材料科学和工程基础第一章.ppt

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1、材料科学与工程基础材料科学与工程基础材料科学与工程基础材料科学与工程基础 李晓燕李晓燕E-Mail:本课程的特点及学习方法：本课程的特点及学习方法：本课程的特点：本课程的特点：概念术语多、死记硬背多、概念术语多、死记硬背多、相关学科多（物理学、化学、热力学、矿物相关学科多（物理学、化学、热力学、矿物学、金属学、陶瓷学及高分子科学等）。学、金属学、陶瓷学及高分子科学等）。学习方法：学习方法：作为一门应用学科，基础理论和作为一门应用学科，基础理论和基础概念要掌握，注意重点，做好笔记；掌基础概念要掌握，注意重点，做好笔记；掌握例题的解题方法，还要理论联系实际；要握例题的解题方法，还要理论联系实际；要

2、学以致用，善于归纳总结；独立完成作业。学以致用，善于归纳总结；独立完成作业。课程安排：课程安排：必修课，必修课，6464学时。学时。考核成绩：考核成绩：平时成绩平时成绩+期中考期中考试试+期期末末考试。考试。教材教材：顾宜主编的：顾宜主编的材料科学与工程基材料科学与工程基础础 参考书目：参考书目：王高潮主编的王高潮主编的材料科学与工程导论材料科学与工程导论；杨瑞成等主编的杨瑞成等主编的材料科学与工程导论材料科学与工程导论；顾家琳等编著的顾家琳等编著的材料科学与工程概论材料科学与工程概论；许并社主编的许并社主编的材料科学概论材料科学概论。第一章第一章 绪论绪论一、材料与人类文明及社会现代化1材料

3、与物质 材料是指具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质，是组成生产工具的物质基础。2.原料与材料原料与材料 原料由原料到材料。原料一般不是为获得产品，而是生产材料，往往伴随化学变化。材料的特点往往是为获得产品，一般从材料到产品的转变过程不发生化学变化。3.材料与物质材料与物质材料可由一种或多种物质组成。同一物质由于制备方法或加工方法不同可以得到用途各异、类型不同的材料。4材料是人类文明的里程碑 迄今为止，人类使用材料的历史已经历了7个时代。（1）石器时代（2）青铜器时代（3）铁器时代（4）水泥时代（5）钢时代（6）硅时代（7）新材料时代 石斧石器时代（石器时代（Stone Age

4、）:石斧、凿、刀、铲、箭头、石斧、凿、刀、铲、箭头、纺轮、钵等（西安半坡遗纺轮、钵等（西安半坡遗址）址）青铜器时代（青铜器时代（Bronze Age）:巨型司母戊鼎巨型司母戊鼎（河南安阳晚商遗址）（河南安阳晚商遗址）湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄成都金沙遗址出土的陶器宝钢高炉宝钢高炉Intel 24MB缓存17亿晶体管！晶体管的主要原料是：锗、硅半导体钛结构自行车：钛合金的应用场合非常特钛结构自行车：钛合金的应用场合非常特殊，一般用于需要抗腐蚀、耐疲劳、高弹殊，一般用于需要抗腐蚀、耐疲劳、高弹性的场合。性的场合。新型轮胎新型轮胎填补龋齿的新材填补龋齿的新材料料新型陶瓷新

5、型陶瓷原始形状原始形状拉直拉直加热后恢复加热后恢复形状记忆合金形状记忆合金原始形状原始形状折成球形装折成球形装入登月舱入登月舱太阳能加热后太阳能加热后形状记忆合金形状记忆合金智能烟灰缸智能烟灰缸航天飞机航天飞机材料的分类轻金属（轻金属（AlAl，MgMg，TiTi及及其合金）其合金）重金属（重金属（NiNi，MoMo及其及其合金）合金）合成纤维合成纤维橡胶橡胶工程塑料工程塑料金属基复合材料金属基复合材料高分子材料高分子材料复合材料复合材料金属陶瓷金属陶瓷特殊陶瓷特殊陶瓷普通陶瓷普通陶瓷树脂基复合材料树脂基复合材料陶瓷材料陶瓷材料铸铁铸铁工程材料工程材料有色金属有色金属金属材料金属材料黑色金属黑

6、色金属钢钢一、金属材料一、金属材料金属材料分为黑色金属材料和有色金属材金属材料分为黑色金属材料和有色金属材料两类。料两类。黑色金属材料包括钢、铸铁和铁合金。黑色金属材料包括钢、铸铁和铁合金。有色金属是指除铁以外的其它金属及其合有色金属是指除铁以外的其它金属及其合金。金。1.金属材料金属材料 (1)黑色金属材料黑色金属材料 化学成分碳素钢、合金钢 品质普通、优质、高级优质钢 钢钢 金相组织或组织结构珠光体、贝氏体、马氏体和奥氏体 用途建筑工程、结构、工具、特殊性能、专业用钢 冶炼方法平炉、转炉、电炉、沸腾炉钢 灰铸铁 可锻铸铁 铸铁铸铁 球墨铸铁 蠕墨铸铁 特殊性能铸铁 (2)有色金属有色金属

7、五大类五大类 轻金属 （4.58/cm2)铜、镍、铅、锌 贵金属 金、银、铂、铑 类金属（半）硅、硒、绅、硼 稀有金属 钛、锂、钨、钼、镭 常用的稀有金属材料有：Al、Cu、Zn、Sn、Pb、Mg、Ni 结合键为金属键，常规方法生产的金属为结合键为金属键，常规方法生产的金属为晶体结构；晶体结构；金属在常温下一般为固体，熔点较高；金属在常温下一般为固体，熔点较高；具有金属光泽；具有金属光泽；纯金属范性大，展性、延性也大；纯金属范性大，展性、延性也大；强度较高；强度较高；自由电子的存在，金属的导热和导电性好；自由电子的存在，金属的导热和导电性好；多数金属在空气中易被氧化。多数金属在空气中易被氧化。

8、金属材料的基本特性：金属材料的基本特性：(4)用途用途 a.结构材料:如机床,建筑机械设备、工程交通工具；b.导体材料，电线芯（铜）c.工具 二、无机非金属材料二、无机非金属材料无机非金属材料主要是硅酸盐材料，包括陶无机非金属材料主要是硅酸盐材料，包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料四类。瓷、玻璃、水泥和耐火材料四类。主要原料：天然的硅酸盐矿物和人工合成的主要原料：天然的硅酸盐矿物和人工合成的氧化物及其它少数化合物。氧化物及其它少数化合物。生产过程：原料处理成型煅烧。生产过程：原料处理成型煅烧。化学键主要是离子键、共价键以及它们的化学键主要是离子键、共价键以及它们的混合键；混合键；硬而脆、韧性低、抗

9、压不抗拉、对缺陷敏硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感；感；熔点较高，具有优良的耐高温、抗氧化性熔点较高，具有优良的耐高温、抗氧化性能；能；自由电子数目少、导热性和导电性较小；自由电子数目少、导热性和导电性较小；耐化学腐蚀性好；耐化学腐蚀性好；耐磨损；耐磨损；成型方式为粉末制坯、烧结成型。成型方式为粉末制坯、烧结成型。无机非金属材料（以陶瓷为例）的基本特性无机非金属材料（以陶瓷为例）的基本特性 (3)用途用途 建筑卫生陶瓷：瓷砖、浴缸。工程陶瓷 工程结构陶瓷：反应釜（耐酸、耐腐蚀）绝缘瓷瓶。功能陶瓷：磁性、导电。三、高分子材料三、高分子材料高分子化合物是以高分子化合物是以C C、H H、O

10、O、N N等元素等元素为基础，由许多结构相同的小单元重复为基础，由许多结构相同的小单元重复连接组成的。连接组成的。塑料、橡胶、纤维是使用量最大的三类塑料、橡胶、纤维是使用量最大的三类高分子材料。高分子材料。结合键主要为共价键，有部分范德华键；结合键主要为共价键，有部分范德华键；分子量大，无明显的熔点，有玻璃化转分子量大，无明显的熔点，有玻璃化转变温度、粘流温度。并有热塑性和热变温度、粘流温度。并有热塑性和热固性两类；固性两类；力学状态有玻璃态、高弹态和粘流态，力学状态有玻璃态、高弹态和粘流态，强度较高；强度较高；质量轻；质量轻；良好的绝缘性；良好的绝缘性；优越的化学稳定性；优越的化学稳定性；成

11、型方法较多。成型方法较多。高分子材料的基本特性：高分子材料的基本特性：(3)用途用途 结构材料：电视机壳体、冰箱壳体、轴承、机械零件 绝缘材料：漆包线、电缆、绝缘版、电器零件 建筑材料：贴面板、地贴 包装材料：塑料袋、薄膜、泡沫塑料 涂装：涂料 粘合剂：粘合剂 日用：织物（衣服）胶鞋 运输：轮胎，传送带 四、复合材料四、复合材料由由两种或两种以上组分组成，并两种或两种以上组分组成，并具有与其组成不同的新的性能的具有与其组成不同的新的性能的材料称为复合材料。材料称为复合材料。比强度和比模量高；比强度和比模量高；良好的抗疲劳性能；良好的抗疲劳性能；耐烧蚀性和耐高温性好；耐烧蚀性和耐高温性好；结构件

12、减振性能好；结构件减振性能好；具有良好的减磨、耐磨和自润滑性能。具有良好的减磨、耐磨和自润滑性能。复合材料的基本特点：复合材料的基本特点：(3)用途用途 无机-高分子 玻璃纤维增强塑料(玻璃钢)汽车,游艇,碳纤维增强塑料飞机机翼、高尔夫球棍、撑杆跳杆 金属陶瓷 飞机螺旋桨叶 综合金属韧性，陶瓷耐高温性 高分子-高分子 橡胶增韧塑料 抗冲PS ABS树脂 减震材料 材料科学与工程概述首先，各种材料的制造和应用发展到一个崭新的首先，各种材料的制造和应用发展到一个崭新的阶段。阶段。其次，固体物理、无机化学、有机化学、物理化其次，固体物理、无机化学、有机化学、物理化学等学科的发展，以及现代分析测试技术

13、和设备学等学科的发展，以及现代分析测试技术和设备的发展，对物质结构和物性的深入研究，推动了的发展，对物质结构和物性的深入研究，推动了对材料本质的了解。对材料本质的了解。第三，在材料科学形成之前，各种材料都已自成第三，在材料科学形成之前，各种材料都已自成体系。体系。一、材料科学的由来第四，各类材料的研究设备和生产手段有许多共同之处。第五，许多不同类型的材料可以相互代替和补充。第六，发展材料科学是复合材料发展的必要基础。二、材料科学与工程研究内容：是有关材料组织、结构、制研究内容：是有关材料组织、结构、制备工艺流程与材料性能和用途的关系，备工艺流程与材料性能和用途的关系，以及其知识的产生和应用。以

14、及其知识的产生和应用。材料科学基础是进行材料科学研究的基础材料科学基础是进行材料科学研究的基础理论，它将各种材料（包括金属、陶瓷、理论，它将各种材料（包括金属、陶瓷、高分子材料）的微观结构和宏观结构规律高分子材料）的微观结构和宏观结构规律建立在共同的理论基础上，用于指导材料建立在共同的理论基础上，用于指导材料的研究、生产、应用和发展。的研究、生产、应用和发展。材料科学包括下面三个环节，核心是结构和材料科学包括下面三个环节，核心是结构和性能。性能。材料科学材料科学工艺工艺结构结构性能性能材料工程是工程的一个领域，其目的材料工程是工程的一个领域，其目的在于经济地，又为社会所能接受地控在于经济地，又

15、为社会所能接受地控制材料的结构、性能和形状。它包括制材料的结构、性能和形状。它包括下面的五个环节。下面的五个环节。材料工程设备工艺结构性能构件行为材料科学与工程的性质与范围 1材料科学与工程的组成要素 材料组成与结构材料组成与结构 使用性能使用性能 合成与制备过程合成与制备过程 材料的性质材料的性质 图图11 材料科学与工程的内涵材料科学与工程的内涵材料科学与工程基础重要性认识认识材料的制备、结构、品质、服役、材料的制备、结构、品质、服役、变化与损伤乃至破坏全过程，并知道如变化与损伤乃至破坏全过程，并知道如何去控制他们的何去控制他们的钥匙钥匙。本课程的内容本课程的内容第一章第一章 绪论绪论 材料的定义、分类 及基本内容 第二章第二章 物质结构基础物质结构基础 各类材料结构上的共性基础、原子分子、聚集 态、表面、转变 第三章第三章 材料的组成及结构材料的组成及结构 从材料的组成入手，阐述各种材料的聚集态结 构和宏观组织结构。第四章第四章 材料的性能材料的性能 阐明在应力、热、光、电、声、化学介质等各种外界因素下，各类材料所表现的宏观性质、破坏形式及其内部结构的变化规律。第五章第五章 材料的制备和成型加工材料的制备和成型加工 从不同种类材料出发，阐明材料的制备原理和方法。