2 - 北京工业大学现代教育技术中心

材 料 科 学 与 工 程 导 论
Engineering
Science

第 二 章
材 料 “ 四 要 素 ” 是 材 料 研 究 与
应 用 的 共 性 基 础
本 章 主 要 内 容 :
‣ 什 么 是 材 料 的 “ 四 要 素 ”?
‣ 材 料 研 究 手 段 和 方 法
‣ 材 料 “ 四 要 素 ” 的 典 型 案 例 分 析
‣ 讨 论 环 节

§2.1 什 么 是 材 料 的 “ 四 要 素 ”
使 用 性 能
制 备 / 加 工
性 质
成 分 / 结 构
材 料 科 学 与 工 程 “ 四 要 素 ”

1 材 料 的 性 质
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
硬
刚
塑
韧
度
度
度
性
性
电 学 性 质
磁 学 性 质
光 学 性 质
热 学 性 质
催 化 性 质
腐 蚀 性 质

材 料 的 力 学 性 质
材 料 的 力 学 性 质 : 材 料 在 外 应 力 作 用 下 的 行 为 。
强 度 : 材 料 在 载 荷 作 用 下 抵 抗 明 显 的 塑 性 变 形 或 破 获 的 最 大
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 。

材 料 的 力 学 性 质
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 。

材 料 的 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 吸 收 能 量 的 能 力 。

材 料 的 力 学 性 质
应
力
强 度 范 畴
刚 度 范 畴
塑 性 范 畴
韧 性 范 畴
应
变
材 料 的 应 力 —— 应 变 曲 线

材 料 的 物 理 性 质
材 料 的 物 理 性 质
电 学 性 质
磁 学 性 质
光 学 性 质
热 学 性 质
导 电 性
抗 磁 性
光 反 射
导 热 性
绝 缘 性
介 电 性
顺 磁 性
铁 磁 性
光 折 射
光 学 损 耗
光 透 性
热 膨 胀
热 容
熔 化
注 : 上 面 只 列 出 了 材 料 的 主 要 物 理 性 质

材 料 的 物 理 性 质
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
机 械 ---- 电 学
磁 学 ---- 机 械
电 学 ---- 磁 学
电 学 ---- 光 学
电 致 伸 缩
压 电 特 性
磁 致 伸 缩
巨 磁 阻 效 应
电 致 发 光

材 料 的 物 理 性 质
电 致 伸 缩 ---- 压 电 特 性
电 信 号
机 械 震 动
磁 致 伸 缩
S
磁 致 伸 缩
液 位 计
N

材 料 的 物 理 性 质
巨 磁 阻 效 应 : 是 指 磁 性 材 料 的 交 变 阻 抗 随 外 磁 场 显 著
变 化 的 效 应 。
电 致 发 光 : 在 电 场 的 作 用 下 电 子 在 发 光 层 内 高 速 运
动 , 激 活 发 光 材 料 原 子 使 其 发 生 能 级 跃 迁 而 发 光 。

材 料 的 化 学 性 质
材 料 的 腐 蚀 : 材 料 受 环 境 介 质 的 化 学 、 电 化 学 作 用 而
引 起 的 变 质 或 破 环 现 象 , 分 为 化 学 腐 蚀 和 电 化 学 腐 蚀 。
催 化 性 质 : 能 够 加 速 化 学 反 应 , 且 在 反 应 前 后 材 料 自
身 不 被 消 耗 。

2 材 料 的 成 分 与 结 构
1) 材 料 成 分 结 构 的 分 类
2) 材 料 结 构 的 特 点
3) 材 料 成 分 结 构 的 表 征 方 法
4) 材 料 成 分 、 结 构 数 据 库
5) 材 料 成 分 结 构 与 其 它 要 素 的 关 系

2 材 料 的 成 分 与 结 构
1) ) 材 料 结 构 的 分 类
键 合 结 构
晶 体 结 构
组 织 结 构

材 料 结 构 的 分 类 :
键 合 结 构
离 子 建
陶 瓷 材 料
化 学 键
共 价 键
金 属 键
结
合
能
高 分 子 材 料
金 属 材 料

材 料 结 构 的 分 类 :
键 合 结 构
物
理
键
氢 键
分 子 键
结
合
能
冰 (H 2 O)
卤 族 晶 体

材 料 结 构 的 分 类 :
键 合 结 构
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 。

材 料 结 构 的 分 类 :
晶 体 结 构
原 子 排 列 长 程 有
序 , 有 周 期
晶 体
非 晶 体
准 晶 体
原 子 排 列 短 程 有
序 , 无 周 期
原 子 排 列 长 程 有
序 , 无 周 期

材 料 结 构 的 分 类 :
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
……
共 晶 白 口 铁
共 析 钢

材 料 结 构 的 分 类 :
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
结 构 特 征 马 氏 体 组 织 索 氏 体 组 织 贝 氏 体 组 织 …...
马 氏 体 组 织 索 氏 体 组 织 贝 氏 体 组 织

材 料 结 构 的 分 类 :
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
组 合 特 征 单 相 组 织 两 相 组 织 多 相 组 织
Al Al+Al-Er 相 Al+Al 6 Mn+ Al 3 Er

2 材 料 的 成 分 与 结 构
2) 材 料 结 构 的 特 点
多 尺 度 效 应
有 序 与 无 序
稳 定 性
材 料 的 缺 陷
表 面 和 界 面

材 料 结 构 的 特 点 :
多 尺 度 效 应
微 观 领 域
[0,Å]
介 观 领 域
[1~100nm]
宏 观 领 域
[μm,∞)

材 料 结 构 的 特 点 :
多 尺 度 效 应
介 观 尺 度
小 尺 寸 效 应
随 着 颗 粒 尺 寸 的 量 变 , 在 一 定 条 件 下 会 引 起 颗
粒 性 质 的 质 变 , 由 于 颗 粒 尺 寸 变 小 所 引 起 的 宏 观 物
理 性 质 的 变 化 称 为 小 尺 寸 效 应 。
特 殊 的 光 学 性 质
特 殊 的 热 学 性 质
特 殊 的 磁 学 性 质
特 殊 的 力 学 性 质

材 料 结 构 的 特 点 :
多 尺 度 效 应
介 观 尺 度
小 尺 寸 效 应
特 殊 的 光 学 性 质
所 有 的 金 属 在 超 微 颗 粒 状 态 都 失 去 了 原 有 的 色
泽 呈 现 为 黑 色 , 尺 寸 越 小 , 颜 色 愈 黑 。
金 属 超 微 颗 粒 对 光 的 反 射 率 很 低 , 通 常 可 低 于 l
%, 大 约 几 微 米 的 厚 度 就 能 完 全 消 光 。 利 用 这 个 特 性
可 以 作 为 高 效 率 的 光 热 、 光 电 等 转 换 材 料 , 可 以 高 效
率 地 将 太 阳 能 转 变 为 热 能 、 电 能 。

材 料 结 构 的 特 点 :
多 尺 度 效 应
介 观 尺 度
特 殊 的 热 学 性 质
小 尺 寸 效 应
纳 米 化 后 材 料 的 熔 点 将 会 显 著 降 低 , 当 颗 粒 小 于 10
纳 米 量 级 时 尤 为 显 著 。
颗 粒 大 小 常 态 10nm 2nm
金 熔 点 为 1064℃ 1037℃ 327℃

材 料 结 构 的 特 点 :
多 尺 度 效 应
介 观 尺 度
小 尺 寸 效 应
特 殊 的 磁 学 性 质
大 块 的 纯 铁 矫 顽 力 约 为 80 安 / 米 , 而 当 颗 粒 尺
寸 减 小 到 20nm 以 下 时 , 其 矫 顽 力 可 增 加 1 千 倍 , 若
进 一 步 减 小 其 尺 寸 , 大 约 小 于 6nm 时 , 其 矫 顽 力 反
而 降 低 到 零 , 呈 现 出 超 顺 磁 性 。 利 用 这 些 特 性 可 制
备 高 贮 存 密 度 的 磁 记 录 磁 粉 、 磁 性 液 体 等 新 材 料 。

材 料 结 构 的 特 点 :
多 尺 度 效 应
介 观 尺 度
特 殊 的 力 学 性 质
小 尺 寸 效 应
‣ 微 米 陶 瓷 材 料 是 脆 性 材
料 , 然 而 纳 米 陶 瓷 材 料 却 具
有 良 好 的 韧 性 。
‣ 纳 米 金 属 具 有 超 塑 延 展
性 , 纳 米 铜 在 室 温 下 竟 可 延
伸 50 多 倍 而 “ 不 折 不 挠 ”。
纳 米 铜

材 料 结 构 的 特 点 :
有 序 与 无 序
晶 态
原 子 排 列 长 程 有 序 , 有 周 期
有 序
准 晶 态
原 子 排 列 长 程 有 序 , 无 周 期
非 晶 态
原 子 排 列 短 程 有 序 , 无 周 期
无 序

材 料 结 构 的 特 点 :
材 料 的 缺 陷
点 缺 陷
线 缺 陷
面 缺 陷

材 料 结 构 的 特 点 :
表 面 和 界 面
表 面 效 应
纳 米 材 料
由 于 纳 米 粒 子 尺 寸 减 小 造 成 表 层 原 子 数 目 和
比 表 面 积 巨 增 , 使 纳 米 粒 子 表 现 出 特 殊 的 性 质 。
1cm
1nm
个 数
1
10 21
10 21 ×
总 体 积
1cm 3
1cm 3
1×
总 面 积
6cm 2
6000m 2
10 21 ×
棱 边 数
12
12×10 21 条
10 21 ×
顶 角 数
8
8×10 21 个
10 21 ×

材 料 结 构 的 特 点 :
表 面 和 界 面
颗 粒 表 面 原 子 随 粒 径 的 变 化 规 律
粒 径 (nm)
1
10
100
总 原 子 数
30
3×10 4
3×10 7
表 面 原 子 数 / 总 原 子 数
90
20
2
材 料 纳 米 化 后 , 发 生 了 三 种 变 化
晶 体 的 周 期 性 遭 到 破 坏
表 面 原 子 的 悬 空 键 增 多
表 层 原 子 数 剧 增

材 料 结 构 的 特 点 :
表 面 和 界 面
界 面 效 应
功 能 复 合 材 料 的 梯 度 界 面

材 料 结 构 的 特 点 :
表 面 和 界 面
半 导 体 材 料 与 封 装 材 料 的 界 面

材 料 结 构 的 特 点 :
表 面 和 界 面
纤 维 增 强 体 与 基 体 的 结 合 界 面

2 材 料 的 成 分 与 结 构
3) 材 料 成 分 结 构 的 表 征 方 法
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 。
光 学 显 微 镜
热 分 析 仪

3) 材 料 成 分 结 构 的 表 征 方 法
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 分 析 等
化 学 分 析
光 谱 分 析 系 统
物 理 分 析

3) 材 料 成 分 结 构 的 表 征 方 法
结
构
分
析
检 测 仪 器 分 辨 率
体 视 显 微 镜 mm( 毫 米 )--μm( 微 米 )
光 学 显 微 镜 μm( 微 米 )
电 子 扫 描 显 微 微 米 -- 纳 米 (nm) 达 0.7nm
透 射 电 镜
场 离 子 显 微 镜
隧 道 扫 描 显 微 镜
观 察 到 原 子 排 列 面 , 达 0.2nm
形 貌 观 察 0.2--0.3nm
观 察 到 原 子 结 构 0.05--0.2nm

3) 材 料 成 分 结 构 的 表 征 方 法
OM—Optical Microscope
Al-Si
Al 2 O 3

3) 材 料 成 分 结 构 的 表 征 方 法
SEM—Scanning Electron Microscope
碳 纤 维
分 子 筛

3) 材 料 成 分 结 构 的 表 征 方 法
TEM—Transmission Electron Microscope
Mg-6Gd-1Zn-0.6Zr Nano-SiO 2
Nano-C-tube

3) 材 料 成 分 结 构 的 表 征 方 法
STM--Scanning Tunneling Microscope

4) 材 料 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
相 的 定 义 : 把 系 统 中 物 理 性 质 及 化 学 性 质 均 匀 的 部 分 称 为 一 相
Al 2 MgO 4
结 构 及
XRD 图

4) 材 料 成 分 结 构 数 据 库
Fe-C phase diagram

5) 材 料 成 分 结 构 与 其 它 要 素 的 关 系
是 材 料 性 能 的 原 因
是 合 成 加 工 的 结 果

5) 材 料 成 分 结 构 与 其 它 要 素 的 关 系
结 构 是 材 料 性 能 的 原 因
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 。

5) 材 料 成 分 结 构 与 其 它 要 素 的 关 系
结 构 是 合 成 加 工 的 结 果
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

5) 材 料 成 分 结 构 与 其 它 要 素 的 关 系
材 料 的 强 韧 化
固 溶 强 化
位 错 理 论 的 建 立
弥 散 强 化
复 相 强 化

5) 材 料 成 分 结 构 与 其 它 要 素 的 关 系
材 料 的 强 韧 化
加 工 硬 化
位 错 理 论 的 建 立
相 变 增 韧

3 材 料 的 制 备 与 加 工
1) 材 料 制 备 与 加 工 的 定 义
2) 材 料 制 备 与 加 工 的 主 要 内 容
3) 材 料 制 备 与 加 工 和 其 它 要 素 的 关 系
4) 材 料 制 备 与 加 工 的 主 要 发 展 方 向

3 材 料 的 制 备 与 加 工
1. 定 义
“ 制 备 ” 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 。

3 材 料 的 制 备 与 加 工
制 备 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 法 。
Fe 2 O 3 +3H 2 =2Fe+3H 2 O
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 。

3 材 料 的 制 备 与 加 工
需 要 说 明 的 问 题
在 材 料 科 学 与 工 程 中 , 制 备 和 加 工 之 间 的 区 别 变
得 越 来 越 模 糊
制 备 是 新 技 术 开 发 和 现 有 技 术 改 进 的 关 键 性 要 素
现 代 材 料 制 备 技 术 是 人 造 材 料 的 唯 一 实 现 途 径

3 材 料 的 制 备 与 加 工
2 . 主 要 内 容
材 料 制 备
材 料 加 工
+
+
表 面 工 程
材 料 复 合
+

3 材 料 的 制 备 与 加 工
材
料
制
备
冶 金 过 程
熔 炼 与 凝 固
粉 末 烧 结
高 分 子 聚 合
冶 金 物 理 化 学
凝 固 学 理 论
烧 结 原 理
聚 合 反 应

3 材 料 的 制 备 与 加 工
材 料 制 备
冶 金 过 程
目 的 : 从 原 料 中 提 取 出 金 属
内 容 :
火 法 冶 金
熔 盐 电 冶 金
湿 法 冶 金
......
炼 铁 、 炼 铜
电 解 铝 、 镁
水 溶 液 电 解 锌

铁 的 生 产 过 程
炼 铁 高 炉

铝 的 生 产 过 程

3 材 料 的 制 备 与 加 工
材 料 制 备
熔 炼 与 凝 固
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

快 速 凝 固
单 晶 Si 的 提 拉
a— 起 弧 ;
b— 穿 井 ;
c— 主 熔 化 ;
d— 熔 末 升 温 ;
e— 精 炼 期
直 流 电 弧 炉 用 于 钢 铁 精 炼

粉 末 烧 结 过 程
放 电 等 离 子 体 烧 结 系 统
微 波 烧 结 系 统

3 材 料 的 制 备 与 加 工
材 料 制 备
高 分 子 聚 合
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

3 材 料 的 制 备 与 加 工
材 料 的 切 削
车 、 铣 、 刨 、 磨 、 切 、 钻
材
料
加
工
材 料 的 成 型
材 料 的 改 性
铸 造 、 拉 、 拔 、 挤 、 压 、 锻
合 金 化 、 热 处 理
材 料 的 联 接
焊 接 、 粘 接

3 材 料 的 制 备 与 加 工
材 料 加 工
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 :
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

3 材 料 的 制 备 与 加 工
材 料 加 工
材 料 的 成 型 ---- 液 态 成 型
A C 铸 造
B C 半 固 态 成 型
温
度
液 相 区
液 固 区
A
B
固 相 区
流 变 铸 造
C
触 变 铸 造
成
分
研 究 内 容 : 1. 凝 固 过 程 2. 成 型 工 艺 3. 流 变 特 性

3 材 料 的 制 备 与 加 工
材 料 加 工
材 料 的 成 型 ---- 塑 变 成 型
A
高 应 力
低 形 变 量
实 现 加 工 硬 化
应
力
冷 加 工
A
热 加 工
B
低 应 力
B
大 形 变 量
实 现 超 塑 性 变 形
应
变

3 材 料 的 制 备 与 加 工
材 料 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

3 材 料 的 制 备 与 加 工
材 料 加 工
材 料 的 改 性
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

3 材 料 的 制 备 与 加 工
材 料 加 工
材 料 的 改 性 ---- 材 料 的 “ 合 金 化 ”
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 。
金 属 材 料 的 合 金 化 过 程
A B α α’
固 溶 度 变 化 改 变 性 能
温
度
A B C
A C α α + β
固 溶 度 变 化 改 变 性 能
相 组 成 变 化 改 变 性 能
α
成
α + β
分

3 材 料 的 制 备 与 加 工
材 料 加 工
材 料 的 改 性 ---- 材 料 的 热 处 理
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

3 材 料 的 制 备 与 加 工
材 料 加 工
材 料 的 改 性 ---- 材 料 的 热 处 理 ---- 淬 火 工 艺
温
度
温
度
v
v 0
v>v 0
时
间
成
分
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 。

3 材 料 的 制 备 与 加 工
材 料 加 工
材 料 的 改 性 ---- 材 料 的 热 处 理 ---- 正 火 工 艺
温
度
正 火
淬 火
时
间
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 。

3 材 料 的 制 备 与 加 工
材 料 加 工
材 料 的 改 性 ---- 材 料 的 热 处 理 ---- 退 火 工 艺
温
度
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 。
时
间

3 材 料 的 制 备 与 加 工
材 料 加 工
材 料 的 改 性 ---- 材 料 的 热 处 理 ---- 回 火 工 艺
温
度
时
淬 火 或 正 火 的 材 料 重 新 加 热 , 可 以 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 .
间

3 材 料 的 制 备 与 加 工
材 料 加 工
材 料 的 联 接
目 的 : 实 现 材 料 间 的 整 体 结 合
内 容 : 1. 焊 接 2. 铆 接
3. 粘 接 4. 栓 接

3 材 料 的 制 备 与 加 工
材 料 加 工
材 料 的 联 接
焊
接
铆
接

3 材 料 的 制 备 与 加 工
材 料 加 工
材 料 的 联 接
粘
接
栓
接

3 材 料 的 制 备 与 加 工
表 面 工 程
表 面 改 性
表 面 防 护

3 材 料 的 制 备 与 加 工 表 面 工 程
表 面 改 性 ---- 改 变 材 料 表 面 的 性 质
1. 三 束 表 面 改 性
2. 化 学 表 面 改 性 ( 化 学 热 处 理 )
3. 表 面 淬 火
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 材 料 的 制 备 与 加 工 表 面 工 程
表 面 改 性 ---- 三 束 表 面 改 性
合
金
化
金
属
元
素
激 光 束
电 子 束
组 织 变 化
组 织 变 化
非
晶
化
均
匀
化
细
晶
化
离 子 束
成 分 、 组 织 变 化

3 材 料 的 制 备 与 加 工 表 面 工 程
表 面 改 性 ---- 三 束 表 面 改 性
离 子 束 改 性 对 表 面
应 力 状 况 的 影 响
A --- 原 始 受 力 状 态
B --- 改 性 受 力 状 态
C --- 最 终 受 力 状 态
强 度 极 限
疲 劳 极 限
A
B
C

3 材 料 的 制 备 与 加 工 表 面 工 程
表 面 改 性 ---- 化 学 表 面 改 性
改 变 材 料 表 面 的 化 学 成 分 --- 化 学 渗 入
浓
C +
N +
度
温
度
A B C
Me + C 0
α
α + β
表 面
心 部
成
分

3 材 料 的 制 备 与 加 工 表 面 工 程
表 面 改 性 ---- 表 面 淬 火
高 频 淬 火
电 磁 能 集 肤 电 流 表 面 热 能
火 焰 淬 火
热 处 理
气 体 化 学 反 应
表 面 热 能
性 能 改 变
组 织 改 变

3 材 料 的 制 备 与 加 工 表 面 工 程
表 面 防 护
1. 腐 蚀 防 护
2. 摩 擦 磨 损 防 护

3 材 料 的 制 备 与 加 工 表 面 工 程
表 面 防 护 ---- 腐 蚀 防 护
大 气 腐 蚀
海 水 腐 蚀
化 学 反 应
工 业 介 质 腐 蚀

3 材 料 的 制 备 与 加 工 表 面 工 程
表 面 防 护 ---- 腐 蚀 防 护
主 动 防 护
合 金 化
非 晶 化
高 纯 度
抗 蚀 材 料
被 动 防 护
表 面 涂 镀
表 面 改 性
表 面 钝 化
电 化 学 保 护

3 材 料 的 制 备 与 加 工 表 面 工 程
表 面 防 护 ---- 摩 擦 磨 损 防 护
增 加 抗 磨 损 性
增 加 润 滑 性

3 材 料 的 制 备 与 加 工
材 料 复 合
金 属 基 复 合 材 料
陶 瓷 基 复 合 材 料
高 分 子 复 合 材 料

3 材 料 的 制 备 与 加 工
材 料 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 。

3 材 料 的 制 备 与 加 工
材 料 复 合
颗 粒
纤
维
晶 须

3 材 料 的 制 备 与 加 工
材 料 复 合

3 材 料 的 制 备 与 加 工
现 代 材 料 的 制 备 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 制 备 与 加 工 的 内 涵
要 大 于 通 常 所 说 的 材 料 工 程 的 内 涵 。

3 材 料 的 制 备 与 加 工
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 :
制 备 与 加 工
使 用 性 能
提 供
产 生
结 构 与 成 分
具
备
材 料 性 质

3 材 料 的 制 备 与 加 工
3. 与 其 它 要 素 的 关 系
低 速 冷 却 10 -3 ~1KS -1 10 2 ~10 8 KS -1
平 衡 组 织 铸 态 组 织 非 平 衡 组 织
单 晶 硅
尺 寸 > 300mm
缺 陷 数 100-1000 个 /cm 2
定 向 凝 固 共 晶 材 料
制 成 涡 轮 机 叶 片
近 终 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 材 料 的 制 备 与 加 工
3. 与 其 它 要 素 的 关 系
提 拉 法 制 取 单 晶 硅
大 尺 寸 单 晶 硅

3 材 料 的 制 备 与 加 工
3. 与 其 它 要 素 的 关 系
生 长 界 面
α- 相 β- 相

3 材 料 的 制 备 与 加 工
3. 与 其 它 要 素 的 关 系
定 向 凝 固 共 晶 组 织 的
涡 轮 叶 片
近 终 形 技 术
制 备 的 叶 片

3 材 料 的 制 备 与 加 工
4. 主 要 发 展 方 向
在 极 端 化 的 条 件 下 , 完 成 制 备 与 加 工 过
程 , 获 得 更 多 的 功 能 特 性 。
超 纯 条 件
高 压 条 件
低 温 条 件
超 细 条 件
单 晶 硅 晶 片
人 工 金 刚 石
超 导 体
纳 米 材 料

3 材 料 的 制 备 与 加 工
4. 主 要 发 展 方 向
我 国 与 工 业 发 达 国 家 材 料 加 工 存 在 很 大 差 距
中 国 工 业 化 国 家
精 铸 件 比 重 (%〕 3~4 25~30
精 锻 件 比 重 (%) 37 65~70
单 位 产 值 能 耗
原 材 料 消 耗
工 业 增 加 值 率
7
2.5
0.5
1( 日 美 )
1( 日 美 〕
1( 日 美 〕

3 材 料 的 制 备 与 加 工
4. 主 要 发 展 方 向
电 子 材 料 制 备 与 加 工 的 关 键 技 术
‣ 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 ;
‣ 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 ;

3 材 料 的 制 备 与 加 工
4. 主 要 发 展 方 向
我 国 在 制 备 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 最 重
要 的 课 题 。

4 材 料 的 性 能 与 应 用
1) 材 料 性 能 的 定 义
2) 材 料 使 用 性 能 与 性 质 的 区 别 与 联 系
3) 材 料 使 用 性 能 的 设 计 与 实 际 应 用
4) 材 料 使 用 性 能 与 其 它 要 素 之 间 关 系
5) 材 料 与 环 境 的 关 系
6) 材 料 性 能 数 据 库

4 材 料 的 性 能 与 应 用
1. 材 料 性 能 的 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 。

1. 强 度 表 征
4 材 料 的 性 能 与 应 用 力 学 性 能
弹 性 极 限 、 屈 服 强 度 、 比 例 极 限 ……

2. 塑 性 表 征
4 材 料 的 性 能 与 应 用 力 学 性 能
延 伸 率 δ、 断 面 收 缩 率 φ、 冲 杯 深 度 h

3. 硬 度 表 征
4 材 料 的 性 能 与 应 用 力 学 性 能
布 氏 硬 度 、 洛 氏 硬 度 、 维 氏 硬 度 ……
布 氏 硬 度
洛 氏 硬 度

4. 刚 度 表 征
4 材 料 的 性 能 与 应 用 力 学 性 能
A
弹 性 模 量 、 杨 氏 模 量 、 剪 切 模 量 ……
F
M
ΔL
L
E= F/A
ΔL/L
G= τ γ
F
M

5. 疲 劳 强 度 表 征
4 材 料 的 性 能 与 应 用 力 学 性 能
疲 劳 极 限
疲 劳 寿 命
材 料 能 经 受 “ 无 限 ” 次 循 环 而 不 发 生 疲 劳 破 坏 的 最
大 应 力 值 , 称 为 材 料 的 疲 劳 极 限 或 持 久 极 限 。
材 料 发 生 疲 劳 破 坏 时 的 应 力 循 环 次 数 , 或 从 开 始
受 载 到 发 生 断 裂 所 经 过 的 时 间 称 为 该 材 料 的 疲 劳
寿 命 。

6. 抗 蠕 变 性 表 征
蠕 变 极 限
表 示 材 料 抵 抗 蠕 变 能 力 大 小 的 指 标 , 一 般 用 规
定 温 度 下 和 规 定 时 间 内 达 到 一 定 总 变 形 量 的 应
力 值 表 示 。
持 久 强 度
4 材 料 的 性 能 与 应 用 力 学 性 能
材 料 在 给 定 温 度 经 过 一
定 时 间 破 坏 时 所 能 承 受 的
恒 定 应 力 。

7. 韧 性 表 征
4 材 料 的 性 能 与 应 用 力 学 性 能
断 裂 韧 性 K IC、 断 裂 韧 性 J IC
W
B
P
S
a
材 料
铝 合 金
高 强 度 合 金 钢
氧 化 铝
环 氧 树 脂
K IC
/MPam 1/2
2.7-5.0
0.8
K IC =σ f (πa) 1/2 聚 苯 乙 烯 0.7-1.1
44
92

1. 电 学 性 能 表 征
4 材 料 的 性 能 与 应 用 物 理 性 能
电 导 率 、 电 阻 率 、 介 电 常 数 ……
ε0

2. 磁 学 性 能 表 征 :
磁 导 率
矫 顽 力
4 材 料 的 性 能 与 应 用 物 理 性 能
I
a
I
l
磁 记 录 介 质 的 一 个 重 要 磁 性 参 数 (Hc), 是 指 使
剩 磁 降 低 为 零 所 需 要 的 磁 场 强 度 。
F
F= μ 0 l I 2
2πa
磁 化 率
物 质 在 外 磁 场 作 用 下 , 由 于 电 子 等 带 电 体 的 运
动 , 会 被 磁 化 而 感 应 出 一 个 附 加 磁 场 。 磁 化 率 是
用 来 表 征 物 质 被 磁 化 程 度 的 物 理 量 。

3. 光 学 性 能 表 征
4 材 料 的 性 能 与 应 用 物 理 性 能
光 反 射 率 、 光 折 射 率 、 光 损 耗 率 ……
θ θ
γ
光 波 方 向

4 材 料 的 性 能 与 应 用
2. 材 料 性 能 与 性 质 的 区 别 与 联 系
成 分
结 构
环 境
性 质
规 范
使 用
性 能
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 。

4 材 料 的 性 能 与 应 用
2. 材 料 性 能 与 性 质 的 区 别 与 联 系
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 。

4 材 料 的 性 能 与 应 用
2. 材 料 性 能 与 性 质 的 区 别 与 联 系
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 。

4 材 料 的 性 能 与 应 用
2. 材 料 性 能 与 性 质 的 区 别 与 联 系
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 。

4 材 料 的 性 能 与 应 用
2. 材 料 性 能 与 性 质 的 区 别 与 联 系
例 1: 高 速 飞 行 器 表 面 结 构 材 料 的 选 择
使 用 环 境 : 高 速 度 使 用 下 的 结 构 体
?
性 质

4 材 料 的 性 能 与 应 用
2. 材 料 性 能 与 性 质 的 区 别 与 联 系
30 年 代 教 练 机
二 次 大 战 战 斗 机
80 年 代 截 击 机
49 0 C
93.3 0 C
427 0 C
航 天 飞 机
1093 0 C
东 方 快 车 号
1649 0 C
538
1093 1649
不 同 类 型 的 飞 行 器 蒙 皮 温 度
温 度 ( 0 C)

4 材 料 的 性 能 与 应 用
2. 材 料 性 能 与 性 质 的 区 别 与 联 系
0
新 材 料 与 材 料 的 改 进
10
29%
飞
机
减
重
20
30
先 进 的 结 构 概 念
自 动 化 设 计
13%
40
有 效 载 荷 控 制 及 机 翼 隐 蔽
50
1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
年 代

4 材 料 的 性 能 与 应 用
2. 材 料 性 能 与 性 质 的 区 别 与 联 系
芳 纶 (+630)
玻 璃 钢
复 合 材 料
金 属
射 程 ( 公 里 )
导 弹 壳 体 材 料 与 射 程 的 关 系 示 意 图
长 征 火 箭 壳 体 : 铝 合 金 744Kg; 碳 纤 维 401Kg;
两 者 相 比 , 碳 纤 维 减 重 343Kg; 射 程 增 加 1476Km

4 材 料 的 性 能 与 应 用
2. 材 料 性 能 与 性 质 的 区 别 与 联 系
本 例 结 论
满 足 高 速 飞 行 的 使 用 性 能 , 必 须 要 求
表 面 结 构 材 料 具 备 两 个 基 本 性 质 :
比 强 度 高
耐 高 温 强

4 材 料 的 性 能 与 应 用
2. 材 料 性 能 与 性 质 的 区 别 与 联 系
例 2: 现 代 通 讯 技 术 中 材 料 的 选 择
使 用 条 件 : 远 距 离 、 大 容 量 的 信 号 传 导 体
?
性 质

10 8
4 材 料 的 性 能 与 应 用
2. 材 料 性 能 与 性 质 的 区 别 与 联 系
光 导 纤 维
相
对
信
息
量
10 6
10 4
10 2
通 讯 卫 星
同 轴 电 缆
同 轴 电 缆 与 微 波 系 统
1
一 对 12 路 电 话 线
第 一 条 电 话
1890 1910 1930 1950 1970 1990 2010 2030 2050
年 份
不 同 通 讯 方 式 的 相 对 信 息 量

4 材 料 的 性 能 与 应 用
2. 材 料 性 能 与 性 质 的 区 别 与 联 系
玻
璃
透
光
度
的
改
进
历
史
光
学
损
耗
(
dB/km)
0.1 96
1
10
10 2
10 3
10 4
10 5
10 6
光 学 玻 璃
埃 及 人 的
菲 尼 基 人 的
光 学 纤 维
10 7
公 元 前 3000 公 元 1000 1900 1966 1979 1983
年 份
50
10
1
10 -10
10 -100
每
公
里
透
光
率
高 性 能 光 导
纤 维 材 料 的
出 现 对 微 电
子 、 通 讯 等
高 技 术 行 业
产 生 巨 大 的
影 响 。

4 材 料 的 性 能 与 应 用
2. 材 料 性 能 与 性 质 的 区 别 与 联 系
光 导 纤 维 发 展 历 程
年 代
波 长
(μ)
模 数
光 纤 损 耗
(db/km)
中 继 距 离
(km)
应 用 年 代
材 料
第 一 代 0.85 多 模 2-5 8-10 1978 SiO 2
第 二 代 1.3 多 模 1 10-20 1982
第 三 代 1.3 单 模 0.4 20-40 1983 SiO 2 +Ga,P
第 四 代
1.55 单 模 0.2 80 正 在 应 用 多 组 分 玻 璃
1.55 单 模 0.01-0.001 可 达 400 多 组 分 玻 璃 +Er
第 五 代 2.5 单 模 3×10 -4 2500 21 世 纪 氟 化 玻 璃

4 材 料 的 性 能 与 应 用
2. 材 料 性 能 与 性 质 的 区 别 与 联 系
本 例 结 论
新 型 光 导 纤 维 能 够 满 足 现 代 通 讯 技 术 的
使 用 要 求 ( 使 用 性 能 ), 其 基 本 性 质 包 括 :
光 通 量 大
光 学 损 耗 低

4 材 料 的 性 能 与 应 用
2. 材 料 性 能 与 性 质 的 区 别 与 联 系
例 3: 高 集 成 度 计 算 机 芯 片
使 用 性 能 :1) 集 成 度 ,2) 纳 米 级 尺 寸
?
性 质

4 材 料 的 性 能 与 应 用
2. 材 料 性 能 与 性 质 的 区 别 与 联 系
单 晶 硅 晶 片 发 展 趋 势 及 其 要 求
项 目 单 位 1995 1998 2001
DRAM( 动 态 随 机 存
取 )
Mbit 64 256 1×10 3
设 计 线 宽 μ m 0.35 0.25 0.18
晶 片 直 径 mm 200 200∼300 >300
表 面 微 观 粗 糙 度 Φ mm

4 材 料 的 性 能 与 应 用
2. 材 料 性 能 与 性 质 的 区 别 与 联 系
本 例 结 论
在 计 算 机 中 使 用 的 硅 晶 片 , 满 足 高 集
成 度 使 用 性 能 , 其 基 本 性 质 包 括 :
高 纯 度
低 缺 陷

4 材 料 的 性 能 与 应 用
3. 材 料 性 能 的 设 计 与 实 际 应 用
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

汽 车 喷 油 嘴 的 设 计 -- 方 案 一
材 料 性 质 要 求
高 磁 导 率
低 矫 顽 力
软 磁
材 料
高
压
油
顶
锥
运
动
方
向
电 磁 体
吸 上 : 喷 油
弹 下 : 封 闭
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 。
4 材 料 的 性 能 与 应 用
3. 材 料 性 能 的 设 计 与 实 际 应 用

高 磁 致 伸 缩 材 料
材 料 性 质 要 求
高 的 磁 致
伸 缩 系 数
4 材 料 的 性 能 与 应 用
3. 材 料 性 能 的 设 计 与 实 际 应 用
汽 车 喷 油 嘴 的 设 计 -- 方 案 二
磁 场
顶
锥
长
度
变
化
收 缩 : 喷 油
复 原 : 封 闭
顶 锥 响 应 时 间
约 为 微 秒 级
优 点 : 结 构 简 单 , 燃 烧 效 率 高 , 环 境 污 染 降 低 。

4 材 料 的 性 能 与 应 用
4. 材 料 性 能 与 其 他 要 素 之 间 的 关 系
使 用 性 能
制 备 / 加 工
性 质
成 分 / 结 构

材 料 的 失 效 :
4 材 料 的 性 能 与 应 用
5. 材 料 与 环 境 之 间 的 关 系
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
电 学
热 学
化 学 介 质
电 压 、 电 流
高 温
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

4 材 料 的 性 能 与 应 用
5. 材 料 与 环 境 之 间 的 关 系
三 类 主 要 的 材 料 失 效 形 式
断 裂 磨 损 腐 蚀

4 材 料 的 性 能 与 应 用
5. 材 料 与 环 境 之 间 的 关 系
制 备
制 备
工 业 原 料
原 材 料
工 程 材 料
开 采
矿 产
再 生 循 环
分 类 / 再 制 造
产 品 设 计
制 造 装 配
废 料
农 业 、 建 筑 、 环 境
国 防 、 信 息 、 交 通
能 源 、 健 康 ……
材 料 的 全 生 命 循 环 周 期

4 材 料 的 性 能 与 应 用
5. 材 料 与 环 境 之 间 的 关 系
污 染 排 放 最 少
资 源 能 源 消 耗 最 小
矿 产
资 源
生 态 环 境 科 学 技 术
废 弃 物 可 再 生
回 收 利 用
使 用 性 能 最 佳 各 种
材 料

4 材 料 的 性 能 与 应 用
6. 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
‣ 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 。

4 材 料 的 性 能 与 应 用
6. 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
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

§2.2 材 料 研 究 手 段 和 方 法
1 材 料 试 验 手 段
1) 成 分 、 结 构 表 征 仪 器
2) 材 料 性 能 的 检 测 仪 器
3) 制 备 与 加 工 过 程 中 使 用 的 设 备
4) 过 程 控 制 的 探 测 元 件 及 装 置

1 材 料 试 验 手 段
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 。

1 材 料 试 验 手 段
1) 成 分 、 结 构 表 征 仪 器
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 。

1 材 料 试 验 手 段
1) 成 分 、 结 构 表 征 仪 器
深 度 分 辨 率
0.1nm 10nm 1μm 100 μm
成 分
X 射 线 荧 光 X 射 线 衍 射
电 子 探 针
卢 瑟 福 背 散 射
分 析 电 镜
二 次 离 子
俄 歇 谱
光 电 子 谱
0.1nm 10nm 1μm 100 μm 1cm
横 向 分 辨 率

1 材 料 试 验 手 段
1) 成 分 、 结 构 表 征 仪 器
深 度 分 辨 率
0.1nm 10nm 1μm 100 μm
结 构
扫 描 电 镜
X 射 线 衍 射
分 析 电 镜
扫 描 隧 道 显 微 镜
卢 瑟 福 背 散 射
分 析 电 镜
0.1nm 10nm 1μm 100 μm 1cm
横 向 分 辨 率

1 材 料 试 验 手 段
1) 成 分 、 结 构 表 征 仪 器
深 度 分 辨 率
0.1nm 10nm 1μm 100 μm
形 貌
X 射 线 衍 射
扫 描 电 镜 光 学 显 微 镜
分 析 电 镜
卢 瑟 福 背 散 射
扫 描 隧 道 显 微 镜
0.1nm 10nm 1μm 100 μm 1cm
横 向 分 辨 率
红 外 成 像

1 材 料 试 验 手 段
OM—Optical Microscope
Mg-10Gd-2Y-0.5Zr
W

1 材 料 试 验 手 段
SEM—Scanning Electron Microscope
氧 化 铝 结 晶
四 钼 酸 胺

1 材 料 试 验 手 段
TEM—Transmission Electron Microscope
β-Si 3
N 4
β-Si 3
N 4
5nm
无 压 烧 结 Si 3 N 4 材 料 : 原 子 排 列 面
纳 米 碳 管

1 材 料 试 验 手 段
STM--Scanning Tunneling Microscope
S
Pb
方 铝 矿 (100) 解 理 面
Cu(111) 面

1 材 料 试 验 手 段
扫 描 隧 道 显 微 镜

1 材 料 试 验 手 段
激 光 拉 曼 光 谱 仪

电 子 能 谱 仪
1 材 料 试 验 手 段

1 材 料 试 验 手 段
超 导 核 磁 共 振 仪

1 材 料 试 验 手 段
高 分 辨 电 子 显 微 镜

1 材 料 试 验 手 段
多 功 能 核 磁 共 振 波 谱 仪

1 材 料 试 验 手 段
电 子 顺 磁 共 振 波 谱 仪

1 材 料 试 验 手 段
色 谱 -- 质 谱 联 用 仪

1 材 料 试 验 手 段
原 子 探 针 场 离 子 显 微 镜

电 子 能 谱
1 材 料 试 验 手 段

1 材 料 试 验 手 段
材 料 表 面 科 学 中 使 用 的 仪 器
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

1 材 料 试 验 手 段
2) 材 料 性 能 的 测 定 仪 器
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 )。
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 。

1 材 料 试 验 手 段
2) 材 料 性 能 的 测 定 仪 器
多 功 能 内 耗 仪

1 材 料 试 验 手 段
2) 材 料 性 能 的 测 定 仪 器
六 联 旋 转 高 温 陶 瓷 夹 具
疲 劳 内 耗 超 声 衰 减 仪

1 材 料 试 验 手 段
2) 材 料 性 能 的 测 定 仪 器
蠕 变 -- 疲 劳 实 验 机

1 材 料 试 验 手 段
2) 材 料 性 能 的 测 定 仪 器
陶 瓷 材 料 高 温 蠕 变 实 验 机

1 材 料 试 验 手 段
2) 材 料 性 能 的 测 定 仪 器
陶 瓷 高 温 疲 劳 实 验 机

1 材 料 试 验 手 段
3) 制 备 与 加 工 设 备
材 料 制 备 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 制 备 与 加 工 设 备 的
主 体 。 同 时 , 设 备 中 还 包 含 了 关 键 的 控 制
系 统 。

1 材 料 试 验 手 段
3) 制 备 与 加 工 设 备
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 、 加 热 、 辐 照 装 置 、 激 光 发 生 器
物 质 输 送 : 气 、 液 管 路 、 机 械 进 给 装 置

1 材 料 试 验 手 段
3) 制 备 与 加 工 设 备
双 低 能 离 子 束 薄 膜 沉 积 设 备

1 材 料 试 验 手 段
3) 制 备 与 加 工 设 备
纳 米 材 料 制 备 设 备

1 材 料 试 验 手 段
3) 制 备 与 加 工 设 备
超 净 工 作 室

1 材 料 试 验 手 段
3) 制 备 与 加 工 设 备
单 晶 炉
单 晶 硅 炉

1 材 料 试 验 手 段
3) 制 备 与 加 工 设 备
冷 等 静 压 机
喷 雾 制 粉 设 备

1 材 料 试 验 手 段
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

用 于 传 感 器 的 无 机 非 金 属 敏 感 材 料
探 测 性 能 原 理 材 料
氧 含 量 体 离 子 导 电 Zr 1-χ CaO 2-χ
湿 度 表 面 离 子 导 电 MgCr 2 O 4·TiO 2
酸 度 表 面 化 学 反 应 IrO 2-χ
压 力 压 电 PbZr 1-χ Ti χ O 3
温 度 热 电 PbZr 1-χ Ti χ O 3
电 压 晶 界 面 隧 道 ZnO·Bi 2 O 3
PTC 热 敏 电 阻 晶 界 面 相 变 Ba 1-χ Ce χ TiO 3
化 学 表 面 电 子 导 电 ZnO·CuO
光 学 光 电 阻 CdS

2 材 料 的 设 计
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 。

2 材 料 的 设 计
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 。

“ 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 :
2 材 料 的 设 计
(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 ;

2 材 料 的 设 计
(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) 制 备 与 加 工 新 技 术 的 涌 现
各 种 新 型 材 料 制 备 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
制 备 加 工 的 优 化 开 辟 了 新 方 向 。

2 材 料 的 设 计
2) 材 料 设 计 的 内 容
材 料 设 计 贯 穿 于 材 料 “ 四 要 素 ” 各 个 方 面 , 即 :
成 分 结 构 设 计
性 质 性 能 预 测
制 备 加 工 过 程 的 控 制 与 优 化

2 材 料 的 设 计
成 分 结 构 设 计
案 例 1: : 杂 化 材 料
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
2 材 料 的 设 计
案 例 1: : 杂 化 材 料
原 子 与 原 子 的 复 合
相 与 相 的 复 合

2 材 料 的 设 计
2) 材 料 设 计 的 内 容 ---- 微 观 结 构 设 计
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

2 材 料 的 设 计
案 例 2: 晶 体 结 构 计 算
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 。
准 晶 照 片
模 拟 结 果

Mg-Sb 相 图 计 算 结 果 与 实 验 结 果 比 较
案 例 3: 相 图 计 算 -
--- 预 报 新 化 合 物

2 材 料 的 设 计
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 。

2 材 料 的 设 计
案 例 4: 超 晶 格 结 构 设 计
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 。

2 材 料 的 设 计
案 例 4: 超 晶 格 结 构 设 计
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

2 材 料 的 设 计
案 例 4: 超 晶 格 结 构 设 计
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)

案 例 4: 超 晶 格 结 构 设 计
制 备 方 法
2 材 料 的 设 计
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

案 例 4: 超 晶 格 结 构 设 计
制 备 方 法
2 材 料 的 设 计
分 子 束 外 延 设 备 MBE

案 例 4: 超 晶 格 结 构 设 计
制 备 方 法
2 材 料 的 设 计
全 自 动 MOCVD 设 备

2 材 料 的 设 计
案 例 4: 超 晶 格 结 构 设 计
应 用 领 域
远 红 外 探 测 器
量 子 霍 耳 电 阻 , 作 为 电 阻 自 然 基 准
光 计 算 机 器 件 ( 自 电 光 效 应 器 件 SEED)
超 高 速 电 子 器 件

2 材 料 的 设 计
案 例 5: 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

2 材 料 的 设 计
案 例 5: 陶 瓷 纤 维 增 韧 的 设 计 方 案
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

2 材 料 的 设 计
案 例 5: 陶 瓷 纤 维 增 韧 的 设 计 方 案
裂 纹 扩 展 过 程 中 能 量 的 增 量
…
⊿E = E 1 + E 2 + +E 5 ( 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

2 材 料 的 设 计
全 过 程 、 全 因 素 优 化 设 计
全 过 程
材 料 的 设 计 制 备 与 加 工 支 持 与 维 护
废 弃 与 回 收
全 因 素
性 能 指 标
加 工 性
环 境 因 素
成 本 指 标
失 效 分 析

2 材 料 的 设 计
全 过 程 、 全 因 素 优 化 设 计
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 。

2 材 料 的 设 计
材 料 的 智 能 加 工
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 。
实 现 材 料 加 工 的 自 动 化
优
点
提 高 材 料 的 质 量
提 高 性 能 的 重 现 性
降 低 产 品 的 废 品 率

2 材 料 的 设 计
材 料 的 智 能 加 工
加
工
系
统
传 感 器
专
家
系
统
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 。

2 材 料 的 设 计
3) 材 料 设 计 的 计 算 机 基 础
物 理 场 的 数 值 模 拟 方 法
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

2 材 料 的 设 计
3) 材 料 设 计 的 计 算 机 基 础
物 理 场 的 数 值 模 拟 方 法
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

2 材 料 的 设 计
3) 材 料 设 计 的 计 算 机 基 础
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
常 用 工 程 数 学 的 计 算 机 处 理

2 材 料 的 设 计
3) 材 料 设 计 的 计 算 机 基 础
推 荐 几 种 重 要 的 数 学 应 用 软 件
大 型 统 计 软 件
有 限 元 数 值 计 算
具 有 多 种 数 学 功 能
SPSS
ANSYS、MARC
MATLAB

§2.3 “ 四 要 素 ” 应 用 的 典 型 案 例 分 析
1) 钢 铁 材 料
2) 铝 合 金 材 料
3) 掺 杂 钨 丝 的 设 计 与 研 制

案 例 一
钢 铁 材 料 的 发 展 历 史

钢 铁 材 料 的 发 展 历 史
人 类 使 用 不 同 材 料 的 开 始 时 间
100 万 年 前 石 器
陶 器
公 元 前 5000 年
青 铜
公 元 前 1200 年
铁 器
公 元 0 年
水 泥
公 元 1800 年
钢
公 元 1950 年
硅
20 世 纪 初 高 分 子 材 料
21 世 纪 先 进 复 合 材 料
3000 年
对 铁 、 钢 微 观 结
构 、 成 分 得 认 识
不 够

钢 铁 材 料 的 发 展 历 史
铁
含 C 量
强 度 、 塑 性 。。。
钢
其 他 杂 质 元 素 , 如 P、S 的 含 量
‣ 从 1855 年 英 国 人 贝 塞 尔 发 明 空 气 底 吹 转 炉 炼 钢 法
‣ 逐 步 经 历 了 从 凭 经 验 到 科 学 , 从 手 工 工 艺 到 工 程 科 学 的 过 程 。

钢 铁 材 料 的 发 展 历 史
‣ 钢 - 钢 铁 时 代
以 锰 钢 为 例 : 硬 强 钢
1774 年 —— 发 现 锰 ;
28 世 纪 末 到 19 世 纪 90 年 代 开 始 炼 锰 钢 。
炼 不 出 来 的 原 因 : 关 键 是 脆 性 , 根 源 是 锰 含 量
-13% 时 成 功 了 。

钢 铁 材 料 的 发 展 历 史
‣ 钢 - 钢 铁 时 代
以 不 锈 钢 为 例 : 向 Fe 中 添 加 一 定 比 例 的 Cr、Ni、Mo、
Mn 等 合 金 元 素 等 熔 炼 出 来 的 。
1912 年 —— 布 里 尔 利 , 英 国 人 ,8% 的 Cr、0.24c
- 热 处 理
毛 尔 和 施 特 劳 斯 —— 18% Cr、8%Ni 即 18-8 不 锈
钢 Cr-Mn-Ni+ 稀 土

钢 铁 材 料 的 发 展 历 史
‣ 钢 - 钢 铁 时 代
以 磁 钢 为 例
大 发 明 : 磁 铁
1917 年 —— 日 本 : 本 多 光 太 郎 , 东 京 大 学 , 普 通 碳 钢
可 磁 化 但 剩 磁 不 强 , 改 变 成 分 加 入 Co 制 成 磁 合
金 钢 , 但 颗 粒 大 剩 磁 不 够 ---- 用 淬 火 来 晶 粒 细 化 。
1931 年 —— 又 发 明 Fe、Co、Mo 和 Fe、Co、W
三 元 磁 钢

钢 铁 材 料 的 发 展 历 史
‣ 钢 - 钢 铁 时 代
以 磁 钢 为 例
1967 年 —— 美 国 公 司 又 发 明 稀 土 -Co 硬 磁 合 金 又 制
出 更 好 的 铬 钴 合 金
1983 年 —— 佐 川 真 人 制 成 以 钕 带 钴 : 制 粉 - 压 铸 -
焙 烧 - 热 处 理 制 得 钕 铁 硼 永 磁 合 金
1985 年 —— 美 国 用 快 淬 火 制 更 高 价 的 钕 铁 硼 永 磁 合
金

案 例 二
铝 合 金 的 发 展 历 史

铝 合 金 的 发 展 历 史
航 天 飞 机
飞 行 速 度
民 航
客 机
运 输 机
直 升 机
小 型 民 用 飞 机
同 步 轨 道 卫 星
近 地 对 道 卫 星
超 音 速 飞 机
垂 直 起 降 机
战 斗 机
波 音 707
10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5
减 轻 结 构 所 得 经 济 效 益 ( 相 对 值 )
飞 行 器 减 重 1Kg 所 获 得 的 经 济 效 益 与 飞 行 速 度 的 关 系

铝 合 金 的 发 展 历 史
50
40
主 动 载 荷 控 制 及 颤 震 抑 制
自 动 化 设 计
结 构 减 重 /%
30
20
先 进 结 构 概 念
新 材 料 及 改 进 型 材 料
10
0
1950
1960 1970 1980 1990 2000 2010
年 份
新 型 材 料 及 改 型 材 料 在 军 机 结 构 减 重 中 的
重 要 性 及 发 展 趋 势

铝 合 金 的 发 展 历 史
比 强 度
0 2 4 6 8 10 12 14
树 脂 基 复 合 材 料
钛 基 复 合 材 料
铝 基 复 合 材 料
钛
铝
不 锈 钢
先 进 碳 碳 材 料
高 温 合 金
0 1 2 3 4
马 赫 数
不 同 材 料 的 比 强 度 与 之 对 应 的 马 赫 数

铝 合 金 的 发 展 历 史
新 型 材 料 及 改 型 材 料 在 军 机 结 构 减 重 中 的
重 要 性 及 发 展 趋 势
代
机 型
首 飞
材 料 类 别
第 二 代
歼 8Ⅲ
1993
新 歼
1998
苏 -27CK
1977
第 三 代
F-15
1972
F-16
1976
F/A-18A/B
1978
第 四 代
F-22
1997
铝 合 金
55
85
60
37.3
64
49
15
钛 合 金
2
2
15
25.8
3
12
41
钢
其 他
24
19
10
3
10
15
5.5
31.4
3
30
15
24
5
39

铝 合 金 的 发 展 历 史
特
点
密 度 低 、 比 强 度 高 。 纯 铝 的 密 度 为 2700kg/m 3 ,
仅 为 铁 的 1/4。
优 良 的 物 理 、 化 学 性 能 。 导 电 性 能 好 、 磁 化 率
低 、 耐 腐 蚀 等 。
加 工 性 能 好 。 铸 造 性 能 好 、 易 于 塑 性 变 形 , 经 热
处 理 后 还 具 有 很 高 的 强 度 。

铝 合 金 的 发 展 历 史
纯
铝
纯 铝 中 含 有 Fe、Si、Zn 等 元 素 时 , 会 使 性 能 下 降 。
名 称
高 纯 铝
工 业 高 纯 铝
工 业 纯 铝
纯 度
99.93%-99.99%
98.85%-99.9%
98.0%-99.0%
用 途
科 学 研 究 、 制 作 电 器
铝 箔 、 铝 合 金 原 料
电 线 、 电 缆 、 配 置 合 金
纯 铝 的 强 度 很 低 , 不 能 用 作 结 构 材 料
铝 合 金

铝 合 金 的 发 展 历 史
合 金 元 素 的 作 用
铝 中 加 入 合 金 元 素 后 , 可 提 高 合 金 的 强 度 , 并 保 持
良 好 的 加 工 性 能 。
固 溶 强 化
时 效 强 化
弥 散 强 化
细 晶 强 化
合
金
强
度
提
高

铝 合 金 的 发 展 历 史
合 金 元 素 的 作 用
固 溶 强 化
Al-Mg

铝 合 金 的 发 展 历 史
合 金 元 素 的 作 用
时 效 强 化
600
α
l
Cu 在 Al 中 的 固 溶 度 随 温
度 降 低 而 降 低 。500℃ 时
温 度 /℃
400
200
GP 区 固 溶 线
5.7
α+θ(Al 2 Cu)
将 有 4% 的 Cu 固 溶 在 Al
中 , 将 含 4% 的 Al 冷 却 到
室 温 , 绝 大 部 分 的 Cu 将
以 GP 区 和 过 渡 相 等 形 式
析 出 。
Cu/%
2 4 6

铝 合 金 的 发 展 历 史
合 金 元 素 的 作 用
时 效 强 化
温
度
Al-Cu
Al 2 Cu
时
间
Al-Mg-Si
Mg 2 Si

铝 合 金 的 发 展 历 史
合 金 元 素 的 作 用
时 效 强 化
硬
度
30 50 70 90 100 130
130℃
Al-4%Cu
0.01 0.1 1.0 10 100
时 效 时 间 /d
时 效 处 理 时 间
对 Al-4%Cu 及
合 金 硬 度 的 影 响

铝 合 金 的 发 展 历 史
合 金 元 素 的 作 用
弥 散 强 化
液 态 中 少 量 初 生 Al 3 Er 粒 子
固 态 中 弥 散 分 布 的 Al 3 Er 粒 子
温
度
北 京 工 业 大 学 材 料 学 院
含 Er 高 强 铝 合 金 的 开 发
时
间

铝 合 金 的 发 展 历 史
细
晶
强
化
合 金 元 素 的 作 用
温
度
液 态 中 初 生 Al 3 Er 粒 子 成
为 基 体 Al 的 形 核 核 心 , 减
少 基 体 晶 粒 长 大 的 孕 育
期 , 从 而 细 化 晶 粒 。
时
间

铝 合 金 的 发 展 历 史
合 金 元 素 的 作 用
细 晶 强 化
铝 合 金 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

铝 合 金 的 发 展 历 史
铝
及
铝
合
金
变 形
铝 合 金
铸 造
铝 合 金
非 热 处 理 型
热 处 理 型
非 热 处 理 型
热 处 理 型
纯 铝 :1××× 系 列
Al-Mn 系 : 3××× 系 列
Al-Si 系 :4××× 系 列
Al-Mg 系 :5××× 系 列
Al-Cu 系 : 2××× 系 列
Al-Mg-Si 系 : 6××× 系 列
Al-Zn-Mg-Cu 系 :7××× 系 列
Al-Li 系 :8××× 系 列
纯 铝 :
Al-Mg 系 : 如 ZL103
Al-Si 系 : 如 ZL102
Al-Mg 系 : 如 ZL107
Al-Cu 系 : 如 ZL110
Al-Mg-Si 系 : 如 ZL104
Al-Zn-Mg-Cu 系 : 如 ZL305

铝 合 金 的 发 展 历 史
航 空 航 天 常 用 铸 造 铝 合 金
合 金 牌 号 代 号 合 金 牌 号 代 号 合 金 牌 号 代 号
ZAlSi7Mg
ZL101
ZAlSi8MgBe
ZL116
ZAlCu5MnCdVA
ZL205A
ZAlSi7MgA
ZL101A
ZAlSi20Cu2Re
ZL117
ZAlRE5Cu3Si2
ZL207
ZAlSi12
ZL102
ZAlCu5Mn
ZL201
ZAlCu5Ni2CuZr
ZL208
ZAlSi9Mg
ZL104
ZAlCu5MnA
ZL201A
ZAlMg10
ZL301
ZAlSi5Cu1Mg
ZL105
ZAlCu4
ZL203
ZAlMg5Si1
ZL303
ZAlSi7Mg1A
ZL114A
ZAlCu5MnCdA
ZL204A
ZAlZn10Si7
ZL401

铝 合 金 的 发 展 历 史
变 形 铝 合 金 在 客 机 机 身 各 部 位 的 典 型 应 用
应 用 部 位
机 身 蒙 皮
机 身 框 架
机 翼 上 蒙 皮
机 翼 下 蒙 皮
机 翼 下 壁 板
尾 翼
应 用 的 铝 合 金
2024-T3,7075-T6,7475-T6
2024-T3,7075-T6,7050-T6
7075-T6,7150-T6,7055-T6
2024-T3,7475-T73
2024-T3,7075-T6,7175-T73
2024-T3,7075-T6,7050-T76
Al-Cu 系 : 2××× 系 列
Al-Zn-Mg-Cu 系 :7××× 系 列

铝 合 金 的 发 展 历 史
Al-Li 合 金
‣Li 的 密 度 仅 为 0.54g/cm 3 , 是 减 轻 铝 合 金 密 度 的 最
佳 元 素 。 每 向 铝 合 金 中 添 加 1%Li, 铝 合 金 的 密 度 就
可 下 降 约 3%。
‣Li 在 Al 中 的 最 大 溶 解 度 为 4.2%,Al 和 Li 形 成 AlLi
化 合 物 在 固 态 下 的 溶 解 度 随 温 度 而 改 变 。

案 例 三
[ 纯 钨 丝 之 组 织 观 察 ]
[ 掺 杂 钨 丝 的 设 计 和 研 制 ]

[ 纯 钨 丝 之 组 织 观 察 ]

[ 纯 钨 丝 之 组 织 观 察 ]
材 料 组 织 结 构 特 点 : 加 工 后 的 纯 钨 丝 具 有 带
状 显 微 组 织 结 构 特 征 。

[ 纯 钨 丝 之 组 织 观 察 ]
由 于 灯 丝 是 在 高 温 环 境 下 使 用 的 , 所 以
通 过 高 温 退 火 , 可 以 观 察 到 不 同 温 度 下 材 料
的 显 微 组 织 变 化 情 况 。

[ 纯 钨 丝 之 组 织 观 察 ]
800℃ 退 火
纯 钨 丝 退 火 过 程 中 的 组 织 变 化

[ 纯 钨 丝 之 组 织 观 察 ]
1060℃ 退 火
纯 钨 丝 退 火 过 程 中 的 组 织 变 化

[ 纯 钨 丝 之 组 织 观 察 ]
1200℃ 退 火
纯 钨 丝 退 火 过 程 中 的 组 织 变 化

[ 纯 钨 丝 之 组 织 观 察 ]
1280℃ 退 火
纯 钨 丝 退 火 过 程 中 的 组 织 变 化

[ 纯 钨 丝 之 组 织 观 察 ]
1400℃ 退 火
纯 钨 丝 退 火 过 程 中 的 组 织 变 化

[ 纯 钨 丝 之 组 织 观 察 ]
1620℃ 退 火
纯 钨 丝 退 火 过 程 中 的 组 织 变 化

[ 纯 钨 丝 之 组 织 观 察 ]
观 察 结 果
纯 钨 丝 在 使 用 时 , 会 发 生
再 结 晶 过 程 , 最 后 形 成 等 轴 状
组 织 结 构 。

[ 纯 钨 丝 之 组 织 观 察 ]
预
测
纯 钨 丝 抗 高 温 蠕 变 性 能 不 会 理 想 。
即 : 纯 钨 丝 虽 具 备 了 耐 高 温 的 性 质 , 但 作 为
灯 丝 材 料 使 用 , 其 性 能 不 够 好 , 会 产 生 下 垂 现 象 。

[ 纯 钨 丝 之 组 织 观 察 ]
问 题
如 何 提 高 再 结 晶 温 度 , 使 材 料 在 工
作 温 度 下 不 发 生 再 结 晶 ?
能 否 按 设 计 要 求 调 整 晶 粒 的 生 长
方 向 , 阻 止 等 轴 晶 粒 的 形 成 ?

[ 掺 杂 钨 丝 的 设 计 和 研 制 ]

[ 掺 杂 钨 丝 的 设 计 和 研 制 ]
50
延
伸
(
%)
30
10
纯 钨
掺 杂 钨
0
0
2 4 6 8
时 间 ( 小 时 )
掺 杂 钨 丝 和 纯 钨 丝 的 高 温 抗 蠕 变 性 能 的 比 较

[ 掺 杂 钨 丝 的 设 计 和 研 制 ]
800℃ 退 火

[ 掺 杂 钨 丝 的 设 计 和 研 制 ]
1060℃ 退 火

[ 掺 杂 钨 丝 的 设 计 和 研 制 ]
1280℃ 退 火

[ 掺 杂 钨 丝 的 设 计 和 研 制 ]
1620℃ 退 火

[ 掺 杂 钨 丝 的 设 计 和 研 制 ]
1740℃ 退 火

[ 掺 杂 钨 丝 的 设 计 和 研 制 ]
1800℃ 退 火

[ 掺 杂 钨 丝 的 设 计 和 研 制 ]
1860℃ 退 火

[ 掺 杂 钨 丝 的 设 计 和 研 制 ]
1910℃ 退 火

[ 掺 杂 钨 丝 的 设 计 和 研 制 ]
2000℃ 退 火

[ 掺 杂 钨 丝 的 设 计 和 研 制 ]
2300℃ 退 火

[ 掺 杂 钨 丝 的 设 计 和 研 制 ]
实 现 了 材 料 结 构 设 计 的 目 标
达 到 了 材 料 使 用 性 能 的 要 求

[ 掺 杂 钨 丝 的 设 计 和 研 制 ]
?
会 有 这 样 的 结 果
!
钾 泡 学 说 找 到 了 答 案

[ 掺 杂 钨 丝 的 设 计 和 研 制 ]
钾 泡 学 说
钾 泡 的 形 成 与 控 制 机 制
材 料 的 再 结 晶 机 制
钾 泡 的 强 化 机 制

钾 泡 学 说
钾 泡 的 形 成 与 控 制 机 制
钨 粉
掺 杂 剂
混 合 压 制 坯 料
细 料
旋 锻
棒 料
烧 结
拉 丝
成 材
掺 杂 钨 丝 的 加 工 过 程

钾 泡 学 说
钾 泡 的 形 成 与 控 制 机 制
垂 熔 烧 结 后 坯 条 的 断 口 形 貌
纯 钨 坯 条

钾 泡 学 说
钾 泡 的 形 成 与 控 制 机 制
垂 熔 烧 结 后 坯 棒 的 断 口 形 貌
掺 杂 钨 坯 条

钾 泡 学 说
钾 泡 的 形 成 与 控 制 机 制
材 料 中 有 大 量 的 均 匀 分 布
的 孔 洞 , 深 入 研 究 发 现 是 钾 元
素 的 富 集 区 。

钾 泡 学 说
钾 泡 的 形 成 与 控 制 机 制
掺 杂 钨 加 工 过 程 中 孔 隙 的 变 化
掺 杂 钨 坯 条

钾 泡 学 说
钾 泡 的 形 成 与 控 制 机 制
掺 杂 钨 加 工 过 程 中 孔 隙 的 变 化
掺 杂 钨 坯 条

钾 泡 学 说
钾 泡 的 形 成 与 控 制 机 制
掺 杂 钨 加 工 过 程 中 孔 隙 的 变 化
掺 杂 钨 坯 条

钾 泡 学 说
钾 泡 的 形 成 与 控 制 机 制
掺 杂 钨 加 工 过 程 中 孔 隙 的 变 化
掺 杂 钨 坯 条

钾 泡 学 说
钾 泡 的 形 成 与 控 制 机 制
退 火 后 的 钾 管 分 裂 现 象

钾 泡 学 说
钾 泡 的 形 成 与 控 制 机 制
退 火 后 的 钾 管 分 裂 现 象

钾 泡 学 说
钾 泡 的 形 成 与 控 制 机 制
退 火 后 的 钾 管 分 裂 现 象

钾 泡 学 说
钾 泡 的 形 成 与 控 制 机 制
退 火 后 的 钾 泡 的 形 成
SEM

钾 泡 学 说
钾 泡 的 形 成 与 控 制 机 制
退 火 后 的 钾 泡 的 形 成
TEM

钾 泡 学 说
钾 泡 的 形 成 与 控 制 机 制
退 火 后 的 钾 泡 的 形 成

钾 泡 学 说
钾 泡 的 形 成 与 控 制 机 制
λ
表 面 出 现 扰 动
扰 动 振 幅 增 大
λ
完 全 分 裂 球 化
无 限 长 圆 柱 体 的 分 裂 模 型

钾 泡 学 说
钾 泡 的 形 成 与 控 制 机 制
孔 洞
拉 长
旋 锻 、 拔 丝
钾 管
高 温 退 火
钾 泡 列

钾 泡 学 说
钾 泡 的 形 成 与 控 制 机 制
特 定 的 加 工 方 式
特 殊 的 材 料 组 织 结 构
合 成 与 加 工
成 分 与 结 构

钾 泡 学 说
材 料 的 再 结 晶 机 制
纯 钨 丝 再 结 晶 后 晶 粒 等 轴 化 过 程

钾 泡 学 说
材 料 的 再 结 晶 机 制
纯 钨 丝 再 结 晶 后 晶 粒 等 轴 化 过 程

钾 泡 学 说
材 料 的 再 结 晶 机 制
纯 钨 丝 再 结 晶 后 晶 粒 等 轴 化 过 程

钾 泡 学 说
材 料 的 再 结 晶 机 制
掺 杂 钨 丝 再 结 晶 后 形 成 异 常 大 晶 粒

钾 泡 学 说
材 料 的 再 结 晶 机 制
掺 杂 钨 丝 再 结 晶 后 形 成 异 常 大 晶 粒

钾 泡 学 说
材 料 的 再 结 晶 机 制
掺 杂 钨 丝 再 结 晶 后 形 成 异 常 大 晶 粒

钾 泡 学 说
材 料 的 再 结 晶 机 制
掺 杂 钨 丝 再 结 晶 后 形 成 异 常 大 晶 粒

钾 泡 学 说
材 料 的 再 结 晶 机 制
沿 晶 界 平 行 排 列 的 钾 泡 是 产 生 异 常 大
晶 粒 的 原 因

钾 泡 学 说
材 料 的 再 结 晶 机 制
沿 晶 界 平 行 排 列 的 钾 泡 是 产 生 异 常 大
晶 粒 的 原 因

钾 泡 学 说
材 料 的 再 结 晶 机 制
沿 晶 界 平 行 排 列 的 钾 泡 是 产 生 异 常 大
晶 粒 的 原 因
3000℃ 退 火

钾 泡 学 说
钾 泡 的 强 化 机 制
异 常 大 晶 粒 生 长 模 型
(a)

钾 泡 学 说
钾 泡 的 强 化 机 制
异 常 大 晶 粒 生 长 模 型
(b)

钾 泡 学 说
钾 泡 的 强 化 机 制
异 常 大 晶 粒 生 长 模 型
(c)

E
E
S
M
is
MSE
door to
opening
The