材料概論(周達(dá)飛)(二版)-第1章

材料概論1.1材料的地位、作用與發(fā)展材料是人類文明的里程碑材料是人類賴以生存和得以發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)材料是一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力、科學(xué)技術(shù)進(jìn)步程度、人民生活水準(zhǔn)的度量第一章材料與材料科學(xué)材料與人類文明石器時(shí)代:舊石器時(shí)代和新石器時(shí)代玉器時(shí)代青銅器時(shí)代鐵器時(shí)代四次技術(shù)革命高分子時(shí)代復(fù)合材料時(shí)代第一章材料與材料科學(xué)石器第一章材料與材料科學(xué)玉器第一章材料與材料科學(xué)青銅器第一章材料與材料科學(xué)四次技術(shù)革命第一次技術(shù)革命18世紀(jì)后期蒸汽機(jī)的發(fā)明及廣泛應(yīng)用為主要標(biāo)志高爐、轉(zhuǎn)爐、平爐制造優(yōu)質(zhì)鋼材的工業(yè)化第二次技術(shù)革命19世紀(jì)末電的發(fā)明和廣泛應(yīng)用為標(biāo)志遠(yuǎn)距離輸送電材料以及通訊、照明用材料第三次技術(shù)革命20世紀(jì)中期原子能應(yīng)用為主要標(biāo)志合成材料、半導(dǎo)體材料等大規(guī)模工業(yè)化、民用化第四次技術(shù)革命20世紀(jì)70年代計(jì)算機(jī),特別是微電子、生物工程和空間技術(shù)為主要標(biāo)志相關(guān)的新型結(jié)構(gòu)與功能材料第一章材料與材料科學(xué)高分子表1－1普通、小型乘用車的原材料構(gòu)成比例,％年份 1973 1977 1980 1983 1986 1989 1992 1997黑色金屬 生鐵 3.2 3.2 2.8 2.2 1.7 1.7 2.1 1.8 普通鋼材 60.4 61.4 60.5 59.5 57.7 56.9 54.9 52.1 特種鋼材 17.5 16.1 14.7 14.3 15.0 15.1 15.3 16.9有色金屬 電解銅 1.0 0.9 0.1 0.2 0.1 0.1 0.1 0.1 鉛合金 0.6 0.6 0.8 0.9 1.2 1.0 1.1 1.9 鋅合金 0.5 0.5 0.3 0.4 0.4 0.4 0.3 0.2 鋁合金 2.8 2.6 3.3 3.5 3.9 4.9 6.0 7.5 其他 0.1 0.1 0.4 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2非金屬材料 PF 0.1 0.1 0.1 0.2 0.1 0.1 0.1 0.1 PUR 0.5 0.5 0.8 0.9 1.2 1.0 1.1 0.9 PVC 0.9 1.1 1.4 1.7 1.7 1.6 1.1 1.1 PE 0.2 0.2 0.3 0.4 0.5 0.4 0.3 0.4 PP 0.5 0.5 0.9 1.2 2.0 2.4 2.5 2.8 ABS 0.4 0.7 0.5 0.5 0.7 0.8 0.7 0.6 其他塑料 0.3 0.4 0.7 0.6 0.4 0.3 0.4 0.3 高性能塑料 0.2 0.7 0.9 1.1 1.3 涂料 2.1 1.6 1.8 1.7 1.7 1.4 1.5 1.7 橡膠 4.8 4.3 3.7 3.5 3.0 2.7 3.1 3.3 玻璃 2.8 2.7 3.1 3.2 3.3 3.0 2.8 2.8 纖維 0.7 1.2 1.3 1.4 1.2 1.2 1.1 木材 0.2 0.3 0.5 0.4 0.4 0.3 其他 1.3 1.6 1.7 2.7 2.3 2.7 3.4 2.9 合計(jì) 13.9 14.4 16.4 18.4 19.5 18.9 19.7 19.6第一章材料與材料科學(xué)高分子表1－2美國八個(gè)工業(yè)部門對(duì)材料的要求所需特性 工業(yè)部門 航空航天汽車生物材料化工 電子 能源 金屬 通訊質(zhì)輕高強(qiáng)

耐高溫

耐腐蝕

迅速開關(guān)

高效加工

近無余量成形

材料回收

預(yù)測使用壽命

預(yù)測物理性能

材料數(shù)據(jù)庫

第一章材料與材料科學(xué)復(fù)合材料表1－3美國商業(yè)部對(duì)2000年時(shí)12項(xiàng)新興技術(shù)的預(yù)測項(xiàng)目 產(chǎn)值（億美元） 所占比例% 分類 先進(jìn)材料[注] 1,500 42.1 新興材料 超導(dǎo)材料 50 1.4新興材料先進(jìn)半導(dǎo)體器件 750 21.1 新興電子與信息技術(shù)數(shù)字圖像技術(shù) 40 1.1 新興電子與信息技術(shù)高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器150 4.2 新興電子與信息技術(shù)高功能計(jì)算機(jī) 500 14.0新興電子與信息技術(shù)光電子 40 1.1 新興電子與信息技術(shù)人工智能 50 1.4 新興生產(chǎn)系統(tǒng) 柔性集成加工 200 5.6新興生產(chǎn)系統(tǒng) 傳感技術(shù) 50 1.4新興生產(chǎn)系統(tǒng) 生物技術(shù) 150 4.2 新興生命科學(xué)技術(shù) 醫(yī)療與診斷裝置 80 2.3 新興生命科學(xué)技術(shù)合計(jì) 3,560 100 [注]先進(jìn)材料包括特種陶瓷、陶瓷基和金屬基復(fù)合材料、金屬間化合物與輕合金、先進(jìn)塑料、表面改性材料、金剛石薄膜、膜材料及生物材料等。第一章材料與材料科學(xué)第一章材料與材料科學(xué)1.2材料的定義和分類什么叫材料？一定的組成和配比成型加工性形狀保持性經(jīng)濟(jì)性回收和再生性第一章材料與材料科學(xué)材料分類按組成、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類:圖1－1按時(shí)期分類

傳統(tǒng)材料、新型材料按使用方法分類

結(jié)構(gòu)材料、功能材料按用途分類

航天航空材料、信息材料、電子材料、能源材料、生物材料、建筑材料、包裝材料、電工電器材料、機(jī)械材料、農(nóng)用材料、日用品及辦公用品材料等等第一章材料與材料科學(xué)圖1-1材料的分類--金屬材料第一章材料與材料科學(xué)圖1-1材料的分類--無機(jī)非金屬材料第一章材料與材料科學(xué)圖1-1材料的分類--高分子材料第一章材料與材料科學(xué)圖1-1材料的分類--復(fù)合材料第一章材料與材料科學(xué)1.3材料的要素已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的材料達(dá)800余萬種，每年還以25萬種的速度增長著，具有實(shí)際工業(yè)價(jià)值的也有8萬余種表1－4各種材料的主要物性性能 金屬 塑料 無機(jī)材料 鋼鐵 鋁 聚丙烯 玻纖增強(qiáng)尼龍－6 陶瓷 玻璃熔點(diǎn)，C 1,535 660 175 215 2,050 密度g/cm3 7.8 2.7 0.9 1.4 4.0 2.6拉伸強(qiáng)度，MPa 460 80~280 35 150 120 90比拉伸強(qiáng)度(拉伸強(qiáng)度/密度) 59 30~104 39 107 30 35拉伸模量，GPa 210 70 1.3 10 390 70熱變形溫度，C － － 60 120 － －膨脹系數(shù)，×105，1/K 1.3 2.4 8~10 2~3 0.85 0.9傳熱系數(shù)，W/m2K 0.40 2.0 0.0011 0.0024 0.017 0.0083韌性[注] － × ×體積電阻率，cm 10-5 3×10-6 1016 5×1011 7×104 1012燃燒性 不燃 不燃 燃燒 難燃 不燃 不燃注:“”優(yōu)；“－”良；“×”差。第一章材料與材料科學(xué)四個(gè)要素:性質(zhì)和現(xiàn)象、使用性能、結(jié)構(gòu)與成分、合成和加工第一章材料與材料科學(xué)性質(zhì)

材料功能特性和效用（如電、磁、光、熱、力學(xué)等性質(zhì)）的定量度量和描述材料對(duì)外界刺激（如電場、磁場、溫度場、力場等）的整體響應(yīng)是合成或加工后材料結(jié)構(gòu)和成分所產(chǎn)生的結(jié)果第一章材料與材料科學(xué)使用性能包括可靠性、有效壽命、速度、能量利用率、安全性和壽命期費(fèi)用等材料在最終使用狀態(tài)時(shí)的行為材料固有性質(zhì)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工程能力和人類需要相融合在一起的一個(gè)要素取決于材料的基本性能,也應(yīng)注意加工工藝技術(shù)的影響第一章材料與材料科學(xué)結(jié)構(gòu)與成分每個(gè)特定的材料都含有一個(gè)以原子和電子尺度到宏觀尺度的結(jié)構(gòu)體系大多數(shù)材料結(jié)構(gòu)尺度上的化學(xué)成分和分布是立體變化的結(jié)構(gòu)上幾乎無限的變化同樣會(huì)引起與此相應(yīng)的一系列復(fù)雜的材料性質(zhì)第一章材料與材料科學(xué)合成和加工是指建立原子、分子和分子聚集體的新排列,在從原子尺度到宏觀尺度的所有尺度上對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制以及高效而有競爭力地制造材料和零件的演變過程合成指原子和分子組合在一起制造新材料的物理和化學(xué)方法,包括合成新材料、用新技術(shù)合成已知的材料或?qū)⒁阎牧虾铣蔀樾碌男问?、將已知材料按特殊用途的要求來合成加工除了上述三個(gè)方面外,還包括在較大尺度上的改變,有時(shí)也包括材料制造等工程問題。合成和加工的區(qū)別已變得模糊第一章材料與材料科學(xué)兩個(gè)關(guān)鍵儀器設(shè)備

表1－5分析和建模技術(shù)處理微觀尺度的最基本模型處理中間尺度（微米級(jí)或更大尺度）上的連續(xù)模型宏觀尺度上材料總體性質(zhì)作為制造過程和使用過程的定量模型第一章材料與材料科學(xué)表1－5顯微技術(shù)的比較參數(shù) OM法 SEM法 TEM法放大倍數(shù) 1-500 10-105102-5×106分辨率[1]nm 500-1,000 5-10 0.1-0.2 維數(shù) 2-3 3 2景深[2]m~1 10-100~1 觀察尺寸范圍[3]m103-105 1-1040.1-100 適用的試樣 固體，液體 固體 固體 注:[1]指能分清鄰近兩個(gè)小質(zhì)點(diǎn)的最短距離。[2]指垂直于電場方向可分辨的深度。[3]指觀察范圍的對(duì)角線尺寸。第一章材料與材料科學(xué)1.4材料科學(xué)與工程的發(fā)展趨勢第一代材料:石器時(shí)代的木片、石器、骨器等天然材料第二代材料:陶、青銅和鐵等