材料科学与工程导论.docx

编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第38页 共38页材料科学与工程导论一、材料的定义与分类材料是人类用于制造机器、构件和产品的物质，是人类赖以生存和发展的物质基础新材料，主要是指那些正在发展，且具有优异性能和应用前景的一类材料。为了规范新材料的含义，一般把具备以下三个条件之一的材料称为新(1.新出现或正在发展中的具有传统材料所不具备的优良性能的材料。如：C60 2.高技术发展需要，具有特殊性能的材料。如：形状记忆合金 3.由于采用新技术（工艺、装备）明显提高了性能，或者出现了新的功能的材料。如：超级钢、纳米、超导材料、智能材料、生物医用材料）分类一：按组成与结构划分（金属材料 无机非金属材料 高分子材料 复合材料） 分类二：按用途分（电子信息材料 航空航天材料 能源材料 生物医用材料等） 分类三：按性能分 结构材料（高温合金、难熔金属、金属间化合物、金属基复合材料、高分子材料、钛合金、镁合金） 功能材料（吸波材料、单晶硅、形状记忆材料） 分类四：按应用与发展分（传统材料 新材料如纳米铜、超导电缆）二、材料的地位和作用当代文明：能源 材料 信息新技术革命：信息技术 新材料 生物技术材料是人类社会发展的基础和先导1> 新材料技术是工业革命和产业发展的先导两次工业革命都是以新材料的发明和广泛应用为先导􀂋第一次工业革命（18世纪）：制钢工业的发展为蒸汽机的发明和应用奠定了物质基础。􀂋第二次工业革命（20世纪中叶以来）：单晶硅材料对电子技术的发明和应用起了核心作用。2> 新材料技术是社会现代化的先导􀂋 21世纪重点发展的高技术领域的进展与趋势􀂋 21世纪重点发展的高技术领域的材料选择􀂋 新材料技术是高技术发展的基础21世纪重点发展的高技术领域的进展与趋势环境科学技术：探求人类与环境和谐共存方式空间科学技术：探索宇宙空间（多种用途的人货分离的新一代航天飞行器、小卫星技术、太空攻防技术）新材料科学技术：探索物质结构（纳米技术、光电子材料、光子材料、新型功能材料、新型结构材料）新能源与再生能源：实现人类可持续发展（化石能源高效清洁利用技术、新能源核能、氢能和可再生能源技术、天然气水合物的开发）信息科学技术：信网络技术、宽带通信技术、半导体技术、计算机智能技术生物科学技术：探索生命本质（基因组学、蛋白质科学、干细胞及再生医学）海洋科学技术：探索海洋奥秘七大高新技术领域1.信息科学技术：正在发生结构性变革，仍然是经济持续增长的主导力量。1）通信网络技术为信息产业注入强大活力；2）宽带通信已成为国际上应用最广的通信技术；3）半导体技术进入纳米时代；4）计算机智能技术日新月异。2.生物技术：正经历着一场前所未有的技术革命，一个庞大的生物产业正在孕育和形成。1）基因组学、蛋白质科学、干细胞及再生医学的研究成为生命科学的前沿与热点；2）干细胞及再生医学的研究及应用为人类健康开辟了新道路；3）生物芯片在医疗和科研领域发挥巨大作用；4）转基因技术及应用呈现出高速发展的态势。3.航天技术：快速发展，不断开辟人类探索的新空间。1）太空探索带动太空探索技术加速发展；2）研制多种用途的人货分离的新一代航天飞行器成未来趋势；3）小卫星技术日趋成熟并将广泛应；4）太空攻防技术成为未来航天技术发展的重要领域。4.能源技术：将变革未来社会的动力基础，促进人类实现可持续发展。1）煤炭的高效清洁利用成为化石能源技术研发热点；2）核能技术酝酿新的突破；3）氢能技术研发和商业应用加速；4)新能源和可再生能源技术展现良好前景；5)天然气水合物的开发受到重视用能技术发展前景广阔。5.先进制造技术：向绿色制造、高技术化、信息化、极端制造方向发展，成为提升产业竞争力的关键技术。1)光机电一体化技术；2）微电子光刻技术；3）重大装备制造技术。6. 新材料技术：出现群体性突破，将对21世纪基础科学和几乎所有工业领域产生革命性影响。（新材料技术是高技术发展的基础）1）纳米技术是前沿技术中最具前瞻性和带动性的领域之一；2）光电子材料、光子材料将成为发展最快和最有前途的电子信息材料；3）新型功能材料（超导材料、智能材料、生物医用材料）及其应用技术面临新的突破；4）新型结构材料（高温合金、难熔金属、金属间化合物、金属基复合材料、高分子材料、钛合金、镁合金）发展前景乐观。3> 新材料技术是一切工业发展的关键共性基础新材料技术出现群体性突破，将对21世纪所有工业领域产生革命性的影响，成为一切工业的关键共性基。（纳米材料 特点之一:表面效应特点之二：小尺寸效应 特点之三:量子效应）是人类社会进步的里程碑和划时代的标志。人类利用材料的历史，就是一部人类进化和进步的历史。三、材料科学与工程的形成和发展科学驱动：科学技术的发展 需求牵引：社会经济的需求材料科学与工程的定义材料科学与工程就是指出研究有关材料的组成、结构、制备工艺流程与材料性能和用途关系的知识和它的应用。材料科学与工程的三个重要属性一是多学科交叉。它是物理学、化学、冶金学、金属学、陶瓷学、高分子化学及计算科学相互融合和交叉的结果；二是一种与实际使用结合非常紧密的科学。发展材料科学的目的在于开发新材料，提高材料的性能和质量，合理使用材料，同时降低材料成本和减少污染；三是材料科学是一个正在发展中的科学。不像物理学、化学已有很成熟的体系，它将随着各有关学科的发展而得到充实和发展。材料科学家和材料工程师的使命􀂾从电子和原子尺寸微观尺度、到介观和宏观尺度去研究材料􀂾材料研究工作者形成共识:四个要素缺一不可􀂾需要多学科多领域材料工作者的团结协作,共同推动材料的不断进步四、材料“四要素”1.什么是材料的“四要素”？使用性能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力学性能1.强度表征 弹性极限、屈服强度、比例极限2.塑性表征 延伸率、断面收缩率、冲杯深度h 3.硬度表征 布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度4.刚度表征 弹性模量、杨氏模量、剪切模量5. 疲劳强度表征（1.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。2.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）6. 抗蠕变性表征（1.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。2.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。）7. 韧性表征 断裂韧性KIC、断裂韧性JIC物理性能1.电学性能表征 电导率、电阻率、介电常数2.磁学性能表征 磁导率（F=0 LI2/2a）、矫顽力（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）、磁化率(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)3. 光学性能表征 光反射率、光折射率、光损耗率2）材料使用性能与性质的区别与联系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。3） 材料使用性能的设计与实际应用在材料使用性能（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。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。传统方式： 结构与功能确定材料的性质（选择材料）先进方式：结构与功能/材料的性质4）材料与环境的关系三类主要的材料失效形式 断裂、磨损、腐蚀5）材料性能数据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。成分/结构1） 材料成分结构的分类键合结构-五种键合结构(注：1.有些陶瓷材料属共价键化合物，如SiC陶瓷；2.分子键又称德瓦尔斯力;3.实际晶体并非只有一种键合结构，如冰晶。）晶体结构 晶体 原子排列长程有序，有周期；非晶体 原子排列短程有序，无周期；准晶体 原子排列长程有序，无周期组织结构 组成材料的不同物质表示出的某种形态特征（1.结构特征 马氏体组织、索氏体组织、贝氏体组织 2.组合特征 单相组织、两相组织、多相组织）2）材料结构的特点多尺度效应(小尺度效应：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) 稳定性 有序与无序 材料的缺陷(点缺陷 线缺陷 面缺陷) 表面和界面(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。材料纳米化后，发生了三种变化 􀂋 晶体的周期性遭到破坏 􀂋 表面原子的悬空键增多 􀂋 表层原子数剧增)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、检测实现成分分析(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：化验)结构分析(体视显微镜 mm(毫米)-m（微米） 光学显微镜 m（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)4）材料成分、结构数据库X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相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：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。结构是合成加工的结果 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-细晶组织材料的强韧化-位错理论的建立：固溶强化、弥散强化、复相强化、加工硬化 相变增韧制备/加工1）材料制备与加工的定义“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。􀂋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􀂋制备是新技术开发和现有技术改进的关键性要素􀂋现代材料制备技术是人造材料的唯一实现途径2）材料制备与加工的主要内容材料制备冶金过程冶金物理化学目的:从原料中提取出金属 内容: 火法冶金 炼铁、炼铜熔盐电冶金电解铝、镁 湿法冶金水溶液电解锌熔炼与凝固凝固学理论目的: 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2. 快速凝固3. 定向凝固4. 区域熔炼5. 玻璃的熔炼6. 熔融法提拉单晶粉末烧结烧结原理高分子聚合聚合反应目的: 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2 . 乳液聚合3 . 悬浮聚合4 . 溶液聚合材料加工与成型加工：材料的切削 车、铣、刨、磨、切、钻材料的成型 铸造、拉、拔、挤、压、锻材料的改性 合金化、热处理（典型热处理工艺 淬火通过快速冷却，获得远离平衡态的不稳定组织，达到强化材料的目的、正火在奥氏体状态下，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、回火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、退火通过缓慢冷却，获得接近平衡态的组织，达到均匀化、消除内应力的目的）材料的联接 焊接、粘接、铆接、栓接成型：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（研究内容：凝固过程 成型工艺 流变特性） 2.塑变成型金属的压力加工（A冷加工 高应力低形变量实现加工硬化B热加工 低应力大形变量实现超塑性变形 ）3.流变成型金属、陶瓷、高分子成型（金属的半固态成型 高分材料的熔融成型 陶瓷泥料、浆料成型 玻璃的熔融浇注）表面工程表面改性-改变材料表面的性质1.三束表面改性（激光束 组织变化；电子束 组织变化；离子束 成分、组织变化）2.化学表面改性（化学热处理）3.表面淬火（高频淬火、火焰淬火）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。表面防护1.腐蚀防护（主动防护 合金化、非晶化、高纯度、表面涂镀 被动防护 表面涂镀、表面改性、表面钝化、电化学保护）2.摩擦磨损防护 􀂋 增加抗磨损性􀂋 增加润滑性材料复合金属基复合材料 陶瓷基复合材料 高分子复合材料材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。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。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3）材料制备与加工和其它要素的关系制备与加工提供结构与成分产生使用性能具备材料性质4）材料制备与加工的主要发展方向 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 高压条件-人工金刚石 低温-超导体 超细-纳米材料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.力学性质（强度、硬度、刚度、塑性、韧性）强度：材料在载荷作用下抵抗明显的塑性变形或破坏的最大能力。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。疲劳强度：材料抵抗交变应力作用下断裂破坏的能力。蠕变性：固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。韧性：材料从塑性变形到断裂全过程吸收能量的能力 2.物理性质（电学性质导电性、绝缘性、介电性、磁学性质抗磁性、顺磁性、铁磁性、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）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。 3.化学性质（催化性质、腐蚀性质）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。2.材料研究手段和方法1） 成分、结构表征仪器（如 卢瑟福背散射、射线衍射、电子探针）2）材料性能的检测仪器 如：陶瓷高温疲劳实验机3）制备与加工过程中使用的设备（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）4）过程控制的探测元件及装置过程控制的探测元件和装置􀂋传感器是控制系统“感知”加工过程的“器官”。􀂋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。“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）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）材料设计的内容􀂋 成分结构设计􀂋 性质性能预测􀂋 制备加工过程的控制与优化（如 杂化材料、晶体结构计算、相图计算-预报新化合物、超晶格结构设计、陶瓷纤维增韧的设计方案）材料的智能加工优点 （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）2） 材料设计的计算机基础 ： 物理场的数值模拟方法 常用工程数学的计算机处理 几种重要的数学软件 计算机过程控制3） 全过程、全因素优化设计全过程 材料的设计、制备与加工、支持与维护、废弃与回收全因素 性能指标、加工性、环境因素、失效分析、成本指标材料“四要素” 的典型案例分析2）铝合金材料 1.密度低、比强度高。纯铝的密度为2700kg/m3，仅为铁的1/4。2.优良的物理、化学性能。导电性能好、磁化率低、耐腐蚀等。3.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。（时效强化 固溶强化 弥散强化 细晶强化）2） 掺杂钨丝的设计与研制纯钨丝在使用时，会发生再结晶过程，最后形成等轴状组织结构。材料中有大量的均匀分布的孔洞，深入研究发现是钾元素的富集区五、结构材料结构材料是主要利用材料的强度、韧性、弹性等力学性能，用于制造在不同环境下工作时承受载荷的各种结构件和零部件的一类材料，即机械结构材料和建筑结构材料。1.钢铁材料1)纯铁:工业纯铁强度低、硬度低、塑性好，一般不用于结构材料。2)铸铁:碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金称之为铸铁，通常还含有较多的Si、Mn、S、P等元素。1.根据石墨化程度的不同，铸铁的类型和组织也不同。白口铸铁：完全按照Fe-Fe3C 相图进行结晶而得到的铸铁。其中碳全部以渗碳体(Fe3C)形式存在，断口呈银白色。灰口铸铁：其中碳主要以片状石墨形状存在，断口为暗灰色，常见的铸铁件多数是灰口铸铁。可锻铸铁：由一定成分的白口铸铁经石墨化退火处理而获得，其中碳大部分或全部以团状石墨形式存在，由于具有较灰口铸铁高得多的塑性和韧性，习惯上称为可锻铸铁，实际上并不可锻。球墨铸铁：铁水在浇注前经球化处理，其中碳大部分或全部以球状石墨形式存在，机械性能高，生产工艺比可锻铸铁简单，近年来日益得到广泛的应用。蠕墨铸铁：碳以蠕虫状石墨形式存在，介于片状和球状石墨之间此外，为了满足一些特殊要求，向铸铁中加入一些合金元素，如Cr、Cu、Al、B等，可得到耐蚀、耐热及耐磨等特性的合金铸铁。2.石墨对铸铁的作用：切削加工性能优，铸造性能良好，良好的减振性，具有耐磨性，对缺口不敏感。3)碳钢1. 按碳的质量百分数分类低碳钢,中碳钢,高碳钢,铸铁(含碳量越高，硬度、强度越高，但塑性降低。)2. 按钢的质量分类(主要是杂质硫、磷的含量)普通碳素钢，优质碳素钢，高级优质碳素钢3. 按用途分类碳素结构钢（主要用于桥梁、船舶、建筑构件、机器零件等），碳素工具钢（主要用于刀具、模具、量具等）4.碳钢的常规热处理1）退火：将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（随炉冷却），以获得接近于平衡状态组织的热处理工艺。2）正火：将钢件加热到AC3和Acm以上3050度，保持适当时间后，在空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。3）淬火：将钢件加热到奥氏体化后，快速冷却，使组织转变为马氏体的热处理工艺。所得的马氏体的形态与钢的成分、原始奥氏体晶粒的大小以及形成条件有密切关系。奥氏体晶粒越小，马氏体越细。4）回火：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。4）合金钢1.按所含合金元素的多少分低合金钢（总质量分数低于5），中合金钢（总质量分数510），高合金（总质量分数高于10）2. 按主要合金元素种类分铬钢 锰钢 铬镍钢 硅锰钢 3. 按用途分结构钢，工具钢，特殊性能钢4.合金元素与铁的作用合金元素加入钢中，首先溶于铁形成固溶体，超过溶解度极限时与碳形成化合物。合金元素溶与铁，形成合金铁素体或合金奥氏体。合金元素溶于铁素体会使钢的室温强度提高，这种作用称为固溶强化。5.合金元素与碳的作用对于与碳的亲和力较弱的合金元素，不与碳发生作用，只溶于铁素体或奥氏体中；对于与碳的亲和力较强的合金元素，当质量分数较低时，与铁形成合金渗碳体，当质量分数较高时，形成合金碳化物。6.不锈钢：能在大气和一般腐蚀性介质中具有很高耐蚀性的钢种。主要用来制造在各种腐蚀性介质中工作并具有较高抗腐蚀能力的零件或结构件。广泛用于石油、化工、原子能、海洋开发、国防和一些先端科学技术领域。不锈钢中合金元素的作用（1）耐腐蚀性要求越高，碳的质量分数应越低；（2）加入主要的合金元素Cr。Cr能提高基体的电极电位。在氧化性介质中极易钝化，形成致密的氧化膜，提高耐腐蚀性；（3）加入合金元素Ni。可获得单项的奥氏体组织，显著提高耐腐蚀性并改善钢的塑性，通过热处理还可以改善钢的强度；（4）加入合金元素Mo、Cu等：提高钢在非氧化性酸中的耐腐蚀能力。（5）加入合金元素Ti、Nb等：能优先同C形成稳定的碳化物，使Cr保留在基体中，避免晶界贫Cr，提高钢的耐腐蚀性。（6）加入合金元素Mn、N等：部分替代Ni以获得奥氏体组织，并能提高铬不锈钢在有机酸中的耐腐蚀性。2.有色金属材料1）铝及铝合金1.铝及铝合金特点:（1）密度低、比强度高。纯铝的密度为2700kg/m3，约为铁的1/3。（2）优良的物理、化学性能。导电性能好、磁化率低、耐腐蚀等。（3）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。2.合金元素的作用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。2） 铜及铜合金1.铜及铜合金特点（1）导电、导热性能好、耐腐蚀等，是抗磁材料。（2）加工性能好。容易冷热成形，铸造铜合金铸造性能好。（3）具有某些特殊力学性能。比如优良的减摩性和耐摩性高的弹性极限和疲劳强度。（4）色泽美观。2.铜合金铜中加入合金元素后，可提高合金的强度，并保持良好的加工性能。黄铜;以Zn为主要合金元素。良好的加工性能，优良的铸造性能，耐腐蚀性能也好。青铜;以Sn为主要合金元素。用于铸造形状复杂的零件。抗腐蚀性比黄铜还好。白铜;以Ni为主要合金元素。具有较好的强度和塑性，能进行冷加工变形，抗腐蚀性能也好。白铜线是国际上应用比较广泛的一种耐蚀性材料和装饰结构材料，在仪器仪表、机电、化工、卫生和日用五金等工业部门用于制作耐蚀、弹性元件、医疗器械和日用装饰品等。铜铍合金：属时效析出强化的铜基合金，经淬火时效处理后具有高的强度、硬度、弹性极限，并且稳定性好，具有耐蚀、耐磨、耐疲劳、耐低温、无磁性、导电导热性好等一系列优点。3）钛及钛合金1.型：钛中加铝、硼等稳定元素获得Ti合金。室温强度较低，但高温强度很高。抗氧化性、抗蠕变性以及焊接性能良好。2.型：钛中加入钼、铬、钒等元素后可获得Ti合金。强度高，冲压性能好，并可通过淬火和时效热处理获得强化。3.+型塑性好，容易锻造、压延和冲压，并可通过固溶和时效进行强化。热处理后的强度可提高50-100。4）镁及镁合金镁及镁合金特点（1）比重小：铝的2/3，铁的1/4（2）比强度高:比铝合金高50MPa，碳钢的2倍（3）减震性好：阻尼性优于铸铁（4）抗冲击：优于铝合金和软钢（5）切削性好：切削力为铝和软钢的1/2（6）电磁屏蔽优良:可屏蔽频率范围较广（7）易再生利用：可节约资源、保护环境3.陶瓷材料1）陶瓷的物质结构1.陶瓷材料的相组成晶体相、玻璃相、气相（气孔）（1）晶体相是陶瓷材料最主要的组成相，主要是某些固溶体或化合物，其结构、形态、数量及分布决定了陶瓷材料的特性和应用。晶体相又分为主晶相、次晶相和第三相。陶瓷中晶体相主要有含氧酸盐（硅酸盐、钛酸盐等）、氧化物（MgO，Al2O3）、非氧化物（SiC，Si3N4）等。（2）玻璃相的作用是将分散的晶体相粘结起来，填充晶体之间的空隙，提高材料的致密度；降低烧成温度，加快烧结过程；阻止晶体转变、抑止晶粒长大。玻璃相是陶瓷材料中原子不规则排列的组成部分，其结构类似于玻璃。玻璃相对陶瓷强度、介电常玻璃相 数、耐热性能是不利的。（3）气相（气孔）陶瓷中气孔主要是坯体各成分在加热过程中单独或互相发生物理、化学作用所生成的空隙。这些空隙可由玻璃相来填充，还有少部分残留下来形成气孔。气孔对陶瓷的性能是不利的。它降低材料的强度，是造成裂纹的根源。2.陶瓷材料的结合键陶瓷材料的组成相的结合键为离子键（MgO、Al2O3）、共价键（金刚石、Si3N4）以及离子键与共价键的混合键。（1）以离子键结合的晶体称为离子晶体。离子晶体在陶瓷材料中占有很重要的地位。它具有强度高、硬度高、熔点高等特点。但这样的晶体脆性大，无延展性，热膨胀系数小，固态时绝缘，但熔融态可导电等特点。金属氧化物晶体主要以离子键结合，一般为透明体。（2）以共价键结合的晶体称为共价晶体。共价晶体具有方向性和饱和性，因而共价键晶体的原子堆积密度较低。共价键晶体具有强度高、硬度高、熔点高、结构稳定等特点。但它脆性大，无延展性，热膨胀系数小，固态、熔融态时都绝缘。最硬的金刚石、SiC、Si3N4、BN等材料都属于共价晶体。2）陶瓷的性能特点1.力学性能（1）硬度：陶瓷的硬度很高，多为1000Hv1500Hv（普通淬火钢的硬度500800Hv）。陶瓷硬度高的原因是离子晶体中离子堆积密度大、以及共价晶体中电子云的重叠程度高引起的。（2）刚度：陶瓷的刚度很高。刚度是由弹性模量衡量的，而弹性模量又反映其化学键的键能。离子键和共价键的键能都要高于金属键，因此陶瓷材料的弹性模量要高于金属材料。（3）强度：陶瓷材料的强度取决于键的结合力，理论强度很高。但陶瓷中由于组织的不均匀性，内部杂质和各种缺陷的存在，使得陶瓷材料的实际强度要比理论强度低100多倍。陶瓷材料的强度也受晶粒大小的影响。晶粒越细，强度越高。此外，陶瓷材料一般具有优于金属材料的高温强度，高温抗蠕变能力，且有很高的抗氧化性。常用于高温材料。（4）塑性与韧性：陶瓷材料的塑性和韧性较低，这是陶瓷材料最大的弱点。陶瓷材料受到载荷时在不发生塑性变形的情况下，就发生断裂。断裂是裂纹形成和扩展的过程。陶瓷内部和表面所产生的微裂纹，由于裂纹尖端的应力集中，内部裂纹在受到外应力时扩展很快，这是导致陶瓷材料断裂的根本原因。2.热学性能（1）热容：陶瓷材料在低温下热容小，在高温下热容增大。（2）熔点：陶瓷材料由离子键和共价键结合，因此具有较高的熔点。（3）热膨胀：陶瓷材料的热膨胀系数小，这是由晶体结构和化学键决定的。一般为105106/K。3.电学性能陶瓷材料是良好的绝缘体。可用于隔电的绝缘材料；陶瓷还具有介电特性，可作为电器的介质。陶瓷的介电损耗很小，可大量制造高频、高温下工作的器件。4.光学性能陶瓷材料由于晶界和气孔的存在，一般是不透明的。可以通过烧结方法的改变和控制晶粒的大小，制备出透明的氧化物陶瓷。3） 结构陶瓷的种类 氧化物结构陶瓷（镁，锌，铍）特点：化学稳定性好、抗氧化性强、熔融温度高、高温强度高。 炭化物结构陶瓷（碳化硅）特点：高耐火度、高硬度、高耐磨性。SiC陶瓷有两种晶体结构：SiC 和SiC。前者属六方晶系，是高温稳定相；后者属等轴晶系，是低温稳定相。 氮化物结构陶瓷（氮化硅）特点：高耐火度、高硬度、高耐磨性。Si3N4陶瓷是强共价键材料，原子结合力强，属六方晶系。4.玻璃材料1）定义：凡熔融体通过一定方式冷却，因黏度逐渐增加而具有固体性质与一定结构特征的非晶态物质，都称为玻璃。2）种类钠钙玻璃，石英玻璃，铅玻璃，硼硅酸盐玻璃，磨光玻璃。钢化玻璃微晶玻璃，磨砂玻璃，变色玻璃，色玻璃，夹层玻璃，压花玻璃3）玻璃的性质（1）力学性质理论强度高，实际强度低。抗压强度高，抗拉强度低。硬度高，脆性大。（2）物理性质高度透明，具有很重要的光学性质。能投可见光和红外线。（3）化学性质化学性质稳定，抗酸腐蚀，但不抗碱。5.水泥材料1）定义：水泥是一种加入适量水后，成为塑性浆体的，既能在空气中硬化，又能在水中硬化的，并能把砂、石等材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料。2）水泥的种类硅酸盐水泥，铝酸盐水泥，火山灰水泥，氟铝酸盐水泥，硫铝酸盐水泥6.高分子材料1）。高分子的含义：（1）分子量很大（104-107，甚至更大）。（2）分子似“一条链”，由许多相同的结构单元组成。（3）以共价键的形式重复连接而成。2）与小分子比较（1）分子量不确定，只有一定的范围，是分子量不等的同系物的混合物；（2）没有固定熔点，只有一段宽的温度范围；（3）分子间力很大，没有沸点，加热到2000C-3000C以上，材料破坏（降解或交联）。3）热塑性与热固性热塑性塑料：受热后软化，冷却后又变硬，可重复循环。热固性塑料：由单体直接形成网状聚合物或通过交联线型预聚体而形成，一旦形成交联聚合物，受热后不能再回到可塑状态。制品不溶不熔。优点：质轻、电绝缘、耐化学腐蚀、容易成形加工等；缺点：力学性能比金属材料差，表面硬度低，大多数品种易燃，耐热性差。4）高分子材料分类1、按材料来源分类天然高分子，合成高分子2、按材料性能和用途分类塑料，橡胶，纤维（三大合成材料），涂料，粘合剂，功能高分子3、按结构单元的化学组成分类碳链高分子，杂链高分子，元素有机高分子，无机高分子7.复合材料1）定义：复合材料是由两种或两种以上物理、化学、力学性能不同的物质，经人工组合而成的多相固体材料。2）复合材料的种类（1）结构复合材料：金属基复合材料，陶瓷基复合材料，树脂基复合材料，水泥基复合材料（2）功能复合材料：导电导磁复合材料，阻尼吸声复合材料，屏蔽功能复合材料。摩擦磨损复合材料3）复合材料的性能特点 比强度和比弹性模量高，复合材料的比强度和比模量普遍高于常用金属材料的 抗疲劳与断裂安全性能好，大量的增强纤维对裂纹的扩展起到阻碍作用。 良好的减震性能，纤维增强复合材料具有较高的自震频率，不易产生共振现象，具有一定的减震作用。 良好的高温性能，增强纤维的熔点都很高，并且在高温下仍具有较高的强度。4）复合材料的发展趋势 由宏观复合向微观复合发展微纤增强复合材料、纳米复合材料、分子复合材料 向多元混杂复合和超混杂复合发展例如两种纤维的复合应用，两种基体的复合应用等 由结构复合为主向结构复合与功能复合并重的方向发展功能复合材料的开发与应用等 由被动复合向主动复合材料发展所谓被动就是指在外界作用下材料只能被动承受某种作用或作出某种反应。主动材料就是指具备能自诊断、自适应和自修补作用材料。 由常规设计向仿生设计方向发展仿生设计就是利用某种生物体的特征，设计材料。仿生设计可以参照生物体的功能机制设计出新的功能材料。六、功能材料具有某种优良的电学、磁学、热学、声学、光学、化学和生物学功能及其相互转化的功能，被用于非结构目的高技术材料。1.超导材料1）超导材料：在一定温度以下，材料电阻为零，物体内部失去磁通成为完全抗磁性的物质。这一特定温度称为转变温度、或临界温度Tc。2）超导材料的两个基本特征（1）零电阻效应物质在一特定的温度下没有电阻。零电阻是超导体的基本特征之一，称为零电阻效应。（2）迈斯纳效应超导态的物质完全排斥磁场，即磁力线不能进入超导体内部。这一特征称为完全抗磁性或迈斯纳效应。3） 超导材料的临界参数（1）临界温度具有超导现象的材料称为超导材料，这一特定温度称为转变温度、或临界温度Tc。（2）临界磁场温度低于Tc时，当磁场值超过某一临界值Hc时，材料就从超导态转变为正常态，Hc就称为临界磁场。（3）临界电流密度当电流密度J超过某一值Jc时，超导体出现电阻现象，Jc就称为临界电流密度。4）超导材料分类1.应用范围强电超导材料：可承受大电流和强磁场超导电子材料：利用约瑟夫结效应，仅涉及小电流和弱磁场2. 化学组成元素超导体，合金超导体，化合物超导体，氧化物超导体5）高温超导材料：临界温度Tc达到液氮（77K）以上的超导材料。6）超导材料的应用开发新能源（超导受控热核反应堆，超导磁流体发机），超导悬浮列车，超导储能，科学研究领域，医学和生物学应用（核磁共振成像技术，约瑟夫结器件），节约能源（超导输电，超导发电机和电动机超导变压器）2. 纳米材料1） 纳米材料的特点（1）界面结构界面占有可与微粒整体相比的体积分数。纳米晶体的界面结构既不是非晶态的长程有序，也不是非晶态的短程有序。而是一种类似于气态的更无序排列的结构。（2）晶粒结构纳米尺寸的晶粒结构与完整晶格也有差异。纳米晶粒在一定程度上表现出点畸变效应，点阵常数偏离平衡值。（3）晶界偏聚纳米晶体中，溶质原子或杂质原子易在晶界上偏聚，从而降低晶界能。2） 纳米材料的性能1.力学性能（1）强度高例如纳米铜的屈服强度高达350MPa，而冷扎态晶铜为260MPa，退火态粗晶铜为70MPa。（2）塑性低纳米材料的塑性都很低，且塑性随晶粒的减小而降低。主要原因是缺陷密度增加。（3）弹性模量纳米材料的弹性模量比多晶材料低1550。2.热学性能（1）纳米材料界面体积分数大，具有较大的总界面能，使其熔点大大下降。（2）纳米材料的热容比多晶材料的大。3）纳米材料制备方法（1）气相冷凝法：其中纳米微粒采用气相冷凝制得。然后再通过压制、烧结等环节制备纳米材料的方法。（2）球磨法：可以降低粉粒尺寸，固态合金化、混合或融合，以