23
2.1.2性质与性能的区别与关系
需要注意的一点
在材料科学研究及工程化应用中，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。
24
2.1.3失效分析
3. 失效分析
----材料使用性能的重要研究内容
失效性质 力学 化学 电学 热学 失效环境 低温、过载荷 化学介质 电压、电流 高温 失效行为 脆断、疲劳、断裂 腐蚀破坏 催化剂失效 电介质击穿 电流过载 高温融化 蠕变破坏
43
2.2.2成分、结构检测技术
磷锡青铜铸造组织 105倍
44
扫描电镜像----AlN纤维形貌
2.2.2成分、结构检测技术
45
2.2.2成分、结构检测技术
扫描电镜像----六方AlN晶体形貌
46
2.2.2成分、结构检测技术
无压烧结Si3N4材料---透射电镜像：原子排列面
β -Si3N4
β -Si3N4
4.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
具有一种晶体结构的物质称为一相
注：这两个数据库对材料科学家的研究提供了极大的
便利，几乎所有材料合成的研究都是从了解上面 两个对应关系的研究开始的。
55
2.2.5成分、结构研究领域的新机遇
2.2.3 与其它要素的关系
3.与其它要素的关系
是材料性质的原因 是合成加工的结果
51
•材料的强度
2.2.3 与其它要素的关系
金属材料的尺寸减小到一定值时，材料 的工程强度值不再恒定，而是迅速增大， 原因有两点：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-----结构是性能的原因。
2.1.6其它问题
中国产量 10124.0 49199.0 60.0 643.6 460.3
35
§2.2 成分与结构
1. 材料的结构 2. 成分结构检测技术 3.与其它要素的关系 4.材料的成分.结构数据库 5.新的机遇
36
2.2.1材料的结构
1. 材料的结构
键合结构 晶体结构 组织结构
37
2.2.1材料的结构
4. 刚度表征： 弹性模量 杨氏模量 剪切模量 ……
14
2.1.1基础内容
材料力学性能
5. 疲劳强度表征： 疲劳极限 疲劳寿命 ……
15变极限 持久强度 ……
16
2.1.1基础内容
材料力学性能
7. 韧性表征： 断裂韧性 KIC 断裂韧性 JIC
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。
4
2.1.1基础内容
结构材料性质的表征----材料力学性质
疲劳强度：材料抵抗交变应力作用下断
裂破坏的能力。 抗蠕变性：材料在恒定应力（或恒定载 荷）作用下抵抗变形的能力。 韧性：材料从塑性变形到断裂全过程中
25
2.1.3失效分析
三类主要的材料力学失效形式
断裂 磨损
腐蚀
26
2.1.3失效分析
27
2.1.3失效分析
材料的断裂韧性
28
3.1.4材料（产品）使用性能的设计
4. 材料（产品）使用性能的设计
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。
吸收能量的能力。
5
2.1.1基础内容
强度范畴
应 力
刚度范畴
韧性范畴 塑性范畴
应 变
6
2.1.1基础内容
材料的物理性质
电学性质
•导电性 •绝缘性 •介电性
磁学性质
•抗磁性 •顺磁性
光学性质
• 光反射 • 光折射 • 光学损耗
热学性质
• 导热性 • 热膨胀 • 热容
•铁磁性
• 光透性
• 熔化
注：上面只列出了材料的主要物理性质
• 西方七国组成有关新材料数据及标准的“凡尔赛计划”
• 北京钢铁研究总院建立合金钢数据库
• 航天航空部材料研究所建立航天材料数据库
34
6. 其它问题
主要结构材料的产量统计
材 料 钢 铁 水 泥 合成橡胶 合成树脂 合成纤维 世界产量 71437.3 137466.0 818.2 13940.0 2155.4
10
2.1.1基础内容
材料力学性能
1. 强度表征： 弹性极限 屈服强度 比例极限 ……
11
2.1.1基础内容
材料力学性能
2. 塑性表征： 延伸率δ 断面收缩率φ 冲杯深度 h
12
2.1.1基础内容
材料力学性能
3. 硬度表征： 布氏硬度 洛氏硬度 维氏硬度 ……
13
2.1.1基础内容
材料力学性能
使用性能：是指材料在最终使用状态（产品、元 件）下表现出的行为。 使用性能描述符 可靠性、耐用度、寿命、性能价格比、安 全性，及材料固化为产品后，表征产品优 良程度的各种性能指标，如飞行速度.使用 温度等。
9
2.1.1基础内容
性能定义
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。
第二章 材料科学与工程的四个基本要素
• MSE四要素
–使用性能 –材料的性质 –结构与成分 –合成与加工
• 两个重要内容
–仪器与设备 –分析与建模
1
§2.1
性质与使用性能
1. 基础概念 2. 性质与性能的区别与关系 3. 材料的失效分析 4. 材料（产品）使用性能的设计
5. 材料性能数据库
6. 其它问题
29
2.1.4材料（产品）使用性能的设计
传统方式： 结构与功能
确定材料的性质 （选择材料）
完成设计
先进方式：
结构与功能
材料的性质
30
例
2.1.4材料（产品）使用性能的设计
汽车喷油嘴的设计--方案一
电磁体 材料性质要求 高磁导率 低矫顽力 高 压 油 软磁 材料 顶 锥 运 动 方 向 吸上：喷油 弹下：封闭
32
2.1.5材料性能数据库
5. 材料性能数据库
从事材料工程的人们必须注重材料性能数据库，因为：
–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。
33
2.1.5材料性能数据库
国际材料数据库建设简况
• 英、美金属学会合建金属材料数据库 • 原苏联及东欧各国组成了COMECON材料数据系统，包括 16个数据库 • 北京科技大学等单位联合建成材料腐蚀数据库 • 武汉材料保护研究所建成材料磨损数据库
5nm
47
2.2.2成分、结构检测技术
场离子显微镜像----S3N4晶须形貌
48
2.2.2成分、结构检测技术
扫描隧道显微镜像
----方铝矿（100）解理面
Pb
S
49
扫描隧道显微镜像
2.2.2成分、结构检测技术
在扫描隧道显微镜下，在硅（111）表面直接取出原子 50 而“刻写”出平均线宽为2纳米的字体。
合成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向。
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。
59
2.3.1 定义
需要说明的问题
在材料科学与工程中，合成和加 工之间的区别变得越来越模糊 合成是新技术开发和现有技术改
进的关键性要素
现代材料合成技术是人造材料的
贝氏体组织 …...
…...
单相组织
两相组织
多相组织
40
2.2.2成分、结构检测技术
2.成分、结构检测技术 现代材料科学家对材料成分、结构的 认识是由分析、检测实现的。
41
2.2.2成分、结构检测技术
化学分析：化验 成 分 分 析
物理分析：物理量间接测定
谱学分析：红外光谱、光电子能谱，等
42
结构分析
以上新的研究课题，都主要是围绕
成分与结构展开的，向上追溯到材
料的合成与加工，向下则牵联到材 料的特征性质。可以说，这些研究
是新材料新技术的代表。
57
§2.3
1.定义
合成与加工
2.合成与加工的主要内容 3.与其它要素的关系 4.发展方向
58
2.3.1 定义
1.定义
“ 合成”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。
2
2.1.1基础内容
材料性质：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。 材料性质描述
力学性质
•强度 •硬度 •刚度 •塑性 •韧性
物理性质
•电学性质
化学性质
•磁学性质
•光学性质 •热学性质
•催化性质 •防化性质
3
21.1基础内容
结构材料性质的表征----材料力学性质
强度：材料抵抗外应力的能力。
材料的结构----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
39
2.2.1材料的结构
材料的结构----组织结构