1
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
2
§ 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
3
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 物理性质 化学性质
?强度
?硬度
?刚度
?塑性
?韧性
?电学性质
?磁学性质
?光学性质
?热学性质
?催化性质
?防化性质
2.1.1基础内容
4
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。
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。
21.1基础内容
5
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
吸收能量的能力。
2.1.1基础内容
6
强度范畴
刚度范畴
塑性范畴
韧性范畴应
力
应 变
2.1.1基础内容
7
材料的物理性质
磁学性质 光学性质电学性质
?导电性
?绝缘性
?介电性
?抗磁性
?顺磁性
?铁磁性
?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
注：上面只列出了材料的主要物理性质
2.1.1基础内容
8
物理性质的交互性 ----材料应用的关键点
现代功能材料不仅仅表现出单一的物
理性质，更重要的是具备了特殊的物
理交互性。例如：
电学 ----机械 电致伸缩
机械 ----电学 压电特性
磁学 ----机械 磁致伸缩
电学 ----磁学 巨磁阻效应
电学 ----光学 电致发光
------
2.1.1基础内容
9
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。
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。
使用性能描述符
2.1.1基础内容
10
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。
性能定义
2.1.1基础内容
11
材料力学性能
1,强度表征：
弹性极限
屈服强度
比例极限
……
2.1.1基础内容
12
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
2.1.1基础内容
13
材料力学性能
2.1.1基础内容
3,硬度表征：
布氏硬度
洛氏硬度
维氏硬度
……
14
材料力学性能
2.1.1基础内容
4,刚度表征：
弹性模量
杨氏模量
剪切模量
……
15
材料力学性能
2.1.1基础内容
5,疲劳强度表征：
疲劳极限
疲劳寿命
……
16
材料力学性能
2.1.1基础内容
6,抗蠕变性表征：
蠕变极限
持久强度
……
17
材料力学性能
2.1.1基础内容
7,韧性表征：
断裂韧性 KIC
断裂韧性 JIC
18
材料物理性能
2.1.1基础内容
1,电学性能表征：
导电率
电阻率
介电常数
……
19
材料物理性能
2.1.1基础内容
2,磁学性能表征：
磁导率
矫顽力
磁化率
……
20
材料物理性能
2.1.1基础内容
3,光学性能表征：
光反射率
光折射率
光损耗率
……
21
材料物理性能
2.1.1基础内容
4,热学性能表征：
热导率
热膨胀系数
熔点
比热
……
22
2,性质与使用性能的区别与关系
成分
结构
环境
性质
规范
使用
性能
所以,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 。
2.1.2性质与性能的区别与关系
23
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。
2.1.2性质与性能的区别与关系
24
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 。
2.1.2性质与性能的区别与关系
25
失效性质 失效环境 失效行为
力学 低温、过载荷 脆断、疲劳、断裂
化学 化学介质
腐蚀破坏
催化剂失效
电学 电压、电流
电介质击穿
电流过载
热学 高温
高温融化
蠕变破坏
3,失效分析
----材料使用性能的重要研究内容
2.1.3失效分析
26
断裂
磨损
腐蚀
三类主要的材料力学失效形式
2.1.3失效分析
27
2.1.3失效分析
28
材料的断裂韧性
2.1.3失效分析
29
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 。
3.1.4材料（产品）使用性能的设计
30
传统方式,结构与功能 确定材料的性质
先进方式,结构与功能
材料的性质
完成设计
2.1.4材料（产品）使用性能的设计
（选择材料）
31
汽车喷油嘴的设计 --方案一
顶
锥
运
动
方
向
软磁
材料
高
压
油
吸上：喷油
弹下：封闭
电磁体
材料性质要求
高磁导率
低矫顽力
顶锥响应时间约为
毫秒级
问题,由于惯性原因，造成喷油时间滞后使燃
烧效率降低，造成燃料损耗和环境污染。
例 2.1.4材料（产品）使用性能的设计
32
顶
锥
长
度
变
化
高磁致伸缩材料 收缩：喷油
复原：封闭
顶锥响应时间约为
微秒级
材料性质要求
高的磁致
伸缩系数
优点：结构简单,燃烧效率高，环境污染降低。
汽车喷油嘴的设计 --方案二
例
磁场
21.4材料（产品）使用性能的设计
33
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。
2.1.5材料性能数据库
34
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
? 西方七国组成有关新材料数据及标准的, 凡尔赛计划,
? 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
? 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
2.1.5材料性能数据库
35
材 料 世界产量 中国产量
钢 铁 71 43 7.3 10 12 4.0
水 泥 13 74 66,0 49 19 9.0
合成橡胶 81 8.2 60,0
合成树脂 13 94 0.0 64 3.6
合成纤维 21 55,4 46 0.3
主要结构材料的产量统计
2.1.6其它问题6,其它问题
36
§ 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
37
1,材料的结构
2.2.1材料的 结构
键合结构
晶体结构
组织结构
38
材料的结构 ----键合结构
2.2.1材料的 结构
离子建
共价键
金属键
?化学键
氢 键
分子键
?物理键
结
合
能
陶瓷材料
高分子材料
金属材料
冰（ H20）
卤族晶体
注,1,有些陶瓷材料属共价键化合物，如 SiC陶瓷；
2,分子键又称范德瓦尔斯力
3,实际晶体并非只有一种键合结构，如冰晶（共价键、氢键）
39
2.2.1材料的 结构
晶 体,原子排列长程有序，有周期
材料的结构 ----晶体结构
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
40
定义：组成材料的不同物质表示出的某种形态特征
2.2.1材料的 结构
材料的结构 ----组织结构
匀晶型组织 共晶型组织 包晶型组织相图特征
结构特征 马氏体组织 奥氏体组织 贝氏体组织 …...
组合特征 单相组织 两相组织 多相组织…...
41
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。
2.2.2成分、结构检测技术
42
成
分
分
析
化学分析：化验
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
2.2.2成分、结构检测技术
43
结构分析
检测仪器 分辨率
体视显微镜 m m ( 毫米 )-- μ m （微米）
光学显微镜 μ m （微米）
电子扫描显微 微米 -- 纳米 （ nm ）达 0, 7 n m
透射电镜 观察到原子排列面，达 0, 2 n m
场离子显微镜 形貌观察 0, 2 - - 0, 3 n m
隧道扫描显微镜 观察到原子结构 0, 0 5 - - 0.2nm
22.2成分、结构检测技术
44
磷锡青铜铸造组织 105倍
2.2.2成分、结构检测技术
45
扫描电镜像 ----AlN纤维形貌
2.2.2成分、结构检测技术
46
2.2.2成分、结构检测技术
扫描电镜像 ----六方 AlN晶体形貌
47
β -Si3N4
β -Si3N4
5nm
无压烧结 Si3N4材料 ---透射电镜像：原子排列面
2.2.2成分、结构检测技术
48
2.2.2成分、结构检测技术
场离子显微镜像 ----S3N4晶须形貌
49
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
50
2.2.2成分、结构检测技术扫描隧道显微镜像
在扫描隧道显微镜下，在硅（ 111）表面直接取出原子
而“刻写”出平均线宽为 2纳米的字体。
51
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
2.2.3 与其它要素的关系
52
?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。
53
?塑性加工
2.2.3 与其它要素的关系
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
------是加工的结果
54
?材料的强韧化
------位错理论的建立
固溶强化
加工硬化
弥散强化
第二相强化
相变增韧
2.2.3 与其它要素的关系
55
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
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 。
具有一种晶体结构的物质称为一相
2.2.4成分、结构数据库
56
5.成分、结构研究领域的新机遇
? 准晶
– 准晶的结构
– 潜在的应用价值
NEW
? 纳米材料
– 纳米碳管
– C60(巴基球 )，等
? 界面科学
– 超导体与基体的界面结构
– 功能复合材料的梯度界面
– 半导体材料与封装材料的界面
– 纤维增强体与基体的结合界面
2.2.5成分、结构研究领域的新机遇
57
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 。
2.2.5成分、结构研究领域的新机遇
58
§ 2.3 合成与加工
1.定义
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
59
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 。
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 。
2.3.1 定义
60
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
唯一实现途径
61
2.3.2 合成与加工的主要内容
材料制备
材料加工
表面工程
材料复合
2, 合成与加工的主要内容
62
一．材料的制备
2.3.2 合成与加工的主要内容
一,材料的制备
冶金过程
熔炼与凝固
粉末烧结
高分子聚合
63
不同的材料制备方法，分别具有不同
的材料科学基础内容，即：
冶金过程 冶金物理化学
熔炼与凝固 凝固学理论
粉末烧结 烧结原理
高分子聚合 聚合反应
2.3.2 合成与加工的主要内容
一,材料的制备
64
2.3.2 合成与加工的主要内容
一,材料的制备
?冶金过程（化学冶金）
目的,从原料中提取出金属
火法冶金
熔盐电冶金
湿法冶金
．．．．．．
内容, 炼铁、炼铜
电解铝、镁
水溶液电解锌
冶金过程
65
?熔炼与凝固（物理冶金）
2.3.2 合成与加工的主要内容
一,材料的制备
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 4,区域熔炼
2,快速凝固 5,玻璃的熔炼
3,定向凝固 6,熔融法提拉单晶
熔炼与凝固
66
2.3.2 合成与加工的主要内容
一,材料的制备
目的,１, 粉末成型
2, 粉末颗粒的结合
内容, 1, 粉末冶金技术
2, 现代陶瓷材料的制备
?粉末烧结 粉末烧结
67
2.3.2 合成与加工的主要内容
一,材料的制备
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 3, 悬浮聚合
2, 乳液聚合 4, 溶液聚合
?高分子聚合 高分子聚合
68
二．材料的加工
2.3.2 合成与加工的主要内容
二,材料的加工
传统意义上，材料的加工范畴包括四个方面：
?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
?材料的联接：焊接、粘接
注：从课程体系上分析,材料的切削 应在机械工程中重点讨论 。
69
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
２．塑变成型
3, 流变成型
金属的铸造、溶液纺丝
金属的压力加工
金属、陶瓷、高分子成型
2.3.2 合成与加工的主要内容
二,材料的加工
材料的成型?材料的成型
70
液态成型
A
B
C
液相区
液固区
固相区
成 分
温
度
A C 铸造
B C 半固态成型
流变铸造
触变铸造
研究的内容,1,凝固过程 2,成型工艺 3,流变特性
2.3.2 合成与加工的主要内容
二,材料的加工
材料的成型
71
塑变成型
A 高应力
低形变量
实现加工硬化
B
应 变
应
力
冷加工
热加工
A
B
低应力
大形变量
实现超塑性变形
2.3.2 合成与加工的主要内容
二,材料的加工
材料的成型
72
2.3.2 合成与加工的主要内容
二,材料的加工
材料的成型流变成型
金属的半固态成型
高分子材料的熔融成型
陶瓷泥料、浆料成型
玻璃的熔融浇注
73
目的：通过改变材料的成分、组织
与结构来改变材料的性能。
内容, １, 材料的“合金化”
2, 材料的热处理
2.3.2 合成与加工的主要内容
二,材料的加工
材料的改性?材料的改性
74
材料的“合金化”
2.3.2 合成与加工的主要内容
二,材料的加工
材料的改性
通过改变材料的成分，达到改变材料性能的方法。这种方
法在金属材料和现代高分子材料的改性方面有广泛的应用。
成 分
温
度
A B C
α α + β
金属材料的合金化过程
A B α α ’
固溶度变化改变性能
A C α α + β
相组成变化改变性能
固溶度变化改变性能
75
材料的热处理
2.3.2 合成与加工的主要内容
二,材料的加工
材料的改性
通过一定的加热、保温、冷却工艺过程，来
改变材料的相组成情况，达到改变材料性能
的方法。这种方法在金属材料和现代陶瓷材
料的改性方面有广泛的应用。
典型热处理工艺
淬火、退火、回火、正火
76
2.3.2 合成与加工的主要内容
二,材料的加工
材料的改性
时 间
温
度
成 分
温
度
v
v0
v>v0
淬火工艺
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。
77
时 间
温
度
淬火
正火
3.3.2 合成与加工的主要内容
二,材料的加工
材料的改性
正火工艺
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。
78
2.3.2 合成与加工的主要内容
二,材料的加工
材料的改性
时 间
温
度
退火工艺
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。
79
2.3.2 合成与加工的主要内容
二,材料的加工
材料的改性
时 间
温
度
回火工艺
淬火或正火的材料重新加热。目的在于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，并稳定工件的尺寸。
80
目的：实现材料间的整体结合
内容, 1,焊接 3,铆接
2,粘接 4,栓接
3.3.2 合成与加工的主要内容
二,材料的加工
材料的联接?材料的联接
81
三．材料表面工程
2.3.2 合成与加工的主要内容
三,材料表面工程
?表面改性
?表面防护
?薄膜技术
82
3.3.2 合成与加工的主要内容
三,材料表面工程
表面改性
----改变材料表面的性质
? 三束表面改性
? 化学表面改性（化学热处理）
? 表面淬火
?表面改性
83
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。
3.3.2 合成与加工的主要内容
三,材料表面工程
表面改性
84
3.3.2 合成与加工的主要内容
三,材料表面工程
表面改性三束表面改性
激光束 --- 组织变化
电子束 ---组织变化
离子束 --- 成分、组织变化
细
晶
化
均
匀
化
非
晶
化
金
属
元
素合金
化
85
3.3.2 合成与加工的主要内容
三,材料表面工程
表面改性离子束改性对表面应力状况的影响
B C
强度极限
疲劳极限
A --- 原始受力状态
B --- 改性受力状态
C --- 最终受力状态
A
86
3.3.2 合成与加工的主要内容
三,材料表面工程
表面改性化学表面改性（化学热处理）
改变材料表面的化学成分 --- 化学渗入
成 分
温
度
A B C
α α + β
心部
浓
度
表面
C+
N+
Me+ C0
87
3.3.2 合成与加工的主要内容
三,材料表面工程
表面防护表面淬火
?高频淬火
电磁能 集肤电流 表面热能
?火焰淬火
气体化学反应 表面热能
热处理
组织改变性能改变
88
?腐蚀防护
?摩擦磨损防护
3.3.2 合成与加工的主要内容
三,材料表面工程
表面防护?表面防护
89
腐蚀防护
? 大气腐蚀
? 海水腐蚀
? 工业介质腐蚀
3.3.2 合成与加工的主要内容
三,材料表面工程
表面防护
90
！
由腐蚀造成的材料失效
量，占世界材料总产量
的比例很高，腐蚀问题
十分严重。因此，腐蚀
防护非常重要。
3.3.2 合成与加工的主要内容
三,材料表面工程
表面防护
91
3.3.2 合成与加工的主要内容
三,材料表面工程
表面防护美国八个工业部门对
材料性质的需求情况
所需特性
航空
航天
汽车
生物
材料
化工 电子 能源 金属 通信
比强度
? ? ?
耐高温
? ? ? ?
耐腐蚀
? ? ? ? ? ?
高效加工
? ? ? ? ? ? ? ?
近终成型
? ? ? ? ? ? ? ?
材料回收
? ? ?
92
-----腐蚀的原因
3.3.2 合成与加工的主要内容
三,材料表面工程
表面防护
主动防护 被动防护
合金化
非晶化
高纯度
表面涂镀
表面改性
表面钝化
电化学保护抗蚀材料
93
摩擦磨损防护
? 增加抗磨损性
? 增加润滑性
3.3.2 合成与加工的主要内容
三,材料表面工程
表面防护
94
?薄膜技术
有许多种薄膜技术能够在基材表面覆盖薄
膜材料层，其中最重要的两种方法是：
3.3.2 合成与加工的主要内容
三,材料表面工程
薄膜技术
95
随着材料科学技术的不断发展，
薄膜技术已不仅仅是材料改性
的手段。更重要的是，现代薄
膜技术在高新技术领域，如：
微电子器件、纳米结构与组装、
光电子器件，等方面正发挥着
越来越重要的作用。
3.3.2 合成与加工的主要内容
三,材料表面工程
薄膜技术
96
四．材料的复合
3.3.2 合成与加工的主要内容
四,材料的复合
?金属基复合材料
?陶瓷基复合材料
?高分子复合材料
97
3.3.2 合成与加工的主要内容
四,材料的复合
材料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。
98
3.3.2 合成与加工的主要内容
现代材料的合成与加工不仅涉及
到微观和宏观范围内的内容，同时也
涉及到更微细化，甚至达到了原子尺
度范围上的问题，因此，这里论述的
合成与加工 的内涵要大于通常所说
的 材料工程 的内涵。
99
3.与其它要素的关系
3.3.3 与其它要素的关系
从材料的产生到进入使用过程，直至损耗，
四大要素存在着逻辑上的因果顺序，即：
合成与加工 结构与成分 材料性质 使用性能
产
生
具
备
提
供
100
低速冷却 10
-3
K/ S ~1K/S 10
2
~ 1 0
8
K / S
平衡组织 铸态组织 非平衡态组织
单晶硅
尺寸 > 3 0 0 m m
缺陷数 1 0 0 - 1 0 0 0 个 / c m
2
定向凝固共晶材料
制成涡轮机叶片
近终型技术
先进的成型技术
非晶带材, 制做变压器
细晶, 高强材料
微晶, 人们正在研究这
一新结构的意义和实 用
准晶, 正在研究
3.3.3 与其它要素的关系
101
提拉法制取单晶硅
3.3.3 与其它要素的关系
102
大尺寸单晶硅
3.3.3 与其它要素的关系
103
α -相 β -相
生长界面
定向凝固共晶组织的生长
3.3.3 与其它要素的关系
104
定向凝固共晶组织的涡轮叶片
3.3.3 与其它要素的关系
105
近终形技术
制备的叶片
3.3.3 与其它要素的关系
106
3.3.4 发展趋势
?在极端化的条件下，完成合成与加
工过程，获得更多的功能特性。
例,?超纯条件 ------单晶硅晶片
?高压条件 ------人工金刚石
?低温条件 ------超导体
?超细条件 ------纳米材料
4.发展趋势
107
中国 工业化国家
精铸件比重 （％〕
精锻件比重 （％）
单位产值能耗
原材料消耗
工业增加值率
3 一 4
37
7
2, 5
0, 5
25 一 30
65 一 70
1 （日美）
1 （日美〕
1 （日美〕
我国与工业发达国家材料加工存在很大差距
3.3.4 发展趋势
108
?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；
?高均匀超细粉体制备技术；
?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；
电子材料合成与加工的关键技术
3.3.2 合成与加工的主要内容
109
由此看出,
我国在合成与加工方面同先进国
家的差距还很大，许多关键技术
落后的根源都归到这里。因此提
高材料合成与加工的技术水平是
我们的最重要的课题 。
3.3.4 发展趋势
110
§ 3.4 仪器与设备
1,成分、结构表征仪器
2.材料性能的检测仪器
2.合成与加工过程中使用的设备
3.过程控制的探测元件及装置
111
1.成分结构表征仪器
材料成分结构的表征仪器是从事材料
科学研究必备的手段, 如同天文望远镜将
人类视野带到了一个遥远的宇宙空间一样
,材料成分结构表征仪器则将我们的观察
引进一个更为绚丽多彩的微观世界 。
112
随着仪器能检测到的下限
值不断减小，材料研究者所获
取的信息也在不断增多，对材
料本质的认识也在不断加深。
材料科学研究使用的仪器、
设备的精密程度代表了一个国
家的综合科技水平。
113
114
115
116
117
磷锡青铜铸造组织 105倍
118
扫描电镜像 ----AlN纤维形貌
119
扫描电镜像 ----六方 AlN晶体形貌
120
β -Si3N4
β -Si3N4
5nm
无压烧结 Si3N4材料 ---透射电镜像：原子排列面
121
场离子显微镜像 ----S3N4晶须形貌
122
扫描隧道显微镜像
----方铝矿（ 100）解理面
Pb
S
123
扫描隧道显微镜
124
激光拉曼光谱仪
125
电子能谱仪
126
超导核磁共振仪
127
高分辨电子显微镜
128
多功能核磁共振波谱仪
129
电子顺磁共振波谱仪
130
色谱 --质谱联用仪
131
原子探针场离子显微镜
132
电子能谱
133
扫描隧道显微镜
双准直离子散射仪
高分辨率电子损耗光谱仪
角分辨光电子能谱仪
俄歇能谱仪
低能电子衍射仪
低能电子显微镜
自旋极化测量
场离子显微镜
原子探针
?材料表面科学中使用的仪器
134
材料性能的测定仪器是将性能的三
要素（外界环境、表现行为、表征参量）
融合在一个系统中完成，即，由仪器输
入或模拟一个使用环境（条件），使受
测材料发生响应（结果），然后仪器再
将响应的模拟信号转变为数字信号表现
出来（数值）。
2.材料性能的测定仪器
135
有许许多多种材料的力学、物理、
化学单项性能，每种性能都分别
对应了相应的测定方法和仪器。
这些仪器构成了一个庞大的材料
性能测定仪器家族。
136
多功能内耗仪
137
六联旋转高温陶瓷夹具
138
疲劳内耗超声衰减仪
139
蠕变 --疲劳实验机
140
陶瓷材料高温蠕变实验机
141
陶瓷高温疲劳实验机
142
材料合成与加工过程是在一个限
定的 空间,在给定的 条件 下进行的。
用以满足空间需求和提供外加条件的
各种装置或部件的组合就构成了材料
合成与加工设备的主体。同时，设备
中还包含了 关键的控制系统 。
3.合成与加工设备
143
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：
电力系统, 加热装置, 辐照装置, 激光发生器
物质输送：
气, 液管路, 机械进给装置
144
双低能离子束薄膜沉积设备
145
纳米材料制备设备
146
超净工作室
147
单晶炉
148
单晶硅炉
149
冷等静压机
150
喷雾制粉设备
151
4.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
152
探测性能 原理 材料
氧含量 体离子导电 Z r
1- χ
CaO
2- χ
湿度 表面离子导电 M gCr
2
O
4
·T iO
2
酸度 表面化学反应 IrO
2- χ
压力 压电 P b Zr
1- χ
Ti
χ
O
3
温度 热电 P b Zr
1- χ
Ti
χ
O
3
电压 晶界面隧道 Z n O· Bi
2
O
3
P TC 热敏电阻 晶界面相变 Ba
1- χ
Ce
χ
T iO
3
化学 表面电子导电 Z n O· CuO
光学 光电阻 CdS
用于传感器的无机非金属敏感材料
153
§ 2.5 分析与建模
（材料设计）
1,引言
2,材料设计的基本内容
3,材料设计计算机基础
154
1.引言
随着材料科学的飞速发展, 新型材料
不断涌现, 与此同时, 人类社会的整体科
技水平也在不断的提高, 因此对材料科学
又提出了更高的要求 。
传统, 炒菜式, 的材料研制方法已不
能满足人们的要求 。, 材料设计, 应运而
生 。
155
核心问题,
用什么样的配方，什么样的
合成加工条件，来获取具有什么
样的成分、结构和性质的材料。
156
“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；
157
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）合成与加工新技术的涌现
各种新型材料合成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
加工又为合成加工的优化开辟了新方向。
158
材料设计 贯穿于材料, 四要素, 的各个方面, 即
：
2.材料设计的内容
? 成分结构设计
? 性质性能预测
? 合成加工过程的控制与优化
159
将性质截然不同的材料在原子, 分子水平上
均匀混合, 形成原子, 分子层次的复合材料
例如：
高分子聚乙烯和难熔重金属钨的 杂化材料
?微观结构设计
案例 1,杂化材料
160
同传统复合材料的区别：
复合材料 不同的组成相复合
杂化材料 不同的组成原子 （ 分子 ） 复合
同固溶体的区别：
固溶体 热力学平衡体系
杂化材料 热力学非平衡体系
161
通过对原子排列的计算，
可以了解到晶体材料的晶
体学结构。
案例 2,晶体结构计算
162
准晶照片
163
计算的剖面图
164
165
金属间化合物：处于相图中间的除固
溶体以外的合金相。许多金属间化合
物都是重要的功能材料，如：储氢材
料，超导材料，磁性材料，高温结构
材料，磁滞伸缩材料等。
案例 3,金属间化合物预报
166
1969年
前已知
预报
可能存
在
CaCu5型化合
物的预报名单
167
案例 4,超晶格结构设计
超晶格结构,通过外延生长的方法, 使两种材料
以极薄的薄膜方式交替叠合, 从而沿生长方向在
原晶格常数为 a（ 几个埃 ） 的晶格势场上, 引入了
一个周期为 d（ 100埃数量级 ） 的一维周期势, 这
种一维周期势结构就称为超晶格结构 。
168
169
超晶格结构使原来的能带分裂为一系列微
小能带, 可使电子能够在这些微能带间发
生跃迁, 从而导致各种新的物理现象产生
。 如：量子尺寸效应, 室温激子非线性光
子效应, 迁移率增强效应, 量子霍耳效应
,共振隧穿效应 。
170
利用超晶格结构的概念, 在原子尺度
上进行材料的组份及结构参数设计, 改变
材料的能带结构, 采用先进的制备方法,
人工合成各式奇特物理性质的新材料和新
器件 。
——能带工程
171
制备方法：
分子束外延 （ MBE）
金属有机化合物化学
气相沉积 （ MOCVD）
化学束外延 （ CBE）
原子层外延 （ ALE）
172
双生长空的 MBE设备，用于半导体
超晶格结构材料和器件的研制
173
分子束外延设备 MBE
174
全自动 MOCVD设备
175
应用领域
光计算机器件 （自电光效应器件 SEED）
远红外探测器
量子霍耳电阻，作为电阻自然基准
超高速电子器件
176
重要的四个材料设计领域
?连续介质的材料设计
?各种物理场的数值模拟
?合金的微观组织形成
?断裂力学分析
?复合材料的界面梯度设计
177
1.模拟 热传导过程
2.模拟 应力应变状态
3.模拟 物质扩散过程
4.模拟 流体传输过程
5.模拟 电磁场分布规律
?各种物理场的数值模拟
178
?合金显微组织的形成
建模在合金凝固过程中的重
要作用。特别是对于大型或特大
型铸件，为保证浇注过程的一次
成功和避免经济损失，进行全过
程的计算机仿真是极其必要的 。
179
共晶组织
180
α -相 β -相
生长界面
定向凝固共晶组织的生长 ----材料设计
181
不同加工条件下获得的组织，将
表现出不同的材料性能。这些加工条
件包括许多因素，如：成分、温度梯
度及方向、重力、振动、杂质元素、
杂质相、液固界面等。将这些因素的
物理表征参量包括在一个数学模型中，
即模型建立，通过计算机数值计算及
对结果的计算机仿真，就可以了解到
合金凝固过程及凝固的组织特征。
182
材料中裂纹的形成和
扩展的研究是微观断裂
力学的核心问题 。
?断裂的分析
183
陶瓷纤维增韧的设计方案
----对裂纹扩展的影响 （ 物理模型 ）
裂纹走向 张应力
压应力
184
裂纹扩展过程中, 裂纹, 纤维 （ 晶须 ）,
基体三元素体系的变化情况：
?纤维拔断
?纤维拔出
?纤维与基体间滑动
?纤维 （ 晶须 ） 偏转
?纤维周围的应力状态改变
185
裂纹扩展过程中能量的增量
⊿ E = E1 + E2 + --- +E5 （数学模型）
对数学模型的数值计算，能够获得材料的宏
观抗断裂性能 ----定量预测
186
太空飞行器表面防护材料的梯度设计
?复合材料的界面梯度设计
表面防护材料的梯度设计的主要
内容就是进行由表层到内部的材料成
分、结构的梯度设计，从而降低不同
材料结合面之间的应力梯度。
187
金属氢制备的飞块设计
飞块为在射出后，在飞行过程中提高反射激波的吸收
能量，增加飞行动能，要求对飞块进行梯度设计
金属氢
飞块
激波
爆炸冲击波
188
?宏观系统的全过程或全因素的设计
?物质流与能量流的平衡设计
?过程中的全因素优化设计
?材料的智能加工
189
非晶带的生产
190
1,合金熔液的成分、温度及甩带量有一定的限定值
2,冷却速度、冷凝辊转速、液流量、带宽和带厚之
间有一定的比值
191
非晶带制取设备
192
连铸连轧
结晶器 轧辊金属液 轧板
193
要求：
（ 1）金属液的流入量、拉坯速度、后段轧板的运
行速度的定比关系
（ 2）流入结晶器的金属液温度、拉坯速度、后段
轧制量、材料的力学性能之间的定比关系
在保证上述两个基本条件下，进行全过程的材料
设计。
（注：宝钢，鞍钢就建立这一大型实际课题委托东北大学完成）
194
全过程
材料的设计 合成与加工
支持与维护 废弃与回收
?全过程、全因素优化设计
全 因素
性能指标 加工性
失效分析 成本指标
环境因素 （ 包括能源, 资源, 环境 ）
195
在材料的制造 --废弃的全过程中, 对设
计的各种因素进行综合的优化设计, 将是
材料科学与工程领域又一新的研究课题,
需要材料科学家, 机械制造工程师, 数学
家, 经济学家等各类人员密切合作方能完
成 。
196
近年来，日本许多产品（特别是汽
车，电子元件）的质量有压倒美国的趋
势。为保持美国在国际上的优势，美国
采取的对策之一就是材料的智能加工。
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
降低产品的废品率
?材料的智能加工
197
如图所示, 在材
料智能加工过程
中, 传感器是一
个很重要的因素
。 各种类型的传
感器同加工体系
,专家系统构成
了一个完整的材
料智能加工系统
。
加
工
系
统
专
家
系
统传感器
198
玻璃钢球罐自动化加工
199
探测性能 原理 材料
氧含量 体离子导电 Z r
1- χ
CaO
2- χ
湿度 表面离子导电 M gCr
2
O
4
·T iO
2
酸度 表面化学反应 IrO
2- χ
压力 压电 P b Zr
1- χ
Ti
χ
O
3
温度 热电 P b Zr
1- χ
Ti
χ
O
3
电压 晶界面隧道 Z n O· Bi
2
O
3
P TC 热敏电阻 晶界面相变 Ba
1- χ
Ce
χ
T iO
3
化学 表面电子导电 Z n O· CuO
光学 光电阻 CdS
用于传感器的无机非金属敏感材料
200
?物理场的数值模拟
?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.材料设计的计算机基础
201
?物理场的数值模拟
温 度 场 计 算 导 热 方 程 描述热传导过程
应 力 场 计 算
应力场几何方程
应力场物理方程
描述应力应变状态
浓 度 场 计 算 扩 散 方 程 描述物质扩散过程
流 体 场 计 算 流体动力学方程 描述流体传输过程
电 磁 场 计 算 麦克斯韦方程 描述电磁场分布规律
202
?常用工程数学的计算机处理
?概率分布
?误差分析
?参数估计
?数值分析
?曲线拟合
?最优化方法
203
?推荐几种重要的数学应用软件
大型统计软件 SPSS
有限元数值计算及优化 ANSYS
具有多种数学功能 MATHLAB
204
?计算机过程控制
?计算机接口技术
?计算机图形学与图象处理技术
?计算机实时控制
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
2
§ 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
3
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 物理性质 化学性质
?强度
?硬度
?刚度
?塑性
?韧性
?电学性质
?磁学性质
?光学性质
?热学性质
?催化性质
?防化性质
2.1.1基础内容
4
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。
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。
21.1基础内容
5
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
吸收能量的能力。
2.1.1基础内容
6
强度范畴
刚度范畴
塑性范畴
韧性范畴应
力
应 变
2.1.1基础内容
7
材料的物理性质
磁学性质 光学性质电学性质
?导电性
?绝缘性
?介电性
?抗磁性
?顺磁性
?铁磁性
?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
注：上面只列出了材料的主要物理性质
2.1.1基础内容
8
物理性质的交互性 ----材料应用的关键点
现代功能材料不仅仅表现出单一的物
理性质，更重要的是具备了特殊的物
理交互性。例如：
电学 ----机械 电致伸缩
机械 ----电学 压电特性
磁学 ----机械 磁致伸缩
电学 ----磁学 巨磁阻效应
电学 ----光学 电致发光
------
2.1.1基础内容
9
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。
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。
使用性能描述符
2.1.1基础内容
10
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。
性能定义
2.1.1基础内容
11
材料力学性能
1,强度表征：
弹性极限
屈服强度
比例极限
……
2.1.1基础内容
12
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
2.1.1基础内容
13
材料力学性能
2.1.1基础内容
3,硬度表征：
布氏硬度
洛氏硬度
维氏硬度
……
14
材料力学性能
2.1.1基础内容
4,刚度表征：
弹性模量
杨氏模量
剪切模量
……
15
材料力学性能
2.1.1基础内容
5,疲劳强度表征：
疲劳极限
疲劳寿命
……
16
材料力学性能
2.1.1基础内容
6,抗蠕变性表征：
蠕变极限
持久强度
……
17
材料力学性能
2.1.1基础内容
7,韧性表征：
断裂韧性 KIC
断裂韧性 JIC
18
材料物理性能
2.1.1基础内容
1,电学性能表征：
导电率
电阻率
介电常数
……
19
材料物理性能
2.1.1基础内容
2,磁学性能表征：
磁导率
矫顽力
磁化率
……
20
材料物理性能
2.1.1基础内容
3,光学性能表征：
光反射率
光折射率
光损耗率
……
21
材料物理性能
2.1.1基础内容
4,热学性能表征：
热导率
热膨胀系数
熔点
比热
……
22
2,性质与使用性能的区别与关系
成分
结构
环境
性质
规范
使用
性能
所以,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 。
2.1.2性质与性能的区别与关系
23
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。
2.1.2性质与性能的区别与关系
24
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 。
2.1.2性质与性能的区别与关系
25
失效性质 失效环境 失效行为
力学 低温、过载荷 脆断、疲劳、断裂
化学 化学介质
腐蚀破坏
催化剂失效
电学 电压、电流
电介质击穿
电流过载
热学 高温
高温融化
蠕变破坏
3,失效分析
----材料使用性能的重要研究内容
2.1.3失效分析
26
断裂
磨损
腐蚀
三类主要的材料力学失效形式
2.1.3失效分析
27
2.1.3失效分析
28
材料的断裂韧性
2.1.3失效分析
29
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 。
3.1.4材料（产品）使用性能的设计
30
传统方式,结构与功能 确定材料的性质
先进方式,结构与功能
材料的性质
完成设计
2.1.4材料（产品）使用性能的设计
（选择材料）
31
汽车喷油嘴的设计 --方案一
顶
锥
运
动
方
向
软磁
材料
高
压
油
吸上：喷油
弹下：封闭
电磁体
材料性质要求
高磁导率
低矫顽力
顶锥响应时间约为
毫秒级
问题,由于惯性原因，造成喷油时间滞后使燃
烧效率降低，造成燃料损耗和环境污染。
例 2.1.4材料（产品）使用性能的设计
32
顶
锥
长
度
变
化
高磁致伸缩材料 收缩：喷油
复原：封闭
顶锥响应时间约为
微秒级
材料性质要求
高的磁致
伸缩系数
优点：结构简单,燃烧效率高，环境污染降低。
汽车喷油嘴的设计 --方案二
例
磁场
21.4材料（产品）使用性能的设计
33
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。
2.1.5材料性能数据库
34
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
? 西方七国组成有关新材料数据及标准的, 凡尔赛计划,
? 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
? 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
2.1.5材料性能数据库
35
材 料 世界产量 中国产量
钢 铁 71 43 7.3 10 12 4.0
水 泥 13 74 66,0 49 19 9.0
合成橡胶 81 8.2 60,0
合成树脂 13 94 0.0 64 3.6
合成纤维 21 55,4 46 0.3
主要结构材料的产量统计
2.1.6其它问题6,其它问题
36
§ 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
37
1,材料的结构
2.2.1材料的 结构
键合结构
晶体结构
组织结构
38
材料的结构 ----键合结构
2.2.1材料的 结构
离子建
共价键
金属键
?化学键
氢 键
分子键
?物理键
结
合
能
陶瓷材料
高分子材料
金属材料
冰（ H20）
卤族晶体
注,1,有些陶瓷材料属共价键化合物，如 SiC陶瓷；
2,分子键又称范德瓦尔斯力
3,实际晶体并非只有一种键合结构，如冰晶（共价键、氢键）
39
2.2.1材料的 结构
晶 体,原子排列长程有序，有周期
材料的结构 ----晶体结构
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
40
定义：组成材料的不同物质表示出的某种形态特征
2.2.1材料的 结构
材料的结构 ----组织结构
匀晶型组织 共晶型组织 包晶型组织相图特征
结构特征 马氏体组织 奥氏体组织 贝氏体组织 …...
组合特征 单相组织 两相组织 多相组织…...
41
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。
2.2.2成分、结构检测技术
42
成
分
分
析
化学分析：化验
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
2.2.2成分、结构检测技术
43
结构分析
检测仪器 分辨率
体视显微镜 m m ( 毫米 )-- μ m （微米）
光学显微镜 μ m （微米）
电子扫描显微 微米 -- 纳米 （ nm ）达 0, 7 n m
透射电镜 观察到原子排列面，达 0, 2 n m
场离子显微镜 形貌观察 0, 2 - - 0, 3 n m
隧道扫描显微镜 观察到原子结构 0, 0 5 - - 0.2nm
22.2成分、结构检测技术
44
磷锡青铜铸造组织 105倍
2.2.2成分、结构检测技术
45
扫描电镜像 ----AlN纤维形貌
2.2.2成分、结构检测技术
46
2.2.2成分、结构检测技术
扫描电镜像 ----六方 AlN晶体形貌
47
β -Si3N4
β -Si3N4
5nm
无压烧结 Si3N4材料 ---透射电镜像：原子排列面
2.2.2成分、结构检测技术
48
2.2.2成分、结构检测技术
场离子显微镜像 ----S3N4晶须形貌
49
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
50
2.2.2成分、结构检测技术扫描隧道显微镜像
在扫描隧道显微镜下，在硅（ 111）表面直接取出原子
而“刻写”出平均线宽为 2纳米的字体。
51
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
2.2.3 与其它要素的关系
52
?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。
53
?塑性加工
2.2.3 与其它要素的关系
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
------是加工的结果
54
?材料的强韧化
------位错理论的建立
固溶强化
加工硬化
弥散强化
第二相强化
相变增韧
2.2.3 与其它要素的关系
55
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
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 。
具有一种晶体结构的物质称为一相
2.2.4成分、结构数据库
56
5.成分、结构研究领域的新机遇
? 准晶
– 准晶的结构
– 潜在的应用价值
NEW
? 纳米材料
– 纳米碳管
– C60(巴基球 )，等
? 界面科学
– 超导体与基体的界面结构
– 功能复合材料的梯度界面
– 半导体材料与封装材料的界面
– 纤维增强体与基体的结合界面
2.2.5成分、结构研究领域的新机遇
57
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 。
2.2.5成分、结构研究领域的新机遇
58
§ 2.3 合成与加工
1.定义
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
59
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 。
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 。
2.3.1 定义
60
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
唯一实现途径
61
2.3.2 合成与加工的主要内容
材料制备
材料加工
表面工程
材料复合
2, 合成与加工的主要内容
62
一．材料的制备
2.3.2 合成与加工的主要内容
一,材料的制备
冶金过程
熔炼与凝固
粉末烧结
高分子聚合
63
不同的材料制备方法，分别具有不同
的材料科学基础内容，即：
冶金过程 冶金物理化学
熔炼与凝固 凝固学理论
粉末烧结 烧结原理
高分子聚合 聚合反应
2.3.2 合成与加工的主要内容
一,材料的制备
64
2.3.2 合成与加工的主要内容
一,材料的制备
?冶金过程（化学冶金）
目的,从原料中提取出金属
火法冶金
熔盐电冶金
湿法冶金
．．．．．．
内容, 炼铁、炼铜
电解铝、镁
水溶液电解锌
冶金过程
65
?熔炼与凝固（物理冶金）
2.3.2 合成与加工的主要内容
一,材料的制备
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 4,区域熔炼
2,快速凝固 5,玻璃的熔炼
3,定向凝固 6,熔融法提拉单晶
熔炼与凝固
66
2.3.2 合成与加工的主要内容
一,材料的制备
目的,１, 粉末成型
2, 粉末颗粒的结合
内容, 1, 粉末冶金技术
2, 现代陶瓷材料的制备
?粉末烧结 粉末烧结
67
2.3.2 合成与加工的主要内容
一,材料的制备
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 3, 悬浮聚合
2, 乳液聚合 4, 溶液聚合
?高分子聚合 高分子聚合
68
二．材料的加工
2.3.2 合成与加工的主要内容
二,材料的加工
传统意义上，材料的加工范畴包括四个方面：
?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
?材料的联接：焊接、粘接
注：从课程体系上分析,材料的切削 应在机械工程中重点讨论 。
69
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
２．塑变成型
3, 流变成型
金属的铸造、溶液纺丝
金属的压力加工
金属、陶瓷、高分子成型
2.3.2 合成与加工的主要内容
二,材料的加工
材料的成型?材料的成型
70
液态成型
A
B
C
液相区
液固区
固相区
成 分
温
度
A C 铸造
B C 半固态成型
流变铸造
触变铸造
研究的内容,1,凝固过程 2,成型工艺 3,流变特性
2.3.2 合成与加工的主要内容
二,材料的加工
材料的成型
71
塑变成型
A 高应力
低形变量
实现加工硬化
B
应 变
应
力
冷加工
热加工
A
B
低应力
大形变量
实现超塑性变形
2.3.2 合成与加工的主要内容
二,材料的加工
材料的成型
72
2.3.2 合成与加工的主要内容
二,材料的加工
材料的成型流变成型
金属的半固态成型
高分子材料的熔融成型
陶瓷泥料、浆料成型
玻璃的熔融浇注
73
目的：通过改变材料的成分、组织
与结构来改变材料的性能。
内容, １, 材料的“合金化”
2, 材料的热处理
2.3.2 合成与加工的主要内容
二,材料的加工
材料的改性?材料的改性
74
材料的“合金化”
2.3.2 合成与加工的主要内容
二,材料的加工
材料的改性
通过改变材料的成分，达到改变材料性能的方法。这种方
法在金属材料和现代高分子材料的改性方面有广泛的应用。
成 分
温
度
A B C
α α + β
金属材料的合金化过程
A B α α ’
固溶度变化改变性能
A C α α + β
相组成变化改变性能
固溶度变化改变性能
75
材料的热处理
2.3.2 合成与加工的主要内容
二,材料的加工
材料的改性
通过一定的加热、保温、冷却工艺过程，来
改变材料的相组成情况，达到改变材料性能
的方法。这种方法在金属材料和现代陶瓷材
料的改性方面有广泛的应用。
典型热处理工艺
淬火、退火、回火、正火
76
2.3.2 合成与加工的主要内容
二,材料的加工
材料的改性
时 间
温
度
成 分
温
度
v
v0
v>v0
淬火工艺
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。
77
时 间
温
度
淬火
正火
3.3.2 合成与加工的主要内容
二,材料的加工
材料的改性
正火工艺
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。
78
2.3.2 合成与加工的主要内容
二,材料的加工
材料的改性
时 间
温
度
退火工艺
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。
79
2.3.2 合成与加工的主要内容
二,材料的加工
材料的改性
时 间
温
度
回火工艺
淬火或正火的材料重新加热。目的在于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，并稳定工件的尺寸。
80
目的：实现材料间的整体结合
内容, 1,焊接 3,铆接
2,粘接 4,栓接
3.3.2 合成与加工的主要内容
二,材料的加工
材料的联接?材料的联接
81
三．材料表面工程
2.3.2 合成与加工的主要内容
三,材料表面工程
?表面改性
?表面防护
?薄膜技术
82
3.3.2 合成与加工的主要内容
三,材料表面工程
表面改性
----改变材料表面的性质
? 三束表面改性
? 化学表面改性（化学热处理）
? 表面淬火
?表面改性
83
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。
3.3.2 合成与加工的主要内容
三,材料表面工程
表面改性
84
3.3.2 合成与加工的主要内容
三,材料表面工程
表面改性三束表面改性
激光束 --- 组织变化
电子束 ---组织变化
离子束 --- 成分、组织变化
细
晶
化
均
匀
化
非
晶
化
金
属
元
素合金
化
85
3.3.2 合成与加工的主要内容
三,材料表面工程
表面改性离子束改性对表面应力状况的影响
B C
强度极限
疲劳极限
A --- 原始受力状态
B --- 改性受力状态
C --- 最终受力状态
A
86
3.3.2 合成与加工的主要内容
三,材料表面工程
表面改性化学表面改性（化学热处理）
改变材料表面的化学成分 --- 化学渗入
成 分
温
度
A B C
α α + β
心部
浓
度
表面
C+
N+
Me+ C0
87
3.3.2 合成与加工的主要内容
三,材料表面工程
表面防护表面淬火
?高频淬火
电磁能 集肤电流 表面热能
?火焰淬火
气体化学反应 表面热能
热处理
组织改变性能改变
88
?腐蚀防护
?摩擦磨损防护
3.3.2 合成与加工的主要内容
三,材料表面工程
表面防护?表面防护
89
腐蚀防护
? 大气腐蚀
? 海水腐蚀
? 工业介质腐蚀
3.3.2 合成与加工的主要内容
三,材料表面工程
表面防护
90
！
由腐蚀造成的材料失效
量，占世界材料总产量
的比例很高，腐蚀问题
十分严重。因此，腐蚀
防护非常重要。
3.3.2 合成与加工的主要内容
三,材料表面工程
表面防护
91
3.3.2 合成与加工的主要内容
三,材料表面工程
表面防护美国八个工业部门对
材料性质的需求情况
所需特性
航空
航天
汽车
生物
材料
化工 电子 能源 金属 通信
比强度
? ? ?
耐高温
? ? ? ?
耐腐蚀
? ? ? ? ? ?
高效加工
? ? ? ? ? ? ? ?
近终成型
? ? ? ? ? ? ? ?
材料回收
? ? ?
92
-----腐蚀的原因
3.3.2 合成与加工的主要内容
三,材料表面工程
表面防护
主动防护 被动防护
合金化
非晶化
高纯度
表面涂镀
表面改性
表面钝化
电化学保护抗蚀材料
93
摩擦磨损防护
? 增加抗磨损性
? 增加润滑性
3.3.2 合成与加工的主要内容
三,材料表面工程
表面防护
94
?薄膜技术
有许多种薄膜技术能够在基材表面覆盖薄
膜材料层，其中最重要的两种方法是：
3.3.2 合成与加工的主要内容
三,材料表面工程
薄膜技术
95
随着材料科学技术的不断发展，
薄膜技术已不仅仅是材料改性
的手段。更重要的是，现代薄
膜技术在高新技术领域，如：
微电子器件、纳米结构与组装、
光电子器件，等方面正发挥着
越来越重要的作用。
3.3.2 合成与加工的主要内容
三,材料表面工程
薄膜技术
96
四．材料的复合
3.3.2 合成与加工的主要内容
四,材料的复合
?金属基复合材料
?陶瓷基复合材料
?高分子复合材料
97
3.3.2 合成与加工的主要内容
四,材料的复合
材料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。
98
3.3.2 合成与加工的主要内容
现代材料的合成与加工不仅涉及
到微观和宏观范围内的内容，同时也
涉及到更微细化，甚至达到了原子尺
度范围上的问题，因此，这里论述的
合成与加工 的内涵要大于通常所说
的 材料工程 的内涵。
99
3.与其它要素的关系
3.3.3 与其它要素的关系
从材料的产生到进入使用过程，直至损耗，
四大要素存在着逻辑上的因果顺序，即：
合成与加工 结构与成分 材料性质 使用性能
产
生
具
备
提
供
100
低速冷却 10
-3
K/ S ~1K/S 10
2
~ 1 0
8
K / S
平衡组织 铸态组织 非平衡态组织
单晶硅
尺寸 > 3 0 0 m m
缺陷数 1 0 0 - 1 0 0 0 个 / c m
2
定向凝固共晶材料
制成涡轮机叶片
近终型技术
先进的成型技术
非晶带材, 制做变压器
细晶, 高强材料
微晶, 人们正在研究这
一新结构的意义和实 用
准晶, 正在研究
3.3.3 与其它要素的关系
101
提拉法制取单晶硅
3.3.3 与其它要素的关系
102
大尺寸单晶硅
3.3.3 与其它要素的关系
103
α -相 β -相
生长界面
定向凝固共晶组织的生长
3.3.3 与其它要素的关系
104
定向凝固共晶组织的涡轮叶片
3.3.3 与其它要素的关系
105
近终形技术
制备的叶片
3.3.3 与其它要素的关系
106
3.3.4 发展趋势
?在极端化的条件下，完成合成与加
工过程，获得更多的功能特性。
例,?超纯条件 ------单晶硅晶片
?高压条件 ------人工金刚石
?低温条件 ------超导体
?超细条件 ------纳米材料
4.发展趋势
107
中国 工业化国家
精铸件比重 （％〕
精锻件比重 （％）
单位产值能耗
原材料消耗
工业增加值率
3 一 4
37
7
2, 5
0, 5
25 一 30
65 一 70
1 （日美）
1 （日美〕
1 （日美〕
我国与工业发达国家材料加工存在很大差距
3.3.4 发展趋势
108
?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；
?高均匀超细粉体制备技术；
?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；
电子材料合成与加工的关键技术
3.3.2 合成与加工的主要内容
109
由此看出,
我国在合成与加工方面同先进国
家的差距还很大，许多关键技术
落后的根源都归到这里。因此提
高材料合成与加工的技术水平是
我们的最重要的课题 。
3.3.4 发展趋势
110
§ 3.4 仪器与设备
1,成分、结构表征仪器
2.材料性能的检测仪器
2.合成与加工过程中使用的设备
3.过程控制的探测元件及装置
111
1.成分结构表征仪器
材料成分结构的表征仪器是从事材料
科学研究必备的手段, 如同天文望远镜将
人类视野带到了一个遥远的宇宙空间一样
,材料成分结构表征仪器则将我们的观察
引进一个更为绚丽多彩的微观世界 。
112
随着仪器能检测到的下限
值不断减小，材料研究者所获
取的信息也在不断增多，对材
料本质的认识也在不断加深。
材料科学研究使用的仪器、
设备的精密程度代表了一个国
家的综合科技水平。
113
114
115
116
117
磷锡青铜铸造组织 105倍
118
扫描电镜像 ----AlN纤维形貌
119
扫描电镜像 ----六方 AlN晶体形貌
120
β -Si3N4
β -Si3N4
5nm
无压烧结 Si3N4材料 ---透射电镜像：原子排列面
121
场离子显微镜像 ----S3N4晶须形貌
122
扫描隧道显微镜像
----方铝矿（ 100）解理面
Pb
S
123
扫描隧道显微镜
124
激光拉曼光谱仪
125
电子能谱仪
126
超导核磁共振仪
127
高分辨电子显微镜
128
多功能核磁共振波谱仪
129
电子顺磁共振波谱仪
130
色谱 --质谱联用仪
131
原子探针场离子显微镜
132
电子能谱
133
扫描隧道显微镜
双准直离子散射仪
高分辨率电子损耗光谱仪
角分辨光电子能谱仪
俄歇能谱仪
低能电子衍射仪
低能电子显微镜
自旋极化测量
场离子显微镜
原子探针
?材料表面科学中使用的仪器
134
材料性能的测定仪器是将性能的三
要素（外界环境、表现行为、表征参量）
融合在一个系统中完成，即，由仪器输
入或模拟一个使用环境（条件），使受
测材料发生响应（结果），然后仪器再
将响应的模拟信号转变为数字信号表现
出来（数值）。
2.材料性能的测定仪器
135
有许许多多种材料的力学、物理、
化学单项性能，每种性能都分别
对应了相应的测定方法和仪器。
这些仪器构成了一个庞大的材料
性能测定仪器家族。
136
多功能内耗仪
137
六联旋转高温陶瓷夹具
138
疲劳内耗超声衰减仪
139
蠕变 --疲劳实验机
140
陶瓷材料高温蠕变实验机
141
陶瓷高温疲劳实验机
142
材料合成与加工过程是在一个限
定的 空间,在给定的 条件 下进行的。
用以满足空间需求和提供外加条件的
各种装置或部件的组合就构成了材料
合成与加工设备的主体。同时，设备
中还包含了 关键的控制系统 。
3.合成与加工设备
143
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：
电力系统, 加热装置, 辐照装置, 激光发生器
物质输送：
气, 液管路, 机械进给装置
144
双低能离子束薄膜沉积设备
145
纳米材料制备设备
146
超净工作室
147
单晶炉
148
单晶硅炉
149
冷等静压机
150
喷雾制粉设备
151
4.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
152
探测性能 原理 材料
氧含量 体离子导电 Z r
1- χ
CaO
2- χ
湿度 表面离子导电 M gCr
2
O
4
·T iO
2
酸度 表面化学反应 IrO
2- χ
压力 压电 P b Zr
1- χ
Ti
χ
O
3
温度 热电 P b Zr
1- χ
Ti
χ
O
3
电压 晶界面隧道 Z n O· Bi
2
O
3
P TC 热敏电阻 晶界面相变 Ba
1- χ
Ce
χ
T iO
3
化学 表面电子导电 Z n O· CuO
光学 光电阻 CdS
用于传感器的无机非金属敏感材料
153
§ 2.5 分析与建模
（材料设计）
1,引言
2,材料设计的基本内容
3,材料设计计算机基础
154
1.引言
随着材料科学的飞速发展, 新型材料
不断涌现, 与此同时, 人类社会的整体科
技水平也在不断的提高, 因此对材料科学
又提出了更高的要求 。
传统, 炒菜式, 的材料研制方法已不
能满足人们的要求 。, 材料设计, 应运而
生 。
155
核心问题,
用什么样的配方，什么样的
合成加工条件，来获取具有什么
样的成分、结构和性质的材料。
156
“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；
157
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）合成与加工新技术的涌现
各种新型材料合成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
加工又为合成加工的优化开辟了新方向。
158
材料设计 贯穿于材料, 四要素, 的各个方面, 即
：
2.材料设计的内容
? 成分结构设计
? 性质性能预测
? 合成加工过程的控制与优化
159
将性质截然不同的材料在原子, 分子水平上
均匀混合, 形成原子, 分子层次的复合材料
例如：
高分子聚乙烯和难熔重金属钨的 杂化材料
?微观结构设计
案例 1,杂化材料
160
同传统复合材料的区别：
复合材料 不同的组成相复合
杂化材料 不同的组成原子 （ 分子 ） 复合
同固溶体的区别：
固溶体 热力学平衡体系
杂化材料 热力学非平衡体系
161
通过对原子排列的计算，
可以了解到晶体材料的晶
体学结构。
案例 2,晶体结构计算
162
准晶照片
163
计算的剖面图
164
165
金属间化合物：处于相图中间的除固
溶体以外的合金相。许多金属间化合
物都是重要的功能材料，如：储氢材
料，超导材料，磁性材料，高温结构
材料，磁滞伸缩材料等。
案例 3,金属间化合物预报
166
1969年
前已知
预报
可能存
在
CaCu5型化合
物的预报名单
167
案例 4,超晶格结构设计
超晶格结构,通过外延生长的方法, 使两种材料
以极薄的薄膜方式交替叠合, 从而沿生长方向在
原晶格常数为 a（ 几个埃 ） 的晶格势场上, 引入了
一个周期为 d（ 100埃数量级 ） 的一维周期势, 这
种一维周期势结构就称为超晶格结构 。
168
169
超晶格结构使原来的能带分裂为一系列微
小能带, 可使电子能够在这些微能带间发
生跃迁, 从而导致各种新的物理现象产生
。 如：量子尺寸效应, 室温激子非线性光
子效应, 迁移率增强效应, 量子霍耳效应
,共振隧穿效应 。
170
利用超晶格结构的概念, 在原子尺度
上进行材料的组份及结构参数设计, 改变
材料的能带结构, 采用先进的制备方法,
人工合成各式奇特物理性质的新材料和新
器件 。
——能带工程
171
制备方法：
分子束外延 （ MBE）
金属有机化合物化学
气相沉积 （ MOCVD）
化学束外延 （ CBE）
原子层外延 （ ALE）
172
双生长空的 MBE设备，用于半导体
超晶格结构材料和器件的研制
173
分子束外延设备 MBE
174
全自动 MOCVD设备
175
应用领域
光计算机器件 （自电光效应器件 SEED）
远红外探测器
量子霍耳电阻，作为电阻自然基准
超高速电子器件
176
重要的四个材料设计领域
?连续介质的材料设计
?各种物理场的数值模拟
?合金的微观组织形成
?断裂力学分析
?复合材料的界面梯度设计
177
1.模拟 热传导过程
2.模拟 应力应变状态
3.模拟 物质扩散过程
4.模拟 流体传输过程
5.模拟 电磁场分布规律
?各种物理场的数值模拟
178
?合金显微组织的形成
建模在合金凝固过程中的重
要作用。特别是对于大型或特大
型铸件，为保证浇注过程的一次
成功和避免经济损失，进行全过
程的计算机仿真是极其必要的 。
179
共晶组织
180
α -相 β -相
生长界面
定向凝固共晶组织的生长 ----材料设计
181
不同加工条件下获得的组织，将
表现出不同的材料性能。这些加工条
件包括许多因素，如：成分、温度梯
度及方向、重力、振动、杂质元素、
杂质相、液固界面等。将这些因素的
物理表征参量包括在一个数学模型中，
即模型建立，通过计算机数值计算及
对结果的计算机仿真，就可以了解到
合金凝固过程及凝固的组织特征。
182
材料中裂纹的形成和
扩展的研究是微观断裂
力学的核心问题 。
?断裂的分析
183
陶瓷纤维增韧的设计方案
----对裂纹扩展的影响 （ 物理模型 ）
裂纹走向 张应力
压应力
184
裂纹扩展过程中, 裂纹, 纤维 （ 晶须 ）,
基体三元素体系的变化情况：
?纤维拔断
?纤维拔出
?纤维与基体间滑动
?纤维 （ 晶须 ） 偏转
?纤维周围的应力状态改变
185
裂纹扩展过程中能量的增量
⊿ E = E1 + E2 + --- +E5 （数学模型）
对数学模型的数值计算，能够获得材料的宏
观抗断裂性能 ----定量预测
186
太空飞行器表面防护材料的梯度设计
?复合材料的界面梯度设计
表面防护材料的梯度设计的主要
内容就是进行由表层到内部的材料成
分、结构的梯度设计，从而降低不同
材料结合面之间的应力梯度。
187
金属氢制备的飞块设计
飞块为在射出后，在飞行过程中提高反射激波的吸收
能量，增加飞行动能，要求对飞块进行梯度设计
金属氢
飞块
激波
爆炸冲击波
188
?宏观系统的全过程或全因素的设计
?物质流与能量流的平衡设计
?过程中的全因素优化设计
?材料的智能加工
189
非晶带的生产
190
1,合金熔液的成分、温度及甩带量有一定的限定值
2,冷却速度、冷凝辊转速、液流量、带宽和带厚之
间有一定的比值
191
非晶带制取设备
192
连铸连轧
结晶器 轧辊金属液 轧板
193
要求：
（ 1）金属液的流入量、拉坯速度、后段轧板的运
行速度的定比关系
（ 2）流入结晶器的金属液温度、拉坯速度、后段
轧制量、材料的力学性能之间的定比关系
在保证上述两个基本条件下，进行全过程的材料
设计。
（注：宝钢，鞍钢就建立这一大型实际课题委托东北大学完成）
194
全过程
材料的设计 合成与加工
支持与维护 废弃与回收
?全过程、全因素优化设计
全 因素
性能指标 加工性
失效分析 成本指标
环境因素 （ 包括能源, 资源, 环境 ）
195
在材料的制造 --废弃的全过程中, 对设
计的各种因素进行综合的优化设计, 将是
材料科学与工程领域又一新的研究课题,
需要材料科学家, 机械制造工程师, 数学
家, 经济学家等各类人员密切合作方能完
成 。
196
近年来，日本许多产品（特别是汽
车，电子元件）的质量有压倒美国的趋
势。为保持美国在国际上的优势，美国
采取的对策之一就是材料的智能加工。
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
降低产品的废品率
?材料的智能加工
197
如图所示, 在材
料智能加工过程
中, 传感器是一
个很重要的因素
。 各种类型的传
感器同加工体系
,专家系统构成
了一个完整的材
料智能加工系统
。
加
工
系
统
专
家
系
统传感器
198
玻璃钢球罐自动化加工
199
探测性能 原理 材料
氧含量 体离子导电 Z r
1- χ
CaO
2- χ
湿度 表面离子导电 M gCr
2
O
4
·T iO
2
酸度 表面化学反应 IrO
2- χ
压力 压电 P b Zr
1- χ
Ti
χ
O
3
温度 热电 P b Zr
1- χ
Ti
χ
O
3
电压 晶界面隧道 Z n O· Bi
2
O
3
P TC 热敏电阻 晶界面相变 Ba
1- χ
Ce
χ
T iO
3
化学 表面电子导电 Z n O· CuO
光学 光电阻 CdS
用于传感器的无机非金属敏感材料
200
?物理场的数值模拟
?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.材料设计的计算机基础
201
?物理场的数值模拟
温 度 场 计 算 导 热 方 程 描述热传导过程
应 力 场 计 算
应力场几何方程
应力场物理方程
描述应力应变状态
浓 度 场 计 算 扩 散 方 程 描述物质扩散过程
流 体 场 计 算 流体动力学方程 描述流体传输过程
电 磁 场 计 算 麦克斯韦方程 描述电磁场分布规律
202
?常用工程数学的计算机处理
?概率分布
?误差分析
?参数估计
?数值分析
?曲线拟合
?最优化方法
203
?推荐几种重要的数学应用软件
大型统计软件 SPSS
有限元数值计算及优化 ANSYS
具有多种数学功能 MATHLAB
204
?计算机过程控制
?计算机接口技术
?计算机图形学与图象处理技术
?计算机实时控制
