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1、1,材料科学与工程导论,苏 勇 2013,2,绪 论,1. 意义和目的 材料的定义和分类 材料的地位和作用 材料科学与工程的形成和发展 2. 内容,3,材料是人类用于制造机器、构 件和产品的物质，是人类赖以 生存和发展的物质基础。,材料的定义,4,无机非金属材料,金属材料,高分子材料,复合材料,材料的分类,5,材料是人类社会发展的基础和先导，是人类社会进步的里程碑和划时代的标志。材料和能源、信息被称为人类社会的“三大支柱”。,材料的地位和作用,6,一种重要新材料的发现和使用，都把人类支配自然的能力提高到一 个新水平，材料科学技术的每一次重大突破都会引起生产技术的重大变革，甚至引起一次世界性的技
2、术变革，从而把人类物质文明和精神文明推向前进。,材料的地位和作用,7,材料科学与工程的形成与发展，反映了学科发展从细分到整合（综合）的基本规律。,材料科学与工程的形成和发展,8,材料学科的分合图,材料科学与工程的形成和发展,9,材料科学与工程的形成和发展,10,材料科学与工程的形成与发展,11,材 料 学 科,材料科学与工程的形成和发展,12,材料和材料学,材料科学与工程的形成和发展,13,材料及其在人类社会发展 进程中的地位和作用,1-1.材料是人类社会进步的里程碑 1-2.材料是经济和社会发展的基础和先导 1.新材料技术是工业革命和产业发展的先导 2.新材料技术是高技术发展的基础,14,纵
3、观人类利用材料的历史，可以清楚地看到，每一种重要新材料的发现和应用，都把人类支配自然的能力提高到一个新的水平。材料科学技术的每一次重大突破都会引起生产技术的重大变革，甚至引起一次世界性的技术革命，大大地加速社会发展的进程，给社会生产力和人类生活带来巨大的变革，把人类物质文明推向前进。,材料是人类社会进步的里程碑,15,人类使用材料的七个时代的开始时间,材料是人类社会进步的里程碑,16,人类利用材料的历史，就是一部人类进化和进步的历史。,材料是人类社会进步的里程碑,17,1-2 材料是经济和社会 发展的基础和先导,新材料技术是工业革命和产业发展的先导 新材料技术是高技术发展的基础,18,两次工业
4、革命都是以新材料 的发明和广泛应用为先导的,第一次工业革命（18世纪）：制钢工业的发展为蒸汽机的发明和应用奠定了物质基础。,第二次工业革命（20世纪中叶以来）：单晶硅材料对电子技术的发明和应用起了核心作用。,新材料技术是工业革 命和产业发展的先导,19,新材料技术是工业革 命和产业发展的先导,20,在本世纪内由于采用了现代材料使发动机工作温度急剧上升，因而发动机的理论效率大大提高。,新材料技术是工业革 命和产业发展的先导,21,1950,1965,1955,1970,1975,1960,1990,1980,1995,2000,1985,2005,30,70,50,40,60,100,90,80
5、,20,110,120,130,座mile/Usgal,航空材料的发展与飞机的燃放,年份,Comet,707-120,707-120B,880,990,727-100,DC-9-30,A320-200,747-400,MD11,新材料技术是工业革 命和产业发展的先导,航空材料的发展,22,1950,1960,1970,1980,1990,2000,2010,2020,900,1100,1500,1300,材料的表面温度(),1700,单晶合金,普通铸件,定向凝固超级合金,共晶合金,弥散强化超级合金,隔热涂层,陶瓷复合材料 碳-碳,新材料技术是工业革 命和产业发展的先导,在发动机上应用的年份,叶
6、片材料的发展历程,纤维增强超级合金,23,新材料技术是工业革 命和产业发展的先导,24,新材料技术是工业革 命和产业发展的先导,25,小飞机,直升机,运输机,波音707,战斗机,喷气式机,超音速飞机,近地卫星,卫星,飞机速率,速度与效益,10,102,103,104,每减少1kg所收获效益,新材料技术是工业革 命和产业发展的先导,26,新材料技术是工业革 命和产业发展的先导,火箭壳体材料与导弹射程,27,新材料技术是工业革 命和产业发展的先导,28,新材料技术是工业革 命和产业发展的先导,29,图1.1 高技术体系示意图,探索智力,探索宇宙空间,探索物质结构,探索生命本质,探索海洋奥秘,环境科
7、学技术,空间科学技术,新材料科 学技术,新能源与再生能源,信息科学技术,生物科学技术,海洋科学技术,人,材料发展总的趋势,30,21世纪重点发展的高技术领域的材料选择,材料发展总的趋势,31,材料发展总的趋势,新材料技术出现群体性突破，将对21世纪基础科学和几乎所有工业领域产生革命性影响 纳米技术是前沿技术中最具前瞻性和带动性的重点领域之一 电子信息材料技术进展迅速，光电子材料、光子材料将成为发展最快和最有前途的电子信息材料。 新型功能材料及其应用技术面临新的突破（超导材料、智能材料、生物医用材料） 新型结构材料发展前景乐观（高温合金、难熔金属、金属间化合物、金属基复合材料、高分子材料、钛合金
8、、镁合金）,32,新材料技术是高技术发展的基础,1960,1970,1980,1990,1,101,102,103,108,107,106,105,104,101,102,103,1,年份,每片集成电路芯片上元件的数量按指数规律增加，而最小特征尺寸则按指数规律减小（美国电话电报公司贝尔实验室）,MOS存储器 双极存储器 MOS逻辑器 双极逻辑,(b),(a),SSI,MSI,LSI,VLSI,二 维,三 维,界面,最小特征长度（M）,每个芯片上的元件数,33,1970,1960,1950,1940,1980,1990,2000,10-10,10-8,10-6,10-4,10-2,100,102
9、,50,100,150,250,300,200,半导体器件,电子管,1948,1958,晶体管,集成电路,40年间器件尺 寸降低100万倍,0.35,0.5,1.2,8 线宽（，M),0.005,2,0.2,极大(10-7),大规模(103-105),超大规模(106-107),(美分),芯片价格,器件尺寸,相 对 值,晶 片 直 径 ( MM ),年 代,新材料技术是高技术发展的基础,34,新材料技术是高技术发展的基础,35,无机非金属敏感材料,新材料技术是高技术发展的基础,36,新材料技术是高技术发展的基础,37,新材料技术是高技术发展的基础,38,总结：,正是由于这两类材料的发明和应用技
10、术的主要缘故，才可能有当今“第三次革命”-信息革命的产生；使人类进入了一个新的时代-信息时代。,新材料技术是高技术发展的基础,39,上述事例雄辩的表明，新材料是人类社会进步、世界革命和提高人类生活品质中具有特别重要的基础和先导作用，其发展对提高国家的综合国力和国际实力具有巨大的推动作用和深远的影响。,新材料技术是高技术发展的基础,40,黑色金属简介,41,碳钢的分类,1。按碳的质量百分数分：低碳钢（C：0.25） 中碳钢（C：0.25 C 0.6） 高碳钢（C：0.6）,2。按钢的质量分（主要是杂质硫、磷的含量）： 普通碳素钢（S 0.055，P 0.045) 优质碳素钢（S 0.040，P
11、0.040) 高级优质碳素钢（S 0.030，P 0.035),3。按用途分：碳素结构钢：主要用于桥梁、船舶、建筑构件、机器零件等 碳素工具钢：主要用于刀具、模具、量具等,含碳量越高，硬度、强度越大，但塑性降低,42,碳钢的牌号与用途,普通碳素结构钢：Q195、 Q215、 Q235、 Q255、 Q275等。 数字表示最低屈服强度。 Q195、 Q215、 Q235塑性好，可轧制成钢板、钢筋、钢管等。 Q255、 Q275可轧制成型钢、钢板等。,用途,优质碳素结构钢：钢号以碳的平均质量万分数表示。 如20、45等。 20表示含C：0.20%（万分之20）。,用途,主要用于制造各种机器零件,4
12、3,碳钢的牌号与用途,碳素工具钢：钢号以碳的平均质量千分数表示，并在前冠以T。 如T9、T12等。 T9表示含C：0.9%（千分之9）。,用途,主要用于制造各种刀具、量具、模具等,铸钢：铸钢牌号是在数字前冠以ZG，数字代表钢中平均质量 分数（以万分数表示）。如ZG25，表示含C：0.25%。,用途,主要用于制造形状复杂并需要一定强度、塑性和韧性 的零件，如齿轮、联轴器等。,44,碳钢的常规热处理,退 火,将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后 缓慢冷却（随炉冷却），以获得接近于平衡 状态组织的热处理工艺。,正 火,完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、去应力退火,将钢件加热到AC3和Acm以
13、上3050，保持 适当时间后，在空气中冷却，得到珠光体类组 织的热处理工艺。,45,碳钢的常规热处理,淬 火,将钢件加热到奥氏体化后，快速冷却，使组织 转变为马氏体的热处理工艺。所得的马氏体的 形态与钢的成分、原始奥氏体晶粒的大小以及 形成条件有密切关系。奥氏体晶粒越小，马氏 体越细。,回 火,将钢件淬火后，为了消除内应力并获得所要求 的性能，将其加热到AC1以下的某一温度，保 温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。,46,合金钢,合金钢分类,在碳钢中加入一种或多种合金元素，形成的 钢称之为合金钢。,按所含合金元素的多少分：低合金钢（总质量分 数低于5）、中合金钢（总质量分数510 ）、高合
14、金钢（总质量分数高于10）。,按主要合金元素种类分：铬钢、铬镍钢、锰钢、硅锰钢等。,按用途分：结构钢、工具钢、特殊性能钢。,47,合金元素的作用,1。合金元素与铁的作用：合金元素加入钢中，首先溶于 铁形成固溶体，超过溶解度极限时与碳形成化合物。合 金元素溶与铁，形成合金铁素体或合金奥氏体。合金元 素溶于铁素体会使钢的室温强度提高，这种作用称为固 溶强化。,2。合金元素与碳的作用：对于与碳的亲和力较弱的合金 元素，不与碳发生作用，只溶于铁素体或奥氏体中；对于 与碳的亲和力较强的合金元素，当质量分数较低时，与铁 一起形成合金渗碳体，当质量分数较高时，形成合金碳化 物。,48,不锈钢,能在大气和一般
15、腐蚀性介质中具有很高耐蚀 性的钢种。,用 途,主要用来制造在各种腐蚀性介质中工作并具有较高抗 腐蚀能力的零件或结构件。广泛用于石油、化工、原 子能、海洋开发、国防和一些先端科学技术领域。,49,合金元素的作用,1。耐腐蚀性要求越高，碳的质量分数应越 低；,2。加入主要的合金元素Cr。Cr能提高基体的电极电位 。在氧化性介质中极易钝化，形成致密的氧化膜，提高 耐腐蚀性,3。加入合金元素Ni。可获得单项的奥氏体组织，显著 提高耐腐蚀性并改善钢的塑性，通过热处理还可以改善 钢的强度。,50,合金元素的作用,5。加入合金元素Ti、Nb等：能优先同C形成稳定的碳化 物，使Cr保留在基体中，避免晶界贫Cr，提高钢的耐腐 蚀性。,6。加入合金元素Mn、N等：部分替代Ni以获得奥氏体 组织，并能提高铬不锈钢在有机酸中的耐腐蚀性。,4。加入合金元素Mo、Cu等：提高钢在非氧化性酸中的 耐腐蚀能力。,51,铸铁,铁及铁基合金,碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金称之 为铸铁，通常还含有较多的Si、Mn、S、P 等元素。,用途,铸铁时工程上最常用的金属材料，广泛应用在机械 制造、冶金、矿上、石油化工。交
