材料科學(xué)與工程學(xué)課件

材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)FUNDAMENTALSOFMATERIALSSCIENCEANDENGINEERING材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)FUNDAMENTALSOFMATE

第一章

緒論

Chapter1Introduction

Chapter1WhatisMaterialsClassficationofMaterialsWhatisMaterialsScienceWhatisMaterialsEngineeringImportanceofMaterialsonProgressofHumanHistoryandModernScienceandTechnologyObjectiveandMethodsofLearningthisCourse材料

材料科學(xué)與工程

金屬材料無機(jī)非金屬材料高分子材料復(fù)合材料

第一章

緒論

Chapter1

1-1材料的定義和分類(DefinitionandClassfication)1-1-1定義

1.材料

MaterialsMaterial：材料科學(xué)（工科）物質(zhì)科學(xué)（理科）Webster編者“NewInternationalDictionary（1971年）”中關(guān)于材料（Materials）的定義為：材料是指用來制造某些有形物體（如：機(jī)械、工具、建材、織物等的整體或部分）的基本物質(zhì)（如金屬、木料、塑料、纖維等）邁爾《新百科全書》中材料的含義：材料是從原材料中取得的，為生產(chǎn)半成品、工件、部件和成品的初始物料，如金屬、石塊、木料、皮革、塑料、紙、天然纖維和化學(xué)纖維等等。材料是指具有滿足指定工作條件下使用要求的形態(tài)和物理性狀的物質(zhì)。

1-1材料的定義和分類(Definitionand2.原料與材料原料（RawMaterials）由原料到材料。原料一般不是為獲得產(chǎn)品，而是生產(chǎn)材料，往往伴隨化學(xué)變化。材料的特點(diǎn)往往是為獲得產(chǎn)品，一般從材料到產(chǎn)品的轉(zhuǎn)變過程不發(fā)生化學(xué)變化。

3.材料與物質(zhì)(MaterialsandMatter)材料可由一種或多種物質(zhì)組成。同一物質(zhì)由于制備方法或加工方法不同可以得到用途各異、類型不同的材料。2.原料與材料

1-1-2類別classfication材料可以根據(jù)化學(xué)組成、狀態(tài)、作用和使用領(lǐng)域分類。

金屬材料

化學(xué)組成分類無機(jī)非金屬材料

components

有機(jī)高分子材料氣態(tài)

狀態(tài)分類液態(tài)單晶

state

固態(tài)多晶非晶復(fù)晶

作用分類功能

function

結(jié)構(gòu)（工程）

應(yīng)用領(lǐng)域分類建筑、儀表、電子、醫(yī)用

application

包裝、耐火．．．．能源等等。1-1-2類別classfication1.金屬材料metals

(1)黑色金屬材料

化學(xué)成分——碳素鋼、合金鋼品質(zhì)——普通、優(yōu)質(zhì)、高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼鋼

---金相組織或組織結(jié)構(gòu)——珠光體、貝氏體、馬氏體和奧氏體Stell用途——建筑工程、結(jié)構(gòu)、工具、特殊性能、專業(yè)用鋼冶煉方法——平爐、轉(zhuǎn)爐、電爐、沸騰爐鋼

灰鑄鐵可鍛鑄鐵鑄鐵

—球墨鑄鐵蠕墨鑄鐵特殊性能鑄鐵

1.金屬材料metals

(2)有色金屬五大類輕金屬（<4.5g/cm2）鋁、鎂、納、鈣重金屬(>4.58/cm2)銅、鎳、鉛、鋅貴金屬金、銀、鉑、銠類金屬（半）硅、硒、紳、硼稀有金屬鈦、鋰、鎢、鉬、鐳常用的稀有金屬材料有：Al、Cu、Zn、Sn、Pb、Mg、Ni……(2)有色金屬(3)基本特性

PrincipalPropertiesa.

金屬鍵，常規(guī)法生產(chǎn)的為晶體結(jié)構(gòu)；

b.

常溫下固體熔點(diǎn)較高；

c.

金屬光澤；

d.

純金屬范性大、展性、延性大；

e.

強(qiáng)度較高；

f.

導(dǎo)熱、導(dǎo)電性好；

g.

空氣中移氧化，如鋼、鐵等生成氧化膜，合金可改性抗氧化性。

(4)用途

Applicationa.

結(jié)構(gòu)材料:如機(jī)床,建筑機(jī)械設(shè)備、工程交通工具；

b.

導(dǎo)體材料，電線芯（銅）

c.

工具(3)基本特性PrincipalProperties2無機(jī)非金屬材料

Inorganicnonmetals(1)分類（按成分，化學(xué)結(jié)構(gòu)和用途分四大類）

混凝土（水泥）

玻璃

Glass

硅及耐火材料

Silane

陶瓷（器）

Ceramics

傳統(tǒng)陶瓷（天然硅酸鹽礦）：各中粘土燒制而成。(SilicateCeramics)

特種陶瓷（人工化合物：氧化物、氮化物、硼化物、碳化物）。

2無機(jī)非金屬材料Inorganicnonmetals(2)基本特性，以陶瓷為例，其它有較大差別

a.

離子鍵、共價(jià)鍵及其混合鍵；

b.

硬而脆；

c.

熔點(diǎn)高、耐高溫抗氧化

d.

導(dǎo)熱、導(dǎo)電性差；

e.

耐化學(xué)腐蝕性性好；

f.

耐磨；

g.

成型方式為粉末制壞、燒制成型

(3)用途建筑衛(wèi)生陶瓷：瓷磚、浴缸。工程陶瓷工程結(jié)構(gòu)陶瓷：反應(yīng)釜（耐酸、耐腐蝕）絕緣瓷瓶。功能陶瓷：磁性、導(dǎo)電。(2)基本特性，以陶瓷為例，其它有較大差別3.高分子材料

polymers,Marcomolecules

(1)分類碳鏈–C–C–C

按主鏈結(jié)構(gòu)雜鏈–C–N–C=O–C–O–C–backebone元素Si、P、B

塑料Plastics通用塑料、工程塑料；熱塑性、熱固性橡膠Ruber天然、合成

按使用性質(zhì)纖維Fiber人造、合成粘合劑Adhesive

涂料Coating3.高分子材料polymers,Marcomolec(2)基本性質(zhì)

a.

共價(jià)鍵，部分范氏鍵

b.

分子量大，無明顯容點(diǎn)，有玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg和粘流溫度Tf；

c.

力學(xué)狀態(tài)有三態(tài)玻璃態(tài)、高彈態(tài)、粘流態(tài)

d.

比重小

e.

絕緣性好

f.

優(yōu)越的化學(xué)穩(wěn)定性

g.

成型方法多

(3)用途結(jié)構(gòu)材料：電視機(jī)殼體、冰箱殼體、軸承、機(jī)械零件絕緣材料：漆包線、電纜、絕緣版、電器零件建筑材料：貼面板、地貼包裝材料：塑料袋、薄膜、泡沫塑料涂裝：涂料粘合劑：粘合劑日用：織物（衣服）膠鞋運(yùn)輸：輪胎，傳送帶(2)基本性質(zhì)4.復(fù)合材料

composites

定義：由兩種以上組分組成，并且具有與其組成不同的新的性能的材料

(1)分類按性能：結(jié)構(gòu)復(fù)合材料功能復(fù)合材料按增強(qiáng)劑形狀及增強(qiáng)機(jī)理：粒子增強(qiáng)纖維增強(qiáng)

基體Matrix增強(qiáng)體Reinforcement

金屬金屬、無機(jī)非金按復(fù)合方式無機(jī)非金屬金屬、無機(jī)非金屬高分子（塑料，橡膠）金屬、無機(jī)非金、高分子4.復(fù)合材料composites(2)基本性質(zhì)

a.

抗疲勞性能良好；

b.

結(jié)構(gòu)件減震性好；

c.

比強(qiáng)度和比量高；

d.

耐燒能性和耐高溫性能好

e.

具有良好的減摩、耐摩和耐潤(rùn)滑性能(3)

用途無機(jī)--高分子玻璃纖維增強(qiáng)塑料(玻璃鋼)——汽車,游艇，碳纖維增強(qiáng)塑料——飛機(jī)機(jī)翼、高爾夫球棍、撐桿跳桿金屬—陶瓷飛機(jī)螺旋槳葉綜合金屬韌性，陶瓷耐高溫性高分子-高分子橡膠增韌塑料抗沖PSABS樹脂減震材料(2)基本性質(zhì)1-2材料科學(xué)與工程概述BriefIntroduction1-2-1材料的重要作用

ImportanceofMaterialsfortheDevelomentofHumenHistoryandScience&Technology材料是人類社會(huì)發(fā)展的巨大推動(dòng)力，生產(chǎn)工具制造的物質(zhì)基礎(chǔ)是材料。石器時(shí)代——陶器時(shí)代——青銅時(shí)代——鐵期時(shí)代——復(fù)合材料材料的使用和發(fā)展，與生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)的水平密切相關(guān)舉例：

(1)1764年工業(yè)革命，第一部機(jī)器（手搖）

1769年

水力紡紗機(jī)

1782年蒸汽機(jī)為動(dòng)力的紡紗機(jī)，紡織業(yè)（動(dòng)力）

1-2材料科學(xué)與工程概述BriefIntroducti瓦特發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)、工作機(jī)——機(jī)器系列機(jī)器制造

鐵——冶煉業(yè)

木炭——大量砍伐；水土流失——煤采礦業(yè)

攪煉法（鼓風(fēng)）

煉鋼交通運(yùn)輸業(yè)1945年電子管計(jì)算機(jī)幾間大屋半導(dǎo)體——集成電路——小型芯片、液晶、分子器件、計(jì)算機(jī)（PC）手提電腦，掌上電腦瓦特發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)、工作機(jī)——機(jī)器系列機(jī)器制造(2)目前材料品種幾十萬種（手冊(cè)中）科學(xué)技術(shù)發(fā)展的三大支柱：

80年代能源、材料、信息

90年代信息技術(shù)、新材料、生物技術(shù)高速民航客機(jī)使用的復(fù)合材料，高比強(qiáng)、代替金屬、重量輕耐摩擦、熱氧穩(wěn)定、力學(xué)性能生物降解材料（環(huán)境保護(hù)）計(jì)算機(jī)、液晶顯示屏（低電壓）信息社會(huì)要術(shù)各種各樣光、電、磁、聲材料

(3)各種材料相互替換、復(fù)合、共性、特性納米材料(2)目前舉例：

(1)1764年工業(yè)革命，第一部機(jī)器（手搖）

1769年

水力紡紗機(jī)

1782年蒸汽機(jī)為動(dòng)力的紡紗機(jī)，紡織業(yè)（動(dòng)力）舉例：瓦特發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)、工作機(jī)——機(jī)器系列機(jī)器制造

鐵——冶煉業(yè)

木炭——大量砍伐；水土流失——煤采礦業(yè)

攪煉法（鼓風(fēng)）

煉鋼交通運(yùn)輸業(yè)瓦特發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)、工作機(jī)——機(jī)器系列機(jī)器制造舉例：(2)計(jì)算機(jī)電子管（1945年，幾間大屋）半導(dǎo)體(晶體管）集成電路（芯片）液晶顯示器、分子器件、計(jì)算機(jī)（PC）手提電腦，掌上電腦舉例：材料科學(xué)與工程學(xué)課件材料科學(xué)與工程學(xué)課件航天飛機(jī)空天飛機(jī)X-37B“神六”返回艙舉例：（3）航天飛機(jī)空天飛機(jī)“神六”返回艙舉例：1-2-2材料科學(xué)與工程的范疇和任務(wù)學(xué)科建立

EstablishmentofMaerialsScienceandEngineering1960’s

金屬材料——金相學(xué)——金屬學(xué)無機(jī)材料——無機(jī)化學(xué)——陶瓷學(xué)高分子材料——高分子化學(xué)——高分子物理

(2)內(nèi)容和任務(wù)

ContentsandObjective

材料科學(xué)：從理論上研究金屬、無機(jī)非金屬和有機(jī)高分子等材料的成分、結(jié)構(gòu)、加工工藝同材料性能及材料應(yīng)用之間的相互關(guān)系。材料科學(xué)與工程：關(guān)于材料組成、結(jié)構(gòu)、制備工藝與其性能及使用過程間相互關(guān)系的知識(shí)開發(fā)及應(yīng)用的科學(xué)學(xué)科性質(zhì)：是介于基礎(chǔ)科學(xué)與應(yīng)用科學(xué)之間的應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)，（邊緣學(xué)科）。1-2-2材料科學(xué)與工程的范疇和任務(wù)PerformancePropertiesSynthesisandProcessingCompositionsandStructuresPerformancePropertiesSynthesis材料科學(xué)與工程學(xué)課件研究?jī)?nèi)容：科學(xué)性

a.從化學(xué)角度出發(fā)，研究材料的化學(xué)組成、鍵性、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系

b.從物理角度，闡述材料的組成原子、分子及其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與各物性之間的關(guān)系

c.材料的制備工藝技術(shù)性

d.材料的性能表征

e.材料的應(yīng)用(3)材料工程

MaterialsEngineering

對(duì)于工程技術(shù)人員：如何選擇特定應(yīng)用環(huán)境下需要的材料，來滿足使用要求，如何按實(shí)際要求設(shè)計(jì)新材料，須弄清以下三個(gè)關(guān)系（材質(zhì)）——材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)與性能（內(nèi)部形態(tài)）——加工工藝與性能（使用環(huán)境，耐久性）——材料的性能與使用過程

研究?jī)?nèi)容：1-3本課程的內(nèi)容和學(xué)習(xí)方法

1-3-1內(nèi)容第一章緒論

Introduction

材料的定義、分類及基本內(nèi)容第二章物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

FundamentalsofMaterialStructur