材料科學(xué)與工程學(xué)導(dǎo)論課件

緒論1.課程設(shè)置的意義和目的材料的定義與分類材料的地位和作用材料科學(xué)與工程的形成和發(fā)展本課程設(shè)置和北工大材料科學(xué)與工程學(xué)科改革2.課程的內(nèi)容和講法*材料是人類用於製造機器、構(gòu)件和產(chǎn)品的物質(zhì)，是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。材料的定義*無機非金屬材料金屬材料高分子材料複合材料材料的分類*

材料是人類社會發(fā)展的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，是人類社會進步的里程碑和劃時代的標誌。材料和能源、資訊被稱為人類社會的“三大支柱”。材料的地位和作用*

一種重要新材料的發(fā)現(xiàn)和使用，都把人類支配自然的能力提高到一個新水準，材料科學(xué)技術(shù)的每一次重大突破都會引起生產(chǎn)技術(shù)的重大變革，甚至引起一次世界性的技術(shù)變革，從而把人類物質(zhì)文明和精神文明推向前進。材料的地位和作用*材料科學(xué)與工程的形成與發(fā)展，反映了學(xué)科發(fā)展從細分到整合（綜合）的基本規(guī)律。材料科學(xué)與工程的形成和發(fā)展*材料學(xué)科的分合圖地質(zhì)采礦礦冶化工冶金陶瓷高分子物冶化冶物冶力冶物理社會科學(xué)

材料學(xué)MSE化學(xué)力學(xué)礦187918881888193719371966198619891975材料科學(xué)與工程的形成和發(fā)展*

美國MIT礦冶及材料系名稱的演變年系名稱1865~1879地質(zhì)與採礦工程1879~1884採礦工程1884~1888採礦工程（地質(zhì)、採礦、冶金）1888~1890採礦與冶金1890~1927採礦工程與冶金1927~1937採礦與冶金1937~1966冶金1966~1975冶金與材料科學(xué)1975~現(xiàn)在材料科學(xué)與工程材料科學(xué)與工程的形成和發(fā)展*材料科學(xué)與工程的形成與發(fā)展*材料學(xué)科金屬材料與熱處理鋼鐵冶金有色金屬冶金冶金物理化學(xué)金屬壓力加工無機非金屬材料矽酸鹽工程高分子材料與工程粉末冶金複合材料腐蝕與防護材料科學(xué)與工程複合材料鑄造焊接材料科學(xué)與工程的形成和發(fā)展*環(huán)境輸入系統(tǒng)輸出學(xué)科現(xiàn)象環(huán)境自然社會材料類型層次金屬複合陶瓷高分子相分子原子電子金相組織功能社會現(xiàn)象性能自然現(xiàn)象材料學(xué)宏觀微觀社會科學(xué)自然科學(xué)社會需要成果反饋材料和材料學(xué)材料科學(xué)與工程的形成和發(fā)展*結(jié)論：不同的材料二級學(xué)科曾為社會培養(yǎng)了大量的專業(yè)人才；已不能滿足21世紀人才培養(yǎng)的需求，必須進行改革；按照“四要素”原則重新構(gòu)建材料科學(xué)與工程的大材料學(xué)科。*材料科學(xué)與工程的內(nèi)涵合成/製備效能結(jié)構(gòu)/成分性質(zhì)a理論及材料與工藝設(shè)計基本性能

受環(huán)境影響（氣氛溫度受力狀態(tài)）製備與加工效能(使用性能)組織結(jié)構(gòu)成分b*材料科學(xué)與工程的縱向或橫向分類方法材料科學(xué)與工程使用加工性能結(jié)構(gòu)四要素陶瓷電子材料金屬高分子材料材料科學(xué)與工程材料科學(xué)與工程的形成和發(fā)展*第一章材料及其在人類社會發(fā)展

進程中的地位和作用1-1.材料是人類社會進步的里程碑1-2.材料是經(jīng)濟和社會發(fā)展的基礎(chǔ)和先導(dǎo)1.新材料技術(shù)是工業(yè)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo)2.新材料技術(shù)是高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)

縱觀人類利用材料的歷史，可以清楚地看到，每一種重要新材料的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，都把人類支配自然的能力提高到一個新的水準。材料科學(xué)技術(shù)的每一次重大突破都會引起生產(chǎn)技術(shù)的重大變革，甚至引起一次世界性的技術(shù)革命，大大地加速社會發(fā)展的進程，給社會生產(chǎn)力和人類生活帶來巨大的變革，把人類物質(zhì)文明推向前進。材料是人類社會進步的里程碑人類使用材料的七個時代的開始時間材料是人類社會進步的里程碑人類利用材料的歷史，就是一部人類進化和進步的歷史。材料是人類社會進步的里程碑1-2材料是經(jīng)濟和社會發(fā)展的基礎(chǔ)和先導(dǎo)新材料技術(shù)是工業(yè)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo)新材料技術(shù)是高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)兩次工業(yè)革命都是以新材料的發(fā)明和廣泛應(yīng)用為先導(dǎo)的第一次工業(yè)革命（18世紀）：制鋼工業(yè)的發(fā)展為蒸汽機的發(fā)明和應(yīng)用奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。第二次工業(yè)革命（20世紀中葉以來）：單晶矽材料對電子技術(shù)的發(fā)明和應(yīng)用起了核心作用。新材料技術(shù)是工業(yè)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo)材料強度密度比在不同年代裏的進展(由圖中可以看出,現(xiàn)代先進材料的強度已比原始材料提高了約50倍)鋁木材石料青銅鑄鐵鋼複合材料碳纖維芳香族醯胺纖維6新材料技術(shù)是工業(yè)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo)現(xiàn)代渦輪噴氣發(fā)動機３０年代氣冷式航空發(fā)動機蒸汽機在本世紀內(nèi)由於採用了現(xiàn)代材料使發(fā)動機工作溫度急劇上升，因而發(fā)動機的理論效率大大提高。新材料技術(shù)是工業(yè)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo)新材料技術(shù)是工業(yè)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo)1950196519551970197519601990198019952000198520053070504060100908020110120130座·mile/Usgal

航空材料的發(fā)展與飛機的燃放年份Comet707-120707-120B880990727-100DC-9-30A320-200747-400MD112.5倍飛機燃油效率提高2.5倍新材料技術(shù)是工業(yè)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo)

航空材料的發(fā)展19501960197019801990200020102020900110015001300材料的表面溫度(℃)1700單晶合金普通鑄件定向凝固超級合金共晶合金彌散強化超級合金隔熱塗層陶瓷複合材料碳-碳新材料技術(shù)是工業(yè)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo)在發(fā)動機上應(yīng)用的年份葉片材料的發(fā)展歷程纖維增強超級合金109316495381490C3150C6490C10930C19270C發(fā)動機溫度一次大戰(zhàn)水冷式30年代空冷式風(fēng)扇噴氣發(fā)動機蝸輪噴氣發(fā)動機超音速燃燒衝壓式噴氣發(fā)動機溫度（0C）新材料技術(shù)是工業(yè)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo)φ1100φ110021971200~1800℃100~1200℃410~950℃400℃飛船返回艙艙體溫度情況新材料技術(shù)是工業(yè)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo)小飛機直升機運輸機波音707戰(zhàn)鬥機噴氣式機超音速飛機近地衛(wèi)星衛(wèi)星飛機速率速度與效益10102103104每減少1kg所收穫效益新材料技術(shù)是工業(yè)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo)新材料技術(shù)是工業(yè)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo)+175+390+595金屬玻璃纖維KavlarC/C複合材料Km導(dǎo)彈射程火箭殼體材料與導(dǎo)彈射程30年代教練機二次大戰(zhàn)戰(zhàn)鬥機80年代截擊機太空梭東方快車號10931649538490C93.30C4270C10930C16490C不同類型的飛行器蒙皮溫度溫度（0C）新材料技術(shù)是工業(yè)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo)碳素工具鋼鎢鈷鉻硬質(zhì)合金燒結(jié)碳化鎢金屬陶瓷陶瓷多晶金剛石高速鋼立方氮化硼新材料技術(shù)是工業(yè)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的先導(dǎo)圖1.1高技術(shù)體系示意圖探索智力探索宇宙空間探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)探索生命本質(zhì)探索海洋奧秘環(huán)境科學(xué)技術(shù)空間科學(xué)技術(shù)新材料科學(xué)技術(shù)新能源與再生能源資訊科學(xué)技術(shù)生物科學(xué)技術(shù)海洋科學(xué)技術(shù)人材料發(fā)展總的趨勢21世紀重點發(fā)展的高技術(shù)領(lǐng)域的材料選擇材料發(fā)展總的趨勢材料發(fā)展總的趨勢資訊科學(xué)技術(shù)正在發(fā)生結(jié)構(gòu)性變革，仍然是經(jīng)濟持續(xù)增長的主導(dǎo)力量

通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為資訊產(chǎn)業(yè)注入強大活力寬頻通信已成為國際上應(yīng)用最廣的通信技術(shù)半導(dǎo)體技術(shù)進入納米時代電腦智能技術(shù)日新月異材料發(fā)展總的趨勢生物技術(shù)正經(jīng)曆著一場前所未有的技術(shù)革命，一個龐大的生物產(chǎn)業(yè)正在孕育和形成對生命現(xiàn)象本質(zhì)和過程研究，進入了定量和系統(tǒng)整合階段基因組學(xué)、蛋白質(zhì)科學(xué)、幹細胞及再生醫(yī)學(xué)的研究成為生命科學(xué)的前沿與熱點蛋白質(zhì)科學(xué)正向深度和廣度迅速發(fā)展幹細胞及再生醫(yī)學(xué)的研究及應(yīng)用為人類健康開闢了新道路生物晶片在醫(yī)療和科研領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用轉(zhuǎn)基因技術(shù)及應(yīng)用呈現(xiàn)出高速發(fā)展的態(tài)勢材料發(fā)展總的趨勢生物技術(shù)正經(jīng)曆著一場前所未有的技術(shù)革命，一個龐大的生物產(chǎn)業(yè)正在孕育和形成對生命現(xiàn)象的本質(zhì)和過程研究，進入了定量和系統(tǒng)整合階段；基因組學(xué)、蛋白質(zhì)科學(xué)、幹細胞及再生醫(yī)學(xué)的研究成為生命科學(xué)的前沿與熱點；蛋白質(zhì)科學(xué)正向深度和廣度迅速發(fā)展。幹細胞及再生醫(yī)學(xué)的研究及應(yīng)用為人類健康開闢了新道路生物晶片在醫(yī)療和科研領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用轉(zhuǎn)基因技術(shù)及應(yīng)用呈現(xiàn)出高速發(fā)展的態(tài)勢材料發(fā)展總的趨勢航太技術(shù)快速發(fā)展，不斷開闢人類探索的新空間

太空探索帶動太空探索技術(shù)加速發(fā)展研製多種用途的人貨分離的新一代航太飛行器成未來趨勢。小衛(wèi)星技術(shù)日趨成熟並將廣泛應(yīng)用。太空攻防技術(shù)成為未來航太技術(shù)發(fā)展的重要領(lǐng)域。材料發(fā)展總的趨勢能源技術(shù)將變革未來社會的動力基礎(chǔ)，促進人類實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展煤炭的高效清潔利用成為化石能源技術(shù)研發(fā)熱點。核能技術(shù)醞釀新的突破。氫能技術(shù)研發(fā)和商業(yè)應(yīng)用加速新能源和可再生能源技術(shù)展現(xiàn)良好前景天然氣水合物的開發(fā)受到重視用能技術(shù)發(fā)展前景廣闊材料發(fā)展總的趨勢先進製造技術(shù)向綠色製造、高技術(shù)化、資訊化、極端製造方向發(fā)展，成為提升產(chǎn)業(yè)競爭力的關(guān)鍵技術(shù)光機電一體化技術(shù)微電子光刻技術(shù)重大裝備製造技術(shù)材料發(fā)展總的趨勢新材料技術(shù)出現(xiàn)群體性突破，將對21世紀基礎(chǔ)科學(xué)和幾乎所有工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生革命性影響納米技術(shù)是前沿技術(shù)中最具前瞻性和帶動性的重點領(lǐng)域之一電子資訊材料技術(shù)進展迅速，光電子材料、光子材料將成為發(fā)展最快和最有前途的電子資訊材料。新型功能材料及其應(yīng)用技術(shù)面臨新的突破（超導(dǎo)材料、智能材料、生物醫(yī)用材料）新型結(jié)構(gòu)材料發(fā)展前景樂觀（高溫合金、難熔金屬、金屬間化合物、金屬基複合材料、高分子材料、鈦合金、鎂合金）新材料技術(shù)是高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)196019701980199011011021031081071061051041011021031年份每片積體電路晶片上元件的數(shù)量按指數(shù)規(guī)律增加，而最小特徵尺寸則按指數(shù)規(guī)律減?。绹娫掚妶蠊矩悹枌嶒炇遥㎝OS記憶體雙極記憶體MOS邏輯器雙極邏輯(b)(a)SSIMSILSIVLSI二維三維介面最小特徵長度（

M）每個晶片上的元件數(shù)197019601950194019801990200010-1010-810-610-410-210010250100150250300200半導(dǎo)體器件電子管19481958電晶體積體電路40年間器件尺寸降低100萬倍0.350.51.28線寬（，M)0.00520.2極大(>10-7)大規(guī)模(103-105)超大規(guī)模(106-107)(美分)晶片價格器件尺寸相對值晶片直徑(MM)年代新材料技術(shù)是高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)新材料技術(shù)是高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)無機非金屬敏感材料新材料技術(shù)是高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)

電腦的核心部件是積體電路其容量和速度每年以50%發(fā)展，計算速度已大約每秒萬億次，2000年可達100萬億次。計算外設(shè)裝置莫不決定於材料，如存儲（光碟，磁片等），顯示（液晶、GaAs）。電腦的控制精度與靈敏度決定於敏感材料（感測器）的靈敏度、精度與穩(wěn)定性。計算機新材料技術(shù)是高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)3000（西元前）101.00.19650101光學(xué)纖維光學(xué)玻璃埃及人的菲尼基人的1000（西元）190019661979198310-1010-100年份光學(xué)損耗（dB/km)每公里透光率玻璃透光度的改進歷史高性能光導(dǎo)纖維材料（低光學(xué)損耗、高透光率）的出現(xiàn)對微電子、通訊等高技術(shù)行業(yè)產(chǎn)生巨大的影響。新材料技術(shù)是高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)新材料技術(shù)是高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)1890191019301950197019902010203020501102104106108第一條電話一對12路電話線同軸電纜同軸電纜與微波系統(tǒng)通訊衛(wèi)星光導(dǎo)纖維年不同通訊方式的相對資訊量相對資訊量新材料技術(shù)是高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)總結(jié)：正是由於這兩類材料的發(fā)明和應(yīng)用技術(shù)的主要緣故，才可能有當(dāng)今“第三次革命”---資訊革命的產(chǎn)生；使人類進入了一個新的時代---資訊時代。新材料技術(shù)是高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上述事例雄辯的表明，新材料是人類社會進步、世界革命和提高人類生活品質(zhì)中具有特別重要的基礎(chǔ)和先導(dǎo)作用，其發(fā)展對提高國家的綜合國力和國際實力具有巨大的推動作用和深遠的影響。新材料技術(shù)是高技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)51第二章材料科學(xué)與工程的四個基本要素MSE四要素使用性能材料的性質(zhì)結(jié)構(gòu)與成分合成與加工兩個重要內(nèi)容儀器與設(shè)備分析與建模52§2.1性質(zhì)與使用性能1.基礎(chǔ)概念2.性質(zhì)與性能的區(qū)別與關(guān)係3.材料的失效分析4.材料（產(chǎn)品）使用性能的設(shè)計5.材料性能資料庫6.其他問題53材料性質(zhì)：是功能特性和效用的描述符，是材料

對電.磁.光.熱.機械載荷的反應(yīng)。材料性質(zhì)描述力學(xué)性質(zhì)物理性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)強度硬度剛度塑性韌性電學(xué)性質(zhì)磁學(xué)性質(zhì)光學(xué)性質(zhì)熱學(xué)性質(zhì)催化性質(zhì)防化性質(zhì)2.1.1基礎(chǔ)內(nèi)容54結(jié)構(gòu)材料性質(zhì)的表徵----材料力學(xué)性質(zhì)強度：材料抵抗外應(yīng)力的能力。塑性：外力作用下，材料發(fā)生不可逆的永久性變形而不破壞的能力。硬度：材料在表面上的小體積內(nèi)抵抗變形或破裂的能力。剛度：外應(yīng)力作用下材料抵抗彈性變形能力。21.1基礎(chǔ)內(nèi)容55結(jié)構(gòu)材料性質(zhì)的表徵----材料力學(xué)性質(zhì)疲勞強度：材料抵抗交變應(yīng)力作用下斷裂破壞的能力?？谷渥冃裕翰牧显诤愣☉?yīng)力（或恒定載荷）作用下抵抗變形的能力。韌性：材料從塑性變形到斷裂全過程中吸收能量的能力。2.1.1基礎(chǔ)內(nèi)容56強度範疇剛度範疇塑性範疇韌性範疇應(yīng)力應(yīng)變2.1.1基礎(chǔ)內(nèi)容57材料的物理性質(zhì)磁學(xué)性質(zhì)光學(xué)性質(zhì)電學(xué)性質(zhì)導(dǎo)電性絕緣性介電性抗磁性順磁性鐵磁性光反射光折射光學(xué)損耗光透性熱學(xué)性質(zhì)導(dǎo)熱性熱膨脹熱容熔化注：上面只列出了材料的主要物理性質(zhì)2.1.1基礎(chǔ)內(nèi)容58物理性質(zhì)的交互性----材料應(yīng)用的關(guān)鍵點現(xiàn)代功能材料不僅僅表現(xiàn)出單一的物理性質(zhì)，更重要的是具備了特殊的物理交互性。例如：電學(xué)----機械 電致伸縮機械----電學(xué) 壓電特性磁學(xué)----機械 磁致伸縮電學(xué)----磁學(xué) 巨磁阻效應(yīng)電學(xué)----光學(xué) 電致發(fā)光

------2.1.1基礎(chǔ)內(nèi)容59使用性能：是指材料在最終使用狀態(tài)（產(chǎn)品、元

件）下表現(xiàn)出的行為?？煽啃?、耐用度、壽命、性能價格比、安全性，及材料固化為產(chǎn)品後，表徵產(chǎn)品優(yōu)良程度的各種性能指標，如飛行速度.使用溫度等。使用性能描述符2.1.1基礎(chǔ)內(nèi)容60在某種環(huán)境或條件作用下，為描述材料的行為或結(jié)果，按照特定的規(guī)範所獲得的表徵參量。性能定義2.1.1基礎(chǔ)內(nèi)容61材料力學(xué)性能1.強度表徵：彈性極限 屈服強度 比例極限

……2.1.1基礎(chǔ)內(nèi)容62材料力學(xué)性能2.塑性表徵： 延伸率δ

斷面收縮率φ

沖杯深度h2.1.1基礎(chǔ)內(nèi)容63材料力學(xué)性能2.1.1基礎(chǔ)內(nèi)容3.硬度表徵： 布氏硬度 洛氏硬度 維氏硬度

……64材料力學(xué)性能2.1.1基礎(chǔ)內(nèi)容4.剛度表徵： 彈性模量 楊氏模量 剪切模量

……65材料力學(xué)性能2.1.1基礎(chǔ)內(nèi)容5.疲勞強度表徵： 疲勞極限 疲勞壽命

……66材料力學(xué)性能2.1.1基礎(chǔ)內(nèi)容6.抗蠕變性表徵： 蠕變極限 持久強度

……67材料力學(xué)性能2.1.1基礎(chǔ)內(nèi)容7.韌性表徵： 斷裂韌性KIC

斷裂韌性JIC

68材料物理性能2.1.1基礎(chǔ)內(nèi)容1.電學(xué)性能表徵： 導(dǎo)電率 電阻率

介電常數(shù)

……

69材料物理性能2.1.1基礎(chǔ)內(nèi)容2.磁學(xué)性能表徵： 磁導(dǎo)率 矯頑力

磁化率

…… 70材料物理性能2.1.1基礎(chǔ)內(nèi)容3.光學(xué)性能表徵： 光反射率 光折射率

光損耗率

……

71材料物理性能2.1.1基礎(chǔ)內(nèi)容4.熱學(xué)性能表徵： 熱導(dǎo)率 熱膨脹係數(shù)

熔點 比熱

……

722.性質(zhì)與使用性能的區(qū)別與關(guān)係成分結(jié)構(gòu)環(huán)境性質(zhì)規(guī)範使用性能所以，性能是包括材料在內(nèi)的整個系統(tǒng)特徵的體現(xiàn)；

性質(zhì)則是材料本身特徵的體現(xiàn)。2.1.2性質(zhì)與性能的區(qū)別與關(guān)係73性能是隨著外因的變化而不斷變化，是個漸變過程，在這個過程中發(fā)生量變的積累，而性質(zhì)保持質(zhì)的相對穩(wěn)定性；當(dāng)量變達到一個“度”時，將發(fā)生質(zhì)變，材料的性質(zhì)發(fā)生根本的變化。2.1.2性質(zhì)與性能的區(qū)別與關(guān)係74需要注意的一點在材料科學(xué)研究及工程化應(yīng)用中，材料人員應(yīng)具備這樣一種能力：能針對不同的使用環(huán)境，提取出關(guān)鍵的材料性質(zhì)並選擇優(yōu)良性能的材料。2.1.2性質(zhì)與性能的區(qū)別與關(guān)係753.失效分析----材料使用性能的重要研究內(nèi)容2.1.3失效分析76斷裂磨損腐蝕三類主要的材料力學(xué)失效形式2.1.3失效分析77TITANIC2.1.3失效分析78材料的斷裂韌性2.1.3失效分析794.材料（產(chǎn)品）使用性能的設(shè)計

在材料使用性能（產(chǎn)品）設(shè)計的同時，力求改變傳統(tǒng)的研究及設(shè)計路線，將材料性質(zhì)同時考慮進去，採取並行設(shè)計的方法。3.1.4材料（產(chǎn)品）使用性能的設(shè)計80傳統(tǒng)方式：結(jié)構(gòu)與功能確定材料的性質(zhì)先進方式：結(jié)構(gòu)與功能材料的性質(zhì)完成設(shè)計2.1.4材料（產(chǎn)品）使用性能的設(shè)計（選擇材料）81汽車噴油嘴的設(shè)計--方案一頂錐運動方向軟磁材料高壓油吸上：噴油彈下：封閉電磁體材料性質(zhì)要求高磁導(dǎo)率低矯頑力頂錐回應(yīng)時間約為毫秒級問題：由於慣性原因，造成噴油時間滯後使燃燒效率降低，造成燃料損耗和環(huán)境污染。例2.1.4材料（產(chǎn)品）使用性能的設(shè)計82頂錐長度變化高磁致伸縮材料收縮：噴油復(fù)原：封閉頂錐回應(yīng)時間約為微秒級材料性質(zhì)要求高的磁致伸縮係數(shù)優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，燃燒效率高，環(huán)境污染降低。汽車噴油嘴的設(shè)計--方案二例磁場21.4材料（產(chǎn)品）使用性能的設(shè)計835.材料性能資料庫從事材料工程的人們必須注重材料性能資料庫，因為：材料性能資料庫是材料選擇的先決條件；材料性能資料庫是實現(xiàn)電腦輔助選材（CAMS）、電腦輔助設(shè)計（CAD）、電腦輔助製造（CAM）的基礎(chǔ)。2.1.5材料性能資料庫84國際材料資料庫建設(shè)簡況英、美金屬學(xué)會合建金屬材料資料庫西方七國組成有關(guān)新材料數(shù)據(jù)及標準的“凡爾賽計畫”原蘇聯(lián)及東歐各國組成了COMECON材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)，包括16個數(shù)據(jù)庫北京科技大學(xué)等單位聯(lián)合建成材料腐蝕資料庫武漢材料保護研究所建成材料磨損資料庫北京鋼鐵研究總院建立合金鋼資料庫航太航空部材料研究所建立航太材料資料庫2.1.5材料性能資料庫85主要結(jié)構(gòu)材料的產(chǎn)量統(tǒng)計2.1.6其他問題6.其他問題86§2.2成分與結(jié)構(gòu)1.材料的結(jié)構(gòu)2.成分結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)3.與其它要素的關(guān)係4.材料的成分.結(jié)構(gòu)資料庫5.新的機遇87

1.材料的結(jié)構(gòu)2.2.1材料的結(jié)構(gòu)鍵合結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)88

材料的結(jié)構(gòu)----鍵合結(jié)構(gòu)2.2.1材料的結(jié)構(gòu)離子建共價鍵金屬鍵化學(xué)鍵氫鍵分子鍵物理鍵結(jié)合能陶瓷材料高分子材料金屬材料冰（H20）鹵族晶體注：1.有些陶瓷材料屬共價鍵化合物，如SiC陶瓷；

2.分子鍵又稱範德瓦爾斯力

3.實際晶體並非只有一種鍵合結(jié)構(gòu)，如冰晶（共價鍵、氫鍵）892.2.1材料的結(jié)構(gòu)晶體：原子排列長程有序，有週期

材料的結(jié)構(gòu)----晶體結(jié)構(gòu)非晶體：原子排列短程有序，無週期準晶體：原子排列長程有序，無週期90定義：組成材料的不同物質(zhì)表示出的某種形態(tài)特徵2.2.1材料的結(jié)構(gòu)

材料的結(jié)構(gòu)----組織結(jié)構(gòu)勻晶型組織共晶型組織包晶型組織相圖特徵結(jié)構(gòu)特徵馬氏體組織奧氏體組織貝氏體組織…...組合特徵單相組織兩相組織多相組織…...912.成分、結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)現(xiàn)代材料科學(xué)家對材料成分、結(jié)構(gòu)的認識是由分析、檢測實現(xiàn)的。2.2.2成分、結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)92成分分析化學(xué)分析：化驗物理分析：物理量間接測定譜學(xué)分析：紅外光譜、光電子能譜，等2.2.2成分、結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)93結(jié)構(gòu)分析22.2成分、結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)94磷錫青銅鑄造組織105倍2.2.2成分、結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)95掃描電鏡像----AlN纖維形貌2.2.2成分、結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)962.2.2成分、結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)掃描電鏡像----六方AlN晶體形貌97β-Si3N4β-Si3N45nm無壓燒結(jié)Si3N4材料---透射電鏡像：原子排列面2.2.2成分、結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)982.2.2成分、結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)場離子顯微鏡像----S3N4晶須形貌992.2.2成分、結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)掃描隧道顯微鏡像----方鋁礦（100）解理面PbS1002.2.2成分、結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)掃描隧道顯微鏡像在掃描隧道顯微鏡下，在矽（111）表面直接取出原子而“刻寫”出平均線寬為2納米的字體。1013.與其它要素的關(guān)係是材料性質(zhì)的原因是合成加工的結(jié)果2.2.3與其它要素的關(guān)係102材料的強度2.2.3與其它要素的關(guān)係金屬材料的尺寸減小到一定值時，材料的工程強度值不再恒定，而是迅速增大，原因有兩點：1）按統(tǒng)計學(xué)原理計算單位面積上的位錯缺陷數(shù)目，由於截面減小而不能滿足大樣本空間時，這個數(shù)值不再恒定；2）晶體結(jié)構(gòu)越來越接近無缺陷理想晶體，強度值也就越接近於理論強度值-----結(jié)構(gòu)是性能的原因。103塑性加工2.2.3與其它要素的關(guān)係金屬材料隨塑性加工量的增大，組織結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的變化：等軸晶---帶狀組織---細晶組織------是加工的結(jié)果104材料的強韌化------位錯理論的建立固溶強化加工硬化彌散強化第二相強化相變增韌2.2.3與其它要素的關(guān)係1054.成分、結(jié)構(gòu)資料庫X衍射資料庫：建立了結(jié)構(gòu)---測定參數(shù)的關(guān)係相圖資料庫：建立了成分---相的關(guān)係注：這兩個數(shù)據(jù)庫對材料科學(xué)家的研究提供了極大的便利，幾乎所有材料合成的研究都是從瞭解上面兩個對應(yīng)關(guān)係的研究開始的。具有一種晶體結(jié)構(gòu)的物質(zhì)稱為一相2.2.4成分、結(jié)構(gòu)資料庫1065.成分、結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域的新機遇準晶準晶的結(jié)構(gòu)潛在的應(yīng)用價值NEW納米材料納米碳管C60(巴基球)，等介面科學(xué)超導(dǎo)體與基體的介面結(jié)構(gòu)功能複合材料的梯度介面半導(dǎo)體材料與封裝材料的介面纖維增強體與基體的結(jié)合介面2.2.5成分、結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域的新機遇107以上新的研究課題，都主要是圍繞成分與結(jié)構(gòu)展開的，向上追溯到材料的合成與加工，向下則牽聯(lián)到材料的特徵性質(zhì)。可以說，這些研究是新材料新技術(shù)的代表。2.2.5成分、結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域的新機遇108§2.3合成與加工1.定義2.合成與加工的主要內(nèi)容3.與其它要素的關(guān)係4.發(fā)展方向1091.定義“合成”與“加工”是指建立原子、分子和分子團的新排列，在所有尺度上（從原子尺寸到宏觀尺度）對結(jié)構(gòu)的控制，以及高效而有競爭力地製造材料與元件的演化過程。合成是指把各種原子或分子結(jié)合起來製成材料所採用的各種化學(xué)方法和物理方向。加工可以同樣的方式使用，還可以指較大尺度上的改變，包括材料製造。2.3.1定義1102.3.1定義需要說明的問題在材料科學(xué)與工程中，合成和加工之間的區(qū)別變得越來越模糊合成是新技術(shù)開發(fā)和現(xiàn)有技術(shù)改進的關(guān)鍵性要素現(xiàn)代材料合成技術(shù)是人造材料的唯一實現(xiàn)途徑1112.3.2合成與加工的主要內(nèi)容材料製備材料加工表面工程材料複合2.合成與加工的主要內(nèi)容112一．材料的製備2.3.2合成與加工的主要內(nèi)容一．材料的製備冶金過程熔煉與凝固粉末燒結(jié)高分子聚合113不同的材料製備方法，分別具有不同的材料科學(xué)基礎(chǔ)內(nèi)容，即：冶金過程冶金物理化學(xué)熔煉與凝固凝固學(xué)理論粉末燒結(jié)燒結(jié)原理高分子聚合聚合反應(yīng)2.3.2合成與加工的主要內(nèi)容一．材料的製備1142.3.2合成與加工的主要內(nèi)容一．材料的製備冶金過程（化學(xué)冶金）目的：從原料中提取出金屬火法冶金熔鹽電冶金濕法冶金．．．．．．內(nèi)容:煉鐵、煉銅電解鋁、鎂水溶液電解鋅冶金過程115熔煉與凝固（物理冶金）2.3.2合成與加工的主要內(nèi)容一．材料的製備目的:１．金屬的精練提純 ２．材料的“合金化” ３．晶體的生長內(nèi)容:1.平衡凝固 4.區(qū)域熔煉

2.快速凝固5.玻璃的熔煉

3.定向凝固6.熔融法提拉單晶熔煉與凝固1162.3.2合成與加工的主要內(nèi)容一．材料的製備目的:

１.粉末成型

2.粉末顆粒的結(jié)合內(nèi)容:1.粉末冶金技術(shù)

2.現(xiàn)代陶瓷材料的製備粉末燒結(jié)粉末燒結(jié)1172.3.2合成與加工的主要內(nèi)容一．材料的製備目的:實現(xiàn)小分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，相互結(jié)合形 成高分子。高分子聚合是人工合成三大 類高分子材料：塑膠、橡膠、合成纖維 的基本過程。內(nèi)容:1.本體聚合 3.懸浮聚合

2.乳液聚合 4.溶液聚合 高分子聚合高分子聚合118二．材料的加工2.3.2合成與加工的主要內(nèi)容二．材料的加工傳統(tǒng)意義上，材料的加工範疇包括四個方面：材料的切削：車、銑、刨、磨、切、鑽材料的成型：鑄造、拉、拔、擠、壓、鍛材料的改性：合金化、熱處理材料的聯(lián)接：焊接、粘接注：從課程體系上分析，材料的切削應(yīng)在機械工程中重點討論。119三大類材料的成型技術(shù)在材料工程中是內(nèi)容最為豐富的一部分。如果按材料的流變特性來分析，則材料的成型方法可分為三種：１．液態(tài)成型２．塑變成型

3.流變成型金屬的鑄造、溶液紡絲金屬的壓力加工金屬、陶瓷、高分子成型2.3.2合成與加工的主要內(nèi)容二．材料的加工材料的成型材料的成型120液態(tài)成型ABC液相區(qū)液固區(qū)固相區(qū)成分溫度AC鑄造BC半固態(tài)成型流變鑄造觸變鑄造研究的內(nèi)容：1.凝固過程2.成型工藝3.流變特性2.3.2合成與加工的主要內(nèi)容二．材料的加工材料的成型121塑變成型A高應(yīng)力低形變量實現(xiàn)加工硬化B應(yīng)變應(yīng)力冷加工熱加工AB低應(yīng)力大形變量實現(xiàn)超塑性變形2.3.2合成與加工的主要內(nèi)容二．材料的加工材料的成型1222.3.2合成與加工的主要內(nèi)容二．材料的加工材料的成型流變成型金屬的半固態(tài)成型高分子材料的熔融成型陶瓷泥料、漿料成型玻璃的熔融澆注123目的：通過改變材料的成分、組織 與結(jié)構(gòu)來改變材料的性能。內(nèi)容:１.材料的“合金化”

2.材料的熱處理2.3.2合成與加工的主要內(nèi)容二．材料的加工材料的改性材料的改性124材料的“合金化”2.3.2合成與加工的主要內(nèi)容二．材料的加工材料的改性通過改變材料的成分，達到改變材料性能的方法。這種方法在金屬材料和現(xiàn)代高分子材料的改性方面有廣泛的應(yīng)用。成分溫度ABCαα+β金屬材料的合金化過程ABαα’固溶度變化改變性能ACαα+β相組成變化改變性能固溶度變化改變性能125材料的熱處理2.3.2合成與加工的主要內(nèi)容二．材料的加工材料的改性通過一定的加熱、保溫、冷卻工藝過程，來改變材料的相組成情況，達到改變材料性能的方法。這種方法在金屬材料和現(xiàn)代陶瓷材料的改性方面有廣泛的應(yīng)用。典型熱處理工藝淬火、退火、回火、正火1262.3.2合成與加工的主要內(nèi)容二．材料的加工材料的改性時間溫度成分溫度vv0v>v0淬火工藝通過快速冷卻，獲得遠離平衡態(tài)的不穩(wěn)定組織，達到強化材料的目的。127時間溫度淬火正火3.3.2合成與加工的主要內(nèi)容二．材料的加工材料的改性正火工藝在奧氏體狀態(tài)下，空氣或保護氣體冷卻獲得珠光體均勻組織，提高強度，改善韌性。1282.3.2合成與加工的主要內(nèi)容二．材料的加工材料的改性時間溫度退火工藝通過緩慢冷卻，獲得接近平衡態(tài)的組織，達到均勻化、消除內(nèi)應(yīng)力的目的。1292.3.2合成與加工的主要內(nèi)容二．材料的加工材料的改性時間溫度回火工藝淬火或正火的材料重新加熱。目的在於鬆懈淬火應(yīng)力和使組織向穩(wěn)態(tài)過度，改善材料的延展性和韌性，並穩(wěn)定工件的尺寸。130目的：實現(xiàn)材料間的整體結(jié)合內(nèi)容:1.焊接 3.鉚接

2.粘接 4.栓接3.3.2合成與加工的主要內(nèi)容二．材料的加工材料的聯(lián)接材料的聯(lián)接131三．材料表面工程2.3.2合成與加工的主要內(nèi)容三．材料表面工程表面改性表面防護薄膜技術(shù)1323.3.2合成與加工的主要內(nèi)容三．材料表面工程表面改性----改變材料表面的性質(zhì)三束表面改性化學(xué)表面改性（化學(xué)熱處理）表面淬火表面改性133從工藝機理上分析，表面改性同整體材料的改性是相同的，即：在表面實現(xiàn)材料的成分、組織與結(jié)構(gòu)的變化，達到改變材料表面性能的目的。不同點就是採用了特殊的能量輸入方式，使能量作用效果或成分變化僅發(fā)生在表面。3.3.2合成與加工的主要內(nèi)容三．材料表面工程表面改性1343.3.2合成與加工的主要內(nèi)容三．材料表面工程表面改性三束表面改性雷射光束---組織變化電子束---組織變化離子束---成分、組織變化細晶化均勻化非晶化金屬元素合金化1353.3.2合成與加工的主要內(nèi)容三．材料表面工程表面改性離子束改性對表面應(yīng)力狀況的影響B(tài)C強度極限疲勞極限A---原始受力狀態(tài)B---改性受力狀態(tài)C---最終受力狀態(tài)AAB1363.3.2合成與加工的主要內(nèi)容三．材料表面工程表面改性化學(xué)表面改性（化學(xué)熱處理）改變材料表面的化學(xué)成分---化學(xué)滲入成分溫度ABCαα+β心部濃度表面C+N+Me+C01373.3.2合成與加工的主要內(nèi)容三．材料表面工程表面防護表面淬火

高頻淬火電磁能集膚電流表面熱能

火焰淬火氣體化學(xué)反應(yīng)表面熱能熱處理組織改變性能改變138

腐蝕防護

摩擦磨損防護3.3.2合成與加工的主要內(nèi)容三．材料表面工程表面防護表面防護139腐蝕防護

大氣腐蝕

海水腐蝕

工業(yè)介質(zhì)腐蝕3.3.2合成與加工的主要內(nèi)容三．材料表面工程表面防護140！由腐蝕造成的材料失效量，占世界材料總產(chǎn)量的比例很高，腐蝕問題十分嚴重。因此，腐蝕防護非常重要。3.3.2合成與加工的主要內(nèi)容三．材料表面工程表面防護1413.3.2合成與加工的主要內(nèi)容三．材料表面工程表面防護美國八個工業(yè)部門對材料性質(zhì)的需求情況142化學(xué)反應(yīng)-----腐蝕的原因3.3.2合成與加工的主要內(nèi)容三．材料表面工程表面防護主動防護被動防護合金化非晶化高純度表面塗鍍表面改性表面鈍化電化學(xué)保護抗蝕材料143摩擦磨損防護

增加抗磨損性

增加潤滑性3.3.2合成與加工的主要內(nèi)容三．材料表面工程表面防護144薄膜技術(shù)有許多種薄膜技術(shù)能夠在基材表面覆蓋薄膜材料層，其中最重要的兩種方法是：物理氣相沉積PVD化學(xué)氣相沉積CVD3.3.2合成與加工的主要內(nèi)容三．材料表面工程薄膜技術(shù)145隨著材料科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，薄膜技術(shù)已不僅僅是材料改性的手段。更重要的是，現(xiàn)代薄膜技術(shù)在高新技術(shù)領(lǐng)域，如：微電子器件、納米結(jié)構(gòu)與組裝、光電子器件，等方面正發(fā)揮著越來越重要的作用。3.3.2合成與加工的主要內(nèi)容三．材料表面工程薄膜技術(shù)146四．材料的複合3.3.2合成與加工的主要內(nèi)容四．材料的複合金屬基複合材料陶瓷基複合材料高分子複合材料1473.3.2合成與加工的主要內(nèi)容四．材料的複合材料複合的主要目的就是依據(jù)不同材料性能的優(yōu)勢互補、協(xié)調(diào)作用的原則，進行材料的設(shè)計與製備。因此材料複合的過程就是材料製備、改性、加工的統(tǒng)一過程。複合材料的製備過程融合了金屬、陶瓷、高分子材料製備的基本原理。目前材料科學(xué)的發(fā)展，複合的概念越來越重要，出現(xiàn)了許多新型的複合材料及製備方法。1483.3.2合成與加工的主要內(nèi)容

現(xiàn)代材料的合成與加工不僅涉及到微觀和宏觀範圍內(nèi)的內(nèi)容，同時也涉及到更微細化，甚至達到了原子尺度範圍上的問題，因此，這裏論述的合成與加工的內(nèi)涵要大於通常所說的材料工程的內(nèi)涵。1493.與其它要素的關(guān)係3.3.3與其它要素的關(guān)係從材料的產(chǎn)生到進入使用過程，直至損耗，四大要素存在著邏輯上的因果順序，即：合成與加工結(jié)構(gòu)與成分材料性質(zhì)使用性能產(chǎn)生具備提供1503.3.3與其它要素的關(guān)係151提拉法制取單晶矽3.3.3與其它要素的關(guān)係152大尺寸單晶矽3.3.3與其它要素的關(guān)係153α-相β-相生長介面定向凝固共晶組織的生長3.3.3與其它要素的關(guān)係154定向凝固共晶組織的渦輪葉片3.3.3與其它要素的關(guān)係155近終形技術(shù)製備的葉片3.3.3與其它要素的關(guān)係1563.3.4發(fā)展趨勢

在極端化的條件下，完成合成與加工過程，獲得更多的功能特性。

例：超純條件------單晶矽晶片高壓條件------人工金剛石低溫條件------超導(dǎo)體超細條件------納米材料4.發(fā)展趨勢157我國與工業(yè)發(fā)達國家材料加工存在很大差距3.3.4發(fā)展趨勢158大尺寸、高均勻性、高完整性的晶體生長技術(shù)；高精度晶片加工技術(shù)；MOCVD、MBE超薄膜生長技術(shù)；高純和超高純材料純制技術(shù)；低維材料的微細加工和製備技術(shù)；高均勻超細粉體制備技術(shù)；電子陶瓷、磁性材料的焙燒和成型技術(shù)；材料的修飾或改性技術(shù)；電子材料合成與加工的關(guān)鍵技術(shù)3.3.2合成與加工的主要內(nèi)容159由此看出：我國在合成與加工方面同先進國家的差距還很大，許多關(guān)鍵技術(shù)落後的根源都歸到這裏。因此提高材料合成與加工的技術(shù)水準是我們的最重要的課題。3.3.4發(fā)展趨勢160§3.4儀器與設(shè)備1.成分、結(jié)構(gòu)表徵儀器2.材料性能的檢測儀器2.合成與加工過程中使用的設(shè)備3.過程控制的探測元件及裝置1611.成分結(jié)構(gòu)表徵儀器

材料成分結(jié)構(gòu)的表徵儀器是從事材料科學(xué)研究必備的手段，如同天文望遠鏡將人類視野帶到了一個遙遠的宇宙空間一樣，材料成分結(jié)構(gòu)表徵儀器則將我們的觀察引進一個更為絢麗多彩的微觀世界。162

隨著儀器能檢測到的下限值不斷減小，材料研究者所獲取的資訊也在不斷增多，對材料本質(zhì)的認識也在不斷加深。 材料科學(xué)研究使用的儀器、設(shè)備的精密程度代表了一個國家的綜合科技水準。163164165166167磷錫青銅鑄造組織105倍168掃描電鏡像----AlN纖維形貌169掃描電鏡像----六方AlN晶體形貌170β-Si3N4β-Si3N45nm無壓燒結(jié)Si3N4材料---透射電鏡像：原子排列面171場離子顯微鏡像----S3N4晶須形貌172掃描隧道顯微鏡像----方鋁礦（100）解理面PbS173掃描隧道顯微鏡174鐳射拉曼光譜儀175電子能譜儀176超導(dǎo)核磁共振儀177高分辨電子顯微鏡178多功能核磁共振波譜儀179電子順磁共振波譜儀180色譜--質(zhì)譜聯(lián)用儀181原子探針場離子顯微鏡182電子能譜183掃描隧道顯微鏡雙準直離子散射儀高解析度電子損耗光譜儀角分辨光電子能譜儀俄歇能譜儀低能電子衍射儀低能電子顯微鏡自旋極化測量場離子顯微鏡原子探針材料表面科學(xué)中使用的儀器184

材料性能的測定儀器是將性能的三要素（外界環(huán)境、表現(xiàn)行為、表徵參量）融合在一個系統(tǒng)中完成，即，由儀器輸入或模擬一個使用環(huán)境（條件），使受測材料發(fā)生回應(yīng)（結(jié)果），然後儀器再將回應(yīng)的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號表現(xiàn)出來（數(shù)值）。2.材料性能的測定儀器185有許許多多種材料的力學(xué)、物理、化學(xué)單項性能，每種性能都分別對應(yīng)了相應(yīng)的測定方法和儀器。這些儀器構(gòu)成了一個龐大的材料性能測定儀器家族。186多功能內(nèi)耗儀187六聯(lián)旋轉(zhuǎn)高溫陶瓷夾具188疲勞內(nèi)耗超聲衰減儀189蠕變--疲勞實驗機190陶瓷材料高溫蠕變實驗機191陶瓷高溫疲勞實驗機192

材料合成與加工過程是在一個限定的空間，在給定的條件下進行的。用以滿足空間需求和提供外加條件的各種裝置或部件的組合就構(gòu)成了材料合成與加工設(shè)備的主體。同時，設(shè)備中還包含了關(guān)鍵的控制系統(tǒng)。3.合成與加工設(shè)備193空間條件： 各類反應(yīng)容器、坩堝、熔煉爐外力條件： 氣壓、液壓、機械壓制、衝擊力（波）介質(zhì)環(huán)境： 真空設(shè)備、不同的氣氛條件能量供給： 電力系統(tǒng)、加熱裝置、輻照裝置、鐳射發(fā)生器物質(zhì)輸送： 氣、液管路、機械進給裝置194雙低能離子束薄膜沉積設(shè)備195納米材料製備設(shè)備196超淨(jìng)工作室197單晶爐198單晶矽爐199冷等靜壓機200噴霧制粉設(shè)備2014.過程控制的探測元件和裝置感測器是控制系統(tǒng)“感知”加工過程的“器官”。感測器從過程中獲得的信號主要包括：聲、光、電、磁、熱、壓力、流速、濃度，等202用於感測器的無機非金屬敏感材料203§2.5分析與建模（材料設(shè)計）1.引言2.材料設(shè)計的基本內(nèi)容3.材料設(shè)計電腦基礎(chǔ)2041.引言

隨著材料科學(xué)的飛速發(fā)展，新型材料不斷湧現(xiàn)，與此同時，人類社會的整體科技水準也在不斷的提高，因此對材料科學(xué)又提出了更高的要求。 傳統(tǒng)“炒菜式”的材料研製方法已不能滿足人們的要求?！安牧显O(shè)計”應(yīng)運而生。205核心問題：

用什麼樣的配方，什麼樣的合成加工條件，來獲取具有什麼樣的成分、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的材料。206“材料設(shè)計”構(gòu)想始於50年代，80年代後實現(xiàn)“材料設(shè)計”的條件漸趨成熟。表現(xiàn)在以下三個方面：1）基礎(chǔ)理論的形成和發(fā)展量子力學(xué)，統(tǒng)計力學(xué)，能帶理論，化學(xué)鍵理論等理論科學(xué)的發(fā)展使人們對材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的關(guān)係有了系統(tǒng)的瞭解；2072）電腦科學(xué)技術(shù)的發(fā)展電腦高速運算，模式識別，資料庫技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展，為材料設(shè)計與過程仿真的實施提供了手段；3）合成與加工新技術(shù)的湧現(xiàn)各種新型材料合成加工技術(shù)為材料設(shè)計方案的實施提供了條件，同時材料智能加工又為合成加工的優(yōu)化開闢了新方向。208材料設(shè)計貫穿於材料“四要素”的各個方面，即：2.材料設(shè)計的內(nèi)容成分結(jié)構(gòu)設(shè)計性質(zhì)性能預(yù)測合成加工過程的控制與優(yōu)化209將性質(zhì)截然不同的材料在原子、分子水準上均勻混合，形成原子、分子層次的複合材料例如：高分子聚乙烯和難熔重金屬鎢的雜化材料微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計案例1：雜化材料210同傳統(tǒng)複合材料的區(qū)別：複合材料 不同的組成相複合雜化材料 不同的組成原子（分子）複合同固溶體的區(qū)別：固溶體 熱力學(xué)平衡體系雜化材料 熱力學(xué)非平衡體系211通過對原子排列的計算，可以瞭解到晶體材料的晶體學(xué)結(jié)構(gòu)。案例2：晶體結(jié)構(gòu)計算212準晶照片213計算的剖面圖214215金屬間化合物：處於相圖中間的除固溶體以外的合金相。許多金屬間化合物都是重要的功能材料，如：儲氫材料，超導(dǎo)材料，磁性材料，高溫結(jié)構(gòu)材料，磁滯伸縮材料等。案例3：金屬間化合物預(yù)報2161969年前已知預(yù)報可能存在CaCu5型化合物的預(yù)報名單217案例4：超晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計超晶格結(jié)構(gòu)：通過外延生長的方法，使兩種材料以極薄的薄膜方式交替疊合，從而沿生長方向在原晶格常數(shù)為a（幾個埃）的晶格勢場上，引入了一個週期為d（100埃數(shù)量級）的一維週期勢，這種一維週期勢結(jié)構(gòu)就稱為超晶格結(jié)構(gòu)。218219超晶格結(jié)構(gòu)使原來的能帶分裂為一系列微小能帶，可使電子能夠在這些微能帶間發(fā)生躍遷，從而導(dǎo)致各種新的物理現(xiàn)象產(chǎn)生。如：量子尺寸效應(yīng)、室溫激子非線性光子效應(yīng)、遷移率增強效應(yīng)、量子霍耳效應(yīng)、共振隧穿效應(yīng)。220

利用超晶格結(jié)構(gòu)的概念，在原子尺度上進行材料的組份及結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計，改變材料的能帶結(jié)構(gòu)，採用先進的製備方法，人工合成各式奇特物理性質(zhì)的新材料和新器件?！軒Чこ?21製備方法：

分子束外延（MBE） 金屬有機化合物化學(xué) 氣相沉積（MOCVD） 化學(xué)束外延（CBE） 原子層外延（ALE）222雙生長空的MBE設(shè)備，用於半導(dǎo)體超晶格結(jié)構(gòu)材料和器件的研製223分子束外延設(shè)備MBE224全自動MOCVD設(shè)備225應(yīng)用領(lǐng)域光電腦器件（自電光效應(yīng)器件SEED）遠紅外探測器量子霍耳電阻，作為電阻自然基準超高速電子器件226重要的四個材料設(shè)計領(lǐng)域連續(xù)介質(zhì)的材料設(shè)計各種物理場的數(shù)值模擬合金的微觀組織形成斷裂力學(xué)分析複合材料的介面梯度設(shè)計2271.模擬熱傳導(dǎo)過程2.模擬應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)3.模擬物質(zhì)擴散過程4.模擬流體傳輸過程5.模擬電磁場分佈規(guī)律

各種物理場的數(shù)值模擬228

合金顯微組織的形成

建模在合金凝固過程中的重要作用。特別是對於大型或特大型鑄件，為保證澆注過程的一次成功和避免經(jīng)濟損失，進行全過程的電腦仿真是極其必要的。229共晶組織230α-相β-相生長介面定向凝固共晶組織的生長----材料設(shè)計231

不同加工條件下獲得的組織，將表現(xiàn)出不同的材料性能。這些加工條件包括許多因素，如：成分、溫度梯度及方向、重力、振動、雜質(zhì)元素、雜質(zhì)相、液固介面等。將這些因素的物理表徵參量包括在一個數(shù)學(xué)模型中，即模型建立，通過電腦數(shù)值計算及對結(jié)果的電腦仿真，就可以瞭解到合金凝固過程及凝固的組織特徵。232

材料中裂紋的形成和擴展的研究是微觀斷裂力學(xué)的核心問題。

斷裂的分析233陶瓷纖維增韌的設(shè)計方案

----對裂紋擴展的影響（物理模型）裂紋走向張應(yīng)力壓應(yīng)力234裂紋擴展過程中，裂紋、纖維（晶須）、基體三元素體系的變化情況：纖維拔斷纖維拔出纖維與基體間滑動纖維（晶須）偏轉(zhuǎn)纖維周圍的應(yīng)力狀態(tài)改變235裂紋擴展過程中能量的增量

⊿E=E1+E2+---+E5（數(shù)學(xué)模型）對數(shù)學(xué)模型的數(shù)值計算，能夠獲得材料的宏觀抗斷裂性能----定量預(yù)測236太空飛行器表面防護材料的梯度設(shè)計

複合材料的介面梯度設(shè)計

表面防護材料的梯度設(shè)計的主要內(nèi)容就是進行由表層到內(nèi)部的材料成分、結(jié)構(gòu)的梯度設(shè)計，從而降低不同材料結(jié)合面之間的應(yīng)力梯度。237金屬氫製備的飛塊設(shè)計飛塊為在射出後，在飛行過程中提高反射激波的吸收能量，增加飛行動能，要求對飛塊進行梯度設(shè)計金屬氫飛塊激波爆炸衝擊波238宏觀系統(tǒng)的全過程或全因素的設(shè)計物質(zhì)流與能量流的平衡設(shè)計過程中的全因素優(yōu)化設(shè)計材料的智能加工239非晶帶的生產(chǎn)2401.合金熔液的成分、溫度及甩帶量有一定的限定值2.冷卻速度、冷凝輥轉(zhuǎn)速、液流量、帶寬和帶厚之間有一定的比值241非晶帶制取設(shè)備242連鑄連軋結(jié)晶器軋輥金屬液軋板243要求：（1）金屬液的流入量、拉坯速度、後段軋板的運行速度的定比關(guān)係（2）流入結(jié)晶器的金屬液溫度、拉坯速度、後段軋製量、材料的力學(xué)性能之間的定比關(guān)係在保證上述兩個基本條件下，進行全過程的材料設(shè)計。（注：寶鋼，鞍鋼就建立這一大型實際課題委託東北大學(xué)完成）244全過程材料的設(shè)計

合成與加工支持與維護

廢棄與回收

全過程、全因素優(yōu)化設(shè)計全因素性能指標

加工性失效分析

成本指標

環(huán)境因素（包括能源、資源、環(huán)境）245

在材料的製造--廢棄的全過程中，對設(shè)計的各種因素進行綜合的優(yōu)化設(shè)計，將是材料科學(xué)與工程領(lǐng)域又一新的研究課題，需要材料科學(xué)家，機械製造工程師，數(shù)學(xué)家，經(jīng)濟學(xué)家等各類人員密切合作方能完成。246

近年來，日本許多產(chǎn)品（特別是汽車，電子元件）的品質(zhì)有壓倒美國的趨勢。為保持美國在國際上的優(yōu)勢，美國採取的對策之一就是材料的智能加工。優(yōu)點： 實現(xiàn)材料加工的自動化 提高材料的品質(zhì) 提高性能的重現(xiàn)性 降低產(chǎn)品的廢品率

材料的智能加工247如圖所示，在材料智能加工過程中，感測器是一個很重要的因素。各種類型的感測器同加工體系、專家系統(tǒng)構(gòu)成了一個完整的材料智能加工系統(tǒng)。加工系統(tǒng)專家系統(tǒng)感測器248玻璃鋼球罐自動化加工249用於感測器的無機非金屬敏感材料250

物理場的數(shù)值模擬常用工程數(shù)學(xué)的電腦處理幾種重要的數(shù)學(xué)軟體電腦過程控制3.材料設(shè)計的電腦基礎(chǔ)251物理場的數(shù)值模擬252常用工程數(shù)學(xué)的電腦處理

概率分佈誤差分析參數(shù)估計數(shù)值分析曲線擬合最優(yōu)化方法253推薦幾種重要的數(shù)學(xué)應(yīng)用軟體大型統(tǒng)計軟體 SPSS有限元數(shù)值計算及優(yōu)化 ANSYS具有多種數(shù)學(xué)功能 MATHLAB254電腦過程控制

電腦介面技術(shù)電腦圖形學(xué)與圖象處理技術(shù)電腦即時控制碳鋼的分類1。按碳的品質(zhì)百分數(shù)分：低碳鋼（C：≤0.25％）中碳鋼（C：0.25％≤C≤0.6％）高碳鋼（C：＞0.6％）2。按鋼的品質(zhì)分（主要是雜質(zhì)硫、磷的含量）：普通碳素鋼（S≤0.055％，P≤0.045％)

優(yōu)質(zhì)碳素鋼（S≤0.040％，P≤0.040％)

高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼（S≤0.030％，P≤0.035％)3。按用途分：碳素結(jié)構(gòu)鋼：主要用於橋樑、船舶、建築構(gòu)件、機器零件等碳素工具鋼：主要用於刀具、模具、量具等含碳量越高，硬度、強度越大，但塑性降低碳鋼的牌號與用途普通碳素結(jié)構(gòu)鋼：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275等。數(shù)字表示最低屈服強度。

Q195、Q215、Q235塑性好，可軋製成鋼板、鋼筋、鋼管等。

Q255、Q275可軋製成型鋼、鋼板等。用途優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：鋼號以碳的平均品質(zhì)萬分數(shù)表示。如20＃、45＃等。20＃表示含C：0.20%（萬分之20）。用途主要用於製造各種機器零件碳鋼的牌號與用途碳素工具鋼：鋼號以碳的平均品質(zhì)千分數(shù)表示，並在前冠以T。如T9、T12等。T9表示含C：0.9%（千分之9）。用途主要用於製造各種刀具、量具、模具等鑄鋼：鑄鋼牌號是在數(shù)字前冠以ZG，數(shù)字代表鋼中平均品質(zhì)分數(shù)（以萬分數(shù)表示）。如ZG25，表示含C：0.25%。用途主要用於製造形狀複雜並需要一定強度、塑性和韌性的零件，如齒輪、聯(lián)軸器等。碳鋼的常規(guī)熱處理退火將鋼加熱到適當(dāng)溫度，保溫一定時間，然後緩慢冷卻（隨爐冷卻），以獲得接近於平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝。正火完全退火、等溫退火、球化退火、擴散退火、去應(yīng)力退火將鋼件加熱到AC3和Acm以上30－50度，保持適當(dāng)時間後，在空氣中冷卻，得到珠光體類組織的熱處理工藝。碳鋼的常規(guī)熱處理淬火將鋼件加熱到奧氏體化後，快速冷卻，使組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的熱處理工藝。所得的馬氏體的形態(tài)與鋼的成分、原始奧氏體晶粒的大小以及形成條件有密切關(guān)係。奧氏體晶粒越小，馬氏體越細?；鼗饘摷慊疳?，為了消除內(nèi)應(yīng)力並獲得所要求的性能，將其加熱到AC1以下的某一溫度，保溫一定時間，然後冷卻到室溫的熱處理工藝。合金鋼合金鋼分類鐵及鐵基合金在碳鋼中加入一種或多種合金元素，形成的鋼稱之為合金鋼。按所含合金元素的多少分：低合金鋼（總品質(zhì)分數(shù)低於5％）、中合金鋼（總品質(zhì)分數(shù)5％－10％）、高合金鋼（總品質(zhì)分數(shù)高於10％）。按主要合金元素種類分：鉻鋼、鉻鎳鋼、錳鋼、矽錳鋼等。按用途分：結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊性能鋼。合金元素的作用鐵及鐵基合金1。合金元素與鐵的作用：合金元素加入鋼中，首先溶於鐵形成固溶體，超過溶解度極限時與碳形成化合物。合金元素溶與鐵，形成合金鐵素體或合金奧氏體。合金元素溶於鐵素體會使鋼的室溫強度提高，這種作用稱為固溶強化。2。合金元素與碳的作用：對於與碳的親和力較弱的合金元素，不與碳發(fā)生作用，只溶於鐵素體或奧氏體中；對於與碳的親和力較強的合金元素，當(dāng)品質(zhì)分數(shù)較低時，與鐵一起形成合金滲碳體，當(dāng)品質(zhì)分數(shù)較高時，形成合金碳化物。不銹鋼鐵及鐵基合金能在大氣和一般腐蝕性介質(zhì)中具有很高耐蝕性的鋼種。用途主要用來製造在各種腐蝕性介質(zhì)中工作並具有較高抗腐蝕能力的零件或結(jié)構(gòu)件。廣泛用於石油、化工、原子能、海洋開發(fā)、國防和一些先端科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。鐵及鐵基合金合金元素的作用1。耐腐蝕性要求越高，碳的品質(zhì)分數(shù)應(yīng)越低；2。加入主要的合金元素Cr。Cr能提高基體的電極電位。在氧化性介質(zhì)中極易鈍化，形成緻密的氧化膜，提高耐腐蝕性3。加入合金元素Ni?？色@得單項的奧氏體組織，顯著提高耐腐蝕性並改善鋼的塑性，通過熱處理還可以改善鋼的強度。鐵及鐵基合金合金元素的作用5。加入合金元素Ti、Nb等：能優(yōu)先同C形成穩(wěn)定的碳化物，使Cr保留在基體中，避免晶界貧Cr，提高鋼的耐腐蝕性。6。加入合金元素Mn、N等：部分替代Ni以獲得奧氏體組織，並能提高鉻不銹鋼在有機酸中的耐腐蝕性。4。加入合金元素Mo、Cu等：提高鋼在非氧化性酸中的耐腐蝕能力。鑄鐵鐵及鐵基合金碳的品質(zhì)分數(shù)大於2.11%的鐵碳合金稱之為鑄鐵，通常還含有較多的Si、Mn、S、P等元素。用途鑄鐵時工程上最常用的金屬材料，廣泛應(yīng)用在機械製造、冶金、礦上、石油化工。交通等領(lǐng)域。例如，鑄鐵在農(nóng)業(yè)機械中占40－60％，在汽車拖拉機中占50－70％，在機床製造中占60－90％。鑄鐵的生產(chǎn)設(shè)備和工藝簡單，價格便宜。鐵及鐵基合金鐵碳合金中碳的存在形式間隙固溶與鐵化合態(tài)的滲碳體游離態(tài)的石墨亞穩(wěn)態(tài)，在一定條件下分解為鐵和石墨穩(wěn)定態(tài)，可以從鑄鐵溶液中析出，也可以從奧氏體中析出鐵及鐵基合金鑄鐵的種類根據(jù)石墨化程度的不同，鑄鐵的類型和組織也不同?；铱阼T鐵白口鑄鐵麻口鑄鐵各種鑄鐵的力學(xué)性能見表3－4，P43鐵及鐵基合金鑄鐵性能特點石墨的形態(tài)對鑄鐵的力學(xué)性能影響較大?；铱阼T鐵的抗拉前強度和塑性較低，這是因為石墨對基體的嚴重割裂所造成的。石墨相當(dāng)於鋼基體中的裂紋和空洞，它減小基體的抗拉強度，並引起應(yīng)力集中。石墨量越多，鑄鐵的抗拉強度越低。鐵及鐵基合金石墨的存在對鑄鐵的特殊作用1。鑄鐵的切削加工性能優(yōu)異；2。鑄鐵的鑄造性能良好；3。鑄鐵具有耐磨性；4。鑄鐵具有良好的減振性；5。鑄鐵對缺口不敏感；對鑄鐵的作用。非鐵及其合金鋁及鋁合金銅及銅合金鈦及鈦合金鎂及鎂合金鋁及鋁合金鋁及鋁合金的特點密度低、比強度高。純鋁的密度只有2700kg/m3，僅為鐵的1/4。優(yōu)良的物理、化學(xué)性能。導(dǎo)電性能好、磁化率低、耐腐蝕等。加工性能好。鑄造性能好、易於塑性變形，經(jīng)熱處理後還具有很高的強度。鋁及鋁合金純鋁名稱純度用途高純鋁99.93%-99.99%科學(xué)研究、製作電器工業(yè)高純鋁98.85%-99.9%鋁箔、鋁合金原料工業(yè)純鋁98.0%-99.0%電線、電纜、配置合金純鋁中含有Fe、Si、Zn等元素時，會使性能下降純鋁的強度很低，不能用作結(jié)構(gòu)材料鋁合金鋁及鋁合金合金元素的作用鋁中加入合金元素後，可提高合金的強度，並保持良好的加工性能。提高強度的方法固溶強化時效強化彌散強化細晶強化鋁及鋁合金鋁合金的種類變形鋁合金鑄造鋁合金用途鋁絲、鋁箔、鋁合金型材等複雜形狀的鑄件等銅及銅合金銅及銅合金的特點優(yōu)良的物理、化學(xué)性能。導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好、耐腐蝕等，是抗磁材料。加工性能好。容易冷熱成形，鑄造銅合金鑄造性能好。具有某些特殊力學(xué)性能。比如優(yōu)良的減摩性和耐摩性高的彈性極限和疲勞強度。色澤美觀。銅及銅合金純銅純銅為紫色，又稱紫銅。主要用於製作電導(dǎo)體及配製合金。工業(yè)純銅分為4種：T1、T2、T3、T4。編號越大，純度越低。純銅的強度低，不宜用作結(jié)構(gòu)材料銅及銅合金銅合金種類銅中加入合金元素後，可提高合金的強度，並保持良好的加工性能。銅合金的種類黃銅青銅白銅以Zn為主要合金元素。良好的加工性能，優(yōu)良的鑄造性能，耐腐蝕性能也好。以Sn為主要合金元素。用於鑄造形狀複雜的零件?？垢g性比黃銅還好。以Ni為主要合金元素。具有較好的強度和塑性，能進行冷加工變形，抗腐蝕性能也好。鈦及鈦合金鈦及鈦合金的特點密度低、比強度高。耐高溫、耐腐蝕性能、低溫韌性好等。加工條件複雜，成本較高。鈦及鈦合金純鈦鈦的密度低，熔點高，線膨脹係數(shù)小。導(dǎo)熱性差。純鈦塑性好，強度高，可以加工成細絲和薄片。鈦在大氣、海水及酸堿中的抗腐蝕性能好。純鈦的晶體結(jié)構(gòu)882.5度以上：密排六方結(jié)構(gòu)，稱為α－Ti882.5度以下：體心立方結(jié)構(gòu)，稱為β－Ti鈦及鈦合金鈦合金的種類α－鈦合金鈦中加鋁、硼等α穩(wěn)定元素獲得α－Ti合金。這種合金的室溫強度較低，但高溫（500－600度）強度很高。抗氧化性、抗蠕變性以及焊接性能良好。鈦中加入鉬、鉻、釩等元素後可獲得β－Ti合金。這種合金的強度高，衝壓性能好，並可通過淬火和時效獲得強化。這種合金的塑性好，容易鍛造、壓延和衝壓，並可通過固溶和時效進行強化。熱處理後的強度可提高50％－100％。α＋β－鈦合金β－鈦合金鎂及鎂合金純鎂的特點密度低、比強度高。純鎂的密度只有1749kg/m3，僅為鐵的1/4、鋁的2/3。鎂的電極電位較低，抗腐蝕性能差。鎂屬於密排六方結(jié)構(gòu)，因此塑性變形能力差。鎂及鎂合金鎂合金的特點低比重：工業(yè)用材料中最輕量材料（鋁的2/3重）高比強度：優(yōu)於鋼和鋁

震動吸收性好：可將震動能吸收並轉(zhuǎn)化成熱放出易機械加工

耐衝擊性好電磁遮罩性好可再生利用：有利於環(huán)境優(yōu)化鎂及鎂合金鎂合金的種類變形鎂合金鑄造鎂合金用途鎂合金各種型材複雜形狀的鑄件等第四章：無機非金屬材料結(jié)構(gòu)陶瓷材料功能陶瓷材料傳統(tǒng)日用、建築材料本章主要內(nèi)容無機非金屬材料概論什麼是無機非金屬材料？金屬材料和有機高分子材料以外的固體材料通稱為無機非金屬材料。主要特性：熔點高、硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、耐氧化、彈性模量大、強度高。一般為脆性材料傳統(tǒng)陶瓷無機非金屬材料的種類陶瓷水泥玻璃特種陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷功能陶瓷陶瓷材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)陶瓷材料的結(jié)合鍵陶瓷材料的組成相的結(jié)合鍵為離子鍵（MgO、Al2O3）、共價鍵（金剛石、Si3N4）以及離子鍵與共價鍵的混合鍵以離子鍵結(jié)合的晶體稱為離子晶體。離子晶體在陶瓷材料中佔有很重要的地位。它具有強度高、硬度高、熔點高、等特點。但這樣的晶體脆性大，無延展性，熱膨脹係數(shù)小，固態(tài)時絕緣，但熔融態(tài)可導(dǎo)電等特點。金屬氧化物晶體主要以離子鍵結(jié)合，一般為透明體。陶瓷材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)陶瓷材料的結(jié)合鍵以共價鍵結(jié)合的晶體稱為共價晶體。共價晶體具有方向性和飽和性，因而共價鍵晶體的原子堆積密度較低。共價鍵晶體具有強度高、硬度高、熔點高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特點。但它脆性大，無延展性，熱膨脹係數(shù)小，固態(tài)、熔融態(tài)時都絕緣。最硬的金剛石、SiC、Si3N4、BN等材料都屬於共價晶體。陶瓷材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)陶瓷材料的相組成晶體相晶體相是陶瓷材料最主要的組成相，主要是某些固溶體或化合物，其結(jié)構(gòu)、形態(tài)、數(shù)量及分佈決定了陶瓷材料的特性和應(yīng)用。晶體相又分為主晶相、次晶相和第三相。陶瓷中晶體相主要有含氧酸鹽（矽酸鹽、鈦酸鹽等）、氧化物（MgO、Al2O3）、非氧化物（SiC，Si3N4）等。矽氧四面體是矽酸鹽陶瓷中最基本的結(jié)構(gòu)單元。陶瓷材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)陶瓷材料的相組成玻璃相玻璃相是陶瓷材料中原子不規(guī)則排列的組成部分，其結(jié)構(gòu)類似於玻璃。玻璃相的作用是：將分散的晶體相粘結(jié)起來，填充晶體之間的空隙，提高材料的緻密度；降低燒成溫度，加快燒結(jié)過程；阻止晶體轉(zhuǎn)變、抑止晶粒長大。玻璃相對陶瓷強度、介電常數(shù)、耐熱性能是不利的。陶瓷材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)陶瓷材料的相組成氣相（氣孔）陶瓷中氣孔主要是坯體各成分在加熱過程中單獨或互相發(fā)生物理、化學(xué)作用所生成的空隙。這些空隙可由玻璃相來填充，還有少部分殘留下來形成氣孔。氣孔對陶瓷的性能是不利的。它降低材料的強度，是造成裂紋的根源。陶瓷材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)陶瓷材料的晶體缺陷點缺陷陶瓷材料晶體中存在的置換原子、間隙原子和空位等缺陷稱之為點缺陷。陶瓷材料的很多性質(zhì)如導(dǎo)電性與點缺陷有直接關(guān)係。此外，陶瓷材料的燒結(jié)、擴散等物理化學(xué)過程也與點缺陷有關(guān)。陶瓷材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)陶瓷材料的晶體缺陷線缺陷位錯是陶瓷材料晶體中存在線缺陷。陶瓷材料中位錯形成所需要的能量較大，因此，不易形成位錯。陶瓷材料中位錯密度很低。陶瓷材料主要是離子鍵和共價鍵。這兩種結(jié)合鍵造成位錯的可動性降低。當(dāng)位錯滑移事，離子鍵中同號離子相斥，導(dǎo)致離子鍵斷裂；而共價鍵的方向性和飽和性，具有確定的鍵長和鍵角，位錯的滑移也會導(dǎo)致共價鍵的破斷。陶瓷材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)陶瓷材料的晶體缺陷面缺陷陶瓷材料一般是多晶材料。多晶材料中存在的晶界和亞晶界就是陶瓷材料中的面缺陷。我們知道晶粒細化可以提高材料的強度。晶界對金屬材料和陶瓷材料強度的提高作用機理是不同的。對金屬材料來說，晶界阻礙位錯的運動，從而強化了材料；而對陶瓷材料來說，利用晶界兩側(cè)晶粒取向的不同來阻止裂紋的擴展，提高強度。陶瓷材料的性能特點力學(xué)性能硬度陶瓷的硬度很高，多為1000Hv～1500Hv（普通淬火鋼的硬度500～800Hv）。陶瓷硬度高的原因是離子晶體中離子堆積密度大、以及共價晶體中電子雲(yún)的重疊程度高引起的。剛度陶瓷的剛度很高。剛度是由彈性模量衡量的，而彈性模量又反映其化學(xué)鍵的鍵能。離子鍵和共價鍵的鍵能都要高於金屬鍵，因此陶瓷材料的彈性模量要高於金屬材料。陶瓷材料的性能特點力學(xué)性能強度強度陶瓷材料的強度取決於鍵的結(jié)合力，理論強度很高。但陶瓷中由於組織的不均勻性，內(nèi)部雜質(zhì)和各種缺陷的存在，使得陶瓷材料的實際強度要比理論強度低100多倍。陶瓷材料的強度也受晶粒大小的影響。晶粒越細，強度越高。此外，陶瓷材料一般具有優(yōu)於金屬材料的高溫強度，高溫抗蠕變能力強，且有很高的抗氧化性。常用於高溫材料。陶瓷材料的性能特點力學(xué)性能塑性與韌性陶瓷材料的塑性和韌性較低，這是陶瓷最大的弱點。陶瓷材料受到載荷時在不發(fā)生塑性變形的情況下，就發(fā)生斷裂。斷裂是裂紋形成和擴展的過程。陶瓷內(nèi)部和表面所產(chǎn)生的微裂紋，由於裂紋尖端的應(yīng)力集中，內(nèi)部裂紋在受到外應(yīng)力時擴展很快，這是導(dǎo)致陶瓷材料斷裂的根本原因。陶瓷材料的性能特點熱學(xué)性能熔點陶瓷材料由離子鍵和共價鍵結(jié)合，因此具有較高的熔點。熱容熱膨脹陶瓷材料在低溫下熱容小，在高溫下熱容增大。陶瓷材料的熱膨脹係數(shù)小，這是由晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵決定的。一般為10－5～10－6/K。陶瓷材