第一章材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)緒論

1、材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)FUNDAMENTALS OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING第一章第一章 緒論緒論Chapter 1 Introduction What is Materials Classfication of Materials What is Materials Science What is Materials Engineering Importance of Materials on Progress of Humen History and Modern Science and Technology Objective a

2、nd Methods of Learning this Course 1-1 材料的定義和分類材料的定義和分類(Definition and Classfication) 1-1-1定義定義 1.材料材料Materials Material：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

3、、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)。物理性狀的物質(zhì)。 2.原料與材料原料與材料 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)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。 1-1-2

4、類別類別 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)晶作用分類作用分類功能 function 結(jié)構(gòu)（工程）應(yīng)用領(lǐng)域分類應(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.金屬材料金屬材料 metals(1)黑色金屬材料黑色金屬材料 化學(xué)成分碳素鋼、合金鋼品質(zhì)普通、優(yōu)質(zhì)、高級優(yōu)質(zhì)鋼 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

5、平爐、轉(zhuǎn)爐、電爐、沸騰爐鋼 灰鑄鐵可鍛鑄鐵 鑄鐵鑄鐵球墨鑄鐵蠕墨鑄鐵特殊性能鑄鐵 (2)有色金屬有色金屬五大類五大類 輕金屬（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(3)基本特性基本特性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)用途用途Applicationa.結(jié)

6、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2無機(jī)非金屬材料無機(jī)非金屬材料Inorganicnonmetals(1)分類分類（按成分，化學(xué)結(jié)構(gòu)和用途分四大類） 混凝土混凝土（水泥） 玻璃玻璃Glass 硅及耐火材料硅及耐火材料Silane 陶瓷（器）陶瓷（器）Ceramics傳統(tǒng)陶瓷傳統(tǒng)陶瓷（天然硅酸鹽硅酸鹽礦）：各中粘土燒制而成。(SilicateCeramics)特種陶瓷特種陶瓷（人工化合物：氧化物、氮化物、硼化物、碳化物）。(2)基本特性基本特性，以陶瓷陶瓷為例，其它有較大差別a.離子鍵、共價鍵及其混合鍵；b.硬而脆；c.熔點高、耐高溫抗氧化d.導(dǎo)熱、導(dǎo)

7、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。3.高分子材料高分子材料polymers, Marcomolecules(1)分類分類碳鏈CCC 按主鏈結(jié)構(gòu)按主鏈結(jié)構(gòu)雜鏈CNC=OCOCbackebone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)按使用性質(zhì)纖維Fiber人造、合成粘合劑Adhesive涂料Coating(2)基本性質(zhì)基本性質(zhì)a.共價鍵，部分范氏鍵b.分子量大，無明顯容點

8、，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）膠鞋運輸：輪胎，傳送帶4.復(fù)合材料復(fù)合材料composites定義：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)分類分類 按性能：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)基體基體 Matri

9、x 增強(qiáng)體增強(qiáng)體 Reinforcement金屬金屬、無機(jī)非金 按復(fù)合方式按復(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(2)基本性質(zhì)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、耐摩和耐潤滑性能(3)用途用途 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1-2 材料科學(xué)與工程概述材料科學(xué)與工程概述 Brief Introduction1-2-1

10、材料的重要作用材料的重要作用 Importance of Materials for the Develoment of Humen History and Science &Technology 材料是人類社會發(fā)展的巨大推動力，生產(chǎn)工具制造的物質(zhì)基礎(chǔ)是材料。 石器時代陶器時代青銅時代鐵期時代復(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)為動力的紡紗機(jī)，紡織業(yè)（動力） 瓦特發(fā)動機(jī)、傳動機(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)）煉鋼交通運輸業(yè) 1

11、945年電子管計算機(jī)幾間大屋半導(dǎo)體集成電路小型芯片、液晶、分子器件、計算機(jī)（PC）手提電腦，掌上電腦(2)目前目前 材料品種幾十萬種（手冊中） 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)） 計算機(jī)、液晶顯示屏（低電壓） 信息社會要術(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、特性各種材料相互替換、復(fù)合、共性、特性納米材料1-2-2 材料科學(xué)與工程的范疇和任務(wù)材料科學(xué)與工程的范疇和任務(wù)(1) 學(xué)科建立學(xué)科建立Establishment

12、ofMaerialsScienceandEngineering(2) 1960s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)內(nèi)容和任務(wù)ContentsandObjective 材料科學(xué)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)系的知識開發(fā)及應(yīng)用的科學(xué) 學(xué)科性質(zhì)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）。PerformancePropertiesSynthesisandPr

13、ocessingCompositionsandStructures 研究內(nèi)容研究內(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、分子及其運動狀態(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)材料工程材料工程MaterialsEngineering對于工程技術(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，如何按實際要求設(shè)計新材料，須弄清以下三個關(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1-3本課程的內(nèi)容和學(xué)習(xí)方法本課程的內(nèi)容和學(xué)習(xí)方法1

14、-3-1 內(nèi)容內(nèi)容 第一章第一章 緒論緒論Introduction材料的定義、分類及基本內(nèi)容 第二章第二章 物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)FundamentalsofMaterialStructure各類材料結(jié)構(gòu)上的共性基礎(chǔ)、原子分子、聚集態(tài)、表面、轉(zhuǎn)變 第三章第三章 材料的組成及結(jié)構(gòu)材料的組成及結(jié)構(gòu)CompositionsandStructuresofMaterials從材料的組成入手，闡述各種材料的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)和宏觀組織結(jié)構(gòu)。 第四章第四章 材料的性能材料的性能PropertiesofMaterials闡明在應(yīng)力、熱、光、電、聲、化學(xué)介質(zhì)等各種外界因素下，各類材料所表現(xiàn)的宏觀性質(zhì)、破壞形式及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。 第五章第五章 材料的制備和成型加工材料的制備和成型加工PreparationandManufacturingofMaterials從不同種類材料出發(fā)，闡明材料的制備原理和方法。1-3-2 學(xué)習(xí)方法和要求學(xué)習(xí)方法和要求中文教材和英文教材相結(jié)合課堂講授、課堂討論和課外作業(yè)、課前預(yù)習(xí)相結(jié)合通過物質(zhì)結(jié)構(gòu)與組成的基本理論的學(xué)習(xí)，掌握材料的結(jié)構(gòu)性