第1讲材料的应用与发展精.ppt

第1讲材料的应用与发展第1页，本讲稿共58页第一章第一章 材料的应用与发展材料的应用与发展n材料与人类文明材料与人类文明n新技术革命与材料新技术革命与材料n材料的内涵和外延材料的内涵和外延n材料的判据材料的判据n材料科学与工程的概念材料科学与工程的概念n材料的应用和失效材料的应用和失效n本门课的目的和要求本门课的目的和要求第2页，本讲稿共58页（一）材料与人类文明（一）材料与人类文明 在地球上，人在地球上，人类赖类赖以生活和生存的，有物以生活和生存的，有物质质、能量和知、能量和知识识。而在。而在这这三个方面，人三个方面，人类类与其它与其它动动物有着很大的差物有着很大的差别别。（1）虽虽然所有的然所有的动动物都是由物物都是由物质组质组成的，并且都需要食物成的，并且都需要食物来来维维持生命，但是，持生命，但是，“人是能人是能够够制造和使用生制造和使用生产产工具的工具的动动物物”。人属于人属于“动动物物”，人与其它，人与其它动动物的差物的差别别-“种差种差”。制造工具制造工具时时，又需要物，又需要物质质；不是所有的物；不是所有的物质质都能用于工都能用于工具，从具，从这这个概念，可以定个概念，可以定义义材料：材料：“材料是能够为人类制造有用器件的物质材料是能够为人类制造有用器件的物质”。同理，材料同理，材料“属属”于物质。于物质。第3页，本讲稿共58页n历史学家曾用历史学家曾用“材料材料”来划分历史，例如石器时代、陶器时代、铜器时代、来划分历史，例如石器时代、陶器时代、铜器时代、铁器时代、铁器时代、。n原始的人类逐渐使用天然材料，如石头、骨骼、木材、兽皮等，来制造工具、武器、原始的人类逐渐使用天然材料，如石头、骨骼、木材、兽皮等，来制造工具、武器、住所、衣服、用品等，这个时代叫做石器时代。住所、衣服、用品等，这个时代叫做石器时代。n随后，人们发现可塑性好的粘土加热变硬，从而制造了陶器，进入了陶器时代。随后，人们发现可塑性好的粘土加热变硬，从而制造了陶器，进入了陶器时代。在人类进化史上，这是一个里程碑，因为人类智慧发展了到将天然材料改造为人在人类进化史上，这是一个里程碑，因为人类智慧发展了到将天然材料改造为人工材料。工材料。n后来，人类将铜矿石及铁矿石分别还原为铜及铁，从而分别进入铜器时代及铁器时代。后来，人类将铜矿石及铁矿石分别还原为铜及铁，从而分别进入铜器时代及铁器时代。第4页，本讲稿共58页（2）人类与其他动物的第二个重要区别在于）人类与其他动物的第二个重要区别在于能量的利用能量的利用 原始人类起初和陆上的许多动物一样，用原始人类起初和陆上的许多动物一样，用穴居穴居来利用储存的太阳能。来利用储存的太阳能。火的火的发现发现，是人类利用能源的革命性转变点，不再仅仅直接地依靠太阳能，而且能，是人类利用能源的革命性转变点，不再仅仅直接地依靠太阳能，而且能够将生物的化学能转变为热能。人类用火来烧林、开荒、烹煮食物；用火来加够将生物的化学能转变为热能。人类用火来烧林、开荒、烹煮食物；用火来加热燧石使之成形为工具，使粘土器皿变为陶器，加热和还原剂连用使矿石变为热燧石使之成形为工具，使粘土器皿变为陶器，加热和还原剂连用使矿石变为金属。金属。这促进了材料及人类文明的发展这促进了材料及人类文明的发展。另一方面，人类保存和利用能量也离不开材料另一方面，人类保存和利用能量也离不开材料。远古人类住在洞穴里，依。远古人类住在洞穴里，依赖天然材料储存太阳能；火的利用，离不开木材和其它燃料，若将材料定义中赖天然材料储存太阳能；火的利用，离不开木材和其它燃料，若将材料定义中的的“器件器件”扩大为扩大为“物品物品”，则燃料也是广义的材料，则燃料也是广义的材料。而燃料的砍伐和采掘，。而燃料的砍伐和采掘，需要材料。现代能源转换技术中，如发电机、汽轮机、燃气轮机、核反应堆、需要材料。现代能源转换技术中，如发电机、汽轮机、燃气轮机、核反应堆、磁流体发电、煤的汽化和液化、太阳能的转换、高能密度电池等，为了实现能磁流体发电、煤的汽化和液化、太阳能的转换、高能密度电池等，为了实现能量转换并提高效率、安全性和经济性，都量转换并提高效率、安全性和经济性，都依赖于材料的改进和新材料的发现依赖于材料的改进和新材料的发现。而材料的生产和利用，也需要能量而材料的生产和利用，也需要能量。所以，材料与能源是相互依靠的所以，材料与能源是相互依靠的。为了强调这种关系，为了强调这种关系，“将用于能量的开发、转换、运输、储存等所需的材将用于能量的开发、转换、运输、储存等所需的材料，通称为能源材料料，通称为能源材料”。而。而“能源能源”是属于是属于“能量能量”大类的大类的，“自然界中的能自然界中的能量，可被人类经济利用的那一部分能量，就叫做能源量，可被人类经济利用的那一部分能量，就叫做能源”。第5页，本讲稿共58页（3）人类与其它动物的差别还在于）人类与其它动物的差别还在于信息的传播和保存信息的传播和保存 “知识知识”和和“信息信息”之间难于分别，可以这样定义：之间难于分别，可以这样定义：“人类社会中的知识，人类社会中的知识，需要利用和传播的，叫做信息需要利用和传播的，叫做信息”。远古人类同其它动物相似，用远古人类同其它动物相似，用姿势、表情和简单的语言来传递信息姿势、表情和简单的语言来传递信息。随。随后，人类发展了有别于其它动物的高级语言，更重要的是创造了后，人类发展了有别于其它动物的高级语言，更重要的是创造了文字文字，并且发，并且发明了明了印刷术印刷术，使知识能够积累和保存，信息可以在空间和时间的多维坐标中广，使知识能够积累和保存，信息可以在空间和时间的多维坐标中广为传播。古代人类用简单的材料为传播。古代人类用简单的材料如石片、龟甲、芦苇叶、竹片、粘土板、布片如石片、龟甲、芦苇叶、竹片、粘土板、布片等记录知识等记录知识。我国夏商时代，在铜鼎、竹筒上长期保存了文化。十一世纪中期，。我国夏商时代，在铜鼎、竹筒上长期保存了文化。十一世纪中期，我国比升发明了活字印刷术，这是信息传播的一个跃进。我国比升发明了活字印刷术，这是信息传播的一个跃进。显然，信息和传播方显然，信息和传播方面的进展，丝毫不能离开材料面的进展，丝毫不能离开材料。现代的信息储存、处理和传播技。现代的信息储存、处理和传播技 术如术如电话、收电话、收音机、照相机、录音机、计算机音机、照相机、录音机、计算机等的出现、改进和换代，都依赖于材料。等的出现、改进和换代，都依赖于材料。另一方面，信息技术的发展，会促使材料的生产和应用。因此，另一方面，信息技术的发展，会促使材料的生产和应用。因此，信息与材信息与材料是相互依靠的料是相互依靠的。为了强调这种关系，。为了强调这种关系，“将用于信息的接收、处理、储存和传将用于信息的接收、处理、储存和传播所需的材料，统称为信息材料播所需的材料，统称为信息材料”。第6页，本讲稿共58页n在人类历史的进程中，材料本身也经历了巨大的变化在人类历史的进程中，材料本身也经历了巨大的变化。从天然材料的木、石。从天然材料的木、石等发展到简单的人造材料如陶瓷、玻璃、金属、高分子化合物、半导体等，再等发展到简单的人造材料如陶瓷、玻璃、金属、高分子化合物、半导体等，再发展到用优异材料巧妙地组合成和谐而有高性能的器件和装备，如集成电路、发展到用优异材料巧妙地组合成和谐而有高性能的器件和装备，如集成电路、计算机、飞机、潜艇、核反应器、宇宙飞船、人造卫星等。计算机、飞机、潜艇、核反应器、宇宙飞船、人造卫星等。这些巨大进展，不这些巨大进展，不是其它动物能达到的！原因在于人类能够有意识地利用其祖先积累的信息和各是其它动物能达到的！原因在于人类能够有意识地利用其祖先积累的信息和各种能源种能源。还应该指出，人类生活和生存所依赖的衣食原料，依赖于农业科学技术，还应该指出，人类生活和生存所依赖的衣食原料，依赖于农业科学技术，随着农业现代化和工业化的发展，材料的作用越来越重要随着农业现代化和工业化的发展，材料的作用越来越重要。甚至人类延年益寿。甚至人类延年益寿的一条途径如依赖生物材料来更换器官，如遗传工程的实施也需要生物材料的的一条途径如依赖生物材料来更换器官，如遗传工程的实施也需要生物材料的保证。尤其是进入二十一世纪以来，保证。尤其是进入二十一世纪以来，生物工程和遗传生物技术的飞速发展，促生物工程和遗传生物技术的飞速发展，促使材料家族出现了第四种材料，即使材料家族出现了第四种材料，即”生物材料生物材料”。材料、能源、信息和生物这四根支柱，一直在支撑着人类赖以生存的空材料、能源、信息和生物这四根支柱，一直在支撑着人类赖以生存的空间间。随着科学技术的日新月异，这四根支柱的联系会更加紧密。随着科学技术的日新月异，这四根支柱的联系会更加紧密。回顾人类超越动物的历史，可以看到材料对于人类的重要性，可以看到材回顾人类超越动物的历史，可以看到材料对于人类的重要性，可以看到材料、能源和信息在发挥人类聪明才智方面的重要作用。下面予以简单回顾。料、能源和信息在发挥人类聪明才智方面的重要作用。下面予以简单回顾。第7页，本讲稿共58页在人类文明的进程中，材料发展大致经历了五个发展阶段：在人类文明的进程中，材料发展大致经历了五个发展阶段：n人类使用纯天然材料的初级阶段人类使用纯天然材料的初级阶段：在远古时代，人类只能使用天然材料：在远古时代，人类只能使用天然材料（如兽皮、甲骨、羽毛、树木、草叶、石块、泥土等），就是人们通常所（如兽皮、甲骨、羽毛、树木、草叶、石块、泥土等），就是人们通常所说的说的旧石器时代旧石器时代。第8页，本讲稿共58页n人类单纯利用火制造材料的阶段人类单纯利用火制造材料的阶段：这一阶段横跨人们通常所说的：这一阶段横跨人们通常所说的新石器时代、铜新石器时代、铜器时代和铁器时代器时代和铁器时代，也就是距今约，也就是距今约1万年前直至万年前直至20世纪初这样一个漫长的时期，世纪初这样一个漫长的时期，并且延续至今，它们分别以人类的三大人造材料为象征，即并且延续至今，它们分别以人类的三大人造材料为象征，即陶、铜和铁陶、铜和铁。第9页，本讲稿共58页第10页，本讲稿共58页n人类利用物理与化学原理合成材料的阶段人类利用物理与化学原理合成材料的阶段：20世纪初，随着物理学和化学等科学的发展以及检测技术的出现，人类世纪初，随着物理学和化学等科学的发展以及检测技术的出现，人类从化从化学角度出发学角度出发，开始研究材料的化学组成、化学键、结构及合成方法；，开始研究材料的化学组成、化学键、结构及合成方法；另一方面从另一方面从物理学角度出发物理学角度出发开始研究材料的物性，以凝聚态物理、晶体物理和固体物理等为开始研究材料的物性，以凝聚态物理、晶体物理和固体物理等为基础来说明材料组成、结构及性能间的关系，并研究材料制备和使用材料的有关基础来说明材料组成、结构及性能间的关系，并研究材料制备和使用材料的有关工艺性问题。工艺性问题。由于物理和化学等科学理论在材料技术中的应用，从而出现了由于物理和化学等科学理论在材料技术中的应用，从而出现了材料科学材料科学。在。在此基础上，人类开始了此基础上，人类开始了人工合成材料的新阶段人工合成材料的新阶段。这一阶段以。这一阶段以合成高分子材料的合成高分子材料的出现为开端出现为开端，一直延续到现在，而且正在继续向纵深发展。，一直延续到现在，而且正在继续向纵深发展。人工合成塑料、合成纤维及合成橡胶等合成高分子材料的出现，加上已有的人工合成塑料、合成纤维及合成橡胶等合成高分子材料的出现，加上已有的金属材料和陶瓷材料（无机非金属材料）构成了现代材料的三大支柱金属材料和陶瓷材料（无机非金属材料）构成了现代材料的三大支柱。此外，人。此外，人类也合成了系列的合金材料和无机非金属材料。超导材料、半导体材料、光纤等类也合成了系列的合金材料和无机非金属材料。超导材料、半导体材料、光纤等都是这一阶段的杰出代表。都是这一阶段的杰出代表。第11页，本讲稿共58页n从这一阶段开始，人们不再是单纯地采用天然矿石和原料，经过简单的煅烧或冶炼来制造材从这一阶段开始，人们不再是单纯地采用天然矿石和原料，经过简单的煅烧或冶炼来制造材料，而是料，而是能够利用一系列物理与化学原理及现象来创造新的材料能够利用一系列物理与化学原理及现象来创造新的材料。并且根据需要，人们可以在对以。并且根据需要，人们可以在对以往材料组成、结构及性能间关系的研究基础上，进行材料设计。使用的原料本身有可能是天然原料，往材料组成、结构及性能间关系的研究基础上，进行材料设计。使用的原料本身有可能是天然原料，也有可能是合成原料。而材料合成及制造方法更是多种多样。也有可能是合成原料。而材料合成及制造方法更是多种多样。n二十世纪以来的现代科技史发展历程，充分说明二十世纪以来的现代科技史发展历程，充分说明了材料合成与加工了材料合成与加工的重要性的重要性。如果没。如果没有半导体材料的发现和大规模集成电路工艺的发展，就不可能有今天的计算机技术；如果没有半导体材料的发现和大规模集成电路工艺的发展，就不可能有今天的计算机技术；如果没有精密铸造、精密锻造、定向凝固与单晶生长技术、粉末冶金、弥散强化等工艺的发展，就有精密铸造、精密锻造、定向凝固与单晶生长技术、粉末冶金、弥散强化等工艺的发展，就不可能有今天这样发达的航空航天科技；而分子束外延、液相外延和化学气相沉积等新的合不可能有今天这样发达的航空航天科技；而分子束外延、液相外延和化学气相沉积等新的合成技术的发展，才使得人工合成材料如超晶格、薄膜异质结构等制造成为可能。成技术的发展，才使得人工合成材料如超晶格、薄膜异质结构等制造成为可能。另一方面，另一方面，材料合成与加工中没有解决的问题，也直接影响到新技术的应用材料合成与加工中没有解决的问题，也直接影响到新技术的应用。如太阳能的利。如太阳能的利用就因为光电转换材料的合成与加工没有取得突破而停滞不前。因此，新材料的用就因为光电转换材料的合成与加工没有取得突破而停滞不前。因此，新材料的使用和社会文明的进步密切相关。而新材料的出现、发展和使用又是和材料合成使用和社会文明的进步密切相关。而新材料的出现、发展和使用又是和材料合成与加工技术的进步密不可分。每当出现一种新工艺或新技术，材料的发展就可能与加工技术的进步密不可分。每当出现一种新工艺或新技术，材料的发展就可能出现一次飞跃。出现一次飞跃。第12页，本讲稿共58页材料制备中的材料合成与加工材料制备中的材料合成与加工 这里重点给大家介绍材料的合成与加工的概念。材料的合成与加工这里重点给大家介绍材料的合成与加工的概念。材料的合成与加工的涵义大不相同。的涵义大不相同。n材料的合成材料的合成：指通过一定的途径，从气态、液态或者固态的各种不同原材料中得到：指通过一定的途径，从气态、液态或者固态的各种不同原材料中得到化学上不同于化学上不同于原材料的新材料。原材料的新材料。n材料的加工材料的加工：是指通过一定的工艺手段使新材料在物理上处于与原材料不同的状态：是指通过一定的工艺手段使新材料在物理上处于与原材料不同的状态（化学上则完全相同化学上则完全相同）。比如，从块体材料上获得薄膜材料，从非晶材料上）。比如，从块体材料上获得薄膜材料，从非晶材料上获得晶态材料。获得晶态材料。第13页，本讲稿共58页材料加工与合成的主要方法材料加工与合成的主要方法:（1）基于液相固相转变的材料制备：）基于液相固相转变的材料制备：n从熔体制备单晶材料：如定向凝固方法和液相外延生长等。从熔体制备单晶材料：如定向凝固方法和液相外延生长等。n从熔体制备非晶材料：如雾化法、急冷液态溅射等。从熔体制备非晶材料：如雾化法、急冷液态溅射等。n溶液法材料制备：如采用溶液变温法生长单晶。溶液法材料制备：如采用溶液变温法生长单晶。n溶胶溶胶-凝胶法材料制备：如采用溶胶凝胶法材料制备：如采用溶胶-凝胶法制备氧化物薄膜。凝胶法制备氧化物薄膜。（2）基于固相）基于固相-固相转变的材料制备：固相转变的材料制备：n固相反应法制备粉末；固相反应法制备粉末；n陶瓷成型与烧结；陶瓷成型与烧结；n固相外延生长；固相外延生长；n高压制备。高压制备。（3）基于气相）基于气相-固相转变的材料制备：固相转变的材料制备：n真空蒸发镀膜；真空蒸发镀膜；n溅射和激光脉冲沉积；溅射和激光脉冲沉积；n化学气相沉积；化学气相沉积；n分子束外延生长。分子束外延生长。第14页，本讲稿共58页n材料的复合化阶段材料的复合化阶段：20世纪世纪50年代金属陶瓷的出现，标志着复合材料时代的到来年代金属陶瓷的出现，标志着复合材料时代的到来。随。随后又出现了玻璃钢、铝塑薄膜、梯度功能材料以及抗菌材料等，都是复合材料的后又出现了玻璃钢、铝塑薄膜、梯度功能材料以及抗菌材料等，都是复合材料的典型实例。这些都是为了适应高新技术的发展和人类文明程度的提高而产生的。典型实例。这些都是为了适应高新技术的发展和人类文明程度的提高而产生的。到这时，人类已经可以利用新的物理、化学方法，根据实际需要设计具有独特性到这时，人类已经可以利用新的物理、化学方法，根据实际需要设计具有独特性能的材料能的材料。现代复合材料最根本的思想不只是要使两种材料的性能变成现代复合材料最根本的思想不只是要使两种材料的性能变成3加加3等于等于6，而是，而是要想办法使他们变成要想办法使他们变成3乘以乘以3等于等于9，乃至更大。，乃至更大。n 材料的智能化阶段材料的智能化阶段：自然界中的材料都具有：自然界中的材料都具有自适应、自诊断和自修复自适应、自诊断和自修复的功能。如所有的动的功能。如所有的动物或植物都能在没有受到绝对破坏的情况下进行自诊断和修复。物或植物都能在没有受到绝对破坏的情况下进行自诊断和修复。人工材料目前还不能做到人工材料目前还不能做到这一点这一点。但是，近三四十年来研制出的一些材料已经具备了其中的部分功能。这就。但是，近三四十年来研制出的一些材料已经具备了其中的部分功能。这就是目前最吸引人们注意的是目前最吸引人们注意的智能材料，如形状记忆合金、光致变色玻璃智能材料，如形状记忆合金、光致变色玻璃等等。等等。严格来讲，目前研制成功的智能材料还只是一种智能结构。严格来讲，目前研制成功的智能材料还只是一种智能结构。第15页，本讲稿共58页n由以上材料的五个发展阶段可以看出，由以上材料的五个发展阶段可以看出，在在20世纪这一段历史时期，世纪这一段历史时期，材料就经历了五个发展阶段中的三个阶段材料就经历了五个发展阶段中的三个阶段，这种发展速度是前所未，这种发展速度是前所未有的。有的。n总的说来，总的说来，21世纪材料科学的发展有以下几个特点世纪材料科学的发展有以下几个特点:超纯化超纯化（从（从天然材料到合成材料）、天然材料到合成材料）、量子化量子化（从宏观控制到微观和介观控制）（从宏观控制到微观和介观控制）、复合化（复合化（从单一到复合）从单一到复合）及可设计化及可设计化（从经验到理论）。（从经验到理论）。n当前，高技术新材料的发展日新月异，材料科学的内涵也日益丰当前，高技术新材料的发展日新月异，材料科学的内涵也日益丰富，富，21世纪中后期会出现什么样的高技术材料，材料科学又将发展到世纪中后期会出现什么样的高技术材料，材料科学又将发展到何种程度，我们的确很难预料。何种程度，我们的确很难预料。第16页，本讲稿共58页（二）（二）新技术革命与材料新技术革命与材料（1）概念）概念 事物在运动和变化过程中，其进展是复杂的和不平稳的。若是事物在运动和变化过程中，其进展是复杂的和不平稳的。若是逐渐地逐渐地发生变化，我们就叫做发生变化，我们就叫做发展发展；若出现了；若出现了飞跃的质变飞跃的质变，我们就叫做，我们就叫做革命革命。不同的领域，有着不同的革命：不同的领域，有着不同的革命：n人类认识客观世界的飞跃叫做人类认识客观世界的飞跃叫做科学革命科学革命；n人类改造物质世界的飞跃叫做人类改造物质世界的飞跃叫做技术革命技术革命；n生产体系的组织和经济结构的飞跃叫做生产体系的组织和经济结构的飞跃叫做产业革命产业革命；n社会制度的飞跃叫做社会制度的飞跃叫做社会革命社会革命。现代的新技术革命是由一群新技术所引起的改造物质世界的革命。现代的新技术革命是由一群新技术所引起的改造物质世界的革命。这些新技术群除了支撑人类文明大厦的材料、能源、信息和生物这四这些新技术群除了支撑人类文明大厦的材料、能源、信息和生物这四大支柱外，还有航天技术、海洋技术及系统工程。大支柱外，还有航天技术、海洋技术及系统工程。第17页，本讲稿共58页（2）二者的关系）二者的关系n材料是人类文明的物质基础和支柱，它支撑着新技术的前进材料是人类文明的物质基础和支柱，它支撑着新技术的前进。地球表面不能满。地球表面不能满足人类的需要，人类为此在近海和深海探索能源和材料，以及生物资足人类的需要，人类为此在近海和深海探索能源和材料，以及生物资源。人类在太空建立信息和能源转换站，进行材料的加工。由此发展源。人类在太空建立信息和能源转换站，进行材料的加工。由此发展出了海洋工程和航天技术。出了海洋工程和航天技术。n能源的开发、提炼、转化和储运，信息的传播、储存、利用和控制都离不能源的开发、提炼、转化和储运，信息的传播、储存、利用和控制都离不开材料开材料。航天技术、海洋工程和系统工程都需要结构或者功能材料。航天技术、海洋工程和系统工程都需要结构或者功能材料。n传统材料的发展和新材料的涌现，是新的科学技术促进的结果传统材料的发展和新材料的涌现，是新的科学技术促进的结果。第18页，本讲稿共58页美军弗吉尼亚级核攻击潜艇美军弗吉尼亚级核攻击潜艇SSN775号号 第19页，本讲稿共58页美哥伦比亚号航天飞机升空美哥伦比亚号航天飞机升空 第20页，本讲稿共58页坠落：达拉斯上空坠落：达拉斯上空 第21页，本讲稿共58页（三）（三）材料的内涵和外延材料的内涵和外延 采用定义和外延这两种逻辑方法，可以明确采用定义和外延这两种逻辑方法，可以明确“材料材料”这个概念的这个概念的外延和内涵。外延和内涵。（1）材料的定义材料的定义：如果考虑到经济和社会因素，我们将前面所定义的：如果考虑到经济和社会因素，我们将前面所定义的材料的内涵延伸为如下两种定义：材料的内涵延伸为如下两种定义：n材料是人类社会所能接受地、经济地制造有用材料是人类社会所能接受地、经济地制造有用器件器件的物质的物质。n材料是人类社会所能接受地、经济地制造有用材料是人类社会所能接受地、经济地制造有用物品物品的物质的物质。一般情况下，一般情况下，在材料科学与工程的领域内，采用前者定义比较准在材料科学与工程的领域内，采用前者定义比较准确确。由于。由于“物品物品”的外延要大于的外延要大于“器件器件”。需要指出，随着材料概念的。需要指出，随着材料概念的变化，定义也随着改变。材料的这些定义中，具有长久意义的内涵是变化，定义也随着改变。材料的这些定义中，具有长久意义的内涵是 “制造制造”和和“有用有用”它们分别对应的是材料的它们分别对应的是材料的工艺性能工艺性能和和使用性能使用性能。第22页，本讲稿共58页（2）材料的分类）材料的分类n按照按照材料的来源材料的来源：分为天然材料和人造材料；：分为天然材料和人造材料；n按照按照逻辑关系逻辑关系：金属材料金属材料 无机材料无机材料 物质物质 材料材料 非金属材料非金属材料 有机材料有机材料 金属材料金属材料-金属键金属键n按按结合键结合键：材料：材料 陶瓷材料陶瓷材料-离子键离子键 高分子材料高分子材料-共价键共价键n按照按照成分成分：可分为铁、铜、铝、镁、碳钢、合金钢等。：可分为铁、铜、铝、镁、碳钢、合金钢等。第23页，本讲稿共58页工程材料的定义和分类：工程材料的定义和分类：我们把凡是与工程有关的材料叫做我们把凡是与工程有关的材料叫做工程材料工程材料。这是我们本门课程重。这是我们本门课程重点介绍的问题。点介绍的问题。工程材料主要应用于机械制造、航空、化工、建筑和交通运输等部工程材料主要应用于机械制造、航空、化工、建筑和交通运输等部门。工程材料种类繁多，用途广泛，有着不同的分类方法。门。工程材料种类繁多，用途广泛，有着不同的分类方法。n工程上通常采用化学分类法对工程材料进行分类工程上通常采用化学分类法对工程材料进行分类，见图，见图0-1。n更一般地，将工程材料分为：结构材料和功能材料更一般地，将工程材料分为：结构材料和功能材料。结构材料结构材料是以力学性能为主要的性能；是以力学性能为主要的性能；功能材料功能材料则是以物理性能为主要性能。则是以物理性能为主要性能。第24页，本讲稿共58页第25页，本讲稿共58页第26页，本讲稿共58页第27页，本讲稿共58页（四）材料的判据（四）材料的判据从材料的定义可以导出从材料的定义可以导出材料的五个判据材料的五个判据：（1）“人类社会所能接受的人类社会所能接受的”决定了材料的三个判据：决定了材料的三个判据：“资源资源”、“能源能源”、“环保环保”。（2）“经济地经济地”决定了材料的决定了材料的“经济判据经济判据”。（3）“制造有用器件的制造有用器件的”决定了材料的决定了材料的“质量判据质量判据”。第28页，本讲稿共58页资 源经 济质 量能 源环 保表 面结 构性 能战略性经济性技术性第29页，本讲稿共58页n从战略高度从战略高度，国家一般都会制定材料政策，对于材，国家一般都会制定材料政策，对于材料的资源、能耗、环境保护三方面提出限制或要求。料的资源、能耗、环境保护三方面提出限制或要求。这是我们今后在进行科学研究时需要注意和重视的这是我们今后在进行科学研究时需要注意和重视的问题。问题。n而材料的生产、使用及科研生产单位而材料的生产、使用及科研生产单位，一般是依据，一般是依据质量和经济这两个判据，选择目标函数及约束条件，求质量和经济这两个判据，选择目标函数及约束条件，求取最优化效果，进而确定生产工艺流程。取最优化效果，进而确定生产工艺流程。第30页，本讲稿共58页n材料科学与工程专业的工作人员材料科学与工程专业的工作人员习惯于采用图习惯于采用图1-5所示的思路开展工作所示的思路开展工作：（1）依据工程构件服役的行为）依据工程构件服役的行为确定所需材料的性能确定所需材料的性能；（2）依据性能要求，）依据性能要求，确定所需的材料结构确定所需的材料结构；（3）制定材料生产工艺，）制定材料生产工艺，获得所需的材料结构获得所需的材料结构；（4）采用必要的设备，）采用必要的设备，保证工艺的实施保证工艺的实施，或者反其道而行之。，或者反其道而行之。（5）只有）只有适当的设适当的设备备，才能保证工艺；，才能保证工艺；（6）只有）只有通过工艺通过工艺才能改变结构；才能改变结构；（7）结构决定性能结构决定性能；（8）材料的性能决材料的性能决定工程构件的行为定工程构件的行为。第31页，本讲稿共58页（五）材料科学与工程的概念（五）材料科学与工程的概念（1）材料科学）材料科学n材料科学材料科学是一门科学，它从事材料本质的发现、分析和了解方面的研究。它的目的在是一门科学，它从事材料本质的发现、分析和了解方面的研究。它的目的在于提供材料结构的统一描述或模型，以及解释这种结构与材料性能之间的关系于提供材料结构的统一描述或模型，以及解释这种结构与材料性能之间的关系。n材料科学的核心问题是结构和性能材料科学的核心问题是结构和性能。为了深入地理解和有效控制性能和结构，。为了深入地理解和有效控制性能和结构，就需要处理各种过程，如材料的屈服过程、断裂过程、导电过程、磁化过程、就需要处理各种过程，如材料的屈服过程、断裂过程、导电过程、磁化过程、相变过程、氧化过程等等。材料中相变过程、氧化过程等等。材料中各种结构的形成和过程的进行，都涉及各种结构的形成和过程的进行，都涉及到能量到能量。n性能、结构、过程和能量之间的关系见图性能、结构、过程和能量之间的关系见图3。第32页，本讲稿共58页外界条件结 构性 能新结构过 程应力、温度、介质、电场、磁场、其他内内 因因能 量外外 因因变变 化化变化结果变化结果第33页，本讲稿共58页（2）材料工程材料工程：它是：它是工程的一个领域工程的一个领域，其目的在于经济，其目的在于经济地、而又为社会所能接受地控制材料的性能、结构和形状。地、而又为社会所能接受地控制材料的性能、结构和形状。材料工程要全面地考虑材料的五个判据材料工程要全面地考虑材料的五个判据。n材料科学的重点是研究材料合成和工艺、材料结构以及材材料科学的重点是研究材料合成和工艺、材料结构以及材料性能间的内在关系。料性能间的内在关系。n材料工程的重点则是如何将材料转化或者转变为有用的部材料工程的重点则是如何将材料转化或者转变为有用的部件或者构件。件或者构件。第34页，本讲稿共58页（3）材料科学与工程）材料科学与工程n材料科学所包括的内容往往被理解为研究材料的组织、结构与性质的关系，材料科学所包括的内容往往被理解为研究材料的组织、结构与性质的关系，探索自然规律。这似乎属于基础研究探索自然规律。这似乎属于基础研究,实际上，材料是面向实际，为经济建设服实际上，材料是面向实际，为经济建设服务的，是务的，是一门应用科学一门应用科学。研究与发展材料的目的是为了应用，而材料又必。研究与发展材料的目的是为了应用，而材料又必须通过合理的工艺流程才能够制备出具有实际价值的材料来，通过批量须通过合理的工艺流程才能够制备出具有实际价值的材料来，通过批量生产才能成为工程材料。所以，生产才能成为工程材料。所以，在在“材料科学材料科学”这个名词出来不久，就提出了这个名词出来不久，就提出了“材料科学与工程材料科学与工程”。n许多大学的许多大学的冶金系和材料系冶金系和材料系也由此改变了名称，多数改为也由此改变了名称，多数改为“材料科学与工程系材料科学与工程系”，偏重基础方面的就称为，偏重基础方面的就称为“材料科学系材料科学系”，偏重于工艺方面的就称为，偏重于工艺方面的就称为“材料工材料工程系程系”。也有不肯放弃，但进而称为。也有不肯放弃，但进而称为“冶金与材料科学系冶金与材料科学系”，如英国剑桥。，如英国剑桥。第35页，本讲稿共58页 第一部第一部材料科学与工程百科全书材料科学与工程百科全书由美国麻省理工学院的科学家编写，它由美国麻省理工学院的科学家编写，它给材料科学与工程下的定义为：给材料科学与工程下的定义为：材料科学与工程就是研究有关材材料科学与工程就是研究有关材料组成、结构、制备工艺流程与材料性料组成、结构、制备工艺流程与材料性能与用途的关系的知识的产生及其运用能与用途的关系的知识的产生及其运用。n把把组成与结构（组成与结构（composition-structure）,合成与生产过程（合成与生产过程（synthesis-processing）,性质（性质（properties），以及），以及使使用效能（用效能（performance）称之为材料科学与工程的）称之为材料科学与工程的四个基本要素（四个基本要素（basic elements）。把四要素连在一起，则形成一个四面体（）。把四要素连在一起，则形成一个四面体（tetrahedron）。）。如图如图3所示。所示。合合成成/制备制备效能效能性质性质结构结构/成分成分第36页，本讲稿共58页第37页，本讲稿共58页第38页，本讲稿共58页（六）材料的应用和失效（六）材料的应用和失效（1）材料的应用）材料的应用 以航空和航天材料为以航空和航天材料为例，来说说材料的应用和例，来说说材料的应用和发展在航天和航空工业的发展在航天和航空工业的发展中所起的重要作用。发展中所起的重要作用。n50年来英国飞机发动机材料的发展趋势年来英国飞机发动机材料的发展趋势n功能材料在飞机上的作用功能材料在飞机上的作用n重量对于航空航天结构材料的重要性重量对于航空航天结构材料的重要性n使用环境对于材料的苛刻要求使用环境对于材料的苛刻要求第39页，本讲稿共58页第40页，本讲稿共58页第41页，本讲稿共58页第42页，本讲稿共58页第43页，本讲稿共58页第44页，本讲稿共58页美国空军美国空军F-15E战斗轰炸机开加力升空战斗轰炸机开加力升空第45页，本讲稿共58页满载武器的满载武器的F-15E双重任务战斗机双重任务战斗机 第46页，本讲稿共58页美空军地勤人员为美空军地勤人员为F-15E加挂吊舱加挂吊舱第47页，本讲稿共58页美空军基地美空军基地F-15E战机机群战机机群第48页，本讲稿共58页第49页，本讲稿共58页第50页，本讲稿共58页第51页，本讲稿共58页第52页，本讲稿共58页第53页，本讲稿共58页第54页，本讲稿共58页（2）材料的失效）材料的失效 材料失效所导致的经济损失是十分惊人的。美国政府材料失效所导致的经济损失是十分惊人的。美国政府1978年发表年发表的的“腐蚀腐蚀”导致的经济损失为导致的经济损失为700亿美元，占国民生产总值的亿美元，占国民生产总值的4.2%，1982年重新估算，这种损失约为年重新估算，这种损失约为1260亿美元。巴特尔研究所对亿美元。巴特尔研究所对“断裂断裂”造成的损失的估算，约为每年造成的损失的估算，约为每年1190亿美元。亿美元。“磨损磨损”导致的经济损失，导致的经济损失，大致相同。因此，世界各国十分重视大致相同。因此，世界各国十分重视失效分析（失效分析（Failure analysis）。）。n定义定义 简单地说，简单地说，失效就是产品功能失去效果失效就是产品功能失去效果。具体地说，工程结构件在制造、试车、储运或服役过程中伤亡，使具体地说，工程结构件在制造、试车、储运或服役过程中伤亡，使工程结构无法工作或低效工作，或提前退役的现象，叫做失效。工程结构无法工作或低效工作，或提前退役的现象，叫做失效。第55页，本讲稿共58页n失效的机理或失效的形式失效的机理或失效的形式 失效的原因是由于材料的性能满足不了服役失效的原因是由于材料的性能满足不了服役(或制造、试或制造、试车、贮运车、贮运)时的力学、化学、热学等外界条件，因此，时的力学、化学、热学等外界条件，因此，按失按失效机理或者失效形式分为：变形、断裂、磨损、烧损、物理效机理或者失效形式分为：变形、断裂、磨损、烧损、物理性能降级等性能降级等。对于广泛使用的金属材料而言，腐蚀、磨损及断裂是三对于广泛使用的金属材料而言，腐蚀、磨损及断裂是三种主要失效方式，前两种是慢性病，而第三种是爆发性疾种主要失效方式，前两种是慢性病，而第三种是爆发性疾病，最易受人重视。病，最易受人重视。第56页，本讲稿共58页（七）本门课的目的和要求（七）本门课的目的和要求n从整体上理解和了解材料科学与工程；从整体上理解和了解材料科学与工程；n获得必要的现代工程材料方面的基础知识，为自己今后获得必要的现代工程材料方面的基础知识，为自己今后的专业知识应用提供材料基本知识积累；的专业知识应用提供材料基本知识积累；n熟悉处理材料问题的方法，开拓思路，提高分析和解决熟悉处理材料问题的方法，开拓思路，提高分析和解决问题的能力。问题的能力。第57页，本讲稿共58页n教材：工程材料，朱张校主编，清华大学出版社。n课堂纪律n考核形式n联系电话：杨光昱，13679228998第58页，本讲稿共58页