材料科學與工程導論

Introduction

to

materialscienceand

engineering

河南理工大學礦物加工專業材料科學導論緒論材料的定義與分類材料的地位和作用材料科學與工程的形成和發展材料科學導論材料的定義材料是人類用于制造機器、構件和產品的物質,是人類賴以生存和發展的物質基礎。材料科學導論挑戰者1983首航第十次

一個O形環失效升空后73秒時，爆炸解體墜毀。機上的7名宇航員材料科學導論RMS

Titanic冰山撞擊了船體，導致船底的鉚釘承受不了撞擊因而毀壞，當初制造時也有考慮鉚釘的材質使用較脆弱，而在鉚釘制造過程中加入了礦渣，但礦渣分布過密，因而使鉚釘變得脆弱無法承受撞擊冰海沉沒材料科學導論材料的分類分類一：按物理化學屬性劃分無機非金屬材料金屬材料高分子材料復合材料材料科學導論材料的分類分類二：按用途分電子信息材料航空航天材料核材料建筑材料生物醫用材料能源材/p>

圖13中科院金屬所研制的納米碳纖維儲氫材料

材料科學導論材料的分類分類三：按性能分結構材料：力學性能為基礎，制造受力構件所需的材料。功能材料：利用物質獨特的物理化學性質或生物功能而形成的材料。材料科學導論材料的分類分類三：按性能分功能材料智能材料材料科學導論材料的分類分類四：按應用與發展分傳統材料新材料材料科學導論材料科學導論材料是人類文明的里程碑人類使用不同材料的開始時間材料科學導論材料是社會現代化的物質基礎與先導第一次工業革命（18世紀）：蒸汽機、煤、鐵、鋼四個主要因素，the

age

of

machine。鋼鐵材料的進步是其主要物質基礎材料科學導論第二次工業革命（20世紀中葉以來）：單晶硅材料對電子技術的發明和應用起了核心作用。材料科學導論材料強度密度比在不同年代里的進展(由圖中可以看出,現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復合材料碳纖維芳香族酰胺纖維6材料科學導論現代渦輪噴氣發動機３０年代氣冷式航空發動機蒸汽機材料科學導論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涂層陶瓷復合材料碳-碳在發動機上應用的年份葉片材料的發展歷程纖維增強超級合金材料科學導論1490C3150C6490C10930C16490C發動機溫度一次大戰水冷式30年代空冷式風扇噴氣發動機蝸輪噴氣發動機超音速燃燒沖壓式噴氣發動機溫度（0C）材料科學導論+175+390+595金屬玻璃纖維KavlarC/C復合材料Km導彈射程火箭殼體材料與導彈射程材料科學導論alight,strong

para-aramidsyntheticfiber芳族聚酰胺合成纖維5timesstrongerthansteelonanequalweightbasisKavlar苯二胺對苯二酰材料科學導論ENIAC

ElectronicNumericalIntegratorAndComputer電子管1941-1946美國vacuumtubecomputers170平方米，30噸，150千瓦，48萬美元17,468電子管10,000電容器，1500繼電器，6000多個開關，“絕招”----—1秒5000次加法和500次乘法，繼電器計算機快1000多倍，手工計算20萬倍。材料科學導論TRADIC-TransistorizedAirborneDigitalComputer美國貝爾實驗室1954晶體管（transistors）800Itcouldperformamillionlogicaloperationseverysecond,stillnotquiteasfastasthevacuumtubecomputersoftheday,butprettyclose.Andbestofall,itoperatedonlessthan100wattsofpoweranditwasmuchmorereliablethanitsvacuumtube

predecessors.材料科學導論IBM360集成電路計算機1964Itwasthefirstfamilyofcomputersdesignedtocoverthecompleterangeofapplications,fromsmalltolarge,bothcommercialandscientific.材料科學導論1970stensofthousandsoftransistorsperchipLSIMillionVLSI1989Million2005billiontransistor2007tensbilliontransistor材料科學導論IBM51501981

8088微處理器ImacG42002材料科學導論CompaqLTE386laptop1989

Intel8086

processor材料科學導論小結上述事例雄辯的表明，新材料在人類社會進步、產業革命和提高人類生活品質中具有特別重要的基礎和先導作用，其發展對提高國家的綜合國力具有巨大的推動作用和深遠影響。材料科學導論21世紀重點發展的高技術領域的材料選擇信息科學技術信息材料新能源科學技術新能源材料生物科學技術生物醫用材料空間科學技術空間技術用材料生態環境科學技術生態環境材料用高技術改造、更新現有材料，發展材料科學技術材料科學導論信息科學技術正在發生結構性變革，仍然是經濟持續增長的主導力量通信網絡技術為信息產業注入強大活力3G時代3rd-generation半導體技術進入納米時代納米芯片機器人計算機智能技術日新月異材料科學導論高錕光纖之父高錕教授在一九六六年發表光通訊九十年代n

1.48

1.46LED激光光敏元件2億m/s3億單模多模反射光子晶體衍射材料科學導論

生物技術正經歷著一場前所未有的技術革命，一個龐大的生物產業正在孕育和形成基因組學、蛋白質科學、干細胞及再生醫學的研究成為生命科學的前沿與熱點干細胞及再生醫學的研究及應用為人類健康開辟了新道路生物芯片在醫療和科研領域轉基因技術材料科學導論航天技術快速發展，不斷開辟人類探索的新空間太空探索帶動太空探索技術加速發展研制多種用途的新一代航天飛行器成未來趨勢小衛星技術日趨成熟并將廣泛應用太空攻防技術成為未來航天技術發展的重要領域材料科學導論材料科學導論能源材料煤炭的高效清潔利用成為化石能源技術研發熱點核能技術氫能儲氫材料新能源和可再生能源技術展現良好前景南非沙索技術轉讓10億材料科學導論

新材料技術出現群體性突破，將對21世紀基礎科學和幾乎所有工業領域產生革命性影響納米技術是前沿技術中最具前瞻性和帶動性的領域之一光電子材料、光子材料將成為發展最快和最有前途的電子信息材料。新型功能材料（超導材料、智能材料、生物醫用材料）新型結構材料（高溫合金、難熔金屬、金屬間化合物、金屬基復合材料、高分子材料、鈦合金、鎂合金）材料科學導論21世紀材料生產模式材料的單項循環：材料產業：資源能源消耗大戶環境污染的主要來源材料科學導論單項模式的災難材料科學導論材料循環材料雙向循環模式廢物在不同生產過程中循環多產品共生的工業模式三廢綜合利用材料科學導論礦物加工礦產原材料工業廢料粉煤灰廢舊電子產品等雙向循環模式材料科學導論材料科學導論雙向循環模式材料科學導論材料科學與工程的定義材料科學：研究材料的組織結構與性質之間的關系。材料工程：是研究材料在制備、處理加工過程中的工藝和各種工程問題。材料科學與工程：是指出研究有關材料的組成、結構、制備工藝流程與材料性能和用途關系的知識和它的應用。材料科學導論材料科學與工程的特點基礎科學研究結構性能使用特性社會需求和經驗科學知識經驗積累MSE工藝材料科學導論材料科學與工程的特點一是多學科交叉。它是物理學、化學、冶金學、金屬學、陶瓷學、高分子化學及計算科學相互融合和交叉的結果；二是一種與實際使用結合非常緊密的科學。發展材料科學的目的在于開發新材料，提高材料的性能和質量，合理使用材料，同時降低材料成本和減少污染；三是材料科學是一個正在發展中的科學。不像物理學、化學已有很成熟的體系，它將隨著各有關學科的發展而得到充實和發展。材料科學導論材料科學與工程的內涵組成要素：成分結構合成加工使用效能材料科學導論材料科學與工程的形成和發展材料科學與工程學科的形成與發展，反映了學科發展從細分到整合的基本規律。材料科學導論材料科學與工程的由來為了滿足經濟和社會的需求,人們早已大量使用材料,并推動材料的不斷發展。但20世紀之前的材料進步往往大量依靠人們的經驗、技巧、繼承和積累,發展的速度還是緩慢的,其原因在于人們還沒有對材料在科學上有深刻的認識和理解。直到20世紀60年代才提出“材料科學”的概念，“材料科學”的形成實際上也是科學技術發展的結果。材料科學導論是各學科綜合發展的必然結果固體物理、無機有機化學、物理化學物質結構和性質冶金學、金屬學陶瓷學、高分子學材料的制備結構與性能金屬材料、高分子材料與陶瓷材料之間的共性規律材料科學材料科學導論從社會經濟需求的牽引、科學技術發展的推動以及不同材料的諸多共性來看，有必要形成一門材料科學。材料科學一般認為研究材料的組織、結構和性質的關系，探索自然規律，屬于基礎研究；但實際上，研究和發展材料的目的在于應用。材料又是一門應用科學，研究材料必須通過合理工藝流程才能制備出具有實際價值的材料來，即材料工程問題。材料科學導論美國MIT1865～1879地質與采礦工程1879～1884采礦工程1884～1888采礦工程（地質、采礦、冶金）1888～1890采礦與冶金1890～1927采礦工程與冶金1927～1937采礦與冶金1937～1966冶金1966～1975冶金與材料科學1975～現在材料科學與工程高校材料系的發展歷史材料科學導論材料科學導論材料科學導論Thanksforyourattention材料科學導論第二部分材料科學與工程的四要素MSE四要素使用性能材料的性質結構與成分合成與加工兩個重要內容儀器與設備分析與建模54材料科學導論材料性質：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。材料性質描述力學性質物理性質化學性質強度硬度剛度塑性韌性電學性質磁學性質光學性質熱學性質催化性質腐蝕性氧化性55材料科學導論

材料的結構鍵合結構晶體結構組織結構56材料科學導論

材料的結構----鍵合結構離子建共價鍵金屬鍵化學鍵氫鍵分子鍵物理鍵結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.分子鍵又稱范德瓦爾斯力

3.實際晶體并非只有一種鍵合結構，如冰晶（共價鍵、氫鍵）57材料科學導論晶體：原子排列長程有序，有周期

材料的結構----晶體結構非晶體：原子排列短程有序，無周期準晶體：原子排列長程有序，無周期58材料科學導論定義：組成材料的不同物質表示出的某種形態特征

材料的結構----組織結構勻晶型組織共晶型組織包晶型組織相圖特征結構特征馬氏體組織奧氏體組織貝氏體組織…...組合特征單相組織兩相組織多相組織…...59材料科學導論材料力學性能在外加載荷或與環境因素聯合作用下表現出的各種行為。60材料科學導論結構材料性質的表征----材料力學性質強度：材料抵抗外應力的能力。塑性：外力作用下，材料發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抵抗變形或破裂的能力。剛度：外應力作用下材料抵抗彈性變形能力。61材料科學導論結構材料性質的表征----材料力學性質疲勞強度：材料抵抗交變應力作用下斷裂破壞的能力。抗蠕變性：材料在恒定應力（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。62材料科學導論強度范疇剛度范疇塑性范疇韌性范疇應力應變63材料科學導論2.強度表征：

彈性極限

屈服強度抗拉強度

斷裂強度

……強度1.強度定義：抵抗變形和斷裂的能力

64材料科學導論強度指標的意義彈性極限：發生彈性形變中的最大應力。彈性結束塑性變形的開始。理論值。σ0.01殘留塑性變形0.01應力。彈性變形是物體卸載后就完全消失的那種變形,而塑性變形則是指卸載后不能消失而殘留下來的那部分變形又稱殘余變形。65材料科學導論強度指標及意義屈服強度：屈服現象開始發生時的應力，是材料發生明顯塑性變形的抗力。屈服：試樣繼續拉長載荷卻不增加。條件屈服強度：一定殘余伸長對應的應力。σ0.01

σ0.2

應用：制品的設計材料加工如高壓氣密容器緊錮螺栓密封圈橡膠墊66材料科學導論強度指標的意義抗拉強度：開始發生頸縮時的應力。斷裂強度：斷裂時的應力值。σbσf比較各種材料的性能。但對材料選擇和加工意義不大。屈服強度決定67材料科學導論應力應變曲線68材料科學導論材料力學性能塑性表征及意義塑性：斷裂前材料發生塑性變形的能力。指卸載后不能消失而殘留下來的那部分變形延伸率δ

斷面收縮率φ69材料科學導論延伸率δ

是塑性伸長的量度

δ

=ΔL/L0=（L-L0）/L0原始標距長度斷裂后試樣的標距長度斷面收縮率φ

是塑性收縮的量度=ΔAf/A070材料科學導論加工硬化金屬材料在再結晶溫度以下經加工（壓鍛）產生塑性變形時強度和硬度升高，而塑性和韌性降低的現象。71材料科學導論加工硬化有利：它可提高金屬的強度、硬度和耐磨性。如冷拉高強度鋼絲和冷卷彈簧負面：進一步加工帶來困難。冷軋鋼板愈軋愈硬切削加工使工件表層變脆硬使刀具磨損、增大切削力72材料科學導論材料力學性能 硬度：材料表面局部抵抗變形的能力。測量：壓痕法壓頭一定壓力材料表面壓痕尺寸。布氏試驗----------布氏硬度洛氏試驗-----------洛氏硬度維氏試驗-----------維氏硬度硬度表征及意義73材料科學導論布氏硬度：淬火鋼球載荷壓痕總面積維氏硬度：金剛石棱錐載荷壓痕總面積洛氏硬度：金剛石圓錐壓入深度74材料科學導論材料力學性能剛度表征和意義剛度：外應力作用下材料抵抗彈性變形能力。彈性變形：外載荷撤去后，能完全消失恢復試樣原樣的變形。

75材料科學導論剛度的表征彈性模量：彈性變形階段應力和應變的比值，E取決于材料本質，內部原子結合鍵的強弱。與組織變化關系不大彈性行為：載荷取消后，試樣尺寸恢復原樣的行為。76材料科學導論剛度表征和意義彈性行為分類線形非線性滯彈性阻尼減震77材料科學導論材料力學性能疲勞強度表征疲勞強度：材料抵抗交變應力作用下斷裂破壞的能力。

疲勞：承受載荷低于屈服強度，但在交變應力下長時間工作材料失效的現象。疲勞失效過程：裂紋形成，裂紋發展和突然斷裂。78材料科學導論疲勞壽命：在一定交變應力下，不發生斷裂的最大時間疲勞極限：材料能夠經受無限多次（108）循環應力而不斷裂的最大應力。79材料科學導論材料力學性能抗蠕變性能表征意義抗蠕變性：材料在恒定應力（或恒定載荷）作用下抵抗變形的能力。蠕變：高溫下受到應力，隨時間發生緩慢塑性變形的現象。80材料科學導論蠕變試驗和蠕變曲線81材料科學導論抗蠕變性表征：

蠕變極限持久強度

蠕變極限：在一定溫T度和規定時間t內,式樣產生一定蠕變伸長量的應力。符號表示和意義持久強度：在一定溫度下，規定時間內發生斷裂的應力。符號表示和意義82材料科學導論材料力學性能韌性表征和意義韌性表征： 沖擊韌性KIC

斷裂韌性KIC

韌性：材料從塑性變形到斷裂全過程中吸收能量的能力。是強度和塑性的綜合量度。83材料科學導論韌性表征和意義斷裂韌性：抵抗裂紋失穩擴展而斷裂的能力。斷裂：裂紋產生，擴展超過臨界尺寸，失穩快速擴展斷裂。KI

應力場強因子KIC

臨界應力場強因子裂紋擴展的臨界狀態對應的場強因子，代表材料的斷裂韌性。84材料科學導論KI

應力場強因子外加應力85材料科學導論材料物理性能電學性能表征：電流：電場作用下正負離子的定向移動。

86材料科學導論電力機械、交通電子、微電子日常生活擊穿現象介電性質導電性質靜電現象導電率電阻率介電常數

材料科學導論電學性質電阻率金屬導體半導體超導現象零電阻抗磁性88材料科學導論決定電導率的基本參數parameters

載流子類型

chargecarrier——電子、空穴、正離子、負離子載流子數chargecarrierdensity----n,個/m3

載流子遷移率electronmobility材料科學導論不同材料的電導率舉例③離子固體室溫絕緣體T高電導率大（無機非金屬）

④高分子雜質致有導電性①金屬自由電子電導率高導電性好②硅半導體材料科學導論影響電導率的因素

溫度晶體結構晶格缺陷雜質缺陷材料科學導論聚合物的電導性結構型

共軛效應雙鍵環添加型參雜添加或去掉電子鹵族原子堿金屬離子

復合導電的納米粉體石墨碳納米管金屬粉末等材料科學導論導電聚合物的應用理想情況下，導電聚合物具有金屬導電性，且重量輕、易加工、材料來源廣等特點。用作電極、電磁波屏蔽、抗靜電材料等半導體器件和發光器件方面得應用聚合物電池、電致變色顯示器、電化學傳感器、場效應管、聚合物發光二極管（LED）材料科學導論超導電性——在一定低溫下材料突然失去電阻的現象（小于10-25Ω·cm）1913年,超導現象發現,諾貝爾物理獎1987年,在陶瓷（金屬氧化物）中發現超導現象，超導研究取得重大突破,諾貝爾物理獎材料科學導論超導體的兩種特性：完全導電性完全抗磁性磁場強度始終為零三個性能指標超導轉變溫度Tc

愈高愈好臨界磁場Hc

破壞超導態的最小磁場。隨溫度降低，Hc將增加；當T＜Tc時,Hc=Hc

臨界電流密度Jc

材料科學導論材料的分類及其電導率

材料電阻率電導率超導體導體半導體絕緣體010-8-10-5

10-5-107

107-1018

∞

105-108

10-7-105

10-18-10-7

材料科學導論材料物理性能磁性2.磁學性：磁化強度外磁場，物質被磁化的程度。磁化:在外磁場作用下,各磁矩規則取向，宏觀呈磁性磁導率磁感應強度和磁場強度比值，表征物質被磁化程度的物理量磁化率磁化強度和磁場的比值

97材料科學導論磁矩——表征磁性物體磁性大小的物理量。m電子軌道磁矩電子自旋磁矩磁感應強度：物質在外磁場中，會被磁化并感生一附加磁場，其磁場強度H′與外磁場強度H之和稱為該物質的磁感應強度B材料科學導論磁性的本質電子的磁矩

電子的自旋磁矩＞＞軌道磁矩

孤立原子具有“永久磁矩”有未被填滿的電子殼層

不具磁性原子各層都充滿電子材料科學導論抗磁性

外磁場中，感生一個磁矩，與外磁場方向相反順磁性

原子內部存在永久磁矩

有外磁場，顯示極弱磁性

無外磁場，宏觀無磁性鐵磁性

強磁性物質，Fe，Co，Ni

室溫下磁化率可達103。較弱磁場較高的磁化強度；外磁場移去保留較強磁性材料科學導論矯頑力：使剩磁降低為零所需要的磁場強度。

磁滯特性軟磁材料硬磁材料101材料科學導論無機非金屬材料的磁學性能1、尖晶石型鐵氧體

磁性無機材料一般是含鐵及其它元素的復合氧化物，通常稱為鐵氧體

亞鐵磁性材料科學導論高分子材料的磁學性能1、大多數體系為抗磁性材料2、順磁性僅存在于兩類有機物含有過渡金屬含有屬于定域態或較少離域的未成對電子（不飽和鍵、自由基等）材料科學導論材料物理性能

光學性能表征： 光反射率光折射率

光的吸收

104材料科學導論光：電磁波固體材料的光學性質，取決于電磁輻射與材料表面、近表面以及材料內部的電子、原子、缺陷之間的相互作用材料科學導論材料物理性能

熱學性能表征： 熱導率 熱膨脹系數

熔點 比熱熱應力耐熱性

106材料科學導論熱導率：單位溫度梯度下，單位時間內通過單位垂直面積上的熱量

耐熱性——指在受負荷下，材料失去其物理機械性能而發生永久變形的溫度。耐熱性——指在受負荷下，材料失去其物理機械性能而發生永久變形的溫度。

各種材料的使用上限溫度

高分子材料常溫及中溫條件下使用，<500

C，一般170

C。

鋼——550

C；合金——900

C；石墨——3000

C。

陶瓷——2000

C。材料科學導論材料的化學性質腐蝕：材料在周圍介質作用下，基體遭受破壞的現象。化學腐蝕電化學腐蝕物理腐蝕108材料科學導論腐蝕防護合金化涂層陰極保護109材料科學導論高分子制品的老化110材料科學導論不同種類材料性能的比較111材料科學導論2.性質與使用性能的區別與關系成分結構環境性質規范使用性能所以，性能是包括材料在內的整個系統特征的體現；

性質則是材料本身特征的體現。112材料科學導論性能是隨著外因的變化而不斷變化，是個漸變過程，在這個過程中發生量變的積累，而性質保持質的相對穩定性；當量變達到一個“度”時，將發生質變，材料的性質發生根本的變化。性質與性能的區別與關系113材料科學導論在材料科學研究及工程化應用中，材料人員應具備這樣一種能力：能針對不同的使用環境，提取出關鍵的材料性質并選擇優良性能的材料。114材料科學導論例1：高速飛行器表面結構材料的選擇使用環境：高速度使用下的結構體?性質材料性能與性質的區別與聯系115材料科學導論滿足高速飛行的使用性能，必須要求表面結構材料具備兩個基本性質：比強度高耐高溫強116材料科學導論例二現代通訊技術中材料的選擇使用條件：遠距離、大容量的信號傳導體?性質光通量大光學損耗低電信號通量大電流損耗低117材料科學導論118材料科學導論119材料科學導論3.失效分析材料使用性能的重要研究內容120材料科學導論斷裂磨損腐蝕三類主要的材料力學失效形式121材料科學導論

材料的結構鍵合結構晶體結構組織結構122材料科學導論

材料的結構----鍵合結構離子建共價鍵金屬鍵化學鍵氫鍵分子鍵物理鍵結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.分子鍵又稱范德瓦爾斯力

3.實際晶體并非只有一種鍵合結構，如冰晶（共價鍵、氫鍵）123材料科學導論原子參量及原子空間配位材料是眾多原子的以一定的鍵和方式形成“聚集”體。原子間距和各原子的空間配置（配位）原子間距由原子本身的尺寸和成鍵類別決定。原子配位數：一個原子以化學鍵形式所連接的原子數，也是此原子所具有的第一近鄰數。材料科學導論鍵和結構與材料性質彈性模量：組成原子的間距的變化彈性變形

原子的鍵和形式陶瓷材料金屬材料高分子高彈模量模量高模量低

共價鍵金屬鍵分子間材料科學導論鍵和結構與材料性質密度熔點電導率材料科學導論晶體：原子排列長程有序，有周期

材料的結構----原子的排列晶體結構非晶體：原子排列短程有序，無周期準晶體：原子排列長程有序，無周期127材料科學導論大多金屬和陶瓷材料是晶體結構，大多數聚合物高分子材料為非晶結構材料科學導論晶體和非晶體晶體大多有規則外形本質區別：原子是否周期規則排列（X射線）凝固點和熔點晶體各向異性非晶體各項同性一定條件下可相互轉化玻璃高溫處理晶態玻璃，晶體液化后快速冷凝成非晶體（差熱分析）晶核單晶多晶晶粒晶界材料科學導論晶體和非晶體

非晶體：短程有序，長程無序

熱力學上處于亞穩態高溫退火晶化

低溫退火結構松弛。材料科學導論金屬純鐵顯微組織及晶粒位向示意圖

假各向同性材料科學導論晶體結構的基本概念晶體：組成原子分子或離子在三維空間規則周期排列的物體。這種排列方式為晶體結構。空間點陣原子抽象為點空間格子點連接起來材料科學導論晶格參數單位晶胞：能夠反映晶格特性的最小幾何單元。晶胞描述：晶胞一點為原點，過此點的三棱為晶軸XYZ各軸夾角為軸間夾角。材料科學導論七大晶系14種布拉斐點陣根據各棱長是否相等棱角是否相等成直角等為分類依據。材料科學導論材料科學導論材料科學導論材料科學導論晶向指數和晶面指數晶向：任意兩個原子連線所指的方向。晶向指數的確定1。選坐標晶軸為長度單位。2。平移晶向線得OP3。確定點P及坐標值4。取最小整數[uvw]材料科學導論晶面：一系列原子構成的平面。晶面指數確定：1。定坐標原點不在晶面上2。晶面截距平行無窮3。取倒數4。化為最小整數（hkL）材料科學導論三種典型晶體結構金屬晶體盡可能的緊密排列結構。面心立方face-centeredcubic(fcc)體心立方body-centered

cubic（bcc）密排六方hexagonalclosed–packed(hcp)材料科學導論面心立方n=4材料科學導論體心立方n=2材料科學導論密排六方n=6材料科學導論各自的配位數

晶體中任一原子最近鄰且距離相等的原子數材料科學導論晶體中原子間隙

面心立方材料科學導論晶體中原子間隙

體心立方材料科學導論晶體中原子間隙

密排六方材料科學導論同素異晶轉變有的元素具有多種晶體結構，在一定條件下可以相互轉變這種轉變稱為材料科學導論高分子材料的結構單體鏈節分子鏈聚合度材料科學導論分子鏈結構彈性塑性好硬度低硬度高脆性材料科學導論分子鏈排列材料科學導論高聚物的聚集態結構高分子鏈之間的幾何排列和堆砌結構材料科學導論材料科學導論晶體缺陷點缺陷空位間隙原子置換原子等線缺陷位錯刃型螺旋型面缺陷晶界亞晶界材料科學導論熱致無序-273度原子基本靜止原子在平衡位置附近，因熱振動引起的微小位移所產生的不規則性。材料科學導論點缺陷空位原子熱運動離開原位置間隙原子置換原子共價晶體引起電子缺陷離子晶體引起陽離子空位材料科學導論點缺陷對晶體性能的影響附加電子散射——電阻↑屈服強度↑對擴散、內耗、高溫形變和熱處理等過程有重要影響。材料科學導論線缺陷材料科學導論材料科學導論面缺陷晶體材料的表面就是最大的面缺陷。晶界：晶體材料一般由許多小晶粒組成，各晶粒之間的分界面。相鄰晶粒的晶軸取向一般不同，位相差在10-15以下形成的晶界小角度晶界。不同晶粒的原子的取向不同，所以晶界處的原子排列極為混亂，也就形成了面缺陷。亞晶界，相界等材料科學導論面缺陷材料科學導論準晶態1984年底，D.Shechtman等人宣布，他們在急冷凝固的AlMn合金中發現了具有五重旋轉對稱但并無無平移周期性的合金相，在晶體學及相關的學術界引起了很大的震動。不久，這種無平移同期性但有位置序的晶體就被稱為準晶體。材料科學導論非晶態玻璃熱固性樹脂非晶態金屬液體急速冷卻106k/s非晶態金屬玻璃軟糍材料渦磁損耗硅鋼片的1/3超強耐高溫耐腐蝕材料科學導論熔化晶體結構破壞，原子取向和位置有序消失。材料科學導論玻璃化轉變和結晶結晶：溫度低于熔點，緩慢降溫，晶核形成，長大，是結構無序向結構有序，原子無定域向有定域的共同轉變。材料科學導論材料科學導論液晶態晶態結構受熱熔融或溶劑溶解，成流動性液體，分子位置無序，但結構上有序排列，具有各向異性，是晶體和液體的過渡態。熱致液晶溶致液晶材料科學導論相圖原理相圖：一定條件下，處于熱力學平衡態的物質系統中平衡相之間關系的圖形。每一點都反映該條件下，材料由什么相組成，各相的成分與含量。吉布斯相率：熱力學平衡，自由度與組元數和相數之間關系的規律。材料科學導論相圖原理相：系統中性質與成分均一的一部分。不同的相之間有界面隔開。可以是固液或氣態氣相數最多為一液固可有兩相或更多相的種類大小形態和分布構成材料的顯微組織結構。相平衡：多相系統中，所有相的強度性質（溫度、壓強、每個組分在所有相中的化學位等）均相等，體系性質不會自發隨時間變化的狀態。材料科學導論相圖原理組元：決定各平衡相的成分，且可以獨立變化的成分（元素或化合物）。自由度：可以在一定范圍內任意改變而不引起任何相的產生與消失的最大變量數。變量：一般指溫度壓強和成分。組元數C，自由度F和相數P在熱力學平衡系統中：F=C-P+n自由度必須大于或等于零n影響系統平衡的外界條件溫度壓強等材料科學導論材料相圖意義用圖解的方式描述平衡狀態下，材料的成分、相合外界條件的相互關系。一般以成分、溫度和壓力為變量來繪制相圖。材料科學導論二元勻晶相圖

兩組元在液態和固態都能無限互溶。如Cu—Ni、Ag—Au形成二元合金對應的相圖就是二元勻晶相圖

相圖的構成：由兩條曲線將相圖分為三個區。左右兩端點分別為組元的熔點。上面的一條曲線稱為液相線，液相線之上為液相的單相區，常用L表示；下面的一條曲線稱為固相線，固相線之下為固溶體的單相區，常用α表示；兩條曲線之間是雙相區，標記L+α表示。材料科學導論相圖的用途由材料的成分和溫度預知平衡相；材料的成分一定而溫度發生變化時其他平衡相變化的規律；估算平衡相的數量。預測材料的組織和性能材料科學導論二元共晶相

兩組元在液態下無限互溶，固態下有限溶解，一組元溶入另一組元中時都使凝固溫度下降，并發生共晶轉變。如Pb—Sn、Ag—Cu等形成二元合金對應的相圖就是二元勻晶相圖。相圖的構成：tAE和tBE為兩液相線，與其對應的tAC和tBD為兩固相線；CG和DH固溶體α、β的溶解度隨溫度變化線；CED為水平共晶線。將相圖分成三個單相區L、α、β；三個雙相區L＋α、L＋β、α＋β和一個三相區L＋α＋β，即CED為共晶線。材料科學導論材料科學導論相圖的熱力學基礎熵焓自由能化學位熱力學定律材料科學導論成分、結構檢測技術現代材料對材料成分、結構的認識是由分析、檢測實現的。177材料科學導論成分分析化學分析：化驗物理分析：物理量間接測定譜學分析：質譜，紅外光譜、光電子能譜，等178材料科學導論結構分析179材料科學導論材料科學導論材料科學導論材料科學導論材料科學導論材料科學導論銅含量鋁鋅合金材料科學導論材料科學導論掃描隧道顯微鏡像在掃描隧道顯微鏡下，在硅（111）表面直接取出原子而“刻寫”出平均線寬為2納米的字體。187材料科學導論磷錫青銅鑄造組織105倍188材料科學導論掃描電鏡像----纖維形貌189材料科學導論掃描電鏡像----六方晶體形貌190材料科學導論β-Si3N4β-Si3N45nm無壓燒結Si3N4材料---透射電鏡像：原子排列面191材料科學導論場離子顯微鏡像----S3N4晶須形貌192材料科學導論掃描隧道顯微鏡像----方鋁礦（100）解理面PbS193材料科學導論§2.3合成與加工1.定義2.合成與加工的主要內容3.與其它要素的關系4.發展方向194材料科學導論1.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）對結構的控制，以及高效而有競爭力地制造材料與元件的演化過程。195材料科學導論合成是指把各種原子或分子結合起來制成材料所采用的各種化學方法和物理方法。加工可以同樣的方式使用，還可以指較大尺度上的改變，包括材料制造。Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O

？合成——————制備材料科學導論需要說明的問題在材料科學與工程中，合成和加工之間的區別變得越來越模糊合成是新技術開發和現有技術改進的關鍵性要素現代材料合成技術是人造材料的唯一實現途徑197材料科學導論材料制備材料加工表面工程材料復合2.合成與加工的主要內容198材料科學導論一．材料的制備冶金過程熔煉與凝固粉末燒結高分子聚合199材料科學導論不同的材料制備方法，分別具有不同的材料科學基礎內容，即：冶金過程冶金物理化學熔煉與凝固凝固學理論粉末燒結燒結原理高分子聚合聚合反應200材料科學導論冶金過程（化學冶金）目的：從原料中提取出金屬火法冶金熔鹽電冶金濕法冶金．．．．．．內容:煉鐵、煉銅電解鋁、鎂水溶液電解鋅201材料科學導論鐵的生產過程煉鐵高爐材料科學導論電解鋁材料科學導論熔煉與凝固（物理冶金）目的:１．金屬的精練提純 ２．材料的“合金化” ３．晶體的生長內容:1.平衡凝固 4.區域熔煉

2.快速凝固5.玻璃的熔煉

3.定向凝固6.熔融法提拉單晶204材料科學導論材料科學導論目的:

１.粉末成型

2.粉末顆粒的結合內容:1.粉末冶金技術

2.現代陶瓷材料的制備粉末燒結206材料科學導論粉末燒結過程材料科學導論目的:實現小分子發生化學反應，相互結合形 成高分子。高分子聚合是人工合成三大 類高分子材料：塑料、橡膠、合成纖維 的基本過程。內容: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208材料科學導論二．材料的加工傳統意義上，材料的加工范疇包括四個方面：材料的切削：車、銑、刨、磨、切、鉆材料的成型：鑄造、拉、拔、擠、壓、鍛材料的改性：合金化、熱處理材料的聯接：焊接、粘接注：從課程體系上分析，材料的切削應在機械工程中重點討論。209材料科學導論三大類材料的成型技術在材料工程中是內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、高分子成型材料的成型210材料科學導論材料科學導論液態成型成分溫度AC鑄造BC半固態成型流變鑄造觸變鑄造研究的內容：1.凝固過程2.成型工藝3.流變特性ABC液相區液固區固相區212材料科學導論塑變成型A高應力低形變量實現加工硬化B應變應力冷加工熱加工AB低應力大形變量實現超塑性變形213材料科學導論流變成型金屬的半固態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214材料科學導論目的：通過改變材料的成分、組織 與結構來改變材料的性能。內容:１.材料的“合金化”

2.材料的熱處理材料的改性215材料科學導論材料的“合金化”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代高分子材料的改性方面有廣泛的應用。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216材料科學導論材料的熱處理通過一定的加熱、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代陶瓷材料的改性方面有廣泛的應用。典型熱處理工藝淬火、退火、回火、正火217材料科學導論時間溫度成分溫度vv0v>v0淬火工藝通過快速冷卻，獲得遠離平衡態的不穩定組織，達到強化材料的目的。218材料科學導論時間溫度淬火正火正火工藝在奧氏體狀態下，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。219材料科學導論時間溫度退火工藝通過緩慢冷卻，獲得接近平衡態的組織，達到均勻化、消除內應力的目的。220材料科學導論時間溫度回火工藝淬火或正火的材料重新加熱。目的在于松懈淬火應力和使組織向穩態過度，改善材料的延展性和韌性，并穩定工件的尺寸。221材料科學導論目的：實現材料間的整體結合內容:1.焊接 3.鉚接

2.粘接 4.栓接材料的聯接222材料科學導論材料科學導論三．材料表面工程表面改性表面防護薄膜技術224材料科學導論----改變材料表面的性質三束表面改性化學表面改性（化學熱處理）表面淬火表面改性225材料科學導論從工藝機理上分析，表面改性同整體材料的改性是相同的，即：在表面實現材料的成分、組織與結構的變化，達到改變材料表面性能的目的。不同點就是采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生在表面。226材料科學導論三束表面改性激光束---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227材料科學導論化學表面改性（化學熱處理）改變材料表面的化學成分---化學滲入成分溫度ABCαα+β心部濃度表面C+N+Me+C0228材料科學導論納米粉體表面改姓材料科學導論表面淬火

高頻淬火電磁能集膚電流表面熱能

火焰淬火氣體化學反應表面熱能熱處理組織改變性能改變230材料科學導論

腐蝕防護

摩擦磨損防護表面防護231材料科學導論腐蝕防護

大氣腐蝕

海水腐蝕

工業介質腐蝕232材料科學導論由腐蝕造成的材料失效量，占世界材料總產量的比例很高，腐蝕問題十分嚴重。因此，腐蝕防護非常重要。233材料科學導論美國八個工業部門對材料性質的需求情況234材料科學導論化學反應-----腐蝕的原因主動防護被動防護合金化非晶化高純度表面涂鍍表面改性表面鈍化電化學保護抗蝕材料235材料科學導論摩擦磨損防護

增加抗磨損性

增加潤滑性236材料科學導論薄膜技術有許多種薄膜技術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化學氣相沉積CVD液相沉積LD237材料科學導論材料科學導論材料科學導論隨著材料科學技術的不斷發展，薄膜技術已不僅僅是材料改性的手段。更重要的是，現代薄膜技術在高新技術領域，如：微電子器件、納米結構與組裝、光電子器件，等方面正發揮著越來越重要的作用。240材料科學導論四．材料的復合金屬基復合材料陶瓷基復合材料高分子復合材料241材料科學導論材料復合的主要目的就是依據不同材料性能的優勢互補、協調作用的原則，進行材料的設計與制備。因此材料復合的過程就是材料制備、改性、加工的統一過程。復合材料的制備過程融合了金屬、陶瓷、高分子材料制備的基本原理。目前材料科學的發展，復合的概念越來越重要，出現了許多新型的復合材料及制備方法。242材料科學導論材料科學導論Monomer OrganclayCuringagentNanocompositeSwellingPolymerisation原位聚合法粘土聚合物復合材料材料科學導論SolventOrganclayPolymerNanocompositeSwellingIntercalationSolventEvaporation溶液插層法示意圖材料科學導論Thermoplastic OrganclayNanocompositeBlendingAnnealing熔融插層法材料科學導論

現代材料的合成與加工不僅涉及到微觀和宏觀范圍內的內容，同時也涉及到更微細化，甚至達到了原子尺度范圍上的問題，因此，這里論述的合成與加工的內涵要大于通常所說的材料工程的內涵。247材料科學導論與其它要素的關系從材料的產生到進入使用過程，直至損耗，四大要素存在著邏輯上的因果順序，即：合成與加工結構與成分材料性質使用性能產生具備提供248材料科學導論249材料科學導論提拉法制取單晶硅250材料科學導論大尺寸單晶硅251材料科學導論定向凝固技術在熔模鑄造型殼中建立特定方向的溫度梯度，使熔融合金沿著與熱流相反的方向按照要求的結晶取向凝固的一種鑄造工藝。定向凝固技術最突出的成就是在航空工業中的應用。252材料科學導論定向凝固共晶組織的渦輪葉片垂直于主應力的橫向晶界往往是裂紋產生和擴展的主要部位生長方向與主應力方向一致的單向生長的柱狀晶體。定向凝固由于消除了橫向晶界253材料科學導論近終形技術制備的葉片254材料科學導論

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。

超純條件------單晶硅晶片高壓條件------人工金剛石低溫條件------超導體超細條件------納米材料4.發展趨勢255材料科學導論我國與工業發達國家材料加工存在很大差距256材料科學導論大尺寸、高均勻性、高完整性的晶體生長技術；高精度晶片加工技術；MOCVD、MBE超薄膜生長技術；高純和超高純材料純制技術；低維材料的微細加工和制備技術；高均勻超細粉體制備技術；電子陶瓷、磁性材料的焙燒和成型技術；材料的修飾或改性技術；電子材料合成與加工的關鍵技術257材料科學導論由此看出：我國在合成與加工方面同先進國家的差距還很大，許多關鍵技術落后的根源都歸到這里。因此提高材料合成與加工的技術水平是我們的最重要的課題。258材料科學導論第三章結構材料鋼鐵材料有色金屬材料陶瓷材料玻璃材料水泥材料高分子材料復合材料材料科學導論什么是“結構材料”？結構材料是主要利用材料的強度、韌性、彈性等力學性能，用于制造在不同環境下工作時承受載荷的各種結構件和零部件的一類材料，即機械結構材料和建筑結構材料。材料科學導論材料科學導論鋼鐵材料純鐵工業純鐵強度低、硬度低、塑性好，一般不用于結構材料鑄鐵C質量分數大于2.11%的鐵碳合金鋼含C量碳鋼合金鋼成分、結構與性能的關系材料科學導論鋼鐵是怎樣煉成的材料科學導論碳鋼的分類含碳量越高，硬度、強度越大，但塑性降低材料科學導論2。按鋼的質量分（主要是雜質硫、磷的含量）：普通碳素鋼（S≤0.055％，P≤0.045％)

優質碳素鋼（S≤0.040％，P≤0.040％)

高級優質碳素鋼（S≤0.030％，P≤0.035％)材料科學導論3。按用途分：碳素結構鋼：主要用于橋梁、船舶、建筑構件、機器零件等碳素工具鋼：主要用于刀具、模具、量具等材料科學導論碳鋼的牌號與用途普通碳素結構鋼：Q195、Q215、Q235、Q255等。數字表示最低屈服強度。

Q195、Q215、Q235塑性好，可軋制成鋼板、

鋼筋、鋼管等。

Q255、Q275可軋制成型鋼、鋼板等。用途材料科學導論優質碳素結構鋼：鋼號以碳的平均質量萬分數表示。如20＃、45＃等。20＃表示含C：0.20%（萬分之20）。用途主要用于制造各種機器零件碳素工具鋼：鋼號以碳的平均質量千分數表示，并在前冠以T。如T9、T12等。T9表示含C：0.9%（千分之9）用途主要用于制造各種刀具、量具、模具等材料科學導論碳鋼的牌號與用途鑄鋼：鑄鋼牌號是在數字前冠以ZG，數字代表鋼中平均質量分數（以萬分數表示）。如ZG25，表示含C：0.25%。用途主要用于制造形狀復雜并需要一定強度、塑性和韌性的零件，如齒輪、聯軸器等。材料科學導論奧氏體是碳溶解在γ－Fe中的間隙固溶體，常用符號A表示。它仍保持γ－Fe的面心立方晶格。其溶碳能力較大，在727℃時溶碳為ωc＝0.77％,1148℃時可溶碳2.11％。奧氏體是在大于727℃高溫下才能穩定存在的組織。奧氏體塑性好，是絕大多數鋼種在高溫下進行壓力加工時所要求的組織。奧氏體是沒有磁性的。碳鋼的常規熱處理材料科學導論滲碳體滲碳體是鐵與碳形成的金屬化合物，其化學式為Fe3C。滲碳體的含碳量為ωc＝6.69％，熔點為1227℃。其晶格為復雜的正交晶格，硬度很高HBW＝800，塑性、韌性幾乎為零，脆性很大。在鐵碳合金中有不同形態的滲碳體，其數量、形態與分布對鐵碳合金的性能有直接影響。材料科學導論珠光體珠光體是奧氏體發生共析轉變所形成的鐵素體與滲碳體的共析體。其形態為鐵素體薄層和滲碳體薄層交替重疊的層狀復相物，也稱片裝珠光體。用符號P表示，含碳量為ωc＝0.77％。其力學性能介于鐵素體與滲碳體之間，決定于珠光體片層間距，即一層鐵素體與一層滲碳體厚度和的平均值。材料科學導論馬氏體分級淬火是將奧氏體化工件先浸入溫度稍高或稍低于鋼的馬氏體點的液態介質（鹽浴或堿浴）中，保持適當的時間，待鋼件的內、外層都達到介質溫度后取出空冷，以獲得馬氏體組織的淬火工藝，也稱分級淬火。分級淬火由于在分級溫度停留到工件內外溫度一致后空冷，所以能有效地減少相變應力和熱應力，減少淬火變形和開裂傾向。分級淬火適用于對于變形要求高的合金鋼和高合金鋼工件，也可用于截面尺寸不大、形狀復雜地碳素鋼工件。材料科學導論碳鋼的常規熱處理退火將鋼加熱到適當溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻（隨爐冷卻），以獲得接近于平衡狀態組織的熱處理工藝。正火完全退火、等溫退火、球化退火、擴散退火、去應力退火將鋼件加熱到AC3和Acm以上30－50度，保持適當時間后，在空氣中冷卻，得到珠光體類組織的熱處理工藝。材料科學導論碳鋼的常規熱處理淬火將鋼件加熱到奧氏體化后，快速冷卻，使組織轉變為馬氏體的熱處理工藝。所得的馬氏體的形態與鋼的成分、原始奧氏體晶粒的大小以及形成條件有密切關系。奧氏體晶粒越小，馬氏體越細。回火將鋼件淬火后，為了消除內應力并獲得所要求的性能，將其加熱到AC1以下的某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。材料科學導論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（總質量分數低于5％）、中合金鋼（總質量分數5％－10％）、高合金鋼（總質量分數高于10％）。按主要合金元素種類分：鉻鋼、鉻鎳鋼、錳鋼、硅錳鋼等。按用途分：結構鋼、工具鋼、特殊性能鋼。材料科學導論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，首先溶于鐵形成固溶體，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。合金元素溶于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：對于與碳的親和力較弱的合金元素，不與碳發生作用，只溶于鐵素體或奧氏體中；對于與碳的親和力較強的合金元素，當質量分數較低時，與鐵一起形成合金滲碳體，當質量分數較高時，形成合金碳化物。材料科學導論不銹鋼鐵及鐵基合金能在大氣和一般腐蝕性介質中具有很高耐蝕性的鋼種。用途主要用來制造在各種腐蝕性介質中工作并具有較高抗腐蝕能力的零件或結構件。廣泛用于石油、化工、原子能、海洋開發、國防和一些尖端科學技術領域。材料科學導論鐵及鐵基合金合金元素的作用1。耐腐蝕性要求越高，碳的質量分數應越低；2。加入主要的合金元素Cr。Cr能提高基體的電極電位。在氧化性介質中極易鈍化，形成致密的氧化膜，提高耐腐蝕性3。加入合金元素Ni。可獲得單項的奧氏體組織，顯著提高耐腐蝕性并改善鋼的塑性，通過熱處理還可以改善鋼的強度。材料科學導論鐵及鐵基合金合金元素的作用5。加入合金元素Ti、Nb等：能優先同C形成穩定的碳化物，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，并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。材料科學導論鑄鐵鐵及鐵基合金碳的質量分數大于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，廣泛應用在機械制造、冶金、礦上、石油化工。交通等領域。鑄鐵的生產設備和工藝簡單，價格便宜。材料科學導論鐵及鐵基合金鐵碳合金中碳的存在形式間隙固溶于鐵化合態的滲碳體游離態的石墨亞穩態，在一定條件下分解為鐵和石墨穩定態，可以從鑄鐵熔液中析出，也可以從奧氏體中析出Fe3C碳溶解在γ－Fe中的間隙固溶體材料科學導論鐵及鐵基合金鑄鐵的種類根據石墨化程度的不同，鑄鐵的類型和組織也不同。灰口鑄鐵白口鑄鐵可煅鑄鐵球墨鑄鐵蠕墨鑄鐵材料科學導論鑄鐵白口鑄鐵：碳絕大部分以化合物存在，斷口銀白色。性能：硬而脆，難于加工，使用價值低。鐵及鐵基合金灰口鑄鐵：碳以形式存在，斷口呈暗灰色。性能：價格低廉，易切削加工，常用于氣缸，支座機床等。滲碳體Fe3C

片狀石墨材料科學導論鐵及鐵基合金鑄鐵可鍛鑄鐵：由一定成分的白口鑄鐵經石墨化退火處理而獲得，其中碳大部分或全部以團絮狀石墨形式存在，由于具有較灰口鑄鐵高得多的塑性和韌性，習慣上稱為可鍛鑄鐵，實際上并不可鍛。滲碳體團絮石墨生產周期長，單件成本高，一般制作形狀復雜的薄壁小件。材料科學導論鑄鐵特性：球化減小應力集中，基體強度利用率高，可以進行熱處理加工，屈強比高。機械性能高，生產工藝比可鍛鑄鐵簡單，近年來日益得到廣泛的應用。“以鐵代鋼，以鑄代鍛”球墨鑄鐵：鐵水在澆注前經球化處理，其中碳大部分或全部以球狀石墨形式存在。鐵及鐵基合金材料科學導論鑄鐵碳以蠕蟲狀石墨存在，介于片狀和球狀之間，所以性能在在灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間。優點：導熱性和耐疲勞性好，高部件。合金鑄鐵：鑄鐵中加入合金元素如Cr、Cu、Al、等，可得到耐蝕、耐熱及耐磨等特性的合金鑄鐵。鐵及鐵基合金蠕墨鑄鐵：蠕化處理不宜控制材料科學導論鑄鐵性能特點石墨的形態對鑄鐵的性能影響較大。灰口鑄鐵的抗拉強度和塑性較低，這是因為石墨對基體的嚴重割裂所造成的。石墨相當于鋼基體中的裂紋和空洞，它減小基體的抗拉強度，并引起應力集中。石墨量越多，鑄鐵的抗拉強度越低。材料科學導論石墨的存在對鑄鐵的特殊作用減弱晶粒間振動能的傳遞，并將振動能轉變為熱能流動性好，凝固過程中析出比容較大的石墨，減小凝固收縮減摩、斷屑的作用；脫落形成顯微凹穴，起儲油作用，可維持油膜的連續性片狀石墨相當于許多微小缺口良好的潤滑劑，脫落在摩擦面材料科學導論高分子材料

2000年，世界合成高分子材料的年總產量已達到2億噸。其中塑料1.63億噸，合成橡膠0.11億噸，合成纖維0.28億噸。高分子科學既是一門基礎學科，又是一門應用科學，主要由四個學科分支組成。高分子化學、高分子物理、高分子材料和高分子工藝材料科學導論多種多樣的高分子材料材料科學導論材料科學導論材料科學導論防彈衣高比強度的降落傘繩索材料科學導論什么是高分子？高分子的含義主要由C、H、O等元素組成分子量很大（104~107，甚至更大）。分子似“一條鏈”，由許多相同的結構單元組成。以共價鍵的形式重復連接而成。材料科學導論與小分子比較分子量不確定，只有一定的范圍，是分子量不等的同系物的混合物；沒有固定熔點，只有一段寬的溫度范圍；分子間力很大，沒有沸點，加熱到2000C~3000C以上，材料破壞（降解或交聯）。材料科學導論材料科學導論材料科學導論高分子材料分類按材料來源分類天然高分子合成高分子按材料性能和用途分類塑料橡膠纖維涂料粘合劑功能高分子稱為三大合成材料材料科學導論通用高分子材料塑料、橡膠、纖維，稱為三大合成材料全世界產量1億多噸塑料主要品種有：合成橡膠主要用途為制造輪胎，約占60%合成纖維主要品種有：滌綸（PET）、尼龍、聚丙烯腈、聚丙烯等聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等材料科學導論工程塑料性能：堅硬、韌性、耐磨、耐熱水及蒸氣，加工時尺寸穩定性好、化學穩定性好。主要有：尼龍（聚酰胺）、聚碳酸酯（PC）、聚苯醚（PPO）、聚甲醛（POM）、飽和聚酯（PET、PBT）等材料科學導論三大高分子材料的比較材料科學導論材料應力—應變曲線材料科學導論按結構單元的化學組成分類1.碳鏈高分子主鏈以C原子間共價鍵相聯結加聚反應制得如聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯聚乙烯材料科學導論2.雜鏈高分子滌綸主鏈除C原子外還有其它原子如O、N、S等，并以共價鍵聯接，縮聚反應而得。如聚對苯二甲酸乙二酯（滌綸）、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等材料科學導論3.元素有機高分子主鏈中不含C原子，而由Si、B、P、Al、Ti、As等元素與O組成，其側鏈為有機基團；兼有無機高分子和有機高分子的特性，既有很高耐熱和耐寒性，又具有較高彈性和可塑性，如硅橡膠。硅橡膠材料科學導論4.無機高分子主鏈既不含C原子，也不含有機基團，而完全由其它元素所組成，這類元素的成鏈能力較弱，故聚合物分子量不高，并易水解。二硫化硅聚二氯一氮化磷材料科學導論高分子材料形成過程簡單流程如下：材料科學導論

熱塑性塑料：受熱后軟化，冷卻后又變硬，可重復循環。熱固性塑料：由單體直接形成網狀聚合物或通過交聯線型預聚體而形成，一旦形成交聯聚合物，受熱后不能再回到可塑狀態。制品不溶不熔。優點：質輕、電絕緣、耐化學腐蝕、容易成形加工等；缺點：力學性能比金屬材料差，表面硬度低，大多數品種易燃，耐熱性差。熱塑性與熱固性材料科學導論圖熱塑性a、b和熱固性c聚合物的形態特征

材料科學導論聚合物分子運動特點聚合物分子運動具有多重性。運動單元：側基、支鏈、鏈節、鏈段及整個大分子等。運動方式：鍵長、鍵角的振動或扭曲；側基、支鏈或鏈節的搖擺、旋轉；分子內旋轉及整個大分子的重心位移等。聚合物分子運動具有明顯的松弛特性。

具有時間依賴性的過程稱為松弛過程。分子運動是一個速度過程，要達到一定的運動狀態，提高溫度和延長時間具有相同的效果，這稱為時-溫等效原理，或時-溫轉化效應。材料科學導論力學狀態玻璃態鏈段運動處于“凍結”狀態，模量高形變小。具有虎克彈性行為，質硬而脆。高彈態鏈段運動已充分發展。在較小應力下，即可迅速發生很大的形變，除去外力后，形變可迅速恢復。粘流態由于鏈段的劇烈運動，整個大分子鏈重心發生相對位移，產生不可逆位移即粘性流動。交聯聚合物無粘流態存在材料科學導論玻璃化轉變聚合物的玻璃化轉變是指從玻璃態到高彈態之間的轉變。從分子運動的角度看，玻璃化溫度Tg是大分子鏈段開始運動的溫度。玻璃化轉變是一個松弛過程。在時間尺度不變時，凡是加速鏈段運動速度的因素，如大分子鏈柔性的增大、分子間作用力減小等結構因素，都使Tg下降。材料科學導論高分子材料發展簡史天然高分子的利用天然高分子改性天然橡膠硫化（1839年）硝化纖維賽璐珞（1868年）celluloid粘膠纖維（1893~1898年）纖維素黃酸鈉合成高分子20世紀初，出現了酚醛樹脂1920年，Staudinger提出高分子概念30年代、40年代，飛速發展70年代，特種性能的高分子材料科學導論創立高分子化學的施陶丁格

HermannStaudinge