材料的制备与加工3.与其它要素的关系近终形技术制备的叶片4.主要发展方向在极端化的条件下，完成制备与加工过程，获得更多的功能特性。超纯条件

单晶硅晶片高压条件

人工金刚石

低温条件

超导体超细条件

纳米材料3

材料的制备与加工中国工业化国家精铸件比重（％〕3~425~30精锻件比重(%)3765~70单位产值能耗71（日美）原材料消耗2.51（日美〕工业增加值率0.51（日美〕4.主要发展方向我国与工业发达国家材料加工存在很大差距3

材料的制备与加工4.主要发展方向电子材料制备与加工的关键技术

大尺寸、高均匀性、高完整性的晶体生长技术；

高精度晶片加工技术；

MOCVD、MBE超薄膜生长技术；

高纯和超高纯材料纯制技术；

低维材料的微细加工和制备技术；

电子陶瓷、磁性材料的焙烧和成型技术；

材料的修饰或改性技术；3

材料的制备与加工我国在制备与加工方面同先进国家的差距还很大，许多关键技术落后

的根源都归到这里。

因此提高材料

合成与加工的技术水平是我们最重

要的课题。3

材料的制备与加工4.主要发展方向1

）材料性能的定义2

）材料使用性能与性质的区别与联系3）材料使用性能的设计与实际应用4

）材料使用性能与其它要素之间关系5

）材料与环境的关系6）材料性能数据库4

材料的性能与应用1.材料性能的定义在某种环境或条件作用下，

为描述材料的行为或结果，

按照特定的规范所获得的表征参量。4

材料的性能与应用1.强度表征弹性极限、屈服强度、比例极限……4

材料的性能与应用力学性能2.塑性表征延伸率δ、断面收缩率φ、冲杯深度

h4

材料的性能与应用力学性能

4

材料的性能与应用

力学性能

3.

硬度表征布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度……布氏硬度

洛氏硬度

4

材料的性能与应用

力学性能

4.刚度表征弹性模量、杨氏模量、剪切模量……F/A

ΔL/LALFFE〓ΔLτG〓γMM5.疲劳强度表征疲劳极限

材料能经受“无限”次循环而不发生疲劳破坏的最大应力值，称为材料的疲劳极限或持久极限。疲劳寿命

材料发生疲劳破坏时的应力循环次数，或从开始受载到发生断裂所经过的时间称为该材料的疲劳寿命。4

材料的性能与应用力学性能

4

材料的性能与应用

力学性能

6.抗蠕变性表征蠕变极限

表示材料抵抗蠕变能力大小的指标，

一般用规

定温度下和规定时间内达到一定总变形量的应

力值表示。持久强度材料在给定温度经过一定时间破坏时所能承受的恒定应力

。

4

材料的性能与应用

力学性能

7.韧性表征断裂韧性

KIC、断裂韧性

JIC材料铝合金高强度合金钢氧化铝环氧树脂聚苯乙烯KIC/MPam1/244922.7-5.00.80.7-1.1KIC

=

σf

(πa)1/2SW

BPa

4

材料的性能与应用

物理性能

1.电学性能表征电导率、电阻率、介电常数

……ε0表征：I

a

IFl物质在外磁场作用下，由于电子等带电体的运动，会被磁化而感应出一个附加磁场。磁化率是用来表征物质被磁化程度的物理量。磁记录介质的一个重要磁性参数（Hc），是指使剩磁降低为零所需要的磁场强度。2.磁学性能磁导率4

材料的性能与应用

物理性能磁化率矫顽力θ

θγ3.光学性能表征光反射率、光折射率、光损耗率……4

材料的性能与应用物理性能光波方向环境性质规范使用性能性能是包括材料在内的整个系统特征的体现；性质则是材料本身特征的体现。2.材料性能与性质的区别与联系4

材料的性能与应用成分结构2.材料性能与性质的区别与联系性能

是随着外因的变化而不断变化，是个渐变过程，在这个过程中发生量变的积累，而性质保持质的相对稳定性；

当量变达到一个

“度”时，将发生质变，材料的性质发生根本的变化。4

材料的性能与应用2.材料性能与性质的区别与联系在材料使用性能（产品）设计的同时，力求改变传统的研究及设计路线，将材料性质同时考虑进去，采取并行设计的方法。4

材料的性能与应用2.材料性能与性质的区别与联系在材料科学研究及工程化应用中，

材料人员应具备这样一种能力：能针对不同的使用环境，

提取出关键的材料性质并选择优良性能的材料。

4

材料的性能与应用2.材料性能与性质的区别与联系例1：高速飞行器表面结构材料的选择使用环境：

高

速

度

使用下的结构体?

性质4

材料的性能与应用30年代教练机二次大战战斗机80年代截击机航天飞机东方快车号490C93.30C4270C53810930C16490C1093

1649

温度（

02.材料性能与性质的区别与联系4

材料的性能与应用不同类型的飞行器蒙皮温度C）0新材料与材料的改进10

29%先进的结构概念2030

自动化设计13%40

有效载荷控制及机翼隐蔽501950196019701980

1990

20002010年

代飞机减重2.材料性能与性质的区别与联系4

材料的性能与应用芳纶(+630)料玻璃钢复合材金属射程(公里)导弹壳体材料与射程的关系示意图长征火箭壳体：

铝合金744Kg；碳纤维401Kg；两者相比，碳纤维减重343Kg；射程增加1476Km2.材料性能与性质的区别与联系4

材料的性能与应用2.材料性能与性质的区别与联系本例结论满足高速飞行的使用性能，必须要求表面结构材料具备两个基本性质：比强度高耐高温强4

材料的性能与应用2.材料性能与性质的区别与联系例2：现代通讯技术中材料的选择使用条件：

远距离、

大容量的信号传导体?

性质4

材料的性能与应用光导纤维通讯卫星同轴电缆与微波系统同轴电缆一对12路电话线第一条电话1890

191019301950

1970

199020102030

2050年份1081061041021相对信息量2.材料性能与性质的区别与联系4

材料的性能与应用不同通讯方式的相对信息量每公里透光率965010110-1010-10019791983110102103光学玻璃104105

菲尼基人的106埃及人的107公元前3000

公元1000

19001966高性能光导纤维材料的出现对微电子、通讯等高技术行业产生巨大的影响。玻

璃透

光

度的

改进历

史光学损耗（dB/km)年份0.12.材料性能与性质的区别与联系4

材料的性能与应用光学纤维年代波长(μ)模数光纤损耗

（

db/km

）中继距离（

km

）应用年代材料第一代0.85多模2-58-101978SiO2第二代1.3多模110-201982第三代1.3单模0.420-401983SiO2+Ga,P第四代1.55单模0.280正在应用多组分玻璃1.55单模0.01-0.001可达

400多组分玻璃+Er第五代2.5单模3

×

10-4250021世纪氟化玻璃2.材料性能与性质的区别与联系光导

纤维

发展

历程4

材料的性能与应用2.材料性能与性质的区别与联系本例结论新型光导纤维能够满足现代通讯技术的使用要求（使用性能），其基本性质包括：光通量大光学损耗低4

材料的性能与应用2.材料性能与性质的区别与联系例3：高集成度计算机芯片使用性能：

1

）集成度，2）纳米级尺寸

?性质4

材料的性能与应用项目

单位

19951998

2001DRAM(动态随机存取)Mbit642561×

103设计线宽μ

m0.350.250.18晶片直径mm200200~300>300表面微观粗糙度

Φmm<0.5<0.3<0.2表面玷污与缺陷亮点每片数目≤10≤1≤1缺陷尺寸μ

m≤0.12≤0.05≤0.03表面金属原子原子数/cm2≤1010≤109≤108氧含量

O2ppm29±426±223±22.材料性能与性质的区别与联系单晶硅晶片发展趋势及其要求4

材料的性能与应用2.材料性能与性质的区别与联系本例结论在计算机中使用的硅晶片，满足高集成度使用性能，其基本性质包括：高纯度低缺陷4

材料的性能与应用3.材料性能的设计与实际应用传统方式：

结构与功能

确定材料的性质（选择材料）结构与功能

材料的性质4

材料的性能与应用完成设计先进方式：问题：

由于惯性原因，造成喷油时间滞后使燃烧效率降低，造成燃料损耗和环境污染。3.材料性能的设计与实际应用汽车喷油嘴的设计--方案一材料性质要求高磁导率低矫顽力4

材料的性能与应用顶锥响应时间约为毫秒级吸上：喷油弹下：封闭电磁体顶锥运动方向软磁材料高压油3.材料性能的设计与实际应用汽车喷油嘴的设计--方案二顶锥长度变化收缩：喷油复原：封闭材料性质要求高的磁致

伸缩系数优点：结构简单，燃烧效率高，

环境污染降低。4

材料的性能与应用顶锥响应时间约为微秒级高磁致伸缩材料磁场性质成分/结构使用性能4.材料性能与其他要素之间的关系4

材料的性能与应用制备/加工失效性质失效环境失效行为力学低温、

过载荷脆断、

疲劳、

断裂化学化学介质腐蚀破坏催化剂失效电学电压、

电流电介质击穿电流过载热学高温高温融化蠕变破坏5.材料与环境之间的关系材料的失效：4

材料的性能与应用5.材料与环境之间的关系三类主要的材料失效形式断裂

磨损

腐蚀4

材料的性能与应用工业原料工程材料分类/再制造制备原材料开采矿产4

材料的性能与应

用5.材料与环境之间的关系农业、建筑、环境国防、信息、交通能源、健康…

…材料的全生命循环周期产品设计制造装配再生循环废料制备4

材料的性能与应用5.材料与环境之间的关系资源能源消耗最小污染排放最少废弃物可再生回收利用使用性能最佳生态环境科学技术各

种材

料矿产资源6.材料性能数据库从事材料工程的人们必须注重材料性能数据库

材料性能数据库是材料选择的先决条件；

材料性能数据库是实现计算机辅助选材（CAMS）、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（

CAM

）的基础。4

材料的性能与应用6.材料性能数据库国际材料数据库建设简况u英、美金属学会合建金属材料数据库u西方七国组成有关新材料数据及标准的“凡尔赛计划”u原苏联及东欧各国组成了COMECON材料数据系统，包括16个数据库u北京科技大学等单位联合建成材料腐蚀数据库u武汉材料保护研究所建成材料磨损数据库u北京钢铁研究总院建立合金钢数据库4

材料的性能与应用1

材料试验手段1

）成分、结构表征仪器2）材料性能的检测仪器3）制备与加工过程中使用的设备4）过程控制的探测元件及装置

§2.2

材料研究手段和方法1

）成分、结构表征仪器材料成分结构的表征仪器是从事材料科学研究必备的手段，

如同天文望远镜将人类视野带到了一个遥远的宇宙空间一样，材料成分结构表征仪器则将我们的观察引进一个更为绚丽多彩的微观世界。1

材料试验手段1

）成分、结构表征仪器u随着仪器能检测到的下限值不断减小，材料研究者所获取的信息也在不断增多，对材料本质的认识也在不断加深。u材料科学研究使用的仪器、设备的精密程度代表了一个国家的综合科技水平。1

材料试验手段卢瑟福背散射分析电镜二次离子俄歇谱

光电子谱X射线荧光电子探针成分X射线衍射1

材料试验手段0.1nm10nm

1μm100μm1cm1

）成分、结构表征仪器0.1nm

10nm

1μm

100μm横向分辨率深度分辨率扫描电镜分析电镜0.1nm10nm

1μm100μm1cm卢瑟福背散射分析电镜0.1nm

10nm

1μm

100μm扫描隧道显微镜结构X射线衍射1

材料试验手段1

）成分、结构表征仪器横向分辨率深度分辨率1

材料试验手段

扫描隧道显微镜0.1nm10nm

1μm100μm1cm1

）成分、结构表征仪器0.1nm

10nm

1μm

100μm光学显微镜X射线衍射红外成像形貌扫描电镜分析电镜卢瑟福背散射横向分辨率深度分辨率Mg-10Gd-2Y-0.5Zr

WOM—Optical

Microscope1

材料试验手段SEM—Scanning

Electron

Microscope氧化铝结晶

四钼酸胺1

材料试验手段β-Si3

N45nmβ-Si3

N4TEM—Transmission

Electron

Microscope1

材料试验手段无压烧结Si3

N4材料：原子排列面纳米碳管SPbSTM--ScanningTunneling

Microscope1

材料试验手段方铝矿（

100）解理面C

u（

111

）面1

材料试验手段扫描隧道显微镜1

材料试验手段激光拉曼光谱仪1

材料试验手段电子能谱仪1

材料试验手段超导核磁共振仪1

材料试验手段高分辨电子显微镜多功能核磁共振波谱仪1

材料试验手段1

材料试验手段电子顺磁共振波谱仪1

材料试验手段色谱--质谱联用仪原子探针场离子显微镜1

材料试验手段1

材料试验手段电子能谱扫描隧道显微镜双准直离子散射仪高分辨率电子损耗光谱仪角分辨光电子能谱仪俄歇能谱仪低能电子衍射仪低能电子显微镜自旋极化测量场离子显微镜

原子探针材料表面科学中使用的仪器1

材料试验手段2）材料性能的测定仪器u

材料性能的测定仪器是将性能的三要素（外界环境、表现行为、表征参量）融合在一个系统中完成，即，由仪器输入或模拟一个使用环境（条件），使受测材料发生响应（结果），然后仪器再将响应的模拟信号转变为数字信号表现出来（数值）。u

有许许多多种材料的力学、物理、化学单项性能，每种性能都分别对应了相应的测定方法和仪器。这些仪器构成了一个庞大的材料性能测定仪器家族。1

材料试验手段2）材料性能的测定仪器1

材料试验手段多功能内耗仪2）材料性能的测定仪器1

材料试验手段六联旋转高温陶瓷夹具疲劳内耗超声衰减仪2）材料性能的测定仪器1

材料试验手段蠕变--疲劳实验机陶瓷材料高温蠕变实验机2）材料性能的测定仪器1

材料试验手段2）材料性能的测定仪器1

材料试验手段陶瓷高温疲劳实验机3）制备与加工设备材料制备与加工过程是在一个限定的空间，在给定的

条件下进行的。用以满足空间需求和提供外加条件的各种装置或部件的组合就构成了材料制备与加工设备的主体。

同时，设备中还包含了

关键的控制系统。1

材料试验手段3）制备与加工设备空间条件：各类反应容器、

坩埚、熔炼炉外力条件：

气压、液压、机械压制、

冲击力（波）介质环境：

真空设备、

不同的气氛条件能量供给：

电力、加热、辐照装置、

激光发生器物质输送：

气、液管路、机械进给装置1

材料试验手段双低能离子束薄膜沉积设备3）制备与加工设备1

材料试验手段3）制备与加工设备1

材料试验手段纳米材料制备设备3）制备与加工设备1

材料试验手段超净工作室单晶炉

单晶硅炉3）制备与加工设备1

材料试验手段3）制备与加工设备1

材料试验手段喷雾制粉设备冷等静压机4）过程控制的探测元件和装置u传感器是控制系统

“感知”加工过程的“器官”。u传感器从过程中获得的信号主要包括：声、光、电、磁、热、压力、流速、浓度，等1

材料试验手段氧含量湿度酸度压力温度电压PTC

热敏电阻化学光学Zr1-χCaO2-χMgCr2O4·TiO2

IrO2-χPbZr1-χTiχ

O3PbZr1-χTiχ

O3

ZnO·Bi2O3

Ba1-χCeχTiO3ZnO·CuOCdS体离子导电表面离子导电表面化学反应压电热电晶界面隧道晶界面相变表面电子导电光电阻用于传感器的无机非金属敏感材料探测性能原理材料1

）引言随着材料科学的飞速发展，

新型材料不断涌现，与此同时，

人类社会的整体科技水平也在不断的提高，

因此对材料科学又提出了更高的要求。传统“

炒菜式”

的材料研制方法已不能满足人们的要求。

“材料设计”应运而生。2

材料的设计用什么样的配方，什么样的合成加工条件，来获取具有什么样的成分、结构和性质的材料。核心问题2

材料的设计“

材料设计”构想始于50年代，

80年代后实现“

材料设计”

的条件渐趋成熟。

表现在以下三个方面：（

1）基础理论的形成和发展量子力学，统计力学，能带理论，化学键理论等理论科学的发展使人们对材料的结构和性质的关系有了系统的了解；2

材料的设计（2）计算机科学技术的发展计算机高速运算，模式识别，数据库技术等技术的发展，为材料设计与过程仿真的实施提供了手段；（3）制备与加工新技术的涌现各种新型材料制备加工技术为材料设计方案的实施提供了条件，同时材料智能加工又为制备加工的优化开辟了新方向。2

材料的设计2）材料设计的内容材料设计贯穿于材料“

四要素”各个方面，即：u成分结构设计u性质性能预测u制备加工过程的控制与优化2

材料的设计u成分结构设计案例1：杂化材料将性质截然不同的材料在原子、

分子水平上均匀混合，形成原子、分子层次的复合材料例如：

高分子聚乙烯和难熔重金属钨的杂化材料2

材料的设计u微观结构设计案例1：杂化材料原子与原子的复合

相与相的复合2

材料的设计2）材料设计的内容----微观结构设计同传统复合材料的区别：复合材料

不同的组成相复合杂化材料

不同的组成原子（分子）

复合同固溶体的区别：固溶体

热力学平衡体系杂化材料

热力学非平衡体系2

材料的设计案例2：晶体结构计算通过对原子排列的计算，

可以了解到晶体材料的晶体学结构。2

材料的设计模拟结果准晶照片案例3：相图计算-

---预报新化合物Mg-Sb相图计算结果与实验结果比较案例4：超晶格结构设计超晶格结构：通过外延生长的方法，

使两种材料以极薄的薄膜方式交替叠合，

从而沿生长方向在原晶格常数为a（几个埃）

的晶格势场上，

引入了一个周期为d（100埃数量级）

的一维周期势，这种一维周期势结构就称为超晶格结构。2

材料的设计超晶格结构使原来的能带分裂为一系列微小能带，

可使电子能够在这些微能带间发生跃迁，

从而导致各种新的物理现象产生。如：量子尺寸效应、

室温激子非线性光子效应、

迁移率增强效应、量子霍耳效应、

共振隧穿效应。案例4：超晶格结构设计2

材料的设计案例4：超晶格结构设计利用超晶格结构的概念，

在原子尺度上进行材料的组份及结构参数设计，

改变材料的能带结构，采用先进的制备方法，

人工合成各式奇特物理性质的新材料和新器件。——

能带工程2

材料的设计案例4：超晶格结构设计制备方法：分子束外延（

MBE）金属有机化合物化学

气相沉积（

MOCVD）化学束外延（

CBE）原子层外延（ALE）2

材料的设计双生长空的MBE设备，用于半导体超晶格结构材料和器件的研制案例4：超晶格结构设计制备方法2

材料的设计案例4：超晶格结构设计制备方法2

材料的设计分子束外延设备

MBE案例4：超晶格结构设计制备方法2

材料的设计全自动MOCVD设备u量子霍耳电阻，作为电阻自然基准u光计算机器件（

自电光效应器件SEED）u超高速电子器件案例4：超晶格结构设计2

材料的设计u远红外探测器应用领域案例5：陶瓷纤维增韧的设计方案----对裂纹扩展的影响（物理模型）2

材料的设计裂纹走向压应力张应力案例5：陶瓷纤维增韧的设计方案裂纹扩展过程中，

裂纹、纤维（晶须）、基体三元素体系的变化情况：u

纤维拔断u

纤维拔出u

纤维与基体间滑动u

纤维（晶须）偏转u纤维周围的应力状态改变2

材料的设计案例5：陶瓷纤维增韧的设计方案裂纹扩展过程中能量的增量ΔE

〓

E1

+

E2

+…+E5

（数学模型）对数学模型的数值计算，能够获得材料的宏观抗断裂性能----定量预测2

材料的设计环境因素失效分析成本指标性能指标加工性

材料的设计

制备与加工

支持与维护

废弃与回收全过程、全因素优化设计2

材料的设计全因素全过程全过程、全因素优化设计在材料的制造--废弃的全过程中，

对设计的各种因素进行综合的优化设计，

将是材料科学与工程领域又一新的研究课题，

需要材料科学家，

机械制造工程师，数学家，

经济学家等各类人员密切合作方能完成。2

材料的设计材料的智能加工近年来，

日本许多产品（特别是汽车，

电子元件）的质量有压倒美国的趋势。

为保持美国在国际上的优势，美国采取的对策之一就是材料的智能加工。实现材料加工的自动化提高材料的质量提高性能的重现性降低产品的废品率2

材料的设计优

点加

专工

家系

系统

传感器

统如图所示，

在材料智能加工过程中，传感器是一个很重要的因素。

各种类型的传感器同加工体系、

专家系统构成了一个完整的材料智能加工系统。2

材料的设计材料的智能加工3）材料设计的计算机基础u物理场的数值模拟方法u常用工程数学的计算机处理u几种重要的数学软件u计算机过程控制2

材料的设计温

度

场

计

算导

热

方

程描述热传导过程应

力

场

计

算应力场几何方程应力场物理方程描述应力应变状态浓

度

场

计

算扩

散

方

程描述物质扩散过程流

体

场

计

算流体动力学方程描述流体传输过程电

磁

场

计

算麦克斯韦方程描述电磁场分布规律物理场的数值模拟方法3）材料设计的计算机基础2

材料的设计最

优化

方

法曲线拟合数值分析参数估计误差分析概率分布3）材料设计的计算机基础常用工程数学的计算机处理2

材料的设计3）材料设计的计算机基础推荐几种重要的数学应用软件大型统计软件

SPSS有限元数值计算

ANSYS、MARC具有多种数学功能

MATLAB2

材料的设计1

）钢铁材料2）铝合金材料3）掺杂钨丝的设计与研制

§2.3“

四要素”

应用的典型案例分析案例一钢铁材料的发展历史公元前

5000

年公元前

1200

年公元

0

年公元

1800

年公元

1950

年20

世纪初21

世纪

钢铁材料的发展历史对铁、钢微观结构、成分得认识不够人类使用不同材料的开始时间硅高分子材料先进复合材料陶器青铜铁器水泥钢3000年100

万年前石器铁

钢含C量其他杂质元素,如P、S的含量

从1855年英国人贝塞尔发明空气底吹转炉炼钢法

逐步经历了从凭经验到科学，从手工工艺到工程科学的过程。钢铁材料的发展历史强度、塑性。。。

钢－钢铁时代以锰钢为例：硬强钢

1774年——发现锰；

28世纪末到19世纪90年代开始炼锰钢。

炼不出来的原因：

关键是脆性,根源是锰含量-13％时成功了。

钢铁材料的发展历史

钢－钢铁时代以不锈钢为例:向Fe中添加一定比例的Cr、Ni、Mo、

Mn等合金元素等熔炼出来的。

1912年——布里尔利，

英国人，8％的Cr、0.24c-热处理

毛尔和施特劳斯——

18％

Cr、8％Ni

即18-8不锈钢Cr-Mn-Ni

＋

稀土

钢铁材料的发展历史

钢－钢铁时代以磁钢为例

大发明：磁铁

1917年——日本：本多光太郎,

东京大学,普通碳钢可磁化但剩磁不强，

改变

成分加入Co制成

磁合金钢，但颗粒大剩磁不够----用淬火来晶粒细化。

1931年——又发明Fe、Co、Mo

和

Fe、Co、W三元磁钢

钢铁材料的发展历史

钢－钢铁时代以磁钢为例

1967年——美国公司又发明稀土-Co硬磁合金又制出更好的铬钴合金

1983年——佐川真人制成以钕带钴：

制粉－压铸-焙烧－热处理

制得钕铁硼永磁合金

1985年——美国用快淬火制更高价的钕铁硼永磁合金

钢铁材料的发展历史案例二铝合金的发展历史航天飞机同步轨道卫星近地对道卫星

超音速飞机垂直起降机战斗机波音707民航客机运输机直升机小型民用飞机100

101

102

103

104

105飞行速度减轻结构所得经济效益（相对值）飞行器减重1Kg所获得的经济效益与飞行速度的关系

铝合金的发展历史主动载荷控制及颤震抑制1960

1970

1980

19902000

2010年份504030201001950结构减重/%新型材料及改型材料在军机结构减重中的重要性及发展趋势

铝合金的发展历史自动化设计先进结构概念新材料及改进型材料树脂基复合材料铝基复合材料不锈钢钛基复合材料钛先进碳碳材料高温合金0

1

2

3

4马赫数0

2

4

6

8

10

12

14比强度

铝合金的发展历史不同材料的比强度与之对应的马赫数铝代机型首飞材料类别第二代第三代第四代歼8Ⅲ新歼

苏-27CK

F-15F-16

F/A-18A/BF-2219931998

1977

1972

197619781997铝合金55856037.3644915钛合金221525.831241钢2410105.53155其他1931531.4302439新型材料及改型材料在军机结构减重中的重要性及发展趋势

铝合金的发展历史

密度低、

比强度高。纯铝的密度为2700kg/m3，仅为铁的1/4。

优良的物理、

化学性能。

导电性能好、

磁化率

低、耐腐蚀等。

加工性能好。

铸造性能好、

易于塑性变形，

经热处理后还具有很高的强度。

铝合金的发展历史特

点名称纯度用途高纯铝99.93%.99.99%科学研究、制作电器工业高纯铝98.85%.99.9%铝箔、铝合金原料工业纯铝98.0%.99.0%电线、电缆、配置合金纯铝的强度很低，不能用作结构材料

一

i铝合金

纯铝中含有Fe、Si、Zn等元素时，

会使性能下降。

铝合金的发展历史纯

铝弥散强化固溶强化时效强化细晶强化合

金

强

度

提高铝中加入合金元素后，

可提高合金的强度，

并保持良好的加工性能。

铝合金的发展历史合金元素的作用

铝合金的发展历史合金元素的作用固溶强化-MgAllα5.7α

+

θ（Al2Cu

）GP区固溶线2

Cu/%

4

6600400200温度/

℃Cu在Al中的固溶度随温度降低而降低。500℃时将有4％的Cu固溶在Al中，将含4％的Al冷却到室温，绝大部分的Cu将以GP区和过渡相等形式析出。合金元素的作用

时效强化

铝合金的发展历史Al-Cu

Al2Cu

时

间Al-Mg-SiMg2Si温

度

铝合金的发展历史合金元素的作用时效强化130℃Al.4%Cu0.01

0.1

1.0

10

100时效时间/d时对A合30

50

70

90

100

130硬

度效处理时间l.4%Cu及金硬度的影响

铝合金的发展历史合金元素的作用时效强化

铝合金的发展历史

合金元素的作用

弥散强化北京工业大学材料学院含Er高强铝合金的开发

液态中少量初生Al3

Er粒子固态中弥散分布的Al3

Er粒子温

度时

间液态中初生Al3

Er粒子成为基体Al的形核核心，减少基体晶粒长大的孕育期，从而细化晶粒。

铝合金的发展历史细晶强化l

合金元素的作用」温

度时

间

铝合金的发展历史

合金元素的作用

细晶强化铝合金随塑性加工量的增大，组织结构发生明显的变化：等轴晶---带状组织---细晶组织纯铝：1×××系列Al-Mn系：

3×××系列Al-Si系：4×××系列Al-Mg

系：5×××系列Al-Cu

系：

2×××系列Al-Mg-Si系：

6×××系列Al-Zn-Mg-Cu系：7×××系列Al-Li系：8×××系列纯铝：Al-Mg系：如ZL103Al-Si系：如ZL102Al-Mg

系：如ZL107Al-Cu

系：如ZL110Al-Mg-Si系：如ZL104Al-Zn-Mg-Cu系：如ZL305变形铝合金铸造铝合金非热处理型热处理型

铝合金的发展历史铝及铝合金非热处理型热处理型合金牌号代号合金牌号代号合金牌号代号ZAlSi7MgZL101ZAlSi8MgBeZL116ZAlCu5MnCdVAZL205AZAlSi7MgAZL101AZAlSi20Cu2ReZL117ZAlRE5Cu3Si2ZL207ZAlSi12ZL102ZAlCu5MnZL201ZAlCu5Ni2CuZrZL208ZAlSi9MgZL104ZAlCu5MnAZL201AZAlMg10ZL301ZAlSi5Cu1MgZL105ZAlCu4ZL203ZAlMg5Si1ZL303ZAlSi7Mg1AZL114AZAlCu5MnCdAZL204AZAlZn10Si7ZL401

铝合金的发