【正文】 材料科學(xué)與工程方法論 中南大學(xué) 王德志 材料科學(xué)與工程的整體觀 材料結(jié)構(gòu)、性能與表征的因果關(guān)系 材料設(shè)計與制備的統(tǒng)一性 四 方法論概述 一 三 五 提綱 六 環(huán)境、能源、信息、軍工、鐵道材料的發(fā)展觀 材料科學(xué)與工程研究的客觀規(guī)律性 二 四 、材料結(jié)構(gòu)、性能與表征的因果關(guān)系 材料的結(jié)構(gòu)與 性能 核心關(guān)系 其核心是圍繞 : “結(jié)構(gòu)與性能” 的相互辯證關(guān)系 材料的結(jié)構(gòu)與 性能 組織結(jié)構(gòu) 材料性能 材料的結(jié)構(gòu)與 性能 ? 材料的合成與制備 ：研究獲取材料的手段，以工藝技術(shù)的進步為標(biāo)志； ? 成分與組織結(jié)構(gòu) ：反映材料的本質(zhì)，是認識材料的理論基礎(chǔ)； ? 材料特性 ：表征了材料固有的性能，是選用材料的重要依據(jù)； ? 服役行為與使用壽命 ：與材料的加工和服役條件相結(jié)合來考察材料的使用壽命，它往往成為 MSE 的最終目標(biāo)。 合成與制備 材料特性 成分與 組織結(jié)構(gòu) 服役行為與壽命 材料的結(jié)構(gòu)與 性能 化學(xué)成分 組成 制備 加工工藝 組織結(jié)構(gòu) 性 能 結(jié)構(gòu)表征與 性能檢測 工作條件 ? 定義： 表明材料的組元及其排列和運動方式 。 (1) 組元：一般用材料中原子的種類和數(shù)量來表示成分 ， 原子種類叫組元 。 (2) 排列方式：組元間的排列方式取決于組元間的結(jié)合類型 。 (3) 運動方式：用文字描述或參量來表達原子 (或分子 )及電子的運動 。 ? 結(jié)構(gòu)的測定 ： 通過人眼來確定 。 具有以下特點： (1) 籍助于可見光入射在材料的斷面上； (2) 從反射光獲得斷口的圖象； (3) 從已有的知識對圖象進行判斷 ， 作出結(jié)論； (4) 分辨能力約 ； (5) 斷面上的外來物質(zhì)或其它環(huán)境因素對于圖象及判斷可以有干擾 。 材料的 結(jié)構(gòu) ? 材料的晶體結(jié)構(gòu)： (1) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)： a. 典型的晶體結(jié)構(gòu) 在金屬元素中 ， 約 90%以上的金屬晶體結(jié)構(gòu)屬于如下三種密排的晶格形式： 體心立方 () 面心立方 () 密排六方 () bodycentered cubic facecentered cubic hexagonal closepacked 材料的 結(jié)構(gòu) b. 實際的晶體結(jié)構(gòu) ◆ 點缺陷：是一種在三維空間各個方向上尺寸都很小 ， 尺寸范圍約為一個或幾個原子間距的缺陷 。 如空位 (正常晶格結(jié)點上 ， 未被原子占有而空著的位置 )、 間隙 (不占有正常的晶格位置 ， 而處在晶格間隙中的多余原子 )、 置換原子 (置換晶格結(jié)點上的原子 ，占據(jù)正常結(jié)點 )。 空位 置換原子 間隙原子 點缺陷的存在 ， 原子間作用力的平衡被破壞 ， 周圍其它原子發(fā)生靠攏或撐開的不規(guī)則排列 ， 此變化為晶格畸變 。 材料的 結(jié)構(gòu) ◆ 線缺陷：是在三維空間兩維方向尺寸較小 ， 在另一維方向 的尺寸相對較大的缺陷 。 如位錯 。 位錯：是晶體中的某處有一列或若干列原子發(fā)生了 某種有規(guī)律的錯排現(xiàn)象 。 位錯對材料的強度理論有很大貢獻 。 ◆ 面缺陷：是在三維空間一維方向上尺寸很小 ， 另外兩維 方向上尺寸較大的缺陷 。 主要是晶界和亞晶界。 多晶體中 ， 晶粒位向不同 ， 存在位向差 ， 晶粒交界處原子排列不一致 ， 存在一個過渡層 ， 即晶界 。 實際晶體中 ， 這三種缺陷隨加工條件變化而變化 ， 可產(chǎn)生 、 發(fā)展 ， 也可消失 ， 對材料性能有很大影響 。 材料的 結(jié)構(gòu) (2) 非金屬的晶體結(jié)構(gòu) a. 陶瓷的組織結(jié)構(gòu)： 陶瓷： 是由金屬和非金屬的無機化合物所構(gòu)成的多晶固體物質(zhì) ， 實際上是各種無機非金屬材料的總稱 。 晶體結(jié)構(gòu)：以離子鍵為主的離子晶體 (呈晶態(tài) ) 以共價鍵為主的共價晶體 (呈非晶態(tài) ) 組織：晶相：是主要組成相 。 (主晶相 、 次晶相 、 第三晶相 ) 材料的性能取決于主晶相 。 玻璃相： 高溫?zé)Y(jié)時各組成物與雜質(zhì)反應(yīng)后形成的一種非晶態(tài)物質(zhì) 。 其作用是將分散的晶相粘結(jié)在一起 ， 抑制晶粒長大 ， 填充氣孔 。 缺點：強度低 、 熱穩(wěn)定性差 ， 應(yīng)控制在一定范圍 。 (20~40%) 氣相：即材料中的氣孔 ， 使性能下降 。 (若要求材料密度小 ， 絕熱性好 ， 則希望一定氣相 ) 材料的 結(jié)構(gòu) b. 高分子材料的結(jié)構(gòu)： 高分子材料：以高分子化合物為主要組分的材料 。 高分子化合物是分子中 含原子數(shù)很多 ， 分子量很大的物質(zhì) 。 高分子亦稱大分子 ， 高 分子化合物又稱高聚物或聚合物 。 結(jié)構(gòu)： 大分子鏈的組成：非金屬或非金屬元素組成 。 大分子鏈的構(gòu)型： 即高聚物結(jié)構(gòu)單元的排列順序和連接方式 。 大分子鏈的形態(tài)： 線型結(jié)構(gòu)：整個分子呈細長線條狀 支鏈型結(jié)構(gòu)：主鏈上有一些或長或短支鏈 體型結(jié)構(gòu)：在空間呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) 。 大分子鏈的構(gòu)象： 由于單鍵內(nèi)旋引起的原子在空間占據(jù)不同位置所構(gòu)成的分子鏈 的各種形象 。 柔性鏈 、 剛性鏈 高聚物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)： 晶性高聚物：排列規(guī)則有序無定性 高聚物：排列規(guī)則無序 材料的 結(jié)構(gòu) ? 相： (1) 定義：具有相同的物理或化學(xué)性能并與該系統(tǒng)的其 余部分以界面分開的物質(zhì)部分 。 (具有同一化 學(xué)成分 、 同一結(jié)構(gòu)和原子聚集狀態(tài) ， 并以界 面互相分開的 、 均勻的組成部分 ) (2) 相的結(jié)構(gòu)類型： 固溶體：相的晶體結(jié)構(gòu)與某一組元的晶體結(jié)構(gòu)相同； 金屬化合物：相的晶體結(jié)構(gòu)與組元的晶體結(jié)構(gòu)均不相同 (3) 固溶體： 置換固溶體 間隙固溶體 材料的 結(jié)構(gòu) (4) 金屬化合物 (金屬間化合物 )： 是指合金組元間發(fā)生相互作用而形成的具有金屬特性的新相 。 此新相可能是另一種固溶體 ， 也可能是一種晶格類型和性能完全不同于任一合金組元的化合物 。 a. 特點：具有一定的金屬性質(zhì)；熔點高 、 硬而脆 ， 塑性 、 韌性不高 。 b. 種類：正常價化合物： 符合一般化合物的原子價規(guī)律 ， 成分固定 ， 可 用化學(xué)式表示 。 Mg2Si 電子化合物： 不遵守原子價規(guī)律 ， 服從電子濃度規(guī)律； 間隙化合物： 過渡族金屬元素與 C、 N、 H、 B等原子半徑較