材料科学与工程的四个基本要素

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1、1第一章第一章 材料科学与工程的四个基本要素材料科学与工程的四个基本要素MSEMSE四要素四要素使用性能使用性能材料的性质材料的性质结构与成分结构与成分合成与加工合成与加工两个重要内容两个重要内容仪器与设备仪器与设备分析与建模分析与建模22.1 2.1 性质与使用性能性质与使用性能1. 基础概念基础概念2. 性质与性能的区别与关系性质与性能的区别与关系3. 材料的失效分析材料的失效分析4. 材料（产品）使用性能的设计材料（产品）使用性能的设计5. 材料性能数据库材料性能数据库6. 其它问题其它问题3材料性质：是功能特性和效用的描述符，是材料材料性质：是功能特性和效用的描述符，是材料 对电对电.

2、 .磁磁. .光光. .热热. .机械载荷的反应。机械载荷的反应。材料性质描述材料性质描述力学性质力学性质物理性质物理性质化学性质化学性质强度强度硬度硬度刚度刚度塑性塑性韧性韧性电学性质电学性质磁学性质磁学性质光学性质光学性质热学性质热学性质催化性质催化性质防化性质防化性质2.1.1基础内容4结构材料性质的表征结构材料性质的表征-材料力学性质材料力学性质强度：材料抵抗外应力的能力。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。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硬度：材料在表面上的小体积内

3、抵抗变形或 破裂的能力。破裂的能力。刚度：外应力作用下材料抵抗弹性变形能力。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结构材料性质的表征-材料力学性质材料力学性质疲劳强度：材料抵抗交变应力作用下断疲劳强度：材料抵抗交变应力作用下断 裂破坏的能力。裂破坏的能力。抗蠕变性：材料在恒定应力（或恒定载抗蠕变性：材料在恒定应力（或恒定载 荷）作用下抵抗变形的能力。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韧性：材料从塑性变形到断裂全过程中 吸收能量的能力。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

4、7材料的物理性质磁学性质磁学性质光学性质光学性质电学性质电学性质导电性导电性绝缘性绝缘性介电性介电性抗磁性抗磁性顺磁性顺磁性铁磁性铁磁性光反射光反射光折射光折射光学损耗光学损耗光透性光透性热学性质热学性质导热性导热性热膨胀热膨胀热容热容熔化熔化注：上面只列出了材料的主要物理性质注：上面只列出了材料的主要物理性质2.1.1基础内容8物理性质的交互性物理性质的交互性-材料应用的关键点材料应用的关键点现代功能材料不仅仅表现出单一的物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性质，更重要的是具备了特殊的物理交互性。例如：理交互性。例如：电学电学-机械机械电致伸缩电致伸缩机械机械

5、-电学电学压电特性压电特性磁学磁学-机械机械磁致伸缩磁致伸缩电学电学-磁学磁学巨磁阻效应巨磁阻效应电学电学-光学光学电致发光电致发光 -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。件）下表现出的行为。可靠性、耐用度、寿命、性能价格比、安可靠性、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，如飞行速度良程度的各种性能指标，如飞行速度. .使用使用温度等。温度等。使用性能描述符使用性能描述符2.1.1基础内容10在某种环境或条件作用下，为描述

6、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材料力学性能材料力学性能1. 强度表征：强度表征： 弹性极限弹性极限 屈服强度屈服强度 比例极限比例极限 2.1.1基础内容12材料力学性能材料力学性能2. 塑性表征：塑性表征：延伸率延伸率断面收缩率断面收缩率冲杯深度冲杯深度 h2.1.1基础内容13材料力学性能材料力学性能2.1.1基础内容3. 硬度表征：硬度表征：布氏硬度布氏硬度洛氏硬度洛氏硬度维氏硬度维氏硬度 14材料力学性能材料力学性能2.1.1基础内容4. 刚度表征：刚度表征：弹性模量弹性模量杨氏模量杨氏模量剪切模量剪切模量 15材料力学性能材料力学性能

7、2.1.1基础内容5. 疲劳强度表征：疲劳强度表征：疲劳极限疲劳极限疲劳寿命疲劳寿命16材料力学性能材料力学性能2.1.1基础内容6. 抗蠕变性表征：抗蠕变性表征：蠕变极限蠕变极限持久强度持久强度17材料力学性能材料力学性能2.1.1基础内容7. 韧性表征：韧性表征：断裂韧性断裂韧性 KIC断裂韧性断裂韧性 JIC 18材料物理性能材料物理性能2.1.1基础内容1. 电学性能表征：电学性能表征：导电率导电率电阻率电阻率介电常数介电常数 19材料物理性能材料物理性能2.1.1基础内容2. 磁学性能表征：磁学性能表征：磁导率磁导率矫顽力矫顽力磁化率磁化率 20材料物理性能材料物理性能2.1.1基础

8、内容3. 光学性能表征：光学性能表征：光反射率光反射率光折射率光折射率光损耗率光损耗率 21材料物理性能材料物理性能2.1.1基础内容4. 热学性能表征：热学性能表征：热导率热导率热膨胀系数热膨胀系数熔点熔点比热比热 222. 性质与使用性能的区别与关系性质与使用性能的区别与关系成分成分结构结构环境环境性质性质规范规范使用使用性能性能所以，所以，性能是包括材料在内的整个系统特征的体现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性能是随着外因的变化而不断变化，是个渐变过程，在这个变化

9、，是个渐变过程，在这个过程中发生量变的积累，而性过程中发生量变的积累，而性质保持质的相对稳定性；当量质保持质的相对稳定性；当量变达到一个变达到一个“度度”时，将发生时，将发生质变，材料的性质发生根本的质变，材料的性质发生根本的变化。变化。2.1.2性质与性能的区别与关系24需要注意的一点需要注意的一点在材料科学研究及工程化应用中，材料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：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253. 失效分析失效分

10、析-材料使用性能的重要研究内容材料使用性能的重要研究内容2.1.3失效分析26断裂断裂磨损磨损腐蚀腐蚀三类主要的材料力学失效形式三类主要的材料力学失效形式2.1.3失效分析272.1.3失效分析28材料的断裂韧性材料的断裂韧性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，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力求改变传统的研究及设计路线，将材料性，将材料性质同时考虑进去，采取并行设计的方法质同时考虑进去，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：传统方式： 结构与功能结构与功能确定材料的性质确定材

11、料的性质先进方式：先进方式：结构与功能结构与功能材料的性质材料的性质完成设计完成设计2.1.4材料（产品）使用性能的设计（选择材料）（选择材料）31汽车喷油嘴的设计汽车喷油嘴的设计-方案一方案一顶顶锥锥运运动动方方向向软磁软磁材料材料高高压压油油吸上：喷油吸上：喷油弹下：封闭弹下：封闭电磁体电磁体材料性质要求材料性质要求高磁导率高磁导率低矫顽力低矫顽力顶锥响应时间约为顶锥响应时间约为毫秒级毫秒级问题：问题：由于惯性原因，造成喷油时间滞后使燃由于惯性原因，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。烧效率降低，造成燃料损耗和环境污染。例例2.1.4材料（产品）使用性能的设计32顶顶

12、锥锥长长度度变变化化高磁致伸缩材料高磁致伸缩材料收缩：喷油收缩：喷油复原：封闭复原：封闭顶锥响应时间约为顶锥响应时间约为微秒级微秒级材料性质要求材料性质要求高的磁致高的磁致伸缩系数伸缩系数优点：结构简单，优点：结构简单，燃烧效率高，环境污染降低。燃烧效率高，环境污染降低。汽车喷油嘴的设计汽车喷油嘴的设计-方案二方案二例磁场磁场21.4材料（产品）使用性能的设计335. 材料性能数据库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：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

13、材（材料性能数据库是实现计算机辅助选材（CAMSCAMS）、）、计算机辅助设计（计算机辅助设计（CADCAD）、计算机辅助制造（）、计算机辅助制造（CAMCAM）的基础。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英、美金属学会合建金属材料数据库西西方方七七国国组组成成有有关关新新材材料料数数据据及及标标准准的的“凡凡尔尔赛赛计计划划”原原苏苏联联及及东东欧欧各各国国组组成成了了COMECONCOMECON材材料料数数据据系系统统，包包括括1616个数据库个数据库北京科技大学等单位联合建成材料腐蚀数据库北京科技大学等单位联合建

14、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主要结构材料的产量统计主要结构材料的产量统计2.1.6其它问题6. 其它问题其它问题362.2 成分与结构成分与结构1. 材料的结构材料的结构2. 成分结构检测技术成分结构检测技术3.3.与其它要素的关系与其它要素的关系4.4.材料的成分材料的成分. .结构数据库结构数据库5.5.新的机遇新的机遇37 1. 材料的结构材料的结构2.2.1材料

15、的材料的结构结构键合结构键合结构晶体结构晶体结构组织结构组织结构38 材料的结构材料的结构-键合结构键合结构2.2.1材料的材料的结构结构离子建离子建共价键共价键金属键金属键化学键化学键氢氢 键键分子键分子键物理键物理键结结合合能能陶瓷材料陶瓷材料高分子材料高分子材料金属材料金属材料冰（冰（H20）卤族晶体卤族晶体注：注：1. 有些陶瓷材料属共价键化合物，如有些陶瓷材料属共价键化合物，如SiC陶瓷；陶瓷； 2. 分子键又称范德瓦尔斯力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）实际晶体并非只有一种键合结构，如冰晶（共价键、氢键）392.2.1材料的材料的结

16、构结构晶晶 体：体：原子排列长程有序，有周期原子排列长程有序，有周期 材料的结构-晶体结构晶体结构非晶体：原子排列短程有序，无周期非晶体：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材料的材料的结构结构 材料的结构材料的结构-组织结构组织结构匀晶型组织匀晶型组织共晶型组织共晶型组织包晶型组织包晶型组织相图特征相图特征结构特征结构特征马氏体组织马氏体组织奥氏体组织奥氏体组织贝氏体组织贝氏体组织.组合特征组合特征单相组织单相组织两相组织两相组织多相组织多

17、相组织.412.2.成分、结构检测技术成分、结构检测技术现代材料科学家对材料成分、结构的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。认识是由分析、检测实现的。2.2.2成分、结构检测技术成分、结构检测技术42成成成成成成 分分分分分分 分分分分分分 析析析析析析化学分析：化验化学分析：化验化学分析：化验化学分析：化验化学分析：化验化学分析：化验物理分析：物理量间接测定物理分析：物理量间接测定物理分析：物理量间接测定物理分析：物理量间接测定物理分析：物理量间接测定物理分析：物理量间接测定谱学分析：红外光谱、光电子能谱，等谱学分析：红外光谱、光电子能谱，等谱学分析：红外光谱、光电子能

18、谱，等谱学分析：红外光谱、光电子能谱，等谱学分析：红外光谱、光电子能谱，等谱学分析：红外光谱、光电子能谱，等2.2.2成分、结构检测技术成分、结构检测技术43结构分析22.2成分、结构检测技术成分、结构检测技术44磷锡青铜铸造组织磷锡青铜铸造组织 105倍倍2.2.2成分、结构检测技术成分、结构检测技术45扫描电镜像扫描电镜像-AlN纤维形貌纤维形貌2.2.2成分、结构检测技术成分、结构检测技术462.2.2成分、结构检测技术成分、结构检测技术扫描电镜像扫描电镜像-六方六方AlN晶体形貌晶体形貌47-Si-Si3 3N N4 4-Si-Si3 3N N4 45nm无压烧结无压烧结Si3N4材料

19、材料-透射电镜像：原子排列面透射电镜像：原子排列面2.2.2成分、结构检测技术成分、结构检测技术482.2.2成分、结构检测技术成分、结构检测技术场离子显微镜像场离子显微镜像-Si3N4晶须形晶须形貌貌492.2.2成分、结构检测技术成分、结构检测技术扫描隧道显微镜像扫描隧道显微镜像-方铝矿（方铝矿（100）解理面）解理面PbS502.2.2成分、结构检测技术成分、结构检测技术扫描隧道显微镜像扫描隧道显微镜像在扫描隧道显微镜下，在硅（在扫描隧道显微镜下，在硅（111）表面直接取出原子）表面直接取出原子而而“刻写刻写”出平均线宽为出平均线宽为2纳米的字体。纳米的字体。513.3.与其它要素的关系

20、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

21、溶强化加工硬化弥散强化第二相强化相变增韧2.2.3 与其它要素的关系与其它要素的关系554.4.成分、结构数据库成分、结构数据库 X X衍射数据库：建立了衍射数据库：建立了结构结构-测定参数测定参数的关系的关系 相图相图 数据库：建立了数据库：建立了 成分成分-相相 的关系的关系注注：这这两两个个数数据据库库对对材材料料科科学学家家的的研研究究提提供供了了极极大大的的 便便利利，几几乎乎所所有有材材料料合合成成的的研研究究都都是是从从了了解解上上面面 两个对应关系的研究开始的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、结构数据库成分、结

22、构数据库565.5.成分、结构研究领域的新机遇成分、结构研究领域的新机遇准晶准晶准晶的结构准晶的结构潜在的应用价值潜在的应用价值NEW纳米材料纳米材料纳米碳管纳米碳管C60(巴基球巴基球)，等，等界面科学界面科学超导体与基体的界面结构超导体与基体的界面结构功能复合材料的梯度界面功能复合材料的梯度界面半导体材料与封装材料的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，向上追溯到材成分与结构展开的，向上追溯到材料的合成与

23、加工，向下则牵联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，这些研究料的特征性质。可以说，这些研究是新材料新技术的代表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成分、结构研究领域的新机遇582.3 2.3 合成与加工合成与加工1.1.定义定义2.2.合成与加工的主要内容合成与加工的主要内容3.3.与其它要素的关系与其它要素的关系4.4.发展方向发展方向591.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

24、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 定义定义602.3.1 定义定义需要说明的问题需要说明的问题在材料科学与工程中，合成和加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合成是新技术开发和现有技术改进的关键性要素进的关键性要素现代材料合成技术是人造材料的现代材料合成技术是人造材料的唯一实现途径唯一实现途径612.3.2 合成与加工的主要内容合成与加工的主要内容材料制备材料制备材料加工材料加工表面工程表面工程材料复合材料复合2 . 合成与加工的主要内容合成与加工的主要内容62一材

25、料的制备一材料的制备2.3.2 合成与加工的主要内容合成与加工的主要内容一材料的制备材料的制备冶金过程冶金过程熔炼与凝固熔炼与凝固粉末烧结粉末烧结高分子聚合高分子聚合63不同的材料制备方法，分别具有不同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：的材料科学基础内容，即：冶金过程冶金过程冶金物理化学冶金物理化学熔炼与凝固熔炼与凝固凝固学理论凝固学理论粉末烧结粉末烧结烧结原理烧结原理高分子聚合高分子聚合聚合反应聚合反应2.3.2 合成与加工的主要内容合成与加工的主要内容一材料的制备材料的制备642.3.2 合成与加工的主要内容合成与加工的主要内容一材料的制备材料的制备88冶金过程（化学

26、冶金）冶金过程（化学冶金）冶金过程（化学冶金）冶金过程（化学冶金）目的：目的： 从原料中提取出金属从原料中提取出金属火法冶金火法冶金熔盐电冶金熔盐电冶金湿法冶金湿法冶金内容内容:炼铁、炼铜炼铁、炼铜电解铝、镁电解铝、镁水溶液电解锌水溶液电解锌冶金过程冶金过程6588熔炼与凝固（物理冶金）熔炼与凝固（物理冶金）熔炼与凝固（物理冶金）熔炼与凝固（物理冶金）2.3.2 合成与加工的主要内容合成与加工的主要内容一材料的制备材料的制备目的目的: 金属的精练提纯金属的精练提纯 材料的材料的“合金化合金化” 晶体的生长晶体的生长内容内容: 1. 平衡凝固平衡凝固 4. 区域熔炼区域熔炼 2. 快速凝固快速凝

27、固 5. 玻璃的熔炼玻璃的熔炼 3. 定向凝固定向凝固 6. 熔融法提拉单晶熔融法提拉单晶熔炼与凝固熔炼与凝固662.3.2 合成与加工的主要内容合成与加工的主要内容一材料的制备材料的制备目的目的: . 粉末成型粉末成型 2 . 粉末颗粒的结合粉末颗粒的结合内容内容: 1 . 粉末冶金技术粉末冶金技术 2 . 现代陶瓷材料的制备现代陶瓷材料的制备88粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结粉末烧结672.3.2 合成与加工的主要内容合成与加工的主要内容一材料的制备材料的制备目的目的: 实现小分子发生化学反应，相互结合形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成高分

28、子。高分子聚合是人工合成三大 类高分子材料：塑料、橡胶、合成纤维类高分子材料：塑料、橡胶、合成纤维 的基本过程。的基本过程。内容内容: 1 . 本体聚合本体聚合 3 . 悬浮聚合悬浮聚合 2 . 乳液聚合乳液聚合 4 . 溶液聚合溶液聚合88高分子聚合高分子聚合高分子聚合高分子聚合高分子聚合高分子聚合68二材料的加工二材料的加工2.3.2 合成与加工的主要内容合成与加工的主要内容二材料的加工材料的加工传统意义上，材料的加工范畴包括四个方面：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、钻材料的切削：车、铣、刨、磨、切、钻材料的成型：铸造、拉、拔、挤、压、锻材料的成型：

29、铸造、拉、拔、挤、压、锻材料的改性：合金化、热处理材料的改性：合金化、热处理v0淬火工艺淬火工艺通过快速冷却，获得远离平衡态的通过快速冷却，获得远离平衡态的不稳定组织，达到强化材料的目的。不稳定组织，达到强化材料的目的。77时时 间间温温 度度淬火淬火正火正火3.3.2 合成与加工的主要内容合成与加工的主要内容二材料的加工材料的加工材料的改性材料的改性正火工艺正火工艺在奥氏体状态下，空气或保护气体冷却获得在奥氏体状态下，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。珠光体均匀组织，提高强度，改善韧性。782.3.2 合成与加工的主要内容合成与加工的主要内容二材料的加工材料的加工材料

30、的改性材料的改性时时 间间温温 度度退火工艺退火工艺通过缓慢冷却，获得接近平衡态的组通过缓慢冷却，获得接近平衡态的组织，达到均匀化、消除内应力的目的。织，达到均匀化、消除内应力的目的。792.3.2 合成与加工的主要内容合成与加工的主要内容二材料的加工材料的加工材料的改性材料的改性时时 间间温温 度度回火工艺回火工艺淬火或正火的材料重新加热。目的在于松懈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渡，改善材料的淬火应力和使组织向稳态过渡，改善材料的延展性和韧性，并稳定工件的尺寸。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目的：实现材料间的整体结合内容内容:

31、 1. 焊接焊接 3. 铆接铆接 2. 粘接粘接 4. 栓接栓接3.3.2 合成与加工的主要内容合成与加工的主要内容二材料的加工材料的加工材料的联接材料的联接8材料的联接材料的联接81三材料表面工程三材料表面工程2.3.2 合成与加工的主要内容合成与加工的主要内容三材料表面工程材料表面工程表面改性表面改性表面防护表面防护薄膜技术薄膜技术823.3.2 合成与加工的主要内容合成与加工的主要内容三材料表面工程材料表面工程表面改性表面改性-改变材料表面的性质改变材料表面的性质三束表面改性三束表面改性化学表面改性（化学热处理）化学表面改性（化学热处理）表面淬火表面淬火8表面改性表面改性83从工艺机理上

32、分析，表面改性同整体材从工艺机理上分析，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。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合成与加工的主要内容三材料表面工程材料表面工程表面改性表面改性843.3.2 合成与加工的主要内容合成与加工的主要内容三材料表面工程材料表面工程表面改性表面改性三束表面改性三束表面改性

33、激光束激光束 - 组织变化组织变化电子束电子束 -组织变化组织变化离子束离子束 - 成分、组织变化成分、组织变化细细晶晶化化均均匀匀化化非非晶晶化化金金属属元元素素合合金金化化853.3.2 合成与加工的主要内容合成与加工的主要内容三材料表面工程材料表面工程表面改性表面改性离子束改性对表面应力状况的影响离子束改性对表面应力状况的影响BC强度极限强度极限疲劳极限疲劳极限A - A - 原始受力状态原始受力状态B - B - 改性受力状态改性受力状态C - C - 最终受力状态最终受力状态A AB863.3.2 合成与加工的主要内容合成与加工的主要内容三材料表面工程材料表面工程表面改性表面改性化学

34、表面改性（化学热处理）化学表面改性（化学热处理）改变材料表面的化学成分改变材料表面的化学成分 - - 化学渗入化学渗入成成 分分温温 度度ABC + + 心部心部浓浓 度度表面表面C+N+Me+C0873.3.2 合成与加工的主要内容合成与加工的主要内容三材料表面工程材料表面工程表面防护表面防护表面淬火表面淬火 高频淬火高频淬火电磁能电磁能集肤电流集肤电流表面热能表面热能 火焰淬火火焰淬火气体化学反应气体化学反应表面热能表面热能热处理热处理组织改变组织改变性能改变性能改变88 腐蚀防护腐蚀防护 摩擦磨损防护摩擦磨损防护3.3.2 合成与加工的主要内容合成与加工的主要内容三材料表面工程材料表面工

35、程表面防护表面防护8表面防护表面防护89腐蚀防护腐蚀防护b 大气腐蚀大气腐蚀b 海水腐蚀海水腐蚀b 工业介质腐蚀工业介质腐蚀3.3.2 合成与加工的主要内容合成与加工的主要内容三材料表面工程材料表面工程表面防护表面防护90！由腐蚀造成的材料失效由腐蚀造成的材料失效量，占世界材料总产量量，占世界材料总产量的比例很高，腐蚀问题的比例很高，腐蚀问题十分严重。因此，腐蚀十分严重。因此，腐蚀防护非常重要。防护非常重要。3.3.2 合成与加工的主要内容合成与加工的主要内容三材料表面工程材料表面工程表面防护表面防护913.3.2 合成与加工的主要内容合成与加工的主要内容三材料表面工程材料表面工程表面防护表面

36、防护美国八个工业部门对美国八个工业部门对材料性质的需求情况材料性质的需求情况92-腐蚀的原因腐蚀的原因3.3.2 合成与加工的主要内容合成与加工的主要内容三材料表面工程材料表面工程表面防护表面防护主动防护主动防护被动防护被动防护合金化合金化非晶化非晶化高纯度高纯度表面涂镀表面涂镀表面改性表面改性表面钝化表面钝化电化学保护电化学保护抗蚀材料抗蚀材料93摩擦磨损防护摩擦磨损防护b 增加抗磨损性增加抗磨损性b 增加润滑性增加润滑性3.3.2 合成与加工的主要内容合成与加工的主要内容三材料表面工程材料表面工程表面防护表面防护948薄膜技术薄膜技术有许多种薄膜技术能够在基材表面覆盖薄有许多种薄膜技术能够

37、在基材表面覆盖薄膜材料层，其中最重要的两种方法是：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合成与加工的主要内容三材料表面工程材料表面工程薄膜技术薄膜技术95随着材料科学技术的不断发展，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薄膜技术已不仅仅是材料改性的手段。更重要的是，现代薄的手段。更重要的是，现代薄膜技术在高新技术领域，如：膜技术在高新技术领域，如：微电子器件、纳米结构与组装、微电子器件、纳米结构与组装、光电子器件，等方面正发挥着光电子器件，等方面正发挥着越来越重要的作用。越来越重要的作用。3.3.2 合成与加工的主要内容合成与加工的主要内容三材料表面

38、工程材料表面工程薄膜技术薄膜技术96四材料的复合四材料的复合3.3.2 合成与加工的主要内容合成与加工的主要内容四材料的复合材料的复合金属基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料高分子复合材料高分子复合材料973.3.2 合成与加工的主要内容合成与加工的主要内容四材料的复合材料的复合材料复合的主要目的就是依据不同材料性能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。制备、改性、加工的统一过程。复合材料的制备过程融

39、合了金属、陶瓷、高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。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。要，出现了许多新型的复合材料及制备方法。983.3.2 合成与加工的主要内容合成与加工的主要内容 现代材料的合成与加工不仅涉及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，这里论述的度范围上的问题，因此，这里论述的合成与加工合成与加工的内涵要大于通

40、常所说的内涵要大于通常所说的的材料工程材料工程的内涵。的内涵。993.3.与其它要素的关系与其它要素的关系3.3.3 与其它要素的关系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，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：四大要素存在着逻辑上的因果顺序，即：合成与加工合成与加工结构与成分结构与成分材料性质材料性质使用性能使用性能产生具备提供1003.3.3 与其它要素的关系与其它要素的关系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 与其它要素的关系与其它要素的关系103-相相-相相生长界面定向凝固共晶组

41、织的生长3.3.3 与其它要素的关系与其它要素的关系104定向凝固共晶组织的涡轮叶片定向凝固共晶组织的涡轮叶片3.3.3 与其它要素的关系与其它要素的关系105近终形技术近终形技术制备的叶片制备的叶片3.3.3 与其它要素的关系与其它要素的关系1063.3.4 发展趋势发展趋势8 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4.4.发展趋势发展趋势107我国与工业发达国家材料加工存在很大差距我国与工业发达国家材料加工存在很大差距3.3.4 发展趋势发展趋势108l大尺寸、高均匀性、高完整性的晶体生长

42、技术；l高精度晶片加工技术；lMOCVD、MBE超薄膜生长技术；l高纯和超高纯材料纯制技术；l低维材料的微细加工和制备技术；l高均匀超细粉体制备技术；l电子陶瓷、磁性材料的焙烧和成型技术；l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合成与加工的主要内容109由此看出由此看出：我国在合成与加工方面同先进国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高材料合成与加工的技术水平是我们的最重要的课题我们的最重要的课题。3.3.4 发展趋势发

43、展趋势1103.4 仪器与设备仪器与设备1. 成分、结构表征仪器成分、结构表征仪器2.2.材料性能的检测仪器材料性能的检测仪器2.2.合成与加工过程中使用的设备合成与加工过程中使用的设备3.3.过程控制的探测元件及装置过程控制的探测元件及装置1111.1.成分结构表征仪器成分结构表征仪器材材料料成成分分结结构构的的表表征征仪仪器器是是从从事事材材料料科科学学研研究究必必备备的的手手段段，如如同同天天文文望望远远镜镜将将人人类类视视野野带带到到了了一一个个遥遥远远的的宇宇宙宙空空间间一一样样，材材料料成成分分结结构构表表征征仪仪器器则则将将我我们们的的观观察察引引进一个更为绚丽多彩的微观世界。进

44、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随着仪器能检测到的下限值不断减小，材料研究者所获值不断减小，材料研究者所获取的信息也在不断增多，对材取的信息也在不断增多，对材料本质的认识也在不断加深。料本质的认识也在不断加深。材料科学研究使用的仪器、材料科学研究使用的仪器、设备的精密程度代表了一个国设备的精密程度代表了一个国家的综合科技水平。家的综合科技水平。113114115116117磷锡青铜铸造组织磷锡青铜铸造组织 105倍倍118扫描电镜像扫描电镜像-AlN纤维形貌纤维形貌119扫描电镜像扫描电镜像-六方六方AlN晶体形貌晶体形貌120-Si-Si3 3N N4 4-Si-Si

45、3 3N N4 45nm无压烧结无压烧结Si3N4材料材料-透射电镜像：原子排列面透射电镜像：原子排列面121场离子显微镜像场离子显微镜像-Si3N4晶须形晶须形貌貌122扫描隧道显微镜像扫描隧道显微镜像-方铝矿（方铝矿（100）解理面）解理面PbS123扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜124激光拉曼光谱仪激光拉曼光谱仪125电子能谱仪电子能谱仪126超导核磁共振仪超导核磁共振仪127高分辨电子显微镜高分辨电子显微镜128多功能核磁共振波谱仪多功能核磁共振波谱仪129电子顺磁共振波谱仪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原子探针场离子显微镜132电子能谱电子能谱133

46、扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜双准直离子散射仪双准直离子散射仪高分辨率电子损耗光谱仪高分辨率电子损耗光谱仪角分辨光电子能谱仪角分辨光电子能谱仪俄歇能谱仪俄歇能谱仪低能电子衍射仪低能电子衍射仪低能电子显微镜低能电子显微镜自旋极化测量自旋极化测量场离子显微镜场离子显微镜原子探针原子探针8材料表面科学中使用的仪器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）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），使受入或模拟一个使用环境（条件），

47、使受测材料发生响应（结果），然后仪器再测材料发生响应（结果），然后仪器再将响应的模拟信号转变为数字信号表现将响应的模拟信号转变为数字信号表现出来（数值）。出来（数值）。2.2.材料性能的测定仪器材料性能的测定仪器135有许许多多种材料的力学、物理、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。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这些仪器构成了一个庞大的材料性能测定仪器家族。性能测定仪器家族。136多功能内耗仪多功能内耗仪137六联旋转高温陶瓷夹具六联旋转高温陶瓷夹具138疲劳内耗超声衰减仪疲劳内耗超声衰减仪

48、139蠕变蠕变-疲劳实验机疲劳实验机140陶瓷材料高温蠕变实验机陶瓷材料高温蠕变实验机141陶瓷高温疲劳实验机陶瓷高温疲劳实验机142材料合成与加工过程是在一个限材料合成与加工过程是在一个限定的定的空间空间，在给定的，在给定的条件条件下进行的。下进行的。用以满足空间需求和提供外加条件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，设备合成与加工设备的主体。同时，设备中还包含了中还包含了关键的控制系统关键的控制系统。3.3.合成与加工设备合成与加工设备143空间条件：空间条件：各类反应容器、坩埚、熔炼炉各类反应容器、坩

49、埚、熔炼炉外力条件：外力条件：气压、液压、机械压制、冲击力（波）气压、液压、机械压制、冲击力（波）介质环境：介质环境：真空设备、不同的气氛条件真空设备、不同的气氛条件能量供给：能量供给：电力系统、加热装置、辐照装置、激光发生器电力系统、加热装置、辐照装置、激光发生器物质输送：物质输送：气、液管路、机械进给装置气、液管路、机械进给装置144双低能离子束薄膜沉积设备双低能离子束薄膜沉积设备145纳米材料制备设备纳米材料制备设备146超净工作室超净工作室147单晶炉单晶炉148单晶硅炉单晶硅炉149冷等静压机冷等静压机150喷雾制粉设备喷雾制粉设备1514.4.过程控制的探测元件和装置过程控制的探测

50、元件和装置传感器是控制系统传感器是控制系统“感知感知”加工过程的加工过程的“器官器官”。传感器从过程中获得的信号主传感器从过程中获得的信号主要包括：要包括：声、光、电、磁、热、压力、声、光、电、磁、热、压力、流速、浓度，等流速、浓度，等152用于传感器的无机非金属敏感材料1532.5 分析与建模分析与建模 （材料设计）（材料设计）1. 1. 引言引言2. 2. 材料设计的基本内容材料设计的基本内容3. 3. 材料设计计算机基础材料设计计算机基础1541.1.引言引言随随着着材材料料科科学学的的飞飞速速发发展展，新新型型材材料料不不断断涌涌现现，与与此此同同时时，人人类类社社会会的的整整体体科科

51、技技水水平平也也在在不不断断的的提提高高，因因此此对对材材料料科科学学又提出了更高的要求。又提出了更高的要求。传传统统“炒炒菜菜式式”的的材材料料研研制制方方法法已已不不能能满满足足人人们们的的要要求求。“材材料料设设计计”应应运运而而生。生。155核心问题核心问题：用什么样的配方，什么样的用什么样的配方，什么样的合成加工条件，来获取具有什么合成加工条件，来获取具有什么样的成分、结构和性质的材料。样的成分、结构和性质的材料。156“材材料料设设计计”构构想想始始于于5050年年代代，8080年年代代后后实实现现“材材料料设设计计”的的条条件件渐渐趋趋成成熟。表现在以下三个方面：熟。表现在以下三

52、个方面：1 1）基础理论的形成和发展）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；1572 2）计算机科学技术的发展）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 3）合成与加工新技术的涌现）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材料设计材料设计贯穿于材料贯穿于材料“四要素四要素”的各个方面，即：的各个方面，即：2.2.材料设计的内容材料设计的内容u成分结构设

53、计成分结构设计u性质性能预测性质性能预测u合成加工过程的控制与优化合成加工过程的控制与优化159将将性性质质截截然然不不同同的的材材料料在在原原子子、分分子子水水平平上上均匀混合，形成原子、分子层次的复合材料均匀混合，形成原子、分子层次的复合材料例如：例如：高分子聚乙烯和难熔重金属钨的高分子聚乙烯和难熔重金属钨的杂化材料杂化材料88微观结构设计微观结构设计微观结构设计微观结构设计案例案例1：杂化材料杂化材料160同传统复合材料的区别：同传统复合材料的区别：复合材料复合材料 不同的组成相复合不同的组成相复合杂化材料杂化材料 不同的组成原子（分子）复合不同的组成原子（分子）复合同固溶体的区别：同固

54、溶体的区别：固溶体固溶体 热力学平衡体系热力学平衡体系 杂化材料杂化材料 热力学非平衡体系热力学非平衡体系161通过对原子排列的计算，通过对原子排列的计算，可以了解到晶体材料的晶可以了解到晶体材料的晶体学结构。体学结构。案例案例2：晶体结构计算晶体结构计算162准晶照片准晶照片163计算的剖面图计算的剖面图164165金属间化合物：处于相图中间的除固金属间化合物：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，高温结构料，超导材料，磁性材料，高温结构材料，磁致伸缩材料等。材

55、料，磁致伸缩材料等。 案例案例3：金属间化合物预报金属间化合物预报1661969年年前已知前已知预报预报可能存可能存在在CaCu5型化合型化合物的预报名单物的预报名单167案例案例4：超晶格结构设计超晶格结构设计超超超超晶晶晶晶格格格格结结结结构构构构：通通过过外外延延生生长长的的方方法法，使使两两种种材材料料以以极极薄薄的的薄薄膜膜方方式式交交替替叠叠合合，从从而而沿沿生生长长方方向向在在原原晶晶格格常常数数为为a a（几几个个埃埃）的的晶晶格格势势场场上上，引引入入了了一一个个周周期期为为d d（100100埃埃数数量量级级）的的一一维维周周期期势势，这这种一维周期势结构就称为超晶格结构。

56、种一维周期势结构就称为超晶格结构。168169超超晶晶格格结结构构使使原原来来的的能能带带分分裂裂为为一一系系列列微微小小能能带带，可可使使电电子子能能够够在在这这些些微微能能带带间间发发生生跃跃迁迁，从从而而导导致致各各种种新新的的物物理理现现象象产产生生。如如：量量子子尺尺寸寸效效应应、室室温温激激子子非非线线性性光光子子效效应应、迁迁移移率率增增强强效效应应、量量子子霍霍耳耳效效应应、共振隧穿效应。共振隧穿效应。170利利用用超超晶晶格格结结构构的的概概念念，在在原原子子尺尺度度上上进进行行材材料料的的组组份份及及结结构构参参数数设设计计，改改变变材材料料的的能能带带结结构构，采采用用先

57、先进进的的制制备备方方法法，人人工工合合成成各各式式奇奇特特物物理理性性质质的的新新材材料料和和新新器件。器件。能带工程能带工程171制备方法：制备方法：分子束外延（分子束外延（MBE）金属有机化合物化学金属有机化合物化学气相沉积（气相沉积（MOCVD）化学束外延（化学束外延（CBE）原子层外延（原子层外延（ALE）172双生长空的双生长空的MBE设备，用于半导体设备，用于半导体超晶格结构材料和器件的研制超晶格结构材料和器件的研制173分子束外延设备分子束外延设备 MBE174全自动全自动MOCVD设备设备175应用领域应用领域光计算机器件光计算机器件（自电光效应器件（自电光效应器件SEED）

58、 远红外探测器远红外探测器 量子霍耳电阻，作为电阻自然基准量子霍耳电阻，作为电阻自然基准超高速电子器件超高速电子器件176重要的四个材料设计领域88连续介质的材料设计连续介质的材料设计连续介质的材料设计连续介质的材料设计5各种物理场的数值模拟各种物理场的数值模拟5合金的微观组织形成合金的微观组织形成5断裂力学分析断裂力学分析5复合材料的界面梯度设计复合材料的界面梯度设计1771.1.模拟模拟 热传导过程热传导过程2.2.模拟模拟 应力应变状态应力应变状态3.3.模拟模拟 物质扩散过程物质扩散过程4.4.模拟模拟 流体传输过程流体传输过程5.5.模拟模拟 电磁场分布规律电磁场分布规律5 各种物理

59、场的数值模拟各种物理场的数值模拟1785 合金显微组织的形成合金显微组织的形成 建模在合金凝固过程中的重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程的计算机仿真是极其必要的。179共晶组织共晶组织180-相相-相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、温度梯件包括许多因

60、素，如：成分、温度梯度及方向、重力、振动、杂质元素、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，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。合金凝固过程及凝固的组织特征。182材材料料中中裂裂纹纹的的形形成成和和扩扩展展的的研研究究是是微微观观断断裂裂力力学的核心问题。学的核心问题。5 断裂的分析断裂的分析183陶瓷纤维增韧的设计方案陶瓷纤维增韧的设计方案 -对裂

61、纹扩展的影响（物理模型）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）、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：基体三元素体系的变化情况：纤维拔断纤维拔断纤维拔出纤维拔出纤维与基体间滑动纤维与基体间滑动纤维（晶须）偏转纤维（晶须）偏转纤维周围的应力状态改变纤维周围的应力状态改变185裂纹扩展过程中能量的增量裂纹扩展过程中能量的增量 E = E1 + E2 + - +E5 （数学模型）（数学模型）对数学模型的数值计算，能够获得材料的宏对数学模型的数值计算，能够获得材料的宏观抗断裂性能观抗断裂性能-定量预测定量预测186太空飞行器表面

62、防护材料的梯度设计太空飞行器表面防护材料的梯度设计5 复合材料的界面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。材料结合面之间的应力梯度。187金属氢制备的飞块设计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能量，增加飞行动能，要求对飞块进行梯度设计金属氢金属氢飞块飞块激波激波爆炸冲击波爆炸

63、冲击波18888宏观系统的全过程或全因素的设计宏观系统的全过程或全因素的设计宏观系统的全过程或全因素的设计宏观系统的全过程或全因素的设计5物质流与能量流的平衡设计物质流与能量流的平衡设计5过程中的全因素优化设计过程中的全因素优化设计5材料的智能加工材料的智能加工189非晶带的生产非晶带的生产1901. 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非晶带制取设备非晶带制取设备192连铸连轧连铸连轧 结晶器结晶器轧辊轧辊金属液金属液轧板轧板193要求：要求：（1）金属液的流入量、拉坯速度、后段轧板的运）金属液的流入量、拉坯速度、后

64、段轧板的运行速度的定比关系行速度的定比关系（2）流入结晶器的金属液温度、拉坯速度、后段）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在保证上述两个基本条件下，进行全过程的材料设计。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）（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全过程全过程材料的设计合成与加工支持与维护废弃与回收5 全过程、全因素优化设计全过程、全因素优化设计全因素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在在材材料

65、料的的制制造造-废废弃弃的的全全过过程程中中，对对设设计计的的各各种种因因素素进进行行综综合合的的优优化化设设计计，将将是是材材料料科科学学与与工工程程领领域域又又一一新新的的研研究究课课题题，需需要要材材料料科科学学家家，机机械械制制造造工工程程师师，数数学学家家，经经济学家等各类人员密切合作方能完成。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。优优 点：点：实现材料加工的自动化实现材料加工的自动化提高材料的质量提高材料的质量提高性能的重现性提高性能的重现性降低产品

66、的废品率降低产品的废品率5 材料的智能加工材料的智能加工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传感器198玻璃钢球罐自动化加工199用于传感器的无机非金属敏感材料2008 物理场的数值模拟物理场的数值模拟8 常用工程数学的计算机处理常用工程数学的计算机处理8 几种重要的数学软件几种重要的数学软件8 计算机过程控制计算机过程控制3.3.材料设计的计算机基础材料设计的计算机基础20188物理场的数值模拟物理场的数值模拟物理场的数值模拟物理场的数值模拟20288常用工程数学的计算机处理常用工程数学的计算机处理常用工程数学的计算机处理常用工程数学的计算机处理5 概率分布5 误差分析5 参数估计5 数值分析5 曲线拟合5 最优化方法20388推荐几种重要的数学应用软件推荐几种重要的数学应用软件推荐几种重要的数学应用软件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MATHLAB20488计算机过程控制计算机过程控制计算机过程控制计算机过程控制5 计算机接口技术5 计算机图形学与图象处理技术5 计算机实时控制