[工学]材料概论 第一章 绪论

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1、材料概论,Introduction to Materials,李延报 Email: ,http:/jpkc- 着重介绍材料科学与工程学科的内涵、基本问题和共性问题； 介绍无机非金属、高分子、金属、复合材料的个性和特点，对材料科学与工程建立整体而又具体的认识； 介绍材料学科前沿领域和新材料的发展趋势。,课程的性质,材料概论,无机化学,物理化学,材料工学,材料工程原理,认识实习 毕业实习,毕业论文,进一步深造,分析化学,有机化学,材料科学基础,普通物理,现代测试方法,材料物理性能,固体物理,教学内容,教材与参考书,施惠生. 材料概论.上海：同济大学出版社，2008 周达飞.材料概论 . 北京：化学

2、工业出版社，2001 Donald R. Askeland.Essentials of Materials Science and Engineering . 北京：清华大学出版社，2005 冯端，师昌绪，刘治国材料科学导论北京：化学工业出版社，2002 顾家琳，杨志刚，邓海金，曾照强材料科学与工程概论北京：清华大学出版社，2005 许并社材料科学概论北京：北京工业大学出版社，2005 Cahn, Rorbert W. The Coming of Materials Science. Oxford, UK: Pergamon Press，2001,第一章 绪 论,材料的定义 材料的发展、地位和

3、作用 材料的分类 材料科学与工程的形成与发展 环境及其它影响材料的因素,1.什么是材料?,材料是由一定配比的若干相互作用的元素组成、具有一定结构层次和确定性能，并能用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的物质。,注意:,材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料. 大多数的物质需通过一定的工艺过程才能转化为材料. 材料可由一种物质或若干种物质构成. 同一种物质,由于制备或加工方法不同,可成为用途不同不同类型的材料.,生活中的材料 可口可乐容器,铝金属材料,玻璃无机非金属材料,塑料高分子材料,材料是人类文明的里程碑，是人类进化的重要标志之一，人类历史曾以使用的主要材料来加以划分。,2. 材料的发

4、展、地位与作用,材料是人类赖以生存和发展的重要物质基础；,旧石器时代 （10000年前）,新石器时代 （距今10000-4000年）,磨制石器 7000年前,陶器,青铜器时代 公元前5000年,青铜器时代,铁器时代 公元前1200年,铁器时代,人类的文明史,材料的发展史,人类学习利用材料、制造 材料、创新材料的历史。,材料发展近现代史,1712年 4次技术革命 蒸汽机 电 原子能 计算机、生 物、空间技术,纺织 冶金 机械 造船,电子 石油 化工 电气 通讯,合成材料 半导体材料,新型无机材料 高分子材料 新型金属材料 复合材料,18世纪末 19世纪末 20世纪中期 20世纪70年代,现代高新

5、技术的发展更离不开材料的发展, 只有开发制备出满足性能需要的新材料后, 技术创新才可能实现, 我们的生活才会更加丰富多彩.,材料是人类生存、社会发展、科技进步的物质基础，是现代科技发展的先导。,材料是当代文明的三大支柱之一 材料、能源、信息是当代社会文明和国民经济的三大支柱，是人类社会进步和科学技术发展的物质基础和技术先导。,材料在当今国民经济中的地位,新材料的研究、开发与应用反映一个国家的科学技术与工业水平，关系到国家的综合国力与安全。,材料是全球新技术革命的四大标志之一新材料技术、新能源技术、信息技术、生物技术。,以半导体材料为核心的计算机制造技术； 以光导纤维为基础的光纤通讯技术； 以超

6、导材料为基础的磁悬浮技术； 以耐热轻质材料为结构材料的航空航天技术等， 构成了现代科学技术的基础； 纳米材料科学与技术是20世纪80年代发展起来的 新兴学科，成为21世纪新技术的主导中心。,磁悬浮列车,核磁共振仪,1946年世界第一台计算机占地面积为170平方米左右，重量30吨。运算速度5000次/秒; 经过了电子管、晶体管、集成电路和超大规模集成电路四个阶段。 现:几百亿次/秒。,钛合金自行车,27,材料和生活用品,航空材料,31,波音777客机上的发动机的压缩机、叶片及紧固件。,火箭壳体材料与导弹射程,责任重大 大有作为,2004年度 国家技术发明一等奖 张立同院士耐高温长寿命抗氧化陶瓷基

7、复合材料应用技术,黄伯云院士高性能炭炭航空制动材料的制备技术,2006年度 国家自然科学一等奖 闵乃本院士介电体超晶格材料的设计、制备、性能和应用,按化学组成分类 按材料的性能分类 按材料的应用分类 按材料结晶状态分类 按材料的尺寸分类,3.材料的分类,金属材料 纯金属(单质)、合金 黑色、有色、特殊金属材料 无机非金属材料 水泥、陶瓷、玻璃、耐火材料 高分子材料 塑料、橡胶、纤维、涂料、粘合剂 复合材料 金属基、陶瓷基、树脂基、C/C,材料,1)按化学组成分类,四大类传统材料,各种金属零部件,高温结构陶瓷零件,工程塑料制成的零件,复合材料,用碳纤维增强环氧树脂制得的高尔夫球杆强度高、重量轻、

8、刚性好。,复合材料,2) 根据材料的性能分类,结构材料 功能材料,导电材料、半导体材料 绝缘材料、超导材料 磁性材料、透光材料 隔热材料、催化材料 ,压电材料、热电材料 铁电材料、非线性光学材料磁致伸缩材料、光电材料 形状记忆材料、变色材料 ,按物理效应分为：,按物理性质分为：,结构材料具有抵抗外场作用而保持自己的形状、结构不变的优良力学性能（强度和韧性等），用于结构目的的材料。,结构材料,杭州湾跨海钢铁大桥，桥长36公里,青藏铁路 1142公里,功能材料,具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、化学和生物学功能及其相互转化的功能，被用于非结构目的的高技术材料。,按材料的性能分类, 磁存储,电

9、饭锅：利用磁性材料的居里点特性。,压电晶体和光电晶体,PZT Fibers,57,形状记忆合金,3）按材料的应用分类,电子材料、电工材料、信息材料、航空航天材料、 能源材料、生物医用材料、建筑材料 、 光学材料、感光材料、耐蚀材料、研磨材料、 耐火材料、结构材料、包装材料等。,航空、航天材料,能源材料,电子材料,光学材料,生物材料,建筑材料,4）按材料的结晶状态分类,单晶材料：由一个比较完整的晶粒构成的材料，如金刚石、单晶硅、单晶纤维；,多晶材料：由许多晶粒组成的材料，其性能与晶粒大小、晶界的性质有密切关系,如各种陶瓷。,非晶态材料：由原子或分子排列远程无序的固体材料，如玻璃、高分子材料。,单

10、晶金刚石,单晶,单晶硅棒 (直拉法),多晶,非晶,液 晶,5）按材料的尺寸分类,零维材料 超微粒子(大小1100nm的超微粒)一维材料 光导纤维、碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维; 晶须强度和刚度最高。二维材料 金刚石薄膜、高温超导薄膜、半导体薄膜三维材料 块状材料。,铁基纳米晶带材,材料科学与工程的定义,材料科学与工程：是关于材料成分、结构、工艺和它们性能与应用之间有关知识开发和应用的科学。它是一个多学科的交叉领域，是从科学到工程的一个专业连续领域。,材料科学：专注于理解材料成分、结构和它们性能及使用性能之间的关系。,材料工程：着重于将物质或原料转变成具有适当结构、满足使用性能要求的材料材料化过程。

11、,4.材料科学与工程的形成与发展,材料科学的形成,社会经济需求 科学技术发展的持续推动 不同材料的诸多共性,有必要形成一门材料科学,材料科学与工程的形成,材料科学与工程是多学科性的交叉学科。,材料学科的交叉和渗透,三大材料的交叉，衍生出许多复合材料。 基础学科向各材料学科的交叉和渗透。 各材料学科之间的相互渗透、移植与借鉴。 在制造技术上也是互相渗透和借鉴。 新技术在各类材料中得到广泛应用。,如等离子技术在冶金工业、金属材料焊接、表面化学热处理、气相沉积、高分子和无机非金属材料等领域得到广泛应用。,Materials Science and Engineering,材料科学与工程的形成与发展，

12、反映了学科发展从细分到整合（综合）的基本规律。,材料学科的分合图,金属材料,材料 硅酸盐,材料 高分子,材料科学与工程,材料科学与工程,材料学,材料物理与化学,材料加工工程,一级学科,二级学科,结论：,不同的材料二级学科曾为社会培养了大量的专业人才；,已不能满足21世纪人才培养的需求，必须进行改革；,按照“四要素”原则重新构建材料科学与工程的大材料学科。,材料科学与工程的四要素,例一、汽车底盘材料,制备汽车底盘的材料要求： 具有极高的强度，但易于成型，以制造出满足空气动力学要求的外形轮廓； 考虑到能耗，钢板必须薄而轻； 为增加汽车的安全性，在撞车情况下钢板还必须能够吸收大量的能量。 需考虑：成

13、分、强度、重量、能量吸收性能以及延展性 材料科学家需从显微结构上检验钢材，以确定该材料是否满足上述要求；他们还需采用低成本的制造方式。 在材料选择和设计过程中还必须考虑：成型过程是否影响钢材的力学性能？采用何种涂层可更好地提高钢的抗腐蚀性能？这种钢材是否易于焊接？等等。,例二、三种不同的氧化铝材料,单晶,多晶、低孔隙率,多晶、高孔隙率,制备加工过程对产品性能的影响,5.环境及其它影响材料的因素,材料设计及选用时需考虑温度、循环应力、突然撞击、以及腐蚀和氧化等环境因素的影响。,金属材料在高温下突然失去强度,温度: 温度的猛然变化会改变材料的性能。,材料强度随温度的变化,Titanic号破裂和沉没

14、,TITANIC,极低温度下，金属材料和高分子材料亦发生脆化。,“挑战者”号载人航天飞机失事,疲劳损伤: 当材料在使用过程中经历反复的加载和卸载，其内部微裂纹扩展而导致的材料损伤称为疲劳损伤。腐蚀: 大多数金属和高分子材料与氧气和其它气体均会发生反应，尤其是在较高温度下。材料也会受腐蚀性液体的侵蚀而永久损坏。,应变速率: 材料选择和应用中，也应考虑应变速率。如silly Putty是一种硅橡胶，当被缓慢拉伸，可以变形很大，而被快速拉伸时，则很容易破裂。很多金属也有此现象。 在大多数情况下，温度、疲劳损伤、应力和腐蚀是互相相关的。材料除受到上述因素影响外，还受到其它自然环境的影响，需根据材料使用

15、的具体环境进行选择和处理。,材料的选择,何种材料是恰当的？金属、陶瓷、高分子、复合材料？ 具有满足性能的可选择材料。,例一、液体容器的选择 可选材料：玻璃杯、陶瓷杯（土陶、炻器、瓷器等）、金属（贵金属金、银等、不锈钢）、木杯、纸杯、塑料杯（硬塑料、泡沫塑料）等。,此外，还需考虑其它一些因素： 成本 使用寿命 (一次性使用还是多次使用?) 耐久性 (边缘是否易损？可否经得起机器洗涤？色彩保持程度如何?) 外观 (是否具有装饰价值？色彩如何？等） 盛装何种液体 (热的还是冷的？是否具有腐蚀性等） 综合考虑可选材料的这些因素产品工程师开发新材料，扩展可选材料品种材料科学家。,例二、高压气体容器材料的选择(14MPa),