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1、工 程 材 料 学第一章 绪 论第一节 概 述众所周知，二十世纪以来，人类的科学技术获得了飞跃的发展，如出现了核武器、人造卫星、计算机、机器人，这些成就的取得是和材料科学的进步分不开的，材料的发展在科技发展中具有举足轻重的地位，有时因为材料不过关，而使先进的技术无法为人们所利用。如超导现象，在1911年就由荷兰物理学家昂内斯在测定汞电阻和温度关系时发现了，但长期以来，没能找到能生产的超导材料，致使该技术无法得到利用，直到50年后，才逐步得到发展，但到现在还不能广泛应用。我们知道，材料、能源、信息是现代文明的三大支柱，而材料又是其它两者的基础。材料一般可分为：金属材料、无机非金属材料和有机材料。
2、以前这三类材料各自自立门户，在大学里也属于不同的专业，可它们之间有许多内在的联系。现在已越来越相互交叉，渗透和移植，忆汇合成一门多学科交叉的新科学材料科学。在材料的应用方面，到本世纪初虽然金属材料仍然占主导地位，但是无机非金属材料和高分子材料的工业应用比例将日益增长，并逐渐部分取代金属材料。因此，各个工业领域所采用的材料结构和比例将会发生很大的变化。新型材料的研制成功将促进新材料产业的形成和推动新型机械、电子产品的设计、制造以及传统产品的更新换代。作为从事金属材料的科技工作者，应当了解和适应材料科学的发展动向。主动去学习和了解高分子材料和无机非金属材料的基本知识及其应用领域。否则一个金属材料工
3、程师就无法做到“正确选择、合理使用材料”。材料科学与工程是多专业贯穿的一个体系，需要进行跨部门多学科的交叉综合研究。第二节 材料科学的形成一、 细分化到综合现代科学发展的规律是从细分化走向综合。材料科学的形成和发展过程也遵循这一发展规律。1. 金属材料学科： 黑色冶金化学冶金 有色冶金最先从矿冶学中分出冶金 冶金 物理冶金力学冶金粉末冶金金属材料又细分为： 黑色金属材料 有色金属材料 稀有金属材料在我国高校：金属材料及热处理专业粉末冶金金属材料专业分设以下专业 高温合金精密合金金属腐蚀金属物理专业分得越细、知识面就越窄，为了拓宽专业面，适应材料科学的发展，国家教委重新调理了专业。金属材料金属材
4、料类专业包括三个专业方向： 热处理及表面技术粉末冶金金属物理专业改名为材料物理专业，面向三大材料。2. 化学学科无机化学 陶瓷化学： 无机化工学 硅酸盐材料学 玻璃有机化学 水泥有机化工学 耐火材料由于近代陶瓷学的发展，“陶瓷”的概念已非常广阔。它包括了硅酸盐、氧化物单晶硅、人造金刚石等。现在将陶瓷和碳素材料一起统称为无机非金属材料。高分子化学有机化学及化工分为： 高分子物理高分子物理化学我国在高分子材料方面设立了：高分子化学、高分子材料、高分子化工、化学纤维、橡胶制品、塑料成型加工工艺、复合材料等专业。现在又合并为高分子材料与工程专业现在 金属材料科学材料科学划分为： 无机非金属材料科学高分
5、子材料科学二、 从交叉、渗透到全材料科学三大材料学科之间的互相交叉、渗透、移植及相互借鉴，是由细化到综合，由经验发展成为全材料科学的内在联系及基础，具体表现为：1. 三大材料的交叉衍生出名目众多的复合材料如：以金属为基 加入陶瓷 可形成 金属基复合材料以陶瓷为基 加入金属 可形成 金属陶瓷材料以高分子材料为基 加入纤维 可形成 树脂基复合材料2. 基础学科向各材料学科的交叉、渗透如：物理、化学、力学、晶体学、材料热力学、动力学等与金属材料的交叉、渗透，形成物理冶金(金属学)固体物理与金属学结合与深入形成金属物理学。3. 各材料学科之间的渗透、移植与借鉴如：把金属的一些结构、亚结构观念用于陶瓷。
6、晶态金属可转变为非晶态金属，把这一概念向半导体移植，单晶硅转化为非晶态硅。又如：位错理论是用来解释金属实际强度低于理论硬度，但它也应用于半导体陶瓷。又如：断裂力学与复合材料又产生复合材料力学分支。4. 三大材料在制造技术上也是互相渗透、移植与借鉴的如：粉末冶金借鉴诉陶瓷制造技术。高分子材料的成型方式借鉴金属热加工原理。如塑料的注射成型是根据金属压铸成型原理发展起来的。而近年发展的陶瓷粉末注射成型技术又是从塑料工业引进到粉末冶金中的一种成型技术。5. 三大材料都同时引用某些新技术这些新技术包括：超微细粉末技术、离子束、激光、计算机等新技术。如：激光技术应用等离子技术应用第三节 材料科学、材料工程
7、和材料科学与工程“材料科学”是一门科学，它从事于材料本质的发现，分析和了解方面的研究，目的在于提供材料结构的统一描绘或模型，以及解释材料结构与性能之间的关系。“材料工程”着重把基础知识应用于材料的研制、生产、改性、应用。材料科学出现于60年代初，和材料工程月部分交叉，到了70年代材料科学与材料工程大部分重迭，于是形成了“材料科学与工程”这门学科。这样材料工程是由主要依靠经验的时代已过去，不熟悉材料科学，已不能成为一个现代意义的材料工程师了。而材料科学家也愈来愈多地从最终应用出发进行研究。美国国家科学院材料与工程调查研究委员会对“材料科学与工程”的定义是：材料科学与工程(MSE)是关于材料成分、
8、结构、工艺与它们性能与用途之间有关知识和应用的科学。第四节 工程材料的分类和新材料的发展趋势凡与工程有关的材料都称为工程材料。工程材料种类繁多，用途广泛，有许多不同的分类方法。工程上通常按化学分类法进行分类。主要应用于：机械制造、航空航天、化工、建筑、矿山和交通运输等部门。工程材料： 金属材料陶瓷材料高分子材料复合材料 随着时代的前进，材料科学也在快速发展，新型材料的研究水平反映了一个国家的科学水平，在21世纪，新材料的发展趋势如下：1. 继续重视高性能的金属材料在传统高性能金属材料上，通过优化合金成分(增加微量元素)，采用新工艺、新技术来改变其结构，从而获得优良的性能。2. 结构材料趋于复合
9、化(复合材料)3. 低维材料将广泛应用零维(超微粒)材料 如 纳米材料低维材料包括： 一维(纤维)材料 如 光纤二维薄膜材料 如 金刚石薄膜4. 非晶态(亚稳态)材料日益受到重视5. 功能材料迅速发展6. 材料的设计及选用计算机化第五节 工程材料的选用原则选用材料的主要依据包括三个方面： 使用性能工艺性能经济性以金属材料为例一、 使用性能选材原则使用性能是指材料在使用过程中，能够安全可靠地工作所必须具备的性能，力学性能它包含材料的： 物理性能化学性能对一般工件，使用性能中最主要的是材料的力学性能，即根据力学性能进行选材。二、 工艺性能选材原则金属的工艺性能是指它在不同的制造工艺条件下所表现出的
10、承受加工的能力，它是物理、化学和力学性能的综合。按工艺方法不同，可分为： 铸造性能 锻造性能焊接性能热处理工艺性能切削加工性能 等在设计零件和选择工艺方法时，都应考虑材料的工艺性能。三、 经济性选材原则在满足工件性能的前提下，还应考虑材料的价格、加工费用和国家资源等情况，以降低产品的成本。第六节 新型工程材料简介一、 非晶态材料晶体原子严格按规则排列非晶态长程中原子排列不规则的无序固体形态。非晶态金属又称为金属玻璃，因为这种金属材料象玻璃一样，没有晶体结构。我们知道，晶体金属是由无数个晶粒组成的，晶粒之间有晶界存在，在金属中存在有成份偏析和晶体缺陷，从而影响了金属的性能，而金属玻璃由于没有晶粒
11、和晶界，避免了缺陷的存在，因而在力学，电学，化学等方面都显示了其特殊的性能。非晶态的强度高达4000Mpa(400Kg/mm2)，远远高于目前世界上最好的超高温度钢的强度2800Mpa(280Kg/mm2)，非晶态合金的疲劳强度也很高。非晶态合金的延伸率低，但不脆，而具有很高的韧性，因此非晶态合金有可能成为的超高强度结构材料。它可以被用来制作高温控制电缆、轮胎、高压管道等的增强带，制作刀具(如保安刀片)，甚至制作高温火箭壳体。非晶态合金具有的软磁性能。它的铁损小，只有硅钢片的，使总能量损耗减少60%，可以大大节省能源。据统计，我国1980年发电2.91011度，如果用非晶态合金作配电变压器的铁
12、芯(硅钢片)，那么一年可节电0.89109度，相当于一座20万千瓦火力发电机组一年的发电量。非晶态合金又是一种良好的磁记录材料，用它制作的薄膜磁盘材料的记录宏度是一般材料的45倍，用非晶态合金做的录音机磁头的耐磨必比普通材料要高几十倍。非晶态合金具有的耐蚀性，其耐蚀性比最好的不锈钢要高100倍，可以用来制造耐腐蚀管道，电池电极，污水处理系统中的零件等。非晶态合金还可用来做焊料，化工用催化材料，太阳能材料，超导材料，低声衰材料等。非晶态金属的制作原理：我们知道，固态金属是晶体，而液态和气态金属则是完全无序的，若将液态或气态的金属进行超高速冷却，使金属来不及结晶，则可获得非晶态金属。制备方法可分为
13、三大类： 气体制备方法：如真空蒸发，溅射，化学沉积等离子镀等。该法非晶态材料的生长速率非常低，一般只用来制备薄膜。 液体制作方法：目前应用最多的一种方法。如喷射法、活塞砧法、离心洗、单辊法、双辊法等(最常用方法)。可制成薄带、细丝或粉末。 由结晶材料通过辐射、离子注入、冲击波等方法制作非晶态材料。用激光或电子束辐射金属表面，使表面局部熔化，再以41045106K/s的速度冷却，可在金属表面产生400m厚的非晶层。将熔化的金属直接喷射在线速度为2050米/秒的高速旋转的冷却辊上，以106/s的速度冷却，凝固成0.010.1mm厚的非晶薄带，宽度可达100mm以上。三、 超导材料我们知道，由于导电
14、材料存在着电阻，电流通过导线就会发热而产生损耗。如果能找到一种电阻为零的材料，用来输电将是十分理想的。这种在一定条件下材料的电阻变为零的现象称为“超导现象”，而具有超导现象的材料则叫做“超导材料”。目前，已发现的超导材料有上千种。大部分金属元素都具有超导电性，但的超导材料只有在某一极低的温度下才具有超导特性，我们把这个温度称为“临界温度”。元素超导体超导材料按其化学组成可分为： 合金超导体化合物超导体元素超导体：Ti、V、Nb、Zr、Mo、W、Ta等18种过渡族元素。Bi、Al、Sn等10种非过渡族元素。此类超导材料尚未实用化。合金超导体：有 Nb-Ti合金，Nb-Zr合金，Nb-Zr-Ti合金其中Nb-Ti合金已实用化。化合物超导体材料实用化的有 铌三锗 Nb3Ge铌三锡 Nb3Sn钒三镓 V3Ga临界温度： Tc(K)Nb-Ti 合金 9.6KNb3Ge
