1、材料科学与工程导论,主讲人：黄艳琴南京邮电大学材料科学与工程学院 2011年11月17日,材料科学与工程的核心问题,材料科学与工程的核心问题是揭示材料成分-结构-工艺-性能的关系。材料的性能是材料研究的出发点和目标。材料的化学成分和组织结构是影响材料性能的直接因素。加工过程通过改变材料的组织结构影响性能。,下图为材料科学与工程四要素：,第二章 材料学纲要 一、材料的成分与组织结构,铸铁（含碳量2.114 %）,锰钢（增加强度和韧性）,碳钢（含碳量0.32.11 %）,不锈钢（Cr 18%, Ni 8%，提高耐腐蚀和抗氧化性）,材料的化学成分,指组成材料的元素种类及其含量，通常用质量分数表示。,
2、质谱仪：可测量分子的分子量。根据带电粒子在电磁场中能够偏转的原理，按物质分子碎片的质量差异进行分离和检测物质组成的一类仪器。质谱仪以离子源、质量分析器和离子检测器为核心。,用于材料成分结构检测的仪器,元素分析仪：根据被测样品在燃烧后得到的二氧化碳、水和氮气含量定量测量样品中的碳、氢、氮等元素的含量。,核磁共振仪：将被检测物置于特殊的磁场中，用无线电射频脉冲激发氢原子核，引起氢原子核共振，并吸收能量。在停止射频脉冲后，氢原子核按特定频率发出射电信号，并将吸收的能量释放出来，被接受器收录，经电子计算机处理获得图像。,用于材料成分结构检测的仪器,材料结构关系,材料的结构包括：原子结构、原子排列的方式
3、（晶体和非晶体）、结构缺陷、相结构、显微组织（显微镜下的微观结构）等。哪些主要因素能够影响和改变结构？只有了解了这些才能实现控制结构的目的。,材料科学诞生的理论基础,相平衡,原子和晶体学说,显微组织研究,1、显微组织,眼见为实：一个证据的可见性质要比任何理论具有更高的价值钢锭缓慢冷却凝固时得到的长柱状晶粒（宏观组织）：钢锭快速冷却凝固时得到的细小晶粒（显微组织）：宏观组织 显微组织显微技术的进步： 显微镜发展至今可以说是有了三代显微镜。这也使得人们对于微观世界的认识越来越深入，从微米级，亚微米级发展到纳米级乃至原子分辨率。,光学显微镜,1830年代后期，由M.Schleide和T.Schman
4、n所发明；它使人类“看”到了致病的细菌、微生物和微米级的微小物体，对社会的发展起了巨大的促进作用，至今仍是主要的显微工具 。但光学显微镜分辨率取决于光的波长，因此受到可见光波长的限制。,电子显微镜,1924年，德布罗意发现单能量的电子束具有波的特性，几千伏的加速电压得到的波长比可见光小许多，可用于成像，提高分辨率；后来发现电子束可被x射线衍射，证实了德布罗意的理论。20世纪三十年代，卢斯卡（E.Ruska）发明了电子显微镜，使人类能“看”到病毒等亚微米的物体，它与光学显微镜一起成了微电子技术的基本工具。,扫描探针显微镜,也可称为纳米显微镜。1981年，IBM Zurich 实验室的比尼格和罗勒
5、发明了扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,简称STM)，使人类实现了观察单个原子的原望；1985年比尼格应奎特（C.F.Quate）发明了可适用于非导电样品的原子力显微镜（AFM），也具有原子分辨率，与扫描隧道显微镜一起构建了扫描探针显微镜（SPM）系列。,Gerd Binnig,Heinrich Rohrer,扫描隧道显微镜的原理,1、 隧道电流,根据量子力学中电子的隧道效应，金属中电子云密度并不在表面边界处突变为零。在金属表面以外，电子云密度呈指数衰减，衰减长度约为1nm。用一个极细的、只有原子线度的金属针尖作为探针，将它与被研究物质（称为样品）的表
6、面作为两个电极，当样品表面与针尖非常靠近（距离1nm）时，两者的电子云略有重叠。这样，通过电子云的电子流就会在表面和探针间的距离变化极为灵敏。,金属表面与针尖的电子云图,2、样品表面的扫描,隧道电流 I 对针尖与样品表面之间的距离 S极为敏感，如果 S 减小0.1nm，隧道电流就会增加一个数量级。当针尖在样品表面上方扫描时，即使其表面只有原子尺度的起伏，也将通过其隧道电流显示出来。借助于电子仪器和计算机的反馈，在屏幕上即显示出样品表面的高分辨率三维图像。,3、STM的工作模式,金薄膜的扫描照片,2、相平衡,相的定义： 在相同的温度、压力和成分条件下，系统中单个均匀部分称为相； 相是空间区域均匀
7、的部分，原则上它们可以与系统中其它相机械的分离出来； 一个相与系统中的其它部分有清晰的界限；可以含有一种或多种化学组元，在系统达到平衡时，相的成分是均匀的。 相变： 外界条件发生变化的过程中，物相于某一特定条件下（临界值）时发生突变。从一种结构变成另一种结构，如气、液、固相的转变，或固体中不同晶体结构间的转变。,水的相图,（1）在水、冰、水蒸气三个区域内，体系都是单相，必须同时指定温度和压力两个变量，体系的状态才能完全确定；（2）三条实线是两个区域的交界线，指定了温度就不能指定压力，压力应由体系自定，反之亦然；在交界线分别发生水-冰、冰-水蒸气、水-水蒸气的相变；（3）三条实线的交点称为三相点
8、，该点三相共存，温度和压力都由体系自定，其温度为273.16 K，压力为610.62 Pa。,3、原子结构,1879年 J.J Thomson 发现电子（electron),揭示了原子内部秘密 1911年 E.Rutherford提出原子结构有核模型 1913年 N.Bohr结合 Bohr 原子模型,M. Plank和A. Einstein量子论 Rutherford 原子有核模型,原子结构的量子理论,原子核：位于原子中心，带正电 电子: 核外高速旋转，带负电，按能量高低排列,核外电子的排布规律： 能量最低原理 保里不相容原理 洪特规则,4、结合键,一、金属键（Metallic bonding
9、）,典型的金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（valence electron）极易 挣脱原子核之束缚而成为自由电子（Free electron），形成电子云（electron cloud），金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键。 性质：良好导电、导热性能，延展性好,二、离子键（Ionic bonding)多数盐类、碱类和金属氧化物,特点：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列，且无方向性，无饱和性性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体，但在熔融状态或溶于水后能导电。,三、共价键（covalent bonding） 亚金属（C、Si、Sn、 Ge），聚合物和无机非金
10、属材料 实质：由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对而成,特点：饱和性，方向性 性质：熔点高、质硬脆、导电能力差,实质： 金属原子 带正电的正离子非金属原子 带负电的负离子,e,静电作用力,四、范德华力（Van der waals bonding),属物理键，次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质,五、氢键（Hydrogen bonding）极性分子键，存在于HF、H2O、NH3等中，氢原子中唯一的电子被其它电负性大且半径小的原子所共有，裸露原子核将与近邻分子的含孤电子对的负端相互吸引氢桥，介于化学键与物理键之间，具有饱和性。,HF氢键示意图,极性分子间的范德华力键示意图,5
11、、固体结构,晶体结构的基本特征：原子（或分子、离子）在三维空间 呈周期性重复排列 ，即存在长程有序（long-range order）性能上两大特点： 固定的熔点（melting point）各向异性（anisotropy）,X射线衍射仪,1895年，著名的德国物理学家伦琴发现了X射线。 1912年，德国物理学家劳厄等人发现了X射线在晶体中的衍射现象，确证了X射线是一种电磁波。 1912年，英国物理学家Bragg父子利用X射线衍射测定了NaCl晶体的结构，并发现了x射线的粒子性，即具有波粒二象性，从此开创了X射线晶体结构分析的历史。,X射线的波长： 102 102 ,晶体的空间点阵（Space
12、 lattice）1. 空间点阵的概念将晶体中原子或原子团抽象为纯几何点（阵点 lattice point）， 即可得到一个由无数几何点在三维空间排列成规则的阵列空间点阵特征：每个阵点在空间分布必须具有完全相同的周围环境2晶胞（Unite cells）描述空间点阵中阵点排列方式的最小体积单元，是平行六面体结构,选取晶胞的原则：,) 选取的平行六面体应与宏观晶体具有同样的对称性； ）平行六面体内的棱和角相等的数目应最多； ）当平行六面体的棱角存在直角时，直角的数目应最多； ）在满足上条件，晶胞应具有最小的体积。,3.晶系与布拉菲点阵（Crystal System and Bravais Latt
13、ice）7个晶系，14个布拉菲点阵,底心单斜,简单三斜,简单单斜,底心正交,简单正交,面心正交,体心正交,简单菱方,简单六方,简单四方,体心四方,简单立方,体心立方,面心立方,固溶体,化合物：加盟组元与基本组元原子以一定的比值重新组合形成新的晶体结构。,单质,置换型固溶体：溶质原子占据点阵的固溶体,间隙型固溶体：溶质原子占据原子间隙的固溶体,加盟组元在晶体中的存在形式,加盟组元原子占据基本组元原子晶体中所占位置的一部分或它们之间的某些间隙，而仍然保持基本组元的晶体结构。加盟组元称为溶质，基本组元称为溶剂。,6、结构缺陷,点缺陷 线缺陷 面缺陷 体缺陷,原子完全规则排列的晶体只是理想的物质，实际
14、晶体总免不了存在一些原子不规则排列的局部区域，根据这些区域所占空间的几何特点，分别称为：,一、点缺陷,无机非金属材料中最重要也是最基本的结构缺陷是点缺陷。根据点缺陷相对于理想晶格位置的偏差状态，点缺陷具有不同的名称： 间隙原子（或离子）：指原子（或离子）进入正常格点位置之间的间隙位置，成为间隙原子（离子）； 空位：正常格点位置出现的原子或离子空缺； 杂质原子（或离子）：晶体组分以外的原子进入晶格中，即为杂质。杂质原子可以取代晶体中正常格点位置上的原子（离子），称为置换原子（离子）；也可进入正常格点位置之间的间隙位置，成为填隙的杂质原子（离子）。,二、线缺陷晶体内部偏离周期性点阵结构的一维缺陷称
15、为线缺陷。晶体中最重要的一种线缺陷是位错，在电子显微镜下可直接看到。位错在晶体的强度、断裂、相变以及其他结构敏感性问题中起着重要作用。,三、面缺陷晶体内偏离周期性点阵结构的二维缺陷称为面缺陷，主要有层错、晶界、相界等，在光学显微镜下即可看到。,四、体缺陷晶体内部偏离周期性点阵结构的三维缺陷称为体缺陷，主要有包裹体、空洞、夹杂物，第二相等。,二、材料的性能,1、物理性质,材料的物理性质是指材料本身具有的各种物理量(热、电、光、磁等)以及环境变化时它们的变化程度。,密度,导热性,热膨胀系数,单位体积物质的质量 Kg/M3 单位质量的物质所占的体积 M3/Kg,物体内温度梯度为1/M时，在单位时间、
16、单位面积内传递的热量,温度上升1时，单位长度的伸长量,比容,电阻率与电导率,电阻温度系数,熔点,物质由固态转变为液态的温度，反映固态下原子间结合力。,电阻率为单位长度和单位截面积导体的电阻，其倒数称为电导率。,温度上升1时，电阻率 的变化系数。,正电阻温度系数：导体的电阻率随温度的升高而增大。 负电阻温度系数：半导体材料的电阻率随温度的升高而减小。如以锰、钴、镍和铜等金属氧化物材料具有半导体性质，温度低时，这些材料的载流子（电子和孔穴）数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。,2、化学性质,反映材料与各种化学试剂发生化学反应的可能性和反应速度大小的相关参数。,
17、工程材料主要考虑其耐腐蚀性、耐氧化性，电化学材料主要考察电极电位、储能密度等。,材料由于周围环境介质侵蚀而造成的损伤和破坏均称为腐蚀。有化学腐蚀和电化学腐蚀等不同形式。腐蚀速度与材料、介质、温度、应力、辐照因素有关。腐蚀不仅影响零件质量，并且可以造成零件早期损坏，防腐设计应考虑材料的选择和防腐措施相结合。,3、力学性质,指材料处于特定环境因素（温度、介质等）时，在外力或能量作用下表现出来的变形和破坏的特征。,通常把作用在材料上的外力或能量称为载荷或负荷。材料的主要力学性能有：,塑性强度硬度弹性,冲击韧性疲劳特性耐磨性,三、材料的分类,材料（以声，光，电，磁，热等物理、化学性能或效应为特征的材料
18、）。按组成和结合健性质分类：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料以及复合材料。按使用领域分类：建筑材料、电子材料、医用材料、仪表材料、能源材料等。,按材料的用途分类：结构材料（以强度，刚度，韧性，耐劳性，硬度，疲劳强度等力学性能为特征的材料）和功能,包括纯金属及其合金。合金是由两种或两种以上元素组成，其中至少有一种为金属元素组成具有金属性的材料。金属材料的结合健为金属健，熔点较高，延展性大，导热和导电性好，这是由于它的导电是自由电子的运动所决定的。,钢铁材料(黑色金属)：,钢,铸铁,非铁金属材料(有色金属)：,轻金属 Al Mg Ca Na ,重金属 Cu Ni Pb Sn Zn ,贵金属
19、 Ag Au Pb Rb Ir,稀有金属 Zr Ti Nb ,稀土金属 Re(Y Nd ),放射性金属 Ra U Th ,1. 金属材料,2. 无机非金属材料,主要包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等按性能和用途分类：传统陶瓷和广义陶瓷 传统陶瓷材料主要由粘土、石英等组成，广义陶瓷也称特种陶瓷、精细陶瓷、 高技术陶瓷、先进陶瓷，可分为金属氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷，如碳、氮、硼、硅等的化合物。无机非金属材料的基本属性： 化学健主要是离子键、共价健以及它们的混合键；硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感；熔点高，具有优良的耐高温和化学稳定性；一般自由电子数目少、导热性和导电性较小；耐化学腐蚀性好； 耐
20、磨损。,价键四面体,以C、H、 O 、N元素为基础，由大量结构相同的有机单元聚合组成，分子量大，并在某一范围内变化。按用途分类：塑料、合成纤维、橡胶等；塑料是重要的高分子材料，分为通用塑料（制造薄膜、容器和包装用品）和工程塑料（力学性能较高、耐高温）。 通用塑料：聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料等。 工程塑料：聚酰胺（尼龙）、聚碳酸酯、聚酰亚胺和氟塑料等。高分子材料的基本属性： 结合健主要为共价健，部分范德华键； 分子量大，无明显的熔点； 力学状态有玻璃态、高弹态和粘流态； 强度较高，质量轻； 良好的绝缘性和化学稳定性。,3. 有机高分子材料,价键四面体,三大材料的交叉,由两种或两
21、种以上性质不同的原材料组合得到，使原材料的性能得到充分发挥，并通过复合化得到单一材料所不具备的性能的材料。按基体材料分类：金属、无机非金属基、有机高分子材料基复合材料；按增强材料分类：纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料；复合材料的独特之处： * 可设计性； * 发挥复合效应的优越性； * 材料性能对复合工艺的依赖性；复合材料的优点： * 比强度大； * 耐疲劳性能好； * 阻尼减震性好； * 破损安全性好。复合材料的缺点： * 制备工艺复杂，而且制备方法在材料之间常常不通用； * 当前复合材料的性能仍远远低于计算值。,4. 复合材料,Thank you for your attention!,
