材料概论Introduction to Material Science 课程的性质《材料概论》无机化学物理化学材料工学现代测试方法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 教材与参考书•周达飞《材料概论 》 北京：化学工业出版社，20012001•施惠生 主编 《材料概论 》 上海：同济大学出版社，20022002•顾家琳 主编 《材料科学与工程概论》 北京：清华大学出版社，20052005•李俊寿 主编 《新材料概论》 北京：国防工业出版社，20042004 教学内容一. . 材料与材料科学二. . 材料的组织、结构与性能三. . 材料的制备方法四. .材料成型五.10.10种产品的生产过程概述六. .材料应用七. .材料与环境八. .比较与选择 第一章 材料与材料科学一.一.材料的地位、作用与发展二.二.材料的定义和分类三.三.材料的要素四.四.材料科学与工程的发展趋势 Ø材料是人类赖以生存和发展的重要物质基础；Ø 人类的文明史以使用的主要材料来划分为四个时代。
1.1材料的地位、作用与发展石器时代 → → 陶器 → → 青铜器 → → 铁器250250万年前 1 1万年前 公元前50005000年 公元前12001200年 旧石器时代（10000年前） 新石器时代（距今（距今10000-400010000-4000年）年）磨制石器 70007000年前陶器 青铜时代 公元前50005000年 铁器时代（1）公元前12001200年 铁器时代（2） 人类的文明史就是材料的发展史————是人类学习利用材料、制造材料、创新材料的历史 材料发展近代史n以17121712年蒸汽机发明为起点，近300300年来，人类经历了4 4次技术革命n蒸汽机 → → 电 → → 原子能 → → 计算机、生物、n 空间技术n1818世纪末 1919世纪末 2020世纪中期 2020世纪7070年代纺织冶金机械造船电子石油化工电气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 ª材料是人类生存、社会发展、科技进步的物质基础、现代科技发展的先导ª我国是材料大国，但不是材料强国““““神神舟舟六号六号” ”飞船飞船始返始返前后前后图片图片 2005年，115小时飞行 n材料是当代文明的三大支柱之一q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。
n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n新型材料的研究、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在国民经济中的地位 现代科学技术的基础：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纳米材料科学与技术是2020世纪8080年代发展起来的新兴学科，成为2121世纪新技术的主导中心 钛结构自行车：“自行车发烧友” 选择钛合金制自行车钛合金的应用场合很特殊通常用于需要抗腐蚀，耐疲劳，高弹性的场合 19 w材料和生活用品材料和生活用品 20 ¯¯超级钢超级钢 一种汽车用钢，比原先的轻24%24%，强度高34%34%，称为超级钢超级钢 磁悬浮列车速度：500km/h核磁共振仪南京－北京只需4个小时 1.2、材料的定义和分类n材料是由一种化学物质为主要成分，并添加一定的助剂作为次要成分所组成的；------一定的组成和配比n可以在一定的温度和一定压力下使之熔融，并在模具中塑制成一定形状；--------------成型加工性n冷却后在室温下能保持既定形状，并可在一定条件下使用的物品；----------------形状保持性n其生产过程必须实现最高的生产率、最低的原料成本和能耗；--------------经济性n最少地产生废物和环境污染物，并且其废弃物可以回收再利用。
回收和再生性一. 材料的定义 注意:n材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料n大多数的物质需通过一定的工艺过程才能转化为材料. .n材料可由一种物质或若干种物质构成. .n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. . 激光材料宝石基板材料高温炉管切削工具催化剂Al2O3 Ø按化学组成分类Ø按材料的应用分类Ø按材料的使用性能分类Ø按材料结晶状态分类二. .材料的分类 无机非金属材料 ROX、RNX、碳化物 、硼化物及硅酸盐、铝酸盐等 水泥、陶瓷、玻璃、耐火材料金属材料 金属元素 黑色、有色 、特种金属材料有机高分子材料 H、 C、 O、 N 塑料、橡胶、纤维、涂料、粘合剂复合材料 两种或两种以上材料组成 金属基、陶瓷基、树脂基 1 1、按化学组成分类 金属＋陶瓷金属金属＋高分子无机非金属高分子陶瓷＋高分子 各种金属零部件 工程塑料制成的零件 高温结构陶瓷零件 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、刚性好。
复合材料 2 2、按材料的应用领域分类建筑材料包装材料农用材料磁性材料 能源材料电子材料生物材料航空航天材料材料 航空、航天材料 能源材料生物材料电子材料 3、按材料的使用性能分类 结构材料：力学性能（弹性、塑性、硬度、抗拉等） 功能材料：除力学性能以外的其它性能 （光、声、电、磁、超导等功能材料） 结构材料 光学镜片磁性材料光学聚合物材料铁磁芯 40 形状记忆合金形状记忆合金 管件接头卫星天线 4、按材料的结晶状态分类Ø单晶材料：由一个比较完整的晶粒构成的材料，如单晶纤维、单晶硅；Ø多晶材料：由许多晶粒组成的材料，其性能与晶粒大小、晶界的性质有密切的关系Ø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 单晶金刚石 液 晶 1.3、材料的要素结构与成分使用性能性质和现象（化学）（工程）（物理学）合成与加工n 探索这四个要素之间的关系覆盖从基础学科到工程的全部内容 1、性质/性能力学性质 强度、硬度、钢度、塑性、韧性物理性质 电学性质、磁学性质、光学性质、热学性质化学性质 催化性质、防腐性质是材料功能特性和效用的定量度量和描述。
材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应）性质主要决定于材料的组成与结构 2. 使用性能 定义：材料在最终使用状态下表现的行为 内容：可靠性、耐用度、有效寿命、性能价格比、安全性等各种性能指标它将材料的固有性质与材料设计、工程环境及人类的需要融合一起 3 3、结构与成分Ø每一种材料都含有一种以原子和电子尺度到宏观尺度的结构体系Ø 结构与成分的变化是影响材料性能的基本因素Ø结构与成分是材料采用的合成与加工方法的结果 宏观组织结构： ＞10-4 m 肉眼可见 显微组织结构： 10-4 ~10-8 m 显微镜观察 原子或分子排列结构：10-10 m 原子中的电子结构： 10-13 m 4、合成与加工 Ø合成与加工 建立原子、分子和分子聚集体的新排列，在从原子尺度到宏观尺度的所有尺度上对结构进行控制以及高效而又竞争地制造材料和零件的演变过程Ø合成把各种原子或分子结合起来，制成材料所采用的方法Ø加工是赋予制品一定的形状或性能Ø合成与加工是新技术开发的关键要素、人造材料的唯一实现途径 例一、汽车底盘材料•什么结构特性制约了强度和成型性能? ?•什么性能控制强度? ?性质/ /使用性能 成本•比强大小? ?•成型性能? ?•汽车的防撞性如何? ?•制造成本? ?•铁基? ?•铝基? ?•使用何种合金元素? ?•使用量? ?合成/制备•如何制造空气动力学性能好的汽车底盘? ?•如何控制制备过程以获得高韧性、易成型的钢铁材料? ?组成结构 n制备汽车底盘的材料要求：1)极高的强度，易成型；2)考虑到能耗，钢板必须薄而轻；3)为安全性，在撞车时，钢板能吸收大量的能量。
n需考虑：成分、强度、重量、能量吸收性能以及延展性n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；还需采用有成本效益的方式进行制造n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？ 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 。