材料学概论1-绪论.pdf

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1、材料学概论材料学概论 材料是人类文明材料是人类文明发展的物质基础发展的物质基础 内容：内容：学习材料学的基本知识。主要涉及学习材料学的基本知识。主要涉及到各种材料的组成、结构、性能、应用以到各种材料的组成、结构、性能、应用以及它们之间的关系。及它们之间的关系。目的：目的：材料类专业的入门课及专业基础课材料类专业的入门课及专业基础课之一。了解材料的基本知识，逐步扩大材之一。了解材料的基本知识，逐步扩大材料的专业知识面，培养分析和解决有关材料的专业知识面，培养分析和解决有关材料问题的初步能力。料问题的初步能力。1.材料的定义与分类材料的定义与分类 2.材料的地位和作用材料的地位和作用 3.材料学的

2、形成和发展材料学的形成和发展 4.材料的性质材料的性质 第一章第一章 绪论绪论 1.1、材料的定义、材料的定义 材料是人类用来制造有用的构件、器件材料是人类用来制造有用的构件、器件或物品的物质。或物品的物质。材料与物质的区别：材料与物质的区别：对材料而言，可采用对材料而言，可采用“好”或“不好”“好”或“不好”等字眼等字眼加以评价，对物质则不能这样；加以评价，对物质则不能这样；材料总是和材料总是和一定的用途一定的用途相联系的；相联系的；材料可由材料可由一种物质一种物质或或若干种物质若干种物质构成；构成；同一种物质同一种物质，由于制备方法或加工方法的不，由于制备方法或加工方法的不同，可成为用途各

3、异的同，可成为用途各异的不同类型的材料。不同类型的材料。1.2、材料的类别材料的类别 按化学组成按化学组成 和结构特点：和结构特点：金属材料金属材料 、无机非金属材料、无机非金属材料、高分子材料、高分子材料、复合材料复合材料 按材料性能：按材料性能：结构材料结构材料 、功能材料、功能材料 按使用领域：按使用领域：建筑材料、电子材料、耐火建筑材料、电子材料、耐火材料、医用材料材料、医用材料 请说出装请说出装可口可乐可口可乐的瓶子材料类型的瓶子材料类型 请指出汽车上请指出汽车上的材料类型的材料类型 材料是人类社会发展的基础和先导材料是人类社会发展的基础和先导，是人类社会进步的里程碑和划时代是人类社

4、会进步的里程碑和划时代的标志的标志。材料材料、能源能源、信息信息被称为被称为人 类 社 会 的人 类 社 会 的“三 大 支 柱三 大 支 柱”。2 2、材料的地位和作用、材料的地位和作用 纵观人类利用材料的历史，可以清纵观人类利用材料的历史，可以清楚地看到，每一种重要新材料的发现和楚地看到，每一种重要新材料的发现和应用，都把人类支配自然的能力提高到应用，都把人类支配自然的能力提高到一个新的水平。一个新的水平。材料科学技术的每一次重大突破都材料科学技术的每一次重大突破都会引起生产技术的重大变革，甚至引起会引起生产技术的重大变革，甚至引起一次世界性的技术革命，大大地加速社一次世界性的技术革命，大

5、大地加速社会发展的进程，从而把人类物质文明推会发展的进程，从而把人类物质文明推向前进。向前进。人类文明的发展史就是材料的发展史人类文明的发展史就是材料的发展史 材料的发展史就是人类文明的发展史材料的发展史就是人类文明的发展史 石器时代、青铜器时代、铁器时代、石器时代、青铜器时代、铁器时代、半导体时代、半导体时代 300300多万年历史多万年历史?青铜器时代青铜器时代 两次工业革命都是以新材料两次工业革命都是以新材料的发明和广泛应用为先导的的发明和广泛应用为先导的 第一次工业革命（第一次工业革命（1818世纪）：制钢工业的发展世纪）：制钢工业的发展为蒸汽机的发明和应用奠定了物质基础。为蒸汽机的发

6、明和应用奠定了物质基础。第二次工业革命（第二次工业革命（2020世纪中叶以来）：单晶硅世纪中叶以来）：单晶硅材料对电子技术的发明和应用起了核心作用。材料对电子技术的发明和应用起了核心作用。是高技术发展的基础是高技术发展的基础 是工业革命和产业发展的先导是工业革命和产业发展的先导 新材料新材料 材料强度密度比在不同年代里的进展材料强度密度比在不同年代里的进展(材料比强度提高了约材料比强度提高了约5050倍倍)0 0 2 2 4 4 6 6 8 8 1010 BC500 500 C)C)SiCSiC与与SiSi使用范围比较使用范围比较 SiCSiC研究和应用现状研究和应用现状 高质量大尺寸的高质量

7、大尺寸的SiCSiC晶体几乎被美国晶体几乎被美国CreeCree公司垄断公司垄断。我国生产器件用的我国生产器件用的SiCSiC晶体全部依赖进口晶体全部依赖进口。2 2英寸晶片售价为：英寸晶片售价为：500500800800美元美元/片片 SiC是一种是一种 战略性材料战略性材料 发光二极管（LED）硅材料为什么不能用来做发光二极管？硅材料为什么不能用来做发光二极管？3 3、材料学的形成和发展、材料学的形成和发展 五十五万年前五十五万年前 人类学会用火人类学会用火 原始社会末期原始社会末期 用火烧制陶器用火烧制陶器 商周时期商周时期 釉陶、炉温提高到釉陶、炉温提高到12001200 东汉东汉 瓷

8、器（中国十分领先）瓷器（中国十分领先）*九世纪九世纪 阿拉伯国家阿拉伯国家 *十三世纪十三世纪 日本日本 *十五世纪十五世纪 欧洲欧洲 3.1 3.1 古代中外材料发展史对比古代中外材料发展史对比 夏夏（公元前2140）以前，以前，青铜冶炼青铜冶炼制备各种工具、制备各种工具、食器、兵器。食器、兵器。春秋战国出现春秋战国出现铁器铁器。西汉时期炼铁技术有了很大提高，采用煤作炼铁的西汉时期炼铁技术有了很大提高，采用煤作炼铁的燃料比欧洲早燃料比欧洲早17001700多年。多年。从西汉到明朝的一千六百年间，从西汉到明朝的一千六百年间，我国铁生产技术远我国铁生产技术远远超过世界各国。远超过世界各国。3.2

9、 材料科学的提出与建立材料科学的提出与建立 材料科学是在金属学、陶瓷学、高分子科学材料科学是在金属学、陶瓷学、高分子科学的基础上，结合物理、化学发展起来的。的基础上，结合物理、化学发展起来的。不同材料尽管各有特点，但它们之间却有相不同材料尽管各有特点，但它们之间却有相通的原理、共性和相似的研究、生产方法。通的原理、共性和相似的研究、生产方法。材料科学：材料科学：是有关材料成分、结构与工艺是有关材料成分、结构与工艺对于材料性质与用途的影响规律的知识与对于材料性质与用途的影响规律的知识与运用。运用。可以说，可以说，材料科学材料科学是一种近年来形成的交叉是一种近年来形成的交叉学科和应用科学，与工程技

10、术的联系较为密学科和应用科学，与工程技术的联系较为密切，所以人们往往把材料科学与工程联系在切，所以人们往往把材料科学与工程联系在一起，称之为一起，称之为“材料科学与工程材料科学与工程”。近年来，。近年来，又称为又称为“材料科学技术材料科学技术”。材料工程材料工程是指运用材料科学的理论知识和经是指运用材料科学的理论知识和经验知识，为满足各种特定需要而发展、制备验知识，为满足各种特定需要而发展、制备和改进各种材料的工艺技术。和改进各种材料的工艺技术。地地 质质 采采 矿矿 矿矿 冶冶 化化 工工 冶冶 金金 陶陶 瓷瓷 高分子高分子 物物 理理 材料科学与工程材料科学与工程 化化 学学 矿矿 18

11、791879 18881888 18881888 19371937 19371937 19661966 19751975 美国美国 MIT 材料系名称的演变材料系名称的演变 年年 系名称系名称 18651865 18791879 地质与采矿工程地质与采矿工程 18791879 18841884 采矿工程采矿工程 18841884 18881888 采矿工程采矿工程（地质、采矿、冶金）（地质、采矿、冶金）18881888 18901890 采矿与冶金采矿与冶金 18901890 19271927 采矿工程与冶金采矿工程与冶金 19271927 19371937 采矿与冶金采矿与冶金 193719

12、37 19661966 冶金冶金 19661966 19751975 冶金与材料科学冶金与材料科学 19751975 现在现在 材料科学与工程材料科学与工程 材料科学的内容可以用一个四面体来表示，也就材料科学的内容可以用一个四面体来表示，也就是材料科学是研究一种材料的成分（结构）、合是材料科学是研究一种材料的成分（结构）、合成（工艺）、性质与效能及它们之间的关系。成（工艺）、性质与效能及它们之间的关系。3.3 材料科学的内容材料科学的内容 效能效能(performance)性质（性质（properties)成分与结构成分与结构(composition/structure)合成与工艺合成与工艺(

13、synthesis/processing)3.4 材料科学的任务材料科学的任务 材料科学是一门交叉性学科和应用科学，它材料科学是一门交叉性学科和应用科学，它是物理、化学、冶金学、金属学、高分子科学、是物理、化学、冶金学、金属学、高分子科学、计算科学等学科相互融合与交叉的结果，是与实计算科学等学科相互融合与交叉的结果，是与实际应用结合非常密切的科学，也是一个正在发展际应用结合非常密切的科学，也是一个正在发展的科学，随有关学科的发展而得到充实和完善。的科学，随有关学科的发展而得到充实和完善。根本任务根本任务是揭示材料成分、结构与性质的内是揭示材料成分、结构与性质的内在关系，设计、合成并制备出具有优

14、良使用性能在关系，设计、合成并制备出具有优良使用性能的材料，以满足工农业生产、国防建设和现代科的材料，以满足工农业生产、国防建设和现代科学技术发展对材料日益增长的需要。学技术发展对材料日益增长的需要。1信息科学技术信息科学技术 信息材料信息材料 2新能源科学技术新能源科学技术 新能源材料新能源材料 3生物科学技术生物科学技术 生物材料生物材料 4空间科学技术空间科学技术 空间技术用材料空间技术用材料 5生态环境科学技术生态环境科学技术 环保材料环保材料 6用高技术改造、更新现有材料，发展材料科学技术用高技术改造、更新现有材料，发展材料科学技术 21世纪重点发展的高技术领域的材料世纪重点发展的高

15、技术领域的材料 新材料技术新材料技术群体性突破，群体性突破，将对将对21世纪基础世纪基础科学和几乎所有工业领域产生革命性影响科学和几乎所有工业领域产生革命性影响 纳米材料是前沿技术中前瞻性和带动性领域之一。纳米材料是前沿技术中前瞻性和带动性领域之一。电子信息材料发展迅速（光电子材料、光子材料）。电子信息材料发展迅速（光电子材料、光子材料）。新型功能材料及其应用技术面临新的突破（超导材料新型功能材料及其应用技术面临新的突破（超导材料、智能材料、生物医用材料）。、智能材料、生物医用材料）。新型结构材料发展前景乐观（高温合金、金属基复合新型结构材料发展前景乐观（高温合金、金属基复合材料、高分子材料、

16、钛合金、镁合金）。材料、高分子材料、钛合金、镁合金）。纳纳米米时时代代 材料专业材料专业 激动人心的领域、广阔的用途激动人心的领域、广阔的用途 充满着各种挑战和机遇充满着各种挑战和机遇 就业面广阔，满怀信心面向未来就业面广阔，满怀信心面向未来 材料性质描述材料性质描述 力学性质力学性质 物理性质物理性质 化学性质化学性质 强度强度 硬度硬度 刚度刚度 塑性塑性 韧性韧性 电学性质电学性质 磁学性质磁学性质 光学性质光学性质 热学性质热学性质 催化性质催化性质 防腐性质防腐性质 4 4、材料的性质、材料的性质 材料性质：是材料的功能特性和效应的描述，材料性质：是材料的功能特性和效应的描述，是材料

17、对电是材料对电.磁磁.光光.热热.机械载荷的反应。机械载荷的反应。4.1 力学性质力学性质 材料在力的作用下所表现出的特性即材料在力的作用下所表现出的特性即为材料的力学性质。为材料的力学性质。（1）弹性模量）弹性模量 弹性模量是指材料在弹性极限范围内，应弹性模量是指材料在弹性极限范围内，应力与应变（即与应力相对应的单位变形量）力与应变（即与应力相对应的单位变形量）的比值，用的比值，用E表示，即：表示，即：E（2）强度）强度 在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力称为强度。能力称为强度。(有多种强度类型）材料在外力作用下发生塑性变形的最小材料在外力作用下发生塑性

18、变形的最小应力叫应力叫屈服强度屈服强度，用，用s表示。工程上规定，表示。工程上规定，试样产生试样产生0.2%塑性变形时的应力值为该塑性变形时的应力值为该材料的条件屈服强度，记为材料的条件屈服强度，记为0.2。抗拉强度抗拉强度是将试样在拉力机上施以静态拉是将试样在拉力机上施以静态拉伸负荷，使其破坏（断裂）时的载荷。伸负荷，使其破坏（断裂）时的载荷。弯曲强度弯曲强度是指采用简支粱法将试样放在两是指采用简支粱法将试样放在两支点上，在两支点间的试样上施加集中载支点上，在两支点间的试样上施加集中载荷，使试样变形直至破裂时的载荷。荷，使试样变形直至破裂时的载荷。压缩强度压缩强度是指在试样上施加压缩载荷至破

19、是指在试样上施加压缩载荷至破裂（对脆性材料而言）或产生屈服现象裂（对脆性材料而言）或产生屈服现象（对非脆性材料而言）时，原单位横截面（对非脆性材料而言）时，原单位横截面积上所能承受的载荷。积上所能承受的载荷。（3）塑性）塑性 材料在断裂前发生永久变形的能力叫塑材料在断裂前发生永久变形的能力叫塑性，以材料断裂后的永久变形为衡量。性，以材料断裂后的永久变形为衡量。塑性指标有塑性指标有延伸率延伸率和和断面收缩率断面收缩率：与与越大，材料的塑性越好。越大，材料的塑性越好。%100001)(LLL延伸率%100010)(FFF断面收缩率（4）硬度）硬度 硬度是衡量材料软硬程度的指标，反映材料表面硬度是衡

20、量材料软硬程度的指标，反映材料表面抵抗微区塑性变形的能力。抵抗微区塑性变形的能力。工程上常用的有布氏工程上常用的有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等，还常用莫氏硬度。硬度、洛氏硬度、维氏硬度等，还常用莫氏硬度。（5）韧性）韧性 韧性是指材料抵抗裂纹萌生与扩展的能力。韧性是指材料抵抗裂纹萌生与扩展的能力。度量度量韧性的指标有两类。一类是韧性的指标有两类。一类是冲击韧性冲击韧性，用材料受，用材料受冲击而破断的过程所吸收的冲击功的大小来表征冲击而破断的过程所吸收的冲击功的大小来表征材料的韧性。另一类是材料的韧性。另一类是断裂韧性断裂韧性，用材料裂纹尖，用材料裂纹尖端应力强度因子的临界值端应力强度因子的临

21、界值K1C来表征材料的韧性。来表征材料的韧性。（6）疲劳强度）疲劳强度 疲劳强度指材料抵抗交变载荷的性能。疲劳强度指材料抵抗交变载荷的性能。交变载交变载荷是指大小和（或）方向重复循环变化的载荷。荷是指大小和（或）方向重复循环变化的载荷。在交变应力作用下，即使应力的最大值低于材在交变应力作用下，即使应力的最大值低于材料的屈服强度，材料经较长时间的工作也会发料的屈服强度，材料经较长时间的工作也会发生断裂，这种现象称为材料的生断裂，这种现象称为材料的疲劳疲劳。当应力低于某数值时，在无限多的循环周次下，当应力低于某数值时，在无限多的循环周次下，材料仍不断裂，此应力值称为疲劳强度或材料仍不断裂，此应力值

22、称为疲劳强度或疲劳疲劳极限。极限。4.2 电学性质电学性质 （1）导电性）导电性 材料导电性的量度为电阻率或电导率。电阻材料导电性的量度为电阻率或电导率。电阻R与导体的长度与导体的长度l成正比，与导体的截面积成正比，与导体的截面积S成反比，即：成反比，即：SlR 一般来说，金属材料及部分陶瓷材料和部分高分一般来说，金属材料及部分陶瓷材料和部分高分子材料是导体，普通陶瓷材料与大部分高分子材子材料是导体，普通陶瓷材料与大部分高分子材料是绝缘体。料是绝缘体。（2）介电性）介电性 当电压加到两块中间是真空的平行金属板上时，板上的当电压加到两块中间是真空的平行金属板上时，板上的电荷电荷 Q0与施加电压与

23、施加电压V成正比成正比 比例系数比例系数C0就是电容。如果两板间放入绝缘材料，在相就是电容。如果两板间放入绝缘材料，在相同电压下，电荷增加了同电压下，电荷增加了Q1，则则Q Q0 Q1CV 电介质引起电容量增加的比例，称为电介质引起电容量增加的比例，称为相对介电常数相对介电常数 VCQ000100QQQCC材料性质的交互性材料性质的交互性 -材料应用的关键点材料应用的关键点 现代功能材料不仅仅表现出单一的物理性质，更重要的是具备了特殊的物理交互性。例如：电学电学-力学力学 电致伸缩电致伸缩 力学力学-电学电学 压电特性压电特性 磁学磁学-力学力学 磁致伸缩磁致伸缩 电学电学-磁学磁学 巨磁阻效

24、应巨磁阻效应 电学电学-光学光学 电致发光电致发光 -4.3 热学性能热学性能 热容热容：1mol固体温度升高固体温度升高1K时所吸收的时所吸收的热量热量J/（mol K）热导率热导率：单位时间内在：单位时间内在1K温差的温差的1cm3正正方体的一个面向其所对的另一个面流过的方体的一个面向其所对的另一个面流过的热量，单位热量，单位J/（cm s K）。）。热膨胀系数热膨胀系数：单位长度物体的长度随温度：单位长度物体的长度随温度的变化率，单位的变化率，单位K-1。材料的使用性能（效能）：材料的使用性能（效能）：是指材料在某种环境或条件作用下，是指材料在某种环境或条件作用下，最终使用状态（产品或元

25、件）表现出的最终使用状态（产品或元件）表现出的行为。行为。性质与使用性能（效能）的区别与关系性质与使用性能（效能）的区别与关系 成分成分 结构结构 环境环境 性质性质 规格规格 使用使用 性能性能 所以，性质是材料本身特征的体现；使用性能则是包所以，性质是材料本身特征的体现；使用性能则是包括材料在内的整个系统特征的体现括材料在内的整个系统特征的体现。材料的应用要考虑以下几个因素：材料的应用要考虑以下几个因素：一、材料的使用性能一、材料的使用性能 二、使用寿命及可靠性二、使用寿命及可靠性 三、环境适应性三、环境适应性（包括生产过程与使用期间）（包括生产过程与使用期间）四、价格四、价格 1.1.名词解释：材料、材料科学名词解释：材料、材料科学 2.2.材料科学的内容及任务。材料科学的内容及任务。3.3.举例说明材料在人类文明进举例说明材料在人类文明进程中的作用。程中的作用。作业作业