工程材料基础(清华大学)-1绪论.ppt

《工程材料基础(清华大学)-1绪论.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程材料基础(清华大学)-1绪论.ppt（35页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、1.1.绪论绪论 l本章内容本章内容l1.1材料发展概要材料发展概要l1.2材料应用现状与新材料的发展趋势材料应用现状与新材料的发展趋势l1.3材料科学与工程材料科学与工程l1.4材料的分类材料的分类l1.5材料加工工程材料加工工程l1.6 1.6 课程课程主要内容及要求主要内容及要求1.1 材料发展概要材料发展概要l材材料料:人类用来制造各种产品的物质，是人类生产和生活的物质基础。l人类早期历史划分为石石器器时时代代、青青铜铜器器时时代代和和铁铁器器时时代代,现已进入人工合成材料的新时代。l材料和能源、信息一起成为现代科学技术的三大支柱之一三大支柱之一。1 11 11 1 石器时代石器时代

2、l石器石器是人类最先使用的工具。l还出现了玉玉器器、陶陶器器和和瓷瓷器器。我国是玉器的故乡玉器的故乡。l烧制的陶器包括红红陶陶、黑黑陶陶、白白陶陶和和釉釉陶陶。我国是最早生产瓷器的国家。瓷器成为中国文化的象征。图图1-1瓷器瓷器112 青铜青铜器时代器时代l铜锡合金青铜是人类历史上发明的第一个合金。l灿灿烂烂的的青青铜铜文文化化：“司司母母戊戊”；越王勾践的宝宝剑剑；战国青青铜铜编编钟钟，秦皇陵墓铜铜车车马马等。图图1-2司母戊鼎司母戊鼎1 11 13 3 铁器时代铁器时代 l 从春秋战国时期(公元前770221年)已开始大量使用铁器：铸铁刑鼎；铁丸、铁锸和铁鼎，比其他国家早许多个世纪。l先先

3、炼炼铁铁后后炼炼钢钢的两步炼钢技术比其它国家早1600多年。l 钢的热处理技术热处理技术114 钢铁工业和有色金属钢铁工业和有色金属的发展的发展l15世纪以后，欧洲钢铁工业的发展。从20世纪50年代初至70年代末，全世界钢的年产量由2.1亿t增加到7.5亿吨。l目前我国钢产量已跃居世界首位。l有色金属也得到了发展。115 非金属材料的发展非金属材料的发展l丝绸丝绸ll人人工工合合成成高高分分子子材材料料:从20世纪60年代到70年代，有机合成材料每年以14的速度增长而金属材料的年增长率仅为4。20世纪90年 代初，塑料产量已逾1亿t，按体积计，已超过 钢铁产量。l陶陶瓷瓷材材料料:耐高温、耐腐

4、蚀的氧化铝；将电信息转变为光信息的铌酸锂；用于切削刀具的氮化硅；具有高温超导性能的氧化钇等。1 11 16 6 复合材料及新材料技复合材料及新材料技术的发展术的发展 l宇航和航空工业中制造卫星壳体、宇宙飞行器外壳、飞机机身等；l在交通运输工业中制造汽车车身、轻型船、艇等；l在石油化工工业中制造耐酸、耐碱、耐油的容器、管道等。l我国在新新材材料料的的研研究究和和材材料料加加工工新新工工艺艺的研究工作中取得了卓有成效的重大成果。1.2 材料应用现状与新材料的材料应用现状与新材料的发展趋势发展趋势l121材料应用的现状材料应用的现状l用用量量最最大大的的材材料料是钢铁材料和铝合金、铜合金、钛合金和镍

5、合金等有色金属。l高分子材料、陶瓷材料和复合材料在不同工业部门也得到一定的应用，有些部门则大量使用这些材料。1 12 22 2 新材料的发展趋势新材料的发展趋势 l1先进复合材料先进复合材料l2光电子信息材料光电子信息材料l3低维材料低维材料l4新型金属材料新型金属材料l5.高性能塑料高性能塑料l6.先进陶瓷材料先进陶瓷材料l7超导材料超导材料1.3 材料科学与工程材料科学与工程l131材料科学与工程学科的形成材料科学与工程学科的形成材料科学与工程学科的形成是材料的发展和科学技术进步的结果，同时又为推动材料的发展和科技的进步创造了条件。132 材料科学与工程的内容材料科学与工程的内容l1材料科

6、学与工程材料科学与工程的四要素的四要素l四个要素四个要素，即制备与加工、组成与结构、性能和使用性能，它们之间的关系如图1-3 所示。材料科学与工程的核心内容是结构与性能的关系。图图1-3 1-3 材料科学与工程四要素的关系材料科学与工程四要素的关系材料科学与工程的范围及其与材料科学与工程的范围及其与基础科学和应用间的关系基础科学和应用间的关系成分结构性能性能的表征与检测工艺流程制备科学与工艺工程材料基础科学（数、理、化、生、地）实际应用信息、能源、交通运输、机械制造2 2材料的性能材料的性能 l可分两类：力学性能和物理性能，如表1-2所示。力学性能力学性能强度强度弹性模量抗拉强度屈服强度塑性塑

7、性%延伸率%断面收缩率硬度硬度抗划痕能力磨损率冲击冲击吸收能量韧性转变温度蠕变蠕变蠕变速度应力持久强度疲劳疲劳疲劳极限疲劳寿命续上表物理性能物理性能密度密度电学性能电学性能导电性介电性（绝缘性）铁电性压电性磁学性能磁学性能铁氧体磁性铁磁性顺磁性光学性能光学性能吸收颜色衍射激光作用光导反射透射热学性能热学性能热容量导热性热膨胀3 3使用性能使用性能 l使用性能是材料在使用条件下表现出的行为，包括环境影响、受力状态、可靠性、耐用性、寿命预测及延寿措施、材料设计等内容。4 4组成与结构组成与结构 l一定的化学组成化学组成，这是决定材料结构和性能的内在因素。(a)工业纯铁，铁素体(b)含碳0.4%的碳

8、钢,铁素体珠光体(c)含碳0.8%的碳钢，珠光体(d)含碳1.2%的碳钢,珠光体二次渗碳体图图1-5 1-5 四种不同碳四种不同碳质质量分数的量分数的铁铁碳合金的室温平衡碳合金的室温平衡组织组织 续上页 图1-6 材料内部四个不同层次的结构（a）原子结构(b)原子排列(c)铁的晶粒组织 结构可分为四个层次，如图结构可分为四个层次，如图1-61-6所示，所有这些层所示，所有这些层次都会影响材料的性能。次都会影响材料的性能。(d)白口铸铁中的多相组织 5 5制备与加工制备与加工 l材料的制备与加工既包括传统的冶炼、铸造、压力加工、焊接、热处理、烧结、表面技术、机械加工和对加工过程的模拟与仿真技术，

9、也包括了新发展的高能束（激光束、电子束和离子束）表面改性技术、真空溅射、气相沉积、热喷涂、多种材料复合等新工艺。材料的制备与加工决定了材料的成分和组织结构，从而决定了材料的性能。1 13 33 3 材料科学与工程的特点材料科学与工程的特点 l1.1.材料科学与工程是多学科交叉的新兴学科材料科学与工程是多学科交叉的新兴学科l2.2.材料科学与工程技术有不可分割的关系材料科学与工程技术有不可分割的关系l3.3.科学与工程有很强的应用目的和明确的应科学与工程有很强的应用目的和明确的应 用背景用背景1.4 材料的分类材料的分类分为金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料四大类四大类：141 金属材料金

10、属材料l金属材料金属材料是以金属元素为基础的材料。l合合金金即是在纯金属中，有意地加入一种或多种其他元素，通过冶金或粉末冶金方法制成的具有金金属属特性的材料。l金属材料是最重要的工程材料最重要的工程材料。l金属材料可分为两大部分：（1）黑色金属；（2）有色金属。142 高分子材料高分子材料l分为四大类：l1塑料；l2合成纤维；l3橡胶l4胶粘剂143 陶瓷材料陶瓷材料l陶瓷是一种或多种金属元素同一种非金属元素(通常为氧)的化合物。主要为金属氧化物和金属非氧化合物。包括无机玻璃、玻璃陶瓷(或称微晶玻璃)和陶瓷等三类。工程上应用最广的是陶瓷。l工业陶瓷材料可分为：（1）普通陶瓷(或传统陶瓷)；（2

11、）特种陶瓷(或新型陶瓷)；（3）金属陶瓷。144 复合材料复合材料l 复合材料就是两种或两种以上不同材料的组合材料，其性能优于它的组成材料。复合材料在强度、刚度和耐蚀性方面比单纯的金属、陶瓷和聚合物都优越，是一类特殊的工程材料，具有广阔的发展前景。15 材料加工工程材料加工工程l151材料加工工艺材料加工工艺l材料加工可以将未经成型的坯料加工成所要求形状的零件（表1-3典型的材料加工工艺）。金属材料铸造：砂型、压铸、永久铸型、熔模铸造、连续铸造成型：锻造、拉丝、深冲、弯曲连接：气焊、钎焊、氩弧焊、锡焊、磨擦焊、扩散焊机械加工：车、铣、刨、钻、磨、切割粉末冶金将液态金属浇入或注入固体模中得到所要

12、求的形状。通常在热态下用高压力将固体金属变形成为一定形状。将液态金属变形或高压、高温将几块金属连接在一起。用切削加工去掉多余金属。高压下将金属粉压成一定形状，再高温加热使之连成一体。陶瓷材料铸造：包括涂泥釉压制：挤压、压制、等静压成形烧结：将液体陶瓷或液体加固体的陶瓷泥浆浇注成所需的形状。将固体陶瓷或液体加固体陶瓷的粘性泥浆压成一定形状。将压制成的固体进行高温加热，使之粘连成块。聚合物模制：注模法，转移模塑法成形：旋压、挤压、真空成形将热的或甚至液态的聚合物压入模具中，类似铸造。将受热聚合物通过模孔或包裹在模胎上，获得某种形状。复合材料铸造：包括渗透成形连接：胶粘剂粘接、爆炸连接、扩散连接压制

13、和烧结液体组分包围着另一种组分，以获得完整的复合材料。用力使一个软质组分围绕复合材料的第二组分发生变形。通过胶接、变形或高温过程将两种组分连接在一起。将粉末状组分压制成形，然后加热使粉末连接在一起。1 15 52 2 材料加工对结构和性能的影响材料加工对结构和性能的影响 图图1-7材料加工与结构、性能的关系材料加工与结构、性能的关系材料加工的方法会影响它的材料加工的方法会影响它的组织结组织结构：构：图图1-8 1-8 采用采用铸铸造方法和塑性成型方法制作的造方法和塑性成型方法制作的铜铜棒棒结结构构 1.6 1.6 课程主要内容及要求：课程主要内容及要求：l1.6.1课程主要内容课程主要内容l绪

14、论;原子结构与结合键;晶体结构;扩散;材料的固化;二元合金相图;l材料力学性能;固态相变;高分子材料结构与性能;陶瓷材料结构与性能。1.6.2 教学要求教学要求 教学环节：讲课36，习题课4，实验8课程特点：技术基础课，掌握原理和方法，联系 实际教学要求：1.认真听课、作好笔记 2复习与作业 3实验与报告 4.学习方法：概念归纳总结、记忆1.6.3 1.6.3 考核问题考核问题l成绩分配：平时成绩：30%（实验10%；习题20%）考试：70%l考试方式：期末考试以笔试为主，部分同学可申 请口试1.6.4 1.6.4 主要参考书主要参考书 1“材料工程基础”，王昆林编著,清华大学出版社 2“材料

15、科学基础”，马泗春主编 陕西科技出版社 3“Principles of Materials Science and Engineering”第三版，作者：illiam F.Smith,出版社：McGraw-Hill,Inc.小结（一）小结（一）l了了解解材材料料发发展展简简史史：石石器器时时代代、青青铜铜器器时时代代和和铁铁器器时时代代；近近代代钢钢铁铁工工业业和和有有色色金金属属的的发发展展。现已进入人工合成材料的新时代。现已进入人工合成材料的新时代。l材材料料应应用用以以金金属属材材料料为为主主，先先进进复复合合材材料料、光光电电子子信信息息材材料料、低低维维材材料料、新新型型金金属属材材

16、料料等等各各类新材料得到迅速地发展。类新材料得到迅速地发展。l 在在材材料料发发展展和和科科学学技技术术进进步步的的基基础础上上，形形成成了了材材料料科科学学与与工工程程学学科科。材材料料科科学学与与工工程程包包括括四四个个要要素素，即即制制备备与与加加工工、组组成成与与结结构构、性性能能和和使使用性能，其核心内容是材料结构与性能的关系。用性能，其核心内容是材料结构与性能的关系。小结（二）小结（二）l通通常常按按材材料料的的组组成成和和结结构构特特点点，将将其其分分为为金金属属材材料料（包包括括黑黑色色金金属属和和有有色色金金属属）、高高分分子子材材料料（包包括括塑塑料料、合合成成纤纤维维、橡橡胶胶和和胶胶粘粘剂剂）、陶瓷材料和复合材料四大类。、陶瓷材料和复合材料四大类。l 材料加工的任务则是把材料加工成形，得材料加工的任务则是把材料加工成形，得到可供使用的产品。只有掌握材料科学与工程到可供使用的产品。只有掌握材料科学与工程的基本理论和基本知识，才能进一步学习、掌的基本理论和基本知识，才能进一步学习、掌握各种材料加工技术，并为新材料的制备和加握各种材料加工技术，并为新材料的制备和加工，为合理地使用各种工程材料，奠定必要的工，为合理地使用各种工程材料，奠定必要的基础。基础。