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材料科學與工程導論

Introduction

to

materialscienceand

engineering

河南理工大學礦物加工專業(yè)第1頁緒論材料定義與分類材料地位和作用材料科學與工程形成和發(fā)展第2頁材料定義材料是人類用于制造機器、構件和產品物質,是人類賴以生存和發(fā)展物質基礎。第3頁挑戰(zhàn)者1983首航第十次

一個O形環(huán)失效升空后73秒時，爆炸解體墜毀。機上7名宇航員第4頁RMS

Titanic冰山撞擊了船體，造成船底鉚釘承受不了撞擊因而毀壞，當初制造時也有考慮鉚釘材質使用較脆弱，而在鉚釘制造過程中加入了礦渣，但礦渣分布過密，因而使鉚釘變得脆弱無法承受撞擊冰海淹沒第5頁材料分類分類一：按物理化學屬性劃分無機非金屬材料金屬材料高分子材料復合材料第6頁材料分類分類二：按用途分電子信息材料航空航天材料核材料建筑材料生物醫(yī)用材料能源材/p>

圖13中科院金屬所研制納米碳纖維儲氫材料

第7頁材料分類分類三：按性能分結構材料：力學性能為基礎，制造受力構件所需材料。功效材料：利用物質獨特物理化學性質或生物功效而形成材料。第8頁材料分類分類三：按性能分功效材料智能材料第9頁材料分類分類四：按應用與發(fā)展分傳統(tǒng)材料新材料第10頁第11頁材料是人類文明里程碑人類使用不一樣材料開始時間第12頁材料是社會當代化物質基礎與先導第一次工業(yè)革命（18世紀）：蒸汽機、煤、鐵、鋼四個主要原因，the

age

of

machine。鋼鐵材料進步是其主要物質基礎第13頁第二次工業(yè)革命（20世紀中葉以來）：單晶硅材料對電子技術創(chuàng)造和應用起了關鍵作用。第14頁材料強度密度比在不一樣年代里進展(由圖中能夠看出,當代先進材料強度已比原始材料提升了約50倍)鋁木材石料青銅鑄鐵鋼復合材料碳纖維芳香族酰胺纖維6第15頁當代渦輪噴氣發(fā)動機３０年代氣冷式航空發(fā)動機蒸汽機第16頁19501960197019801990900110015001300材料表面溫度(℃)1700單晶合金普通鑄件定向凝固超級合金共晶合金彌散強化超級合金隔熱涂層陶瓷復合材料碳-碳在發(fā)動機上應用年份葉片材料發(fā)展歷程纖維增強超級合金第17頁1490C3150C6490C10930C16490C發(fā)動機溫度一次大戰(zhàn)水冷式30年代空冷式風扇噴氣發(fā)動機蝸輪噴氣發(fā)動機超音速燃燒沖壓式噴氣發(fā)動機溫度（0C）第18頁+175+390+595金屬玻璃纖維KavlarC/C復合材料Km導彈射程火箭殼體材料與導彈射程第19頁alight,strong

para-aramidsyntheticfiber芳族聚酰胺合成纖維5timesstrongerthansteelonanequalweightbasisKavlar苯二胺對苯二酰第20頁ENIAC

ElectronicNumericalIntegratorAndComputer電子管1941-1946美國vacuumtubecomputers170平方米，30噸，150千瓦，48萬美元17,468電子管10,000電容器，1500繼電器，6000多個開關，“絕招”----—1秒5000次加法和500次乘法，繼電器計算機快1000多倍，手工計算20萬倍。第21頁TRADIC-TransistorizedAirborneDigitalComputer美國貝爾試驗室1954晶體管（transistors）800Itcouldperformamillionlogicaloperationseverysecond,stillnotquiteasfastasthevacuumtubecomputersoftheday,butprettyclose.Andbestofall,itoperatedonlessthan100wattsofpoweranditwasmuchmorereliablethanitsvacuumtube

predecessors.第22頁IBM360集成電路計算機1964Itwasthefirstfamilyofcomputersdesignedtocoverthecompleterangeofapplications,fromsmalltolarge,bothcommercialandscientific.第23頁1970stensofthousandsoftransistorsperchipLSIMillionVLSI1989Millionbilliontransistortensbilliontransistor第24頁IBM51501981

8088微處理器ImacG4第25頁CompaqLTE386laptop1989

Intel8086

processor第26頁小結上述事例雄辯表明，新材料在人類社會進步、產業(yè)革命和提升人類生活品質中含有尤其主要基礎和先導作用，其發(fā)展對提升國家綜合國力含有巨大推進作用和深遠影響。第27頁二十一世紀重點發(fā)展高技術領域材料選擇信息科學技術信息材料新能源科學技術新能源材料生物科學技術生物醫(yī)用材料空間科學技術空間技術用材料生態(tài)環(huán)境科學技術生態(tài)環(huán)境材料用高技術改造、更新現有材料，發(fā)展材料科學技術第28頁信息科學技術正在發(fā)生結構性變革，依然是經濟連續(xù)增加主導力量通信網絡技術為信息產業(yè)注入強大活力3G時代3rd-generation半導體技術進入納米時代納米芯片機器人計算機智能技術日新月異第29頁高錕光纖之父高錕教授在一九六六年發(fā)表光通訊九十年代n

1.48

1.46LED激光光敏元件2億m/s3億單模多模反射光子晶體衍射第30頁生物技術正經歷著一場前所未有技術革命，一個龐大生物產業(yè)正在孕育和形成基因組學、蛋白質科學、干細胞及再生醫(yī)學研究成為生命科學前沿與熱點干細胞及再生醫(yī)學研究及應用為人類健康開辟了新道路生物芯片在醫(yī)療和科研領域轉基因技術第31頁航天技術快速發(fā)展，不停開辟人類探索新空間太空探索帶動太空探索技術加速發(fā)展研制各種用途新一代航天飛行器成未來趨勢小衛(wèi)星技術日趨成熟并將廣泛應用太空攻防技術成為未來航天技術發(fā)展主要領域第32頁第33頁能源材料煤炭高效清潔利用成為化石能源技術研發(fā)燒點核能技術氫能儲氫材料新能源和可再生能源技術展現良好前景南非沙索技術轉讓10億第34頁新材料技術出現群體性突破，將對二十一世紀基礎科學和幾乎全部工業(yè)領域產生革命性影響納米技術是前沿技術中最具前瞻性和帶動性領域之一光電子材料、光子材料將成為發(fā)展最快和最有前途電子信息材料。新型功能材料（超導材料、智能材料、生物醫(yī)用材料）新型結構材料（高溫合金、難熔金屬、金屬間化合物、金屬基復合材料、高分子材料、鈦合金、鎂合金）第35頁二十一世紀材料生產模式材料單項循環(huán)：材料產業(yè)：資源能源消耗大戶環(huán)境污染主要起源第36頁單項模式災難第37頁材料循環(huán)材料雙向循環(huán)模式廢物在不一樣生產過程中循環(huán)多產品共生工業(yè)模式三廢綜合利用第38頁礦物加工礦產原材料工業(yè)廢料粉煤灰廢舊電子產品等雙向循環(huán)模式第39頁第40頁雙向循環(huán)模式第41頁材料科學與工程定義材料科學：研究材料組織結構與性質之間關系。材料工程：是研究材料在制備、處理加工過程中工藝和各種工程問題。材料科學與工程：是指出研究相關材料組成、結構、制備工藝流程與材料性能和用途關系知識和它應用。第42頁材料科學與工程特點基礎科學研究結構性能使用特征社會需求和經驗科學知識經驗積累MSE工藝第43頁材料科學與工程特點一是多學科交叉。它是物理學、化學、冶金學、金屬學、陶瓷學、高分子化學及計算科學相互融合和交叉結果；二是一個與實際使用結合非常緊密科學。發(fā)展材料科學目標在于開發(fā)新材料，提升材料性能和質量，合理使用材料，同時降低材料成本和降低污染；三是材料科學是一個正在發(fā)展中科學。不像物理學、化學已經有很成熟體系，它將伴隨各相關學科發(fā)展而得到充實和發(fā)展。第44頁材料科學與工程內涵組成要素：成份結構合成加工使用效能第45頁材料科學與工程形成和發(fā)展材料科學與工程學科形成與發(fā)展，反應了學科發(fā)展從細分到整合基本規(guī)律。第46頁材料科學與工程由來為了滿足經濟和社會需求,人們早已大量使用材料,并推進材料不停發(fā)展。但20世紀之前材料進步往往大量依靠人們經驗、技巧、繼承和積累,發(fā)展速度還是遲緩,其原因在于人們還沒有對材料在科學上有深刻認識和了解。直到20世紀60年代才提出“材料科學”概念，“材料科學”形成實際上也是科學技術發(fā)展結果。第47頁是各學科綜合發(fā)展必定結果固體物理、無機有機化學、物理化學物質結構和性質冶金學、金屬學陶瓷學、高分子學材料制備結構與性能金屬材料、高分子材料與陶瓷材料之間共性規(guī)律材料科學第48頁從社會經濟需求牽引、科學技術發(fā)展推進以及不一樣材料很多共性來看，有必要形成一門材料科學。材料科學普通認為研究材料組織、結構和性質關系，探索自然規(guī)律，屬于基礎研究；但實際上，研究和發(fā)展材料目標在于應用。材料又是一門應用科學，研究材料必須經過合理工藝流程才能制備出含有實際價值材料來，即材料工程問題。第49頁美國MIT1865～1879地質與采礦工程1879～1884采礦工程1884～1888采礦工程（地質、采礦、冶金）1888～1890采礦與冶金1890～1927采礦工程與冶金1927～1937采礦與冶金1937～1966冶金1966～1975冶金與材料科學1975～現在材料科學與工程高校材料系發(fā)展歷史第50頁第51頁第52頁Thanksforyourattention第53頁第二部分材料科學與工程四要素MSE四要素使用性能材料性質結構與成份合成與加工兩個主要內容儀器與設備分析與建模第54頁54材料性質：是功效特征和效用描述符，是材料

對電.磁.光.熱.機械載荷反應。材料性質描述力學性質物理性質化學性質強度硬度剛度塑性韌性電學性質磁學性質光學性質熱學性質催化性質腐蝕性氧化性第55頁55

材料結構鍵合結構晶體結構組織結構第56頁56

材料結構----鍵合結構離子建共價鍵金屬鍵化學鍵氫鍵分子鍵物理鍵結合能陶瓷材料高分子材料金屬材料冰（H20）鹵族晶體注：1.有些陶瓷材料屬共價鍵化合物，如SiC陶瓷；

2.分子鍵又稱范德瓦爾斯力

3.實際晶體并非只有一個鍵合結構，如冰晶（共價鍵、氫鍵）第57頁57晶體：原子排列長程有序，有周期

材料結構----晶體結構非晶體：原子排列短程有序，無周期準晶體：原子排列長程有序，無周期第58頁58定義：組成材料不一樣物質表示出某種形態(tài)特征

材料結構----組織結構勻晶型組織共晶型組織包晶型組織相圖特征結構特征馬氏體組織奧氏體組織貝氏體組織…...組合特征單相組織兩相組織多相組織…...第59頁59材料力學性能在外加載荷或與環(huán)境原因聯(lián)合作用下表現出各種行為。第60頁60結構材料性質表征----材料力學性質強度：材料抵抗外應力能力。塑性：外力作用下，材料發(fā)生不可逆永久性變形而不破壞能力。硬度：材料在表面上小體積內抵抗變形或破裂能力。剛度：外應力作用下材料抵抗彈性變形能力。第61頁61結構材料性質表征----材料力學性質疲勞強度：材料抵抗交變應力作用下斷裂破壞能力。抗蠕變性：材料在恒定應力（或恒定載荷）作用下抵抗變形能力。韌性：材料從塑性變形到斷裂全過程中吸收能量能力。第62頁62強度范圍剛度范圍塑性范圍韌性范圍應力應變第63頁632.強度表征：

彈性極限

屈服強度抗拉強度

斷裂強度

……強度1.強度定義：抵抗變形和斷裂能力

第64頁64強度指標意義彈性極限：發(fā)生彈性形變中最大應力。彈性結束塑性變形開始。理論值。σ0.01殘留塑性變形0.01應力。彈性變形是物體卸載后就完全消失那種變形,而塑性變形則是指卸載后不能消失而殘留下來那部分變形又稱殘余變形。第65頁65強度指標及意義屈服強度：屈服現象開始發(fā)生時應力，是材料發(fā)生顯著塑性變形抗力。屈服：試樣繼續(xù)拉長載荷卻不增加。條件屈服強度：一定殘余伸長對應應力。σ0.01

σ0.2

應用：制品設計材料加工如高壓氣密容器緊錮螺栓密封圈橡膠墊第66頁66強度指標意義抗拉強度：開始發(fā)生頸縮時應力。斷裂強度：斷裂時應力值。σbσf比較各種材料性能。但對材料選擇和加工意義不大。屈服強度決定第67頁67應力應變曲線第68頁68材料力學性能塑性表征及意義塑性：斷裂前材料發(fā)生塑性變形能力。指卸載后不能消失而殘留下來那部分變形延伸率δ

斷面收縮率φ第69頁69延伸率δ

是塑性伸長量度

δ

=ΔL/L0=（L-L0）/L0原始標距長度斷裂后試樣標距長度斷面收縮率φ

是塑性收縮量度=ΔAf/A0第70頁70加工硬化金屬材料在再結晶溫度以下經加工（壓鍛）產生塑性變形時強度和硬度升高，而塑性和韌性降低現象。第71頁71加工硬化有利：它可提升金屬強度、硬度和耐磨性。如冷拉高強度鋼絲和冷卷彈簧負面：深入加工帶來困難。冷軋鋼板愈軋愈硬切削加工使工件表層變脆硬使刀具磨損、增大切削力第72頁72材料力學性能 硬度：材料表面局部抵抗變形能力。測量：壓痕法壓頭一定壓力材料表面壓痕尺寸。布氏試驗----------布氏硬度洛氏試驗-----------洛氏硬度維氏試驗-----------維氏硬度硬度表征及意義第73頁73布氏硬度：淬火鋼球載荷壓痕總面積維氏硬度：金剛石棱錐載荷壓痕總面積洛氏硬度：金剛石圓錐壓入深度第74頁74材料力學性能剛度表征和意義剛度：外應力作用下材料抵抗彈性變形能力。彈性變形：外載荷撤去后，能完全消失恢復試樣原樣變形。

第75頁75剛度表征彈性模量：彈性變形階段應力和應變比值，E取決于材料本質，內部原子結合鍵強弱。與組織改變關系不大彈性行為：載荷取消后，試樣尺寸恢復原樣行為。第76頁76剛度表征和意義彈性行為分類線形非線性滯彈性阻尼減震第77頁77材料力學性能疲勞強度表征疲勞強度：材料抵抗交變應力作用下斷裂破壞能力。

疲勞：承受載荷低于屈服強度，但在交變應力下長時間工作材料失效現象。疲勞失效過程：裂紋形成，裂紋發(fā)展和突然斷裂。第78頁78疲勞壽命：在一定交變應力下，不發(fā)生斷裂最大時間疲勞極限：材料能夠經受無限屢次（108）循環(huán)應力而不停裂最大應力。第79頁79材料力學性能抗蠕變性能表征意義抗蠕變性：材料在恒定應力（或恒定載荷）作用下抵抗變形能力。蠕變：高溫下受到應力，隨時間發(fā)生遲緩塑性變形現象。第80頁80蠕變試驗和蠕變曲線第81頁81抗蠕變性表征：

蠕變極限持久強度

蠕變極限：在一定溫T度和要求時間t內,式樣產生一定蠕變伸長量應力。符號表示和意義持久強度：在一定溫度下，要求時間內發(fā)生斷裂應力。符號表示和意義第82頁82材料力學性能韌性表征和意義韌性表征： 沖擊韌性KIC

斷裂韌性KIC

韌性：材料從塑性變形到斷裂全過程中吸收能量能力。是強度和塑性綜合量度。第83頁83韌性表征和意義斷裂韌性：抵抗裂紋失穩(wěn)擴展而斷裂能力。斷裂：裂紋產生，擴展超出臨界尺寸，失穩(wěn)快速擴展斷裂。KI

應力場強因子KIC

臨界應力場強因子裂紋擴展臨界狀態(tài)對應場強因子，代表材料斷裂韌性。第84頁84KI

應力場強因子外加應力第85頁85材料物理性能電學性能表征：電流：電場作用下正負離子定向移動。

第86頁86電力機械、交通電子、微電子日常生活擊穿現象介電性質導電性質靜電現象導電率電阻率介電常數

第87頁電學性質電阻率金屬導體半導體超導現象零電阻抗磁性第88頁88決定電導率基本參數parameters

載流子類型

chargecarrier——電子、空穴、正離子、負離子載流子數chargecarrierdensity----n,個/m3

載流子遷移率electronmobility第89頁不一樣材料電導率舉例③離子固體室溫絕緣體T高電導率大（無機非金屬）

④高分子雜質致有導電性①金屬自由電子電導率高導電性好②硅半導體第90頁影響電導率原因

溫度晶體結構晶格缺點雜質缺點第91頁聚合物電導性結構型

共軛效應雙鍵環(huán)添加型參雜添加或去掉電子鹵族原子堿金屬離子

復合導電納米粉體石墨碳納米管金屬粉末等第92頁導電聚合物應用理想情況下，導電聚合物含有金屬導電性，且重量輕、易加工、材料起源廣等特點。用作電極、電磁波屏蔽、抗靜電材料等半導體器件和發(fā)光器件方面得應用聚合物電池、電致變色顯示器、電化學傳感器、場效應管、聚合物發(fā)光二極管（LED）第93頁超導電性——在一定低溫下材料突然失去電阻現象（小于10-25Ω·cm）19,超導現象發(fā)覺,諾貝爾物理獎1987年,在陶瓷（金屬氧化物）中發(fā)覺超導現象，超導研究取得重大突破,諾貝爾物理獎第94頁超導體兩種特征：完全導電性完全抗磁性磁場強度一直為零三個性能指標超導轉變溫度Tc

愈高愈好臨界磁場Hc

破壞超導態(tài)最小磁場。隨溫度降低，Hc將增加；當T＜Tc時,Hc=Hc

臨界電流密度Jc

第95頁材料分類及其電導率

材料電阻率電導率超導體導體半導體絕緣體010-8-10-5

10-5-107

107-1018

∞

105-108

10-7-105

10-18-10-7

第96頁材料物理性能磁性2.磁學性：磁化強度外磁場，物質被磁化程度。磁化:在外磁場作用下,各磁矩規(guī)則取向，宏觀呈磁性磁導率磁感應強度和磁場強度比值，表征物質被磁化程度物理量磁化率磁化強度和磁場比值

第97頁97磁矩——表征磁性物體磁性大小物理量。m電子軌道磁矩電子自旋磁矩磁感應強度：物質在外磁場中，會被磁化并感生一附加磁場，其磁場強度H′與外磁場強度H之和稱為該物質磁感應強度B第98頁磁性本質電子磁矩

電子自旋磁矩＞＞軌道磁矩

孤立原子含有“永久磁矩”有未被填滿電子殼層

不具磁性原子各層都充滿電子第99頁抗磁性

外磁場中，感生一個磁矩，與外磁場方向相反順磁性

原子內部存在永久磁矩

有外磁場，顯示極弱磁性

無外磁場，宏觀無磁性鐵磁性

強磁性物質，Fe，Co，Ni

室溫下磁化率可達103。較弱磁場較高磁化強度；外磁場移去保留較強磁性第100頁矯頑力：使剩磁降低為零所需要磁場強度。

磁滯特征軟磁材料硬磁材料第101頁101無機非金屬材料磁學性能1、尖晶石型鐵氧體

磁性無機材料普通是含鐵及其它元素復合氧化物，通常稱為鐵氧體

亞鐵磁性第102頁高分子材料磁學性能1、大多數體系為抗磁性材料2、順磁性僅存在于兩類有機物含有過渡金屬含有屬于定域態(tài)或較少離域未成對電子（不飽和鍵、自由基等）第103頁材料物理性能

光學性能表征： 光反射率光折射率

光吸收

第104頁104光：電磁波固體材料光學性質，取決于電磁輻射與材料表面、近表面以及材料內部電子、原子、缺點之間相互作用第105頁材料物理性能

熱學性能表征： 熱導率 熱膨脹系數

熔點 比熱熱應力耐熱性

第106頁106熱導率：單位溫度梯度下，單位時間內經過單位垂直面積上熱量

耐熱性——指在受負荷下，材料失去其物理機械性能而發(fā)生永久變形溫度。耐熱性——指在受負荷下，材料失去其物理機械性能而發(fā)生永久變形溫度。

各種材料使用上限溫度

高分子材料常溫及中溫條件下使用，<500C，普通170C。

鋼——550C；合金——900C；石墨——3000C。

陶瓷——C。第107頁材料化學性質腐蝕：材料在周圍介質作用下，基體遭受破壞現象?；瘜W腐蝕電化學腐蝕物理腐蝕第108頁108腐蝕防護合金化涂層陰極保護第109頁109高分子制品老化第110頁110不一樣種類材料性能比較第111頁1112.性質與使用性能區(qū)分與關系成份結構環(huán)境性質規(guī)范使用性能所以，性能是包含材料在內整個系統(tǒng)特征表達；

性質則是材料本身特征表達。第112頁112性能是伴隨外因改變而不停改變，是個漸變過程，在這個過程中發(fā)生量變積累，而性質保持質相對穩(wěn)定性；當量變到達一個“度”時，將發(fā)生質變，材料性質發(fā)生根本改變。性質與性能區(qū)分與關系第113頁113在材料科學研究及工程化應用中，材料人員應具備這么一個能力：能針對不一樣使用環(huán)境，提取出關鍵材料性質并選擇優(yōu)良性能材料。第114頁114例1：高速飛行器表面結構材料選擇使用環(huán)境：高速度使用下結構體?性質材料性能與性質區(qū)分與聯(lián)絡第115頁115滿足高速飛行使用性能，必須要求表面結構材料具備兩個基本性質：比強度高耐高溫強第116頁116例二當代通訊技術中材料選擇使用條件：遠距離、大容量信號傳導體?性質光通量大光學損耗低電信號通量大電流損耗低第117頁117第118頁118第119頁1193.失效分析材料使用性能主要研究內容第120頁120斷裂磨損腐蝕三類主要材料力學失效形式第121頁121

材料結構鍵合結構晶體結構組織結構第122頁122

材料結構----鍵合結構離子建共價鍵金屬鍵化學鍵氫鍵分子鍵物理鍵結合能陶瓷材料高分子材料金屬材料冰（H20）鹵族晶體注：1.有些陶瓷材料屬共價鍵化合物，如SiC陶瓷；

2.分子鍵又稱范德瓦爾斯力

3.實際晶體并非只有一個鍵合結構，如冰晶（共價鍵、氫鍵）第123頁123原子參量及原子空間配位材料是眾多原子以一定鍵和方式形成“聚集”體。原子間距和各原子空間配置（配位）原子間距由原子本身尺寸和成鍵類別決定。原子配位數：一個原子以化學鍵形式所連接原子數，也是此原子所含有第一近鄰數。第124頁鍵和結構與材料性質彈性模量：組成原子間距改變彈性變形

原子鍵和形式陶瓷材料金屬材料高分子高彈模量模量高模量低

共價鍵金屬鍵分子間第125頁鍵和結構與材料性質密度熔點電導率第126頁晶體：原子排列長程有序，有周期

材料結構----原子排列晶體結構非晶體：原子排列短程有序，無周期準晶體：原子排列長程有序，無周期第127頁127大多金屬和陶瓷材料是晶體結構，大多數聚合物高分子材料為非晶結構第128頁晶體和非晶體晶體大多有規(guī)則外形本質區(qū)分：原子是否周期規(guī)則排列（X射線）凝固點和熔點晶體各向異性非晶體各項同性一定條件下可相互轉化玻璃高溫處理晶態(tài)玻璃，晶體液化后快速冷凝成非晶體（差熱分析）晶核單晶多晶晶粒晶界第129頁晶體和非晶體

非晶體：短程有序，長程無序

熱力學上處于亞穩(wěn)態(tài)高溫退火晶化

低溫退火結構松弛。第130頁金屬純鐵顯微組織及晶粒位向示意圖

假各向同性第131頁晶體結構基本概念晶體：組成原子分子或離子在三維空間規(guī)則周期排列物體。這種排列方式為晶體結構?？臻g點陣原子抽象為點空間格子點連接起來第132頁晶格參數單位晶胞：能夠反應晶格特征最小幾何單元。晶胞描述：晶胞一點為原點，過此點三棱為晶軸XYZ各軸夾角為軸間夾角。第133頁七大晶系14種布拉斐點陣依據各棱長是否相等棱角是否相等成直角等為分類依據。第134頁第135頁第136頁第137頁晶向指數和晶面指數晶向：任意兩個原子連線所指方向。晶向指數確實定1。選坐標晶軸為長度單位。2。平移晶向線得OP3。確定點P及坐標值4。取最小整數[uvw]第138頁晶面：一系列原子組成平面。晶面指數確定：1。定坐標原點不在晶面上2。晶面截距平行無窮3。取倒數4。化為最小整數（hkL）第139頁三種經典晶體結構金屬晶體盡可能緊密排列結構。面心立方face-centeredcubic(fcc)體心立方body-centered

cubic（bcc）密排六方hexagonalclosed–packed(hcp)第140頁面心立方n=4第141頁體心立方n=2第142頁密排六方n=6第143頁各自配位數

晶體中任一原子最近鄰且距離相等原子數第144頁晶體中原子間隙

面心立方第145頁晶體中原子間隙

體心立方第146頁晶體中原子間隙

密排六方第147頁同素異晶轉變有元素含有各種晶體結構，在一定條件下能夠相互轉變這種轉變稱為第148頁高分子材料結構單體鏈節(jié)分子鏈聚合度第149頁分子鏈結構彈性塑性好硬度低硬度高脆性第150頁分子鏈排列第151頁高聚物聚集態(tài)結構高分子鏈之間幾何排列和堆砌結構第152頁第153頁晶體缺點點缺點空位間隙原子置換原子等線缺點位錯刃型螺旋型面缺點晶界亞晶界第154頁熱致無序-273度原子基本靜止原子在平衡位置附近，因熱振動引發(fā)微小位移所產生不規(guī)則性。第155頁點缺點空位原子熱運動離開原位置間隙原子置換原子共價晶體引發(fā)電子缺點離子晶體引發(fā)陽離子空位第156頁點缺點對晶體性能影響附加電子散射——電阻↑屈服強度↑對擴散、內耗、高溫形變和熱處理等過程有主要影響。第157頁線缺點第158頁第159頁面缺點晶體材料表面就是最大面缺點。晶界：晶體材料普通由許多小晶粒組成，各晶粒之間分界面。相鄰晶粒晶軸取向普通不一樣，位相差在10-15以下形成晶界小角度晶界。不一樣晶粒原子取向不一樣，所以晶界處原子排列極為混亂，也就形成了面缺點。亞晶界，相界等第160頁面缺點第161頁準晶態(tài)1984年底，D.Shechtman等人宣告，他們在急冷凝固AlMn合金中發(fā)覺了含有五重旋轉對稱但并無無平移周期性合金相，在晶體學及相關學術界引發(fā)了很大震動。很快，這種無平移同期性但有位置序晶體就被稱為準晶體。第162頁非晶態(tài)玻璃熱固性樹脂非晶態(tài)金屬液體急速冷卻106k/s非晶態(tài)金屬玻璃軟糍材料渦磁損耗硅鋼片1/3超強耐高溫耐腐蝕第163頁熔化晶體結構破壞，原子取向和位置有序消失。第164頁玻璃化轉變和結晶結晶：溫度低于熔點，遲緩降溫，晶核形成，長大，是結構無序向結構有序，原子無定域向有定域共同轉變。第165頁第166頁液晶態(tài)晶態(tài)結構受熱熔融或溶劑溶解，成流動性液體，分子位置無序，但結構上有序排列，含有各向異性，是晶體和液體過渡態(tài)。熱致液晶溶致液晶第167頁相圖原理相圖：一定條件下，處于熱力學平衡態(tài)物質系統(tǒng)中平衡相之間關系圖形。每一點都反應該條件下，材料由什么相組成，各相成份與含量。吉布斯相率：熱力學平衡，自由度與組元數和相數之間關系規(guī)律。第168頁相圖原理相：系統(tǒng)中性質與成份均一一部分。不一樣相之間有界面隔開。能夠是固液或氣態(tài)氣相數最多為一液固可有兩相或更多相種類大小形態(tài)和分布組成材料顯微組織結構。相平衡：多相系統(tǒng)中，全部相強度性質（溫度、壓強、每個組分在全部相中化學位等）均相等，體系性質不會自發(fā)隨時間改變狀態(tài)。第169頁相圖原理組元：決定各平衡相成份，且能夠獨立改變成份（元素或化合物）。自由度：能夠在一定范圍內任意改變而不引發(fā)任何相產生與消失最大變量數。變量：普通指溫度壓強和成份。組元數C，自由度F和相數P在熱力學平衡系統(tǒng)中：F=C-P+n自由度必須大于或等于零n影響系統(tǒng)平衡外界條件溫度壓強等第170頁材料相圖意義用圖解方式描述平衡狀態(tài)下，材料成份、相合外界條件相互關系。普通以成份、溫度和壓力為變量來繪制相圖。第171頁二元勻晶相圖

兩組元在液態(tài)和固態(tài)都能無限互溶。如Cu—Ni、Ag—Au形成二元合金對應相圖就是二元勻晶相圖

相圖組成：由兩條曲線將相圖分為三個區(qū)。左右兩端點分別為組元熔點。上面一條曲線稱為液相線，液相線之上為液相單相區(qū)，慣用L表示；下面一條曲線稱為固相線，固相線之下為固溶體單相區(qū)，慣用α表示；兩條曲線之間是雙相區(qū)，標識L+α表示。第172頁相圖用途由材料成份和溫度預知平衡相；材料成份一定而溫度發(fā)生改變時其它平衡相改變規(guī)律；估算平衡相數量。預測材料組織和性能第173頁二元共晶相

兩組元在液態(tài)下無限互溶，固態(tài)下有限溶解，一組元溶入另一組元中時都使凝固溫度下降，并發(fā)生共晶轉變。如Pb—Sn、Ag—Cu等形成二元合金對應相圖就是二元勻晶相圖。相圖組成：tAE和tBE為兩液相線，與其對應tAC和tBD為兩固相線；CG和DH固溶體α、β溶解度隨溫度改變線；CED為水平共晶線。將相圖分成三個單相區(qū)L、α、β；三個雙相區(qū)L＋α、L＋β、α＋β和一個三相區(qū)L＋α＋β，即CED為共晶線。第174頁第175頁相圖熱力學基礎熵焓自由能化學位熱力學定律第176頁成份、結構檢測技術當代材料對材料成份、結構認識是由分析、檢測實現。第177頁177成分分析化學分析：化驗物理分析：物理量間接測定譜學分析：質譜，紅外光譜、光電子能譜，等第178頁178結構分析第179頁179第180頁第181頁第182頁第183頁第184頁銅含量鋁鋅合金第185頁第186頁掃描隧道顯微鏡像在掃描隧道顯微鏡下，在硅（111）表面直接取出原子而“刻寫”出平均線寬為2納米字體。第187頁187磷錫青銅鑄造組織105倍第188頁188掃描電鏡像----纖維形貌第189頁189掃描電鏡像----六方晶體形貌第190頁190β-Si3N4β-Si3N45nm無壓燒結Si3N4材料---透射電鏡像：原子排列面第191頁191場離子顯微鏡像----S3N4晶須形貌第192頁192掃描隧道顯微鏡像----方鋁礦（100）解理面PbS第193頁193§2.3合成與加工1.定義2.合成與加工主要內容3.與其它要素關系4.發(fā)展方向第194頁1941.定義“合成”與“加工”是指建立原子、分子和分子團新排列，在全部尺度上（從原子尺寸到宏觀尺度）對結構控制，以及高效而有競爭力地制造材料與元件演化過程。第195頁195合成是指把各種原子或分子結合起來制成材料所采取各種化學方法和物理方法。加工能夠一樣方式使用，還能夠指較大尺度上改變，包含材料制造。Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O

？合成——————制備第196頁需要說明問題在材料科學與工程中，合成和加工之間區(qū)分變得越來越含糊合成是新技術開發(fā)和現有技術改進關鍵性要素當代材料合成技術是人造材料唯一實現路徑第197頁197材料制備材料加工表面工程材料復合2.合成與加工主要內容第198頁198一．材料制備冶金過程熔煉與凝固粉末燒結高分子聚合第199頁199不一樣材料制備方法，分別含有不一樣材料科學基礎內容，即：冶金過程冶金物理化學熔煉與凝固凝固學理論粉末燒結燒結原理高分子聚合聚合反應第200頁200冶金過程（化學冶金）目：從原料中提取出金屬火法冶金熔鹽電冶金濕法冶金．．．．．．內容:煉鐵、煉銅電解鋁、鎂水溶液電解鋅第201頁201鐵生產過程煉鐵高爐第202頁電解鋁第203頁熔煉與凝固（物理冶金）目標:１．金屬精練提純 ２．材料“合金化” ３．晶體生長內容:1.平衡凝固 4.區(qū)域熔煉

2.快速凝固5.玻璃熔煉

3.定向凝固6.熔融法提拉單晶第204頁204第205頁目標:

１.粉末成型

2.粉末顆粒結合內容:1.粉末冶金技術

2.當代陶瓷材料制備粉末燒結第206頁206粉末燒結過程第207頁目標:實現小分子發(fā)生化學反應，相互結合形 成高分子。高分子聚合是人工合成三大 類高分子材料：塑料、橡膠、合成纖維 基本過程。內容:1.本體聚合 3.懸浮聚合

2.乳液聚合 4.溶液聚合 高分子聚合第208頁208二．材料加工傳統(tǒng)意義上，材料加工范圍包含四個方面：材料切削：車、銑、刨、磨、切、鉆材料成型：鑄造、拉、拔、擠、壓、鍛材料改性：合金化、熱處理材料聯(lián)接：焊接、粘接注：從課程體系上分析，材料切削應在機械工程中重點討論。第209頁209三大類材料成型技術在材料工程中是內容最為豐富一部分。假如按材料流變特征來分析，則材料成型方法可分為三種：１．液態(tài)成型２．塑變成型

3.流變成型金屬鑄造、溶液紡絲金屬壓力加工金屬、陶瓷、高分子成型材料成型第210頁210第211頁液態(tài)成型成分溫度AC鑄造BC半固態(tài)成型流變鑄造觸變鑄造研究內容：1.凝固過程2.成型工藝3.流變特征ABC液相區(qū)液固區(qū)固相區(qū)第212頁212塑變成型A高應力低形變量實現加工硬化B應變應力冷加工熱加工AB低應力大形變量實現超塑性變形第213頁213流變成型金屬半固態(tài)成型高分子材料熔融成型陶瓷泥料、漿料成型玻璃熔融澆注第214頁214目標：經過改變材料成份、組織 與結構來改變材料性能。內容:１.材料“合金化”

2.材料熱處理材料改性第215頁215材料“合金化”經過改變材料成份，到達改變材料性能方法。這種方法在金屬材料和當代高分子材料改性方面有廣泛應用。成分溫度ABCαα+β金屬材料合金化過程ABαα’固溶度改變改變性能ACαα+β相組成改變改變性能固溶度改變改變性能第216頁216材料熱處理經過一定加熱、保溫、冷卻工藝過程，來改變材料相組成情況，到達改變材料性能方法。這種方法在金屬材料和當代陶瓷材料改性方面有廣泛應用。經典熱處理工藝淬火、退火、回火、正火第217頁217時間溫度成分溫度vv0v>v0淬火工藝經過快速冷卻，取得遠離平衡態(tài)不穩(wěn)定組織，到達強化材料目標。第218頁218時間溫度淬火正火正火工藝在奧氏體狀態(tài)下，空氣或保護氣體冷卻取得珠光體均勻組織，提升強度，改進韌性。第219頁219時間溫度退火工藝經過遲緩冷卻，取得靠近平衡態(tài)組織，到達均勻化、消除內應力目標。第220頁220時間溫度回火工藝淬火或正火材料重新加熱。目標在于松懈淬火應力和使組織向穩(wěn)態(tài)過分，改進材料延展性和韌性，并穩(wěn)定工件尺寸。第221頁221目標：實現材料間整體結合內容:1.焊接 3.鉚接

2.粘接 4.栓接材料聯(lián)接第222頁222第223頁三．材料表面工程表面改性表面防護薄膜技術第224頁224----改變材料表面性質三束表面改性化學表面改性（化學熱處理）表面淬火表面改性第225頁225從工藝機理上分析，表面改性同整體材料改性是相同，即：在表面實現材料成份、組織與結構改變，到達改變材料表面性能目標。不一樣點就是采取了特殊能量輸入方式，使能量作用效果或成份改變僅發(fā)生在表面。第226頁226三束表面改性激光束---組織改變電子束---組織改變離子束---成份、組織改變細晶化均勻化非晶化金屬元素合金化第227頁227化學表面改性（化學熱處理）改變材料表面化學成份---化學滲透成分溫度ABCαα+β心部濃度表面C+N+Me+C0第228頁228納米粉體表面改姓第229頁表面淬火

高頻淬火電磁能集膚電流表面熱能

火焰淬火氣體化學反應表面熱能熱處理組織改變性能改變第230頁230

腐蝕防護

摩擦磨損防護表面防護第231頁231腐蝕防護

大氣腐蝕

海水腐蝕

工業(yè)介質腐蝕第232頁232由腐蝕造成材料失效量，占世界材料總產量百分比很高，腐蝕問題十分嚴重。所以，腐蝕防護非常主要。第233頁233美國八個工業(yè)部門對材料性質需求情況第234頁234化學反應-----腐蝕原因主動防護被動防護合金化非晶化高純度表面涂鍍表面改性表面鈍化電化學保護抗蝕材料第235頁235摩擦磨損防護

增加抗磨損性

增加潤滑性第236頁236薄膜技術有許各種薄膜技術能夠在基材表面覆蓋薄膜材料層，其中最主要兩種方法是：物理氣相沉積PVD化學氣相沉積CVD液相沉積LD第237頁237第238頁第239頁伴隨材料科學技術不停發(fā)展，薄膜技術已不但僅是材料改性伎倆。更主要是，當代薄膜技術在高新技術領域，如：微電子器件、納米結構與組裝、光電子器件，等方面正發(fā)揮著越來越主要作用。第240頁240四．材料復合金屬基復合材料陶瓷基復合材料高分子復合材料第241頁241材料復合主要目標就是依據不一樣材料性能優(yōu)勢互補、協(xié)調作用標準，進行材料設計與制備。所以材料復合過程就是材料制備、改性、加工統(tǒng)一過程。復合材料制備過程融合了金屬、陶瓷、高分子材料制備基本原理。當前材料科學發(fā)展，復合概念越來越主要，出現了許多新型復合材料及制備方法。第242頁242第243頁Monomer OrganclayCuringagentNanocompositeSwellingPolymerisation原位聚正當粘土聚合物復合材料第244頁SolventOrganclayPolymerNanocompositeSwellingIntercalationSolventEvaporation溶液插層法示意圖第245頁Thermoplastic OrganclayNanocompositeBlendingAnnealing熔融插層法第246頁

當代材料合成與加工不但包括到微觀和宏觀范圍內內容，同時也包括到更微細化，甚至到達了原子尺度范圍上問題，所以，這里敘述合成與加工內涵要大于通常所說材料工程內涵。第247頁247與其它要素關系從材料產生到進入使用過程，直至損耗，四大要素存在著邏輯上因果次序，即：合成與加工結構與成份材料性質使用性能產生具備提供第248頁248第249頁249提拉法制取單晶硅第250頁250大尺寸單晶硅第251頁251定向凝固技術在熔模鑄造型殼中建立特定方向溫度梯度，使熔融合金沿著與熱流相反方向按照要求結晶取向凝固一個鑄造工藝。定向凝固技術最突出成就是在航空工業(yè)中應用。第252頁252定向凝固共晶組織渦輪葉片垂直于主應力橫向晶界往往是裂紋產生和擴展主要部位生長方向與主應力方向一致單向生長柱狀晶體。定向凝固因為消除了橫向晶界第253頁253近終形技術制備葉片第254頁254

在極端化條件下，完成合成與加工過程，取得更多功效特征。

超純條件------單晶硅晶片高壓條件------人工金剛石低溫條件------超導體超細條件------納米材料4.發(fā)展趨勢第255頁255我國與工業(yè)發(fā)達國家材料加工存在很大差距第256頁256大尺寸、高均勻性、高完整性晶體生長技術；高精度晶片加工技術；MOCVD、MBE超薄膜生長技術；高純和超高純材料純制技術；低維材料微細加工和制備技術；高均勻超細粉體制備技術；電子陶瓷、磁性材料焙燒和成型技術；材料修飾或改性技術；電子材料合成與加工關鍵技術第257頁257由此看出：我國在合成與加工方面同先進國家差距還很大，許多關鍵技術落后根源都歸到這里。所以提升材料合成與加工技術水平是我們最主要課題。第258頁258第三章結構材料鋼鐵材料有色金屬材料陶瓷材料玻璃材料水泥材料高分子材料復合材料第259頁什么是“結構材料”？結構材料是主要利用材料強度、韌性、彈性等力學性能，用于制造在不一樣環(huán)境下工作時承受載荷各種結構件和零部件一類材料，即機械結構材料和建筑結構材料。第260頁第261頁鋼鐵材料純鐵工業(yè)純鐵強度低、硬度低、塑性好，普通不用于結構材料鑄鐵C質量分數大于2.11%鐵碳合金鋼含C量碳鋼合金鋼成份、結構與性能關系第262頁鋼鐵是怎樣煉成第263頁碳鋼分類含碳量越高，硬度、強度越大，但塑性降低第264頁2。按鋼質量分（主要是雜質硫、磷含量）：普通碳素鋼（S≤0.055％，P≤0.045％)

優(yōu)質碳素鋼（S≤0.040％，P≤0.040％)

高級優(yōu)質碳素鋼（S≤0.030％，P≤0.035％)第265頁3。按用途分：碳素結構鋼：主要用于橋梁、船舶、建筑構件、機器零件等碳素工具鋼：主要用于刀具、模具、量具等第266頁碳鋼牌號與用途普通碳素結構鋼：Q195、Q215、Q235、Q255等。數字表示最低屈服強度。

Q195、Q215、Q235塑性好，可軋制成鋼板、

鋼筋、鋼管等。

Q255、Q275可軋制成型鋼、鋼板等。用途第267頁優(yōu)質碳素結構鋼：鋼號以碳平均質量萬分數表示。如20＃、45＃等。20＃表示含C：0.20%（萬分之20）。用途主要用于制造各種機器零件碳素工具鋼：鋼號以碳平均質量千分數表示，并在前冠以T。如T9、T12等。T9表示含C：0.9%（千分之9）用途主要用于制造各種刀具、量具、模具等第268頁碳鋼牌號與用途鑄鋼：鑄鋼牌號是在數字前冠以ZG，數字代表鋼中平均質量分數（以萬分數表示）。如ZG25，表示含C：0.25%。用途主要用于制造形狀復雜并需要一定強度、塑性和韌性零件，如齒輪、聯(lián)軸器等。第269頁奧氏體是碳溶解在γ－Fe中間隙固溶體，慣用符號A表示。它仍保持γ－Fe面心立方晶格。其溶碳能力較大，在727℃時溶碳為ωc＝0.77％,1148℃時可溶碳2.11％。奧氏體是在大于727℃高溫下才能穩(wěn)定存在組織。奧氏體塑性好，是絕大多數鋼種在高溫下進行壓力加工時所要求組織。奧氏體是沒有磁性。碳鋼常規(guī)熱處理第270頁滲碳體滲碳體是鐵與碳形成金屬化合物，其化學式為Fe3C。滲碳體含碳量為ωc＝6.69％，熔點為1227℃。其晶格為復雜正交晶格，硬度很高HBW＝800，塑性、韌性幾乎為零，脆性很大。在鐵碳合金中有不一樣形態(tài)滲碳體，其數量、形態(tài)與分布對鐵碳合金性能有直接影響。第271頁珠光體珠光體是奧氏體發(fā)生共析轉變所形成鐵素體與滲碳體共析體。其形態(tài)為鐵素體薄層和滲碳體薄層交替重合層狀復相物，也稱片裝珠光體。用符號P表示，含碳量為ωc＝0.77％。其力學性能介于鐵素體與滲碳體之間，決定于珠光體片層間距，即一層鐵素體與一層滲碳體厚度和平均值。第272頁馬氏體分級淬火是將奧氏體化工件先浸入溫度稍高或稍低于鋼馬氏體點液態(tài)介質（鹽浴或堿?。┲校３诌m當時間，待鋼件內、外層都到達介質溫度后取出空冷，以取得馬氏體組織淬火工藝，也稱分級淬火。分級淬火因為在分級溫度停留到工件內外溫度一致后空冷，所以能有效地降低相變應力和熱應力，降低淬火變形和開裂傾向。分級淬火適合用于對于變形要求高合金鋼和高合金鋼工件，也可用于截面尺寸不大、形狀復雜地碳素鋼工件。第273頁碳鋼常規(guī)熱處理退火將鋼加熱到適當溫度，保溫一定時間，然后遲緩冷卻（隨爐冷卻），以取得靠近于平衡狀態(tài)組織熱處理工藝。正火完全退火、等溫退火、球化退火、擴散退火、去應力退火將鋼件加熱到AC3和Acm以上30－50度，保持適當初間后，在空氣中冷卻，得到珠光體類組織熱處理工藝。第274頁碳鋼常規(guī)熱處理淬火將鋼件加熱到奧氏體化后，快速冷卻，使組織轉變?yōu)轳R氏體熱處理工藝。所得馬氏體形態(tài)與鋼成份、原始奧氏體晶粒大小以及形成條件有親密關系。奧氏體晶粒越小，馬氏體越細?；鼗饘摷慊鸷螅瑸榱讼齼葢Σ⑷〉盟笮阅?，將其加熱到AC1以下某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫熱處理工藝。第275頁合金鋼合金鋼分類鐵及鐵基合金在碳鋼中加入一個或各種合金元素，形成鋼稱之為合金鋼。按所含合金元素多少分：低合金鋼（總質量分數低于5％）、中合金鋼（總質量分數5％－10％）、高合金鋼（總質量分數高于10％）。按主要合金元素種類分：鉻鋼、鉻鎳鋼、錳鋼、硅錳鋼等。按用途分：結構鋼、工具鋼、特殊性能鋼。第276頁合金元素作用鐵及鐵基合金1。合金元素與鐵作用：合金元素加入鋼中，首先溶于鐵形成固溶體，超出溶解度極限時與碳形成化合物。合金元素溶與鐵，形成合金鐵素體或合金奧氏體。合金元素溶于鐵素體會使鋼室溫強度提升，這種作用稱為固溶強化。2。合金元素與碳作用：對于與碳親和力較弱合金元素，不與碳發(fā)生作用，只溶于鐵素體或奧氏體中；對于與碳親和力較強合金元素，當質量分數較低時，與鐵一起形成合金滲碳體，當質量分數較高時，形成合金碳化物。第277頁不銹鋼鐵及鐵基合金能在大氣和普通腐蝕性介質中含有很高耐蝕性鋼種。用途主要用來制造在各種腐蝕性介質中工作并含有較高抗腐蝕能力零件或結構件。廣泛用于石油、化工、原子能、海洋開發(fā)、國防和一些尖端科學技術領域。第278頁鐵及鐵基合金合金元素作用1。耐腐蝕性要求越高，碳質量分數應越低；2。加入主要合金元素Cr。Cr能提升基體電極電位。在氧化性介質中極易鈍化，形成致密氧化膜，提升耐腐蝕性3。加入合金元素Ni?？扇〉脝雾棅W氏體組織，顯著提升耐腐蝕性并改進鋼塑性，經過熱處理還能夠改進鋼強度。第279頁鐵及鐵基合金合金元素作用5。加入合金元素Ti、Nb等：能優(yōu)先同C形成穩(wěn)定碳化物，使Cr保留在基體中，防止晶界貧Cr，提升鋼耐腐蝕性。6。加入合金元素Mn、N等：部分替換Ni以取得奧氏體組織，并能提升鉻不銹鋼在有機酸中耐腐蝕性。4。加入合金元素Mo、Cu等：提升鋼在非氧化性酸中耐腐蝕能力。第280頁鑄鐵鐵及鐵基合金碳質量分數大于2.11%鐵碳合金稱之為鑄鐵，通常還含有較多Si、Mn、S、P等元素。用途鑄鐵時工程上最慣用金屬材料，廣泛應用在機械制造、冶金、礦上、石油化工。交通等領域。鑄鐵生產設備和工藝簡單，價格廉價。第281頁鐵及鐵基合金鐵碳合金中碳存在形式間隙固溶于鐵化合態(tài)滲碳體游離態(tài)石墨亞穩(wěn)態(tài)，在一定條件下分解為鐵和石墨穩(wěn)定態(tài)，能夠從鑄鐵熔液中析出，也能夠從奧氏體中析出Fe3C碳溶解在γ－Fe中間隙固溶體第282頁鐵及鐵基合金鑄鐵種類依據石墨化程度不一樣，鑄鐵類型和組織也不一樣。灰口鑄鐵白口鑄鐵可煅鑄鐵球墨鑄鐵蠕墨鑄鐵第283頁鑄鐵白口鑄鐵：碳絕大部分以化合物存在，斷口銀白色。性能：硬而脆，難于加工，使用價值低。鐵及鐵基合金灰口鑄鐵：碳以形式存在，斷口呈暗灰色。性能：價格低廉，易切削加工，慣用于氣缸，支座機床等。滲碳體Fe3C

片狀石墨第284頁鐵及鐵基合金鑄鐵可鍛鑄鐵：由一定成份白口鑄鐵經石墨化退火處理而取得，其中碳大部分或全部以團絮狀石墨形式存在，因為含有較灰口鑄鐵高得多塑性和韌性，習慣上稱為可鍛鑄鐵，實際上并不可鍛。滲碳體團絮石墨生產周期長，單件成本高，普通制作形狀復雜薄壁小件。第285頁鑄鐵特征：球化減小應力集中，基體強度利用率高，能夠進行熱處理加工，屈強比高。機械性能高，生產工藝比可鍛鑄鐵簡單，近年來日益得到廣泛應用?！耙澡F代鋼，以鑄代鍛”球墨鑄鐵：鐵水在澆注前經球化處理，其中碳大部分或全部以球狀石墨形式存在。鐵及鐵基合金第286頁鑄鐵碳以蠕蟲狀石墨存在，介于片狀和球狀之間，所以性能在在灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間。優(yōu)點：導熱性和耐疲勞性好，高部件。合金鑄鐵：鑄鐵中加入合金元素如Cr、Cu、Al、等，可得到耐蝕、耐熱及耐磨等特征合金鑄鐵。鐵及鐵基合金蠕墨鑄鐵：蠕化處理不宜控制第287頁鑄鐵性能特點石墨形態(tài)對鑄鐵性能影響較大?；铱阼T鐵抗拉強度和塑性較低，這是因為石墨對基體嚴重割裂所造成。石墨相當于鋼基體中裂紋和空洞，它減小基體抗拉強度，并引發(fā)應力集中。石墨量越多，鑄鐵抗拉強度越低。第288頁石墨存在對鑄鐵特殊作用減弱晶粒間振動能傳遞，并將振動能轉變?yōu)闊崮芰鲃有院茫踢^程中析出比容較大石墨，減小凝固收縮減摩、斷屑作用；脫落形成顯微凹穴，起儲油作用，可維持油膜連續(xù)性片狀石墨相當于許多微小缺口良好潤滑劑，脫落在摩擦面第289頁高分子材料

，世界合成高分子材料年總產量已到達2億噸。其中塑料1.63億噸，合成橡膠0.11億噸，合成纖維0.28億噸。高分子科學既是一門基礎學科，又是一門應用科學，主要由四個學科分支組成。高分子化學、高分子物理、高分子材料和高分子工藝第290頁各種多樣高分子材料第291頁第292頁第293頁防彈衣高比強度降落傘繩索第294頁什么是高分子？高分子含義主要由C、H、O等元素組成分子量很大（104~107，甚至更大）。分子似“一條鏈”，由許多相同結構單元組成。以共價鍵形式重復連接而成。第295頁與小分子比較分子量不確定，只有一定范圍，是分子量不等同系物混合物；沒有固定熔點，只有一段寬溫度范圍；分子間力很大，沒有沸點，加熱到C~3000C以上，材料破壞（降解或交聯(lián)）。第296頁第297頁第298頁高分子材料分類按材料起源分類天然高分子合成高分子按材料性能和用途分類塑料橡膠纖維涂料粘合劑功效高分子稱為三大合成材料第299頁通用高分子材料塑料、橡膠、纖維，稱為三大合成材料全世界產量1億多噸塑料主要品種有：合成橡膠主要用途為制造輪胎，約占60%合成纖維主要品種有：滌綸（PET）、尼龍、聚丙烯腈、聚丙烯等聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等第300頁工程塑料性能：堅硬、韌性、耐磨、耐熱水及蒸氣，加工時尺寸穩(wěn)定性好、化學穩(wěn)定性好。主要有：尼龍（聚酰胺）、聚碳酸酯（PC）、聚苯醚（PPO）、聚甲醛（POM）、飽和聚酯（PET、PBT）等第301頁三大高分子材料比較第302頁材料應力—應變曲線第303頁按結構單元化學組成份類1.碳鏈高分子主鏈以C原子間共價鍵相聯(lián)結加聚反應制得如聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯聚乙烯第304頁2.雜鏈高分子滌綸主鏈除C原子外還有其它原子如O、N、S等，并以共價鍵聯(lián)接，縮聚反應而得。如聚對苯二甲酸乙二酯（滌綸）、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等第305頁3.元素有機高分子主鏈中不含C原子，而由Si、B、P、Al、Ti、As等元素與O組成，其側鏈為有機基團；兼有沒有機高分子和有機高分子特征，現有很高耐熱和耐寒性，又含有較高彈性和可塑性，如硅橡膠。硅橡膠第306頁4.無機高分子主鏈既不含C原子，也不含有機基團，而完全由其它元素所組成，這類元素成鏈能力較弱，故聚合物分子量不高，并易水解。二硫化硅聚二氯一氮化磷第307頁高分子材料形成過程簡單流程以下：第308頁

熱塑性塑料：受熱后軟化，冷卻后又變硬，可重復循環(huán)。熱固性塑料：由單體直接形成網狀聚合物或經過交聯(lián)線型預聚體而形成，一旦形成交聯(lián)聚合物，受熱后不能再回到可塑狀態(tài)。制品不溶不熔。優(yōu)點：質輕、電絕緣、耐化學腐蝕、輕易成形加工等；缺點：力學性能比金屬材料差，表面硬度低，大多數品種易燃，耐熱性差。熱塑性與熱固性第309頁圖熱塑性a、b和熱固性c聚合物形態(tài)特征

第310頁聚合物分子運動特點聚合物分子運動含有多重性。運動單元：側基、支鏈、鏈節(jié)、鏈段及整個大分子等。運動方式：鍵長、鍵角振動或扭曲；側基、支鏈或鏈節(jié)搖擺、旋轉；分子內旋轉及整個大分子重心位移等。聚合物分子運動含有顯著松弛特征。

含有時間依賴性過程稱為松弛過程。分子運動是一個速度過程，要到達一定運動狀態(tài)，提升溫度和延長時間含有相同效果，這稱為時-溫等效原理，或時-溫轉化效應。第311頁力學狀態(tài)玻璃態(tài)鏈段運動處于“凍結”狀態(tài)，模量高形變小。含有虎克彈性行為，質硬而脆。高彈態(tài)鏈段運動已充分發(fā)展。在較小應力下，即可快速發(fā)生很大形變，除去外力后，形變可快速恢復。粘流態(tài)因為鏈段猛烈運動，整個大分子鏈重心發(fā)生相對位移，產生不可逆位移即粘性流動。交聯(lián)聚合物無粘流態(tài)存在第312頁玻璃化轉變聚合物玻璃化轉變是指從玻璃態(tài)到高彈態(tài)之間轉變。從分子運動角度看，玻璃化溫度Tg是大分子鏈段開始運動溫度。玻璃化轉變是一個松弛過程。在時間尺度不變時，凡是加速鏈段運動速度原因，如大分子鏈柔性增大、分子間作用力減小等結構原因，都使Tg下降。第313頁高分子材料發(fā)展簡史天然高分子利用天然高分子改性天然橡膠硫化（1839年）硝化纖維賽璐珞（1868年）celluloid粘膠纖維（1893~1898年）纖維素黃酸鈉合成高分子20世紀初，出現了酚醛樹脂19，Staudinger提出高分子概念30年代、40年代，飛速發(fā)展70年代，特種性能高分子第314頁創(chuàng)建高分子化學施陶丁格

HermannStaudinger1881一1965

TheNobelPrizeinChemistry1953“forhisdiscoveriesinthefieldofmacromolecularchemistry”第315頁

化學獎授予了黑格(A.J.Heeger，美國)、馬克迪爾米德(A.G.MacDiarmid，美國)和白川英樹(H.ShiraKawa，日本)三人，他們發(fā)覺了導電聚合物。A.J.Heeger(美國)A.G.Macdiarmid(美國)H.ShiraKawa(日本)第316頁幾個經典高分子材料第317頁聚乙烯制品第318頁聚乙烯（PE）聚乙烯從1939年開始工業(yè)化生產，是當前產量最大，應用最廣泛品種。低密度聚乙烯（LDPE）在各種聚乙烯中產量最大，主要用于生產薄膜（制造食品袋、垃圾袋、地膜、大鵬膜等）；約10%用于生產注塑用具。線型低密度聚乙烯（LLDPE）主要用于生產薄膜，厚度比低密度聚乙烯更薄，制品性能更加好。還用于生產扁絲，制造編織袋。第319頁高密度聚乙烯注塑制品：工業(yè)容器、家用器皿、玩具等。中空吹塑制品：食品、藥品、化裝品包裝瓶等。薄膜制品（約占20%）：大量用于食品包裝。聚乙烯管材應用領域主要有：生活用水和煤氣管道、農業(yè)排灌用管道以及圓珠筆內油墨管子等。質輕、堅韌耐磨，力學性能良好，使用壽命長，施工安裝簡便，輸送阻力小、安全可靠，鋪設費用低。第320頁給水用HDPE管第321頁超高分子量聚乙烯（UHMWPE）——可作為工程塑料在汽車、機械、原子能以及宇宙飛行等領域得到主要應用。含有優(yōu)異耐沖擊和自潤滑性，耐腐蝕、抗磨損、不粘著等特征?？勺鼾X輪、軸套、滑板、儲罐襯里等。催化劑決定材料性能齊格勒茂金屬聚乙烯韌性、透明度、熱粘性、熱封溫度、低氣味方面等顯著優(yōu)于傳統(tǒng)聚乙烯第322頁聚乙烯生產線第323頁聚氯乙烯（PVC）第324頁PVC，是耗石油最少熱塑性樹脂。含有阻燃及較高機械強度。PVC能夠兼有兩種截然不同性能，從軟質到硬質，含有不一樣用途。

應用：農用塑料制品：農地膜、漁用單絲、繩纜等；包裝材料，保鮮、防銹、防霉等，塑料編織袋、包裝容器等；日用具，塑料鞋、塑料袋、