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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划材料的四个要素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.材料使用性能的设计5.材料性能数据库6.其它问题基础内容材料性质：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，磁学性质，光学性质，热学性质化学性质；催化性质，防化性质结构材料性质的
2、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。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。1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
3、果，按照特定的规范所获得的表征参量。材料力学性能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h3.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：疲劳极限，疲劳寿命6.抗蠕变性表征：蠕变极限，持久强度7.韧性表征：断裂韧性KIC，断裂韧性JIC材料物理性能1.电学性能表征：导电率，电阻率，介电常数2.磁学性能表征：磁导率，矫顽力，磁化率3.光学性能表征：光反射率，光折射率，光损耗率4.热学性能表征：热导率，热膨胀系数，熔点，比热性质与性能的区别与关系性质与使用性能的区别与关系2性能是随着外因的变化而不断变
4、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。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。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三类主要的材料力学失效形式断裂磨损腐蚀材料的断裂韧性材料使用性能的设计在材料使用性能设计的同时，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
5、，采取并行设计的方法。3传统方式：结构与功能确定材料的性质完成设计先进方式：结构与功能，材料的性质完成设计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；1.材料性能数据库是材料选择的先决条件；2.材料性能数据库是实现计算机辅助选材、计算机辅助设计、计算机辅助制造的基础。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
6、航天材料数据库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中国产量成分与结构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.新的机遇材料的结构键合结构，晶体结构，组织结构4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，无周期材料的结构-组织结构定义：组成材料的不同物质表示出的某种形态特征相图特征；匀晶型组织，共晶型组织，包晶型组织结构特征；fcc结构，bcc结构，hcp结构组织特征；单相组织，两相组织，多相组织成分、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
7、分析、检测实现的。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，等结构分析检测仪器体视显微镜光学显微镜电子扫描显微透射电镜场离子显微镜隧道扫描显微镜分辨率mm(毫米)-mm微米-纳米达观察到原子排列面，达形貌观察观察到原子结构5我对材料科学四要素的认识武晓博材料科学是上世纪五十年代提出的，以研究和揭示固体材料性质规律为主的一门科学，与能源、信息并列为现代科学技术的三大支柱。随着高技术的兴起，又把新材料与信息技术、生物技术并列作为新技术革命的重要标志。如今，材料已成为国民经济建设、国防建设和人民群众生活的重要组成部分。一般所说的材料,包括传统材料和各种新型材料。材
8、料科学的任务，就是研究材料的性质、使用性能、结构与成分、合成与加工这四者间的关系，因而将其称为材料科学的四个基本要素。1、材料的性质。材料的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，包括力学性质、物理性质以及化学性质。力学性质。包括强度、硬度、刚度、塑性、韧性等。强度：材料抵抗外应力的能力；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；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；韧性：材料从塑性变形到断裂全过程中吸收能量的能力。物理性质。包括电学性质、磁学性质、光学性质及热学性质等。电学性质：主要包括材料的
9、导电性、绝缘性及介电性等；磁学性质：主要包括材料的抗磁性、顺磁性及铁磁性等；光学性质：主要包括材料的光反射、光折射、光学损耗及光透性等；热学性质：主要包括材料的导热性、热膨胀、热容和熔化等。化学性质包括催化性质及防化性质等。2、材料的性能。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，称为材料的性能。包括力学性能、力学性能。弹性表征：包括弹性极限、屈服强度、比例极限等；塑性表征：包括延伸率、断面收缩率、冲杯深度等；硬度表征：包括布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等；刚度表征：包括弹性模量、杨氏模量、剪切模量等；疲劳强度表征：包括疲劳极限和疲劳寿命等；抗蠕变性表征：包
10、括蠕变极限和持久强度等；韧性表征：包括断裂韧性和KIC和断裂韧性JIC等。物理性能。电学性能表征：包括导电率、电阻率、介电常数等；磁学性能表征：包括磁导率、矫顽力、磁化率等；光学性能表征：包括光反射率、光折射率、光损耗率等；热学性能标准：包括热导率、热膨胀系数、熔点、比热等。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。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。因而，在材料科学研究及工程化应用中，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
11、性能的材料，是材料人员应具备的一种能力。3、成分与结构。材料的结构主要包括键合结构、晶体结构和组织结构。键合结构包括化学键和物理键；材料的晶体结构包括晶体、非晶体、准晶体；材料的组织结构，指的是组成材料的不同物质表示出的某种形态特征，包括相图特征、结构特征、组织特征。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。成分分析包括化学分析、物理分析和谱学分析。可以说，材料的成分与结构是材料性质的原因，也是合成与加工的结果。X衍射数据库及相图数据库共同构成了成分与结构数据库。前者建立了结构与测定参数的关系，后者建立了成分与相的关系。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
12、料合成的研究都是从了解这两个对应关系的研究开始的。特别的，随着理论的不断拓宽与完善，在成分与结构研究领域中出现了许多新的机遇。如准晶的结构及潜在的应用价值，碳纳米管和足球烯，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等，这些为我们今后的学习与工作提供新的课题，吸引并激励着我们不断的研究与探索。4、合成与加工。“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；加工则指的是可以同样的方式使用，
13、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，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。材料的合成与加工主要包括材料制备、材料加工、表面工程和材料复合四个方面。材料的制备。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、熔炼与凝固、粉末烧结、高分子聚合。冶金过程又称化学冶金，是从原料中提取出金属，方法包括火法冶金、熔盐电冶金、湿法冶金；熔炼与凝固又称物理冶金，用于金属的精炼及提纯，材料的“合金化”和晶体的生长，具体内容包括平衡凝固、区域熔炼、快速凝固、玻璃的熔炼、定向凝固和熔融法提拉
14、单晶；粉末煅烧的目的是使粉末成形和粉末颗的结合，内容包括粉末冶金技术和现代陶瓷材料的制备；高分子聚合是为了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，实施方法分为本体聚合、悬浮聚合、乳液聚合和溶液聚合。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、材料的成型、材料的改性、材料的联接。材料的成型：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；液态成型：包括金属的铸造、溶液纺丝；塑变成型：即金属的压力加工；流变成型：包括金属、陶瓷、高分子成型。材料的改性：材料改性是通过改变材料的成分、组织与结构以达到改变材料的性能的目的。包括材料的“合金化”和材料的热处理。所谓材料的“合金化”，是指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。材料的热处理，是指通过一定的加热、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。典型热处理工艺有淬火、退火、回火和正火。淬火工艺是指通过快速冷却，获得远离平衡态的不稳定组织，达到强化材料的目的；正火工艺是指在奥氏体状态下，空气或保护气体冷
