材料学纲要课件.ppt

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1、材料科学与工程导论主讲人：黄艳琴南京邮电大学材料科学与工程学院2011年11月17日材料科学与工程的核心问题材料科学与工程的核心问题是揭示材料成分-结构-工艺-性能的关系。材料的性能是材料研究的出发点和目标。材料的化学成分和组织结构是影响材料性能的直接因素。加工过程通过改变材料的组织结构影响性能。下图为材料科学与工程四要素：材料性能化学成分组织结构制备加工第二章材料学纲要一、材料的成分与组织结构铸铁（含碳量2.11﹪～4%）锰钢（增加强度和韧性）碳钢（含碳量0.3﹪～2.11%）不锈钢（Cr18%,Ni8%，提高耐

2、腐蚀和抗氧化性）材料的化学成分指组成材料的元素种类及其含量，通常用质量分数表示。质谱仪：可测量分子的分子量。根据带电粒子在电磁场中能够偏转的原理，按物质分子碎片的质量差异进行分离和检测物质组成的一类仪器。质谱仪以离子源、质量分析器和离子检测器为核心。用于材料成分结构检测的仪器元素分析仪：根据被测样品在燃烧后得到的二氧化碳、水和氮气含量定量测量样品中的碳、氢、氮等元素的含量。核磁共振仪：将被检测物置于特殊的磁场中，用无线电射频脉冲激发氢原子核，引起氢原子核共振，并吸收能量。在停止射频脉冲后，氢原子核按特定频率发出射电

3、信号，并将吸收的能量释放出来，被接受器收录，经电子计算机处理获得图像。用于材料成分结构检测的仪器材料结构关系材料的结构包括：原子结构、原子排列的方式（晶体和非晶体）、结构缺陷、相结构、显微组织（显微镜下的微观结构）等。哪些主要因素能够影响和改变结构？只有了解了这些才能实现控制结构的目的。材料科学诞生的理论基础相平衡原子和晶体学说显微组织研究1、显微组织眼见为实：一个证据的可见性质要比任何理论具有更高的价值钢锭缓慢冷却凝固时得到的长柱状晶粒（宏观组织）：钢锭快速冷却凝固时得到的细小晶粒（显微组织）：宏观组织显微组织显

4、微技术的进步：显微镜发展至今可以说是有了三代显微镜。这也使得人们对于微观世界的认识越来越深入，从微米级，亚微米级发展到纳米级乃至原子分辨率。光学显微镜1830年代后期，由M.Schleide和T.Schmann所发明；它使人类“看”到了致病的细菌、微生物和微米级的微小物体，对社会的发展起了巨大的促进作用，至今仍是主要的显微工具。但光学显微镜分辨率取决于光的波长，因此受到可见光波长的限制。电子显微镜1924年，德布罗意发现单能量的电子束具有波的特性，几千伏的加速电压得到的波长比可见光小许多，可用于成像，提高分辨率；后

5、来发现电子束可被x射线衍射，证实了德布罗意的理论。20世纪三十年代，卢斯卡（E.Ruska）发明了电子显微镜，使人类能“看”到病毒等亚微米的物体，它与光学显微镜一起成了微电子技术的基本工具。扫描探针显微镜也可称为纳米显微镜。1981年，IBMZurich实验室的比尼格和罗勒发明了扫描隧道显微镜(ScanningTunnelingMicroscope,简称STM)，使人类实现了观察单个原子的原望；1985年比尼格应奎特（C.F.Quate）发明了可适用于非导电样品的原子力显微镜（AFM），也具有原子分辨率，与扫描隧道

6、显微镜一起构建了扫描探针显微镜（SPM）系列。GerdBinnigHeinrichRohrer扫描隧道显微镜的原理1、隧道电流根据量子力学中电子的隧道效应，金属中电子云密度并不在表面边界处突变为零。在金属表面以外，电子云密度呈指数衰减，衰减长度约为1nm。用一个极细的、只有原子线度的金属针尖作为探针，将它与被研究物质（称为样品）的表面作为两个电极，当样品表面与针尖非常靠近（距离＜1nm）时，两者的电子云略有重叠。这样，通过电子云的电子流就会在表面和探针间的距离变化极为灵敏。金属表面与针尖的电子云图2、样品表面的扫描

7、隧道电流I对针尖与样品表面之间的距离S极为敏感，如果S减小0.1nm，隧道电流就会增加一个数量级。当针尖在样品表面上方扫描时，即使其表面只有原子尺度的起伏，也将通过其隧道电流显示出来。借助于电子仪器和计算机的反馈，在屏幕上即显示出样品表面的高分辨率三维图像。3、STM的工作模式金薄膜的扫描照片2、相平衡相的定义：在相同的温度、压力和成分条件下，系统中单个均匀部分称为相；相是空间区域均匀的部分，原则上它们可以与系统中其它相机械的分离出来；一个相与系统中的其它部分有清晰的界限；可以含有一种或多种化学组元，在系统达到平衡

8、时，相的成分是均匀的。相变：外界条件发生变化的过程中，物相于某一特定条件下（临界值）时发生突变。从一种结构变成另一种结构，如气、液、固相的转变，或固体中不同晶体结构间的转变。水的相图（1）在水、冰、水蒸气三个区域内，体系都是单相，必须同时指定温度和压力两个变量，体系的状态才能完全确定；（2）三条实线是两个区域的交界线，指定了温度就不能指定压力，压力应由体系自