材料的微结构与性能

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1、材料的微结构与性质徐晖程晓英一个人的能力不在于学会了多少知识而在于学会了使用多少知识课堂要求不迟到，不早退请将手机暂时关闭课程结构材料的微结构与物理性质（16学时）徐晖材料的微结构与力学性质（16学时）程晓英复习（4学时）考试（4学时）本科目成绩平时成绩（30％）考试成绩（70％）材料的微结构与物理性质徐晖参考书目《材料物理性能》陈騑騢编著，机械工业出版社《非均质材料物理--显微结构-性能关联(精)》南策文编著科学出版社《材料的结构与性能》吴月华杨杰编著中国科学技术大学出版社《材料的应用与发展》肖纪美著宇航出版社课程

2、的基本框架绪论--材料的性能与显微结构材料的结构材料的电学性质材料的磁学性质材料的光学性质材料的热学性质第一章绪论－－材料的性能与显微结构1.1本课程的目的和内容1.2复合效应、显微结构与性能1.1本课程的目的和内容1.1.1本课程的目的1.1.2材料的结构与性能的研究1.1.3“复合材料”1.1.1本课程的目的材料显微结构物理是研究材料在显微结构层次上发生的现象，包括显微结构的形成与表征、显微结构与性能之间的关系，及进一步的材料显微结构设计。1.1.1本课程的目的显微结构是指在纳米至微米。甚至达到毫米级的宽广尺度范围

3、的材料结构，它有别于在晶胞尺度、原子尺度上的微观结构。显然，它比构成固体物理学基础的晶体结构要大得多。材料的许多宏观性能不仅取决于原子层次上的微观结构，而且更大程度上取决于更宽尺度范围内的显微结构。1.1.1本课程的目的本课程的目的是:希望架设从在原子尺度上,对材料微观结构－性质关系的凝聚态物理学理论描述,到工程材料宏观实验研究的一座桥梁。把理性、定量的物理基础引入实际材料显微结构－性能关系的经验、定性研究中。材料科学与工程系统的关联链组成过程/工艺－结构关联（即结构的形成过程）结构－性质/性能关联性质/性能－效能关联1

4、.1.2材料的结构与性能的研究许多材料（如各类复合材料和多晶材料）结构具有从原子尺度到宏观尺度的多尺度、多层次特征，这些材料的结构与性质/性能关系十分复杂、难以预见。根据材料结构的不同尺度特征，通常从两个不同尺度层次上对结构与性质/性能关联进行研究。两个尺度层次第一个尺度层次是微观原子尺度，在这个尺度水平上研究材料的组成－微观结构（电子、原子、分子结构）－性质关系，解释材料的各种特性，阐明其规律性，这是固体物理（凝聚态物理）、量子化学等基础学科的基本任务。近来，国际上主要把这个领域的研究称之为“计算材料科学”(compu

5、tationalmaterialsscience)两个尺度层次第二个尺度层次是较为“宏观”的显微结构(microstructure)尺度，显微结构是指约在几个纳米以上，甚至达到毫米级的宽广尺度范围的材料结构，它有别于在晶胞尺度、原子尺度上的微观结构。显然，它比构成固体物理学基础的晶体结构要粗。两个尺度层次材料在这个显微结构层次上发生的现象即是材料材料显微结构物理学的研究内容。它主要包括显微结构的形成与演变及表征、显微结构与性能之间的关系及进一步的材料显微结构的设计。材料的显微结构与性能除理想单晶和均质无序体系外，几乎所有

6、材料中形成的显微结构都是非均匀(inhomogeneous)或非均质的(heterogeneous)，如各类复合材料、多晶材料(如陶瓷、多晶金属和合金)、多孔介质、纳米材料、非均质无序体系、多层材料、软材料(如电流变体与磁流变体)等。与均匀均质材料相比，这些材料具有复杂的多层次结构。材料的显微结构与性能很自然的一个焦点问题是这些复杂显微结构对材料宏观性能又起到何种作用？现在已普遍认识到，材料的宏观性能不仅取决于材料的显微结构，即具有同一短程有序性的微域(或称之为组元，如相、颗粒、畴等)的含量、取向、尺寸、形状、不同组元之

7、间的界面、相邻组元之间的相关、连接度、拓扑排列这些几何和拓扑两方面因素。材料的显微结构与性能因此，材料的各种有效性能实际上是由这些许许多多的组元的各种特性的某种集成在宏观上的反映。如果材料中非均匀性变化了，亦即它的显微结构详情发生了变化，则这种集成结果也随着发生变化，材料宏观性能出现差异。1.1.3“复合材料”广义上讲，也可把这种具有一定显微结构特征的非均匀或非均质材料统称为“复合材料”，例如多晶体是复合材料的一个特例，它可看成是晶粒相异的单相颗粒组成的复合材料。本课程论述的对象即是广义上的“复合材料”。它们的重要意义在

8、于其可调节性和可设计性。1.1.3“复合材料”它们的宏观性能不是由结构中不同组元(相、颗粒、畴等)性能的简单加和平均，有时其宏观性能完全不同于组元的性能。更为重要的是，材料宏观性能可以根据要求(通过改变组分、显微结构的几何和拓扑)加以调节，即可通过改变组成物质的种类和组合方式(显微结构)，来改变所产生材料的性能，由此