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1、材料科学基础材料科学基础绪论绪论第一节第一节 材料材料 经过人类劳动取得的劳动对象。一般把来自采掘经过人类劳动取得的劳动对象。一般把来自采掘工业和农业的劳动对象称为工业和农业的劳动对象称为“原料原料”，把经过工业加，把经过工业加工的原料成为工的原料成为“材料材料”。1.1.材料是材料是人类赖以生存与发展、征服及改造自然的物质基人类赖以生存与发展、征服及改造自然的物质基础础,是人类活动不可缺少的东西。是人类活动不可缺少的东西。2.材料是社会生产力发展的标志，生产中使用的材料性质材料是社会生产力发展的标志，生产中使用的材料性质反映了人类社会的文明水平。反映了人类社会的文明水平。3.现代一个国家的实
2、力与水平主要取决于他的能源、材料、现代一个国家的实力与水平主要取决于他的能源、材料、信息的发展。信息的发展。什么是材料什么是材料工程技术人员学习材料科学知识的意义工程技术人员学习材料科学知识的意义 评价评价一个设备、部件、零件的优劣或质量：一个设备、部件、零件的优劣或质量：必需保必需保证使用的基本性能（力学、物理），具有一定的寿命证使用的基本性能（力学、物理），具有一定的寿命（疲劳、磨损、腐蚀）；（疲劳、磨损、腐蚀）；便于制造，即可以生产出来；便于制造，即可以生产出来；可接受的成本。可接受的成本。这几点要求是相互矛盾的，但是必需这几点要求是相互矛盾的，但是必需利用各项知识，从中找到一个合理的配
3、合，可见其中材利用各项知识，从中找到一个合理的配合，可见其中材料起到相当重要的决定性作用。料起到相当重要的决定性作用。 在机械产品的设计和维护中，不要单看材料仅仅是图在机械产品的设计和维护中，不要单看材料仅仅是图纸标题栏中诸多内容中的一项，用的得当可以代表一个纸标题栏中诸多内容中的一项，用的得当可以代表一个设计的先进性，达到价廉物美的效果；否则可能是一个设计的先进性，达到价廉物美的效果；否则可能是一个落后的设计，或者是闭门造车，根本生产制造不出来，落后的设计，或者是闭门造车，根本生产制造不出来，甚至会隐藏祸根，导致在使用时灾难。甚至会隐藏祸根，导致在使用时灾难。第一节第一节 材料材料第二节第二
4、节 材料的性能材料的性能 材料的性能是指材料的性质和功能。性质是本身材料的性能是指材料的性质和功能。性质是本身所具有的特质或本性；功能是人们对材料的某种期待所具有的特质或本性；功能是人们对材料的某种期待与要求种可以承担功效，以及承担该功效下的表现或与要求种可以承担功效，以及承担该功效下的表现或能力。能力。1.1.力学性能力学性能2.物理性能物理性能3.化学性能化学性能4.工艺性能工艺性能材料的性能：材料的性能：力学性能力学性能 材料的力学性能是指材料处于特定环境因素材料的力学性能是指材料处于特定环境因素(温度、温度、介质等介质等)时，在外力或能量以及作用下表现出来的变形时，在外力或能量以及作用
5、下表现出来的变形和破坏的特征。和破坏的特征。 通常把作用在材料上的外力或能量称为载荷或负荷。通常把作用在材料上的外力或能量称为载荷或负荷。材料的主要力学性能有材料的主要力学性能有： 弹性弹性 强度强度 塑性塑性 硬度硬度 冲击韧性冲击韧性 疲劳特性疲劳特性 耐磨性耐磨性第二节第二节 材料的性能材料的性能物理性能物理性能 材料的物理性能是指材料本身的具有各种物理量材料的物理性能是指材料本身的具有各种物理量(热、热、电、光、磁等电、光、磁等)以及环境变化时他们的变化程度。以及环境变化时他们的变化程度。密度与比容密度与比容热膨胀系数热膨胀系数第二节第二节 材料的性能材料的性能导热性导热性电子导电的特
6、点是温度升高，电阻率上升；离子导电是热激活过程，温度升高，电阻率下降。物理性能物理性能电阻与电导电阻与电导电阻温度系数电阻温度系数熔点熔点 导磁率导磁率物质由固态转变为液态的温度，反映固态下原子间结合力。电阻率为单位长度和单位截面积导体的电阻。单位是M，其倒数称为电导率 S/M西门子/米超导现象是材料在很低温度下，电阻突然从某个值降为零的特征。每种材料有自己的转变温度，某些化合物的转变温度达到100K以上。从铁合金、化合物(铁氧体)特有性能。温度上升1时，电阻率 的变化系数，单位 第二节第二节 材料的性能材料的性能化学性能化学性能 反映材料与各种化学试剂发生化学反应的可能性和反映材料与各种化学
7、试剂发生化学反应的可能性和反应速度大小的相关参数。反应速度大小的相关参数。 工程材料主要考虑其耐腐蚀性，电化学材料有的考察电极电位、储能密度等。 材料由于周围环境介质侵蚀而造成的损伤和破坏均材料由于周围环境介质侵蚀而造成的损伤和破坏均称为腐蚀。称为腐蚀。 发生腐蚀的化学过程有化学腐蚀发生腐蚀的化学过程有化学腐蚀( (氧化氧化) )、电化学腐、电化学腐蚀和应力腐蚀等不同形式。腐蚀速度与材料、介质、温蚀和应力腐蚀等不同形式。腐蚀速度与材料、介质、温度、应力、辐照度、应力、辐照因素有关。腐蚀不仅影响零件表明因素有关。腐蚀不仅影响零件表明质量，并且可以造成零件早期损坏，防腐设计应考虑材质量，并且可以造
8、成零件早期损坏，防腐设计应考虑材料的选择和防腐措施相结合。料的选择和防腐措施相结合。第二节第二节 材料的性能材料的性能工艺性能工艺性能 材料的工艺性能是材料力学、物理、化学性能的综材料的工艺性能是材料力学、物理、化学性能的综合表现。主要反映材料生产或零部件加工过程的可能性合表现。主要反映材料生产或零部件加工过程的可能性或难易程度。或难易程度。1. 材料可生产性材料可生产性：得到材料可能性和制备方法：得到材料可能性和制备方法。2. 铸造性铸造性：将材料加热得到熔体，注入较复杂的型腔后：将材料加热得到熔体，注入较复杂的型腔后冷却凝固，获得零件的方法。冷却凝固，获得零件的方法。流动性：充满型腔能力流
9、动性：充满型腔能力收缩率：缩孔数量的多少和分布特征收缩率：缩孔数量的多少和分布特征偏析倾向：材料成分的均匀性偏析倾向：材料成分的均匀性第二节第二节 材料的性能材料的性能工艺性能工艺性能3. 锻造性锻造性：材料进行压力加工：材料进行压力加工(锻造、压延、轧制、拉锻造、压延、轧制、拉拔、挤压等拔、挤压等)的可能性或难易程度的度量。的可能性或难易程度的度量。4. 焊接性焊接性：利用部分熔体，将两块材料连接在一起。：利用部分熔体，将两块材料连接在一起。塑性变形能力：材料不破坏的前提下的最大变形量。塑性变形能力：材料不破坏的前提下的最大变形量。塑性变形抗力：发生塑性变形所需要的最小外力。塑性变形抗力：发
10、生塑性变形所需要的最小外力。连接能力：焊接头部位强度与母材的差别程度。连接能力：焊接头部位强度与母材的差别程度。焊接缺陷：焊接处出现气孔、裂纹可能性的大小或母材焊接缺陷：焊接处出现气孔、裂纹可能性的大小或母材变形程度。变形程度。第二节第二节 材料的性能材料的性能工艺性能工艺性能5. 切削加工性切削加工性：材料进行切削加工的难易程度。它与材：材料进行切削加工的难易程度。它与材料的种类、成分、硬度、韧性、导热性等有关。料的种类、成分、硬度、韧性、导热性等有关。6. 热处理性能热处理性能：可以实施的热处理方法和材料在热处理：可以实施的热处理方法和材料在热处理时性能改变的程度。时性能改变的程度。切削抗
11、力切削抗力加工表面质量加工表面质量排屑难易程度排屑难易程度切削刀具的使用寿命切削刀具的使用寿命 随着科技进步的发展，对材料工艺性能的评价标准随着科技进步的发展，对材料工艺性能的评价标准也在不断发展和变化。也在不断发展和变化。第二节第二节 材料的性能材料的性能决定材料性能实质：决定材料性能实质：构成材料原子的类型：构成材料原子的类型：材料的成分描述了组成材料的成分描述了组成材料的元素种类以及各自占有的比例。材料的元素种类以及各自占有的比例。材料中原子的排列方式：材料中原子的排列方式：原子的排列方式除原子的排列方式除了和元素自身的性质有关以外，还和材料经历了和元素自身的性质有关以外，还和材料经历的
12、生产加工过程有密切的关系。的生产加工过程有密切的关系。研究的意义：研究的意义：1.性能决定了材料的用途。性能决定了材料的用途。2.性能决定了材料和零部件生产方法。性能决定了材料和零部件生产方法。3.性能的变化规律为改变材料性能达到人们需求性能的变化规律为改变材料性能达到人们需求提供途径。提供途径。第二节第二节 材料的性能材料的性能第三节第三节 材料的分类材料的分类工程材料工程材料：主要利用其力学性能制作结构件。：主要利用其力学性能制作结构件。建筑材料建筑材料 结构材料结构材料 工具材料工具材料按材料用途（性能）按材料用途（性能）功能材料功能材料：主要利用其物理、化学性能或效应制作：主要利用其物
13、理、化学性能或效应制作 具有特定功效的器件。具有特定功效的器件。半导体材料半导体材料 磁性材料磁性材料 激光材料激光材料 热电材料热电材料 光电材料光电材料 声电材料声电材料 等等等等1.1.金属材料金属材料：纯金属及其合金。：纯金属及其合金。合金是由两种或合金是由两种或两种以上元素组成，其中至少有一种为金属元素组成两种以上元素组成，其中至少有一种为金属元素组成具有具有金属性金属性的材料。金属性的关键特征是具有正的电的材料。金属性的关键特征是具有正的电阻温度系数，这是由于它的导电是自由电子的运动所阻温度系数，这是由于它的导电是自由电子的运动所决定的。决定的。钢铁材料钢铁材料( (黑色金属黑色金
14、属) )按材料成分：按材料成分：钢钢铸铁铸铁非铁金属材料非铁金属材料( (有色金属有色金属) )轻金属轻金属 Al Mg Ca Na 重金属重金属 Cu Ni Pb Sn Zn 贵金属贵金属 Ag Au Pb Rb Ir稀有金属稀有金属 Zr Ti Nb 稀土金属稀土金属 Re(Y Nd )放射性金属放射性金属 Ra U Th 第三节第三节 材料的分类材料的分类2.2.高分子材料高分子材料：有机聚合物。：有机聚合物。热塑性塑料：尼龙热塑性塑料：尼龙 聚乙烯聚乙烯 聚氯乙稀聚氯乙稀 聚丙烯聚丙烯 按材料成分：按材料成分：瓷：原以氧化铝瓷：原以氧化铝陶：陶： 硅酸盐为主硅酸盐为主广义广义陶瓷陶瓷(
15、 (特种陶瓷特种陶瓷) )：金属与氧、碳、氮、硅等化合物：金属与氧、碳、氮、硅等化合物 热固性塑料：树脂热固性塑料：树脂 聚氨酯聚氨酯 弹性材料：天然橡胶弹性材料：天然橡胶 合成橡胶合成橡胶3.3.陶瓷材料陶瓷材料：一种或多种金属氧化物或其他化：一种或多种金属氧化物或其他化合物。合物。4.4.复合材料复合材料：两种或两种以上性质不同的材料：两种或两种以上性质不同的材料组合起来的一种固体材料。组合起来的一种固体材料。第三节第三节 材料的分类材料的分类第四节第四节 材料科学定义材料科学定义 材料科学是研究材料科学是研究材料的成分、加工工艺与组织、材料的成分、加工工艺与组织、性能之间的关系及其相关规律的科学。性能之间的关系及其相关规律的科学。材料科学与工程四要素材料科学与工程四要素了解和学会现有材料的使用方法了解和学会现有材料的使用方法研究开辟现有材料的新工艺、新用途研究开辟现有材料的新工艺、新用途研究和创建新材料研究和创建新材料材料科学研究的目的材料科学研究的目的第四节第四节 材料科学定义材料科学定义
