工程材料基礎(chǔ)清華1緒論

1、l本章內(nèi)容本章內(nèi)容l1.1 材料發(fā)展概要材料發(fā)展概要l1.2 材料應(yīng)用現(xiàn)狀與新材料的發(fā)展趨勢材料應(yīng)用現(xiàn)狀與新材料的發(fā)展趨勢l1.3 材料科學(xué)與工程材料科學(xué)與工程l1.4 材料的分類材料的分類l1.5 材料加工工程材料加工工程l1.6 1.6 課程主要內(nèi)容及要求課程主要內(nèi)容及要求 l 材料材料: 人類用來制造各種產(chǎn)品的物質(zhì)，是人類生產(chǎn)和生活的物質(zhì)基礎(chǔ)。l 人類早期歷史劃分為石器時代、青銅石器時代、青銅器時代和鐵器時代器時代和鐵器時代, 現(xiàn)已進入人工合成材料的新時代。l 材料和能源、信息一起成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的三大支柱之一三大支柱之一。l石器石器是人類最先使用的工具。l還出現(xiàn)了玉器、陶器和瓷玉器、陶

2、器和瓷器器。我國是玉器的故鄉(xiāng)玉器的故鄉(xiāng)。l燒制的陶器包括紅陶、黑紅陶、黑陶、白陶和釉陶陶、白陶和釉陶。我國是最早生產(chǎn)瓷器的國家。瓷器成為中國文化的象征。圖圖1- 1 瓷器瓷器 l銅錫合金青銅是人類歷史上發(fā)明的第一個合金。l燦 爛 的 青 銅 文 化 ：燦 爛 的 青 銅 文 化 ：“司母戊司母戊”；越王勾踐的寶劍；寶劍；戰(zhàn)國青銅青銅編鐘編鐘，秦皇陵墓銅車銅車馬馬等。圖圖1-2 司母戊鼎司母戊鼎l 從春秋戰(zhàn)國時期(公元前770221年)已開始大量使用鐵器：鑄鐵刑鼎；鐵丸、鐵鍤和鐵鼎，比其他國家早許多個世紀。l 先煉鐵后煉鋼先煉鐵后煉鋼的兩步煉鋼技術(shù)比其它國家早1600多年。l 鋼的熱處理技術(shù)熱處

3、理技術(shù)l 15世紀以后，歐洲鋼鐵工業(yè)的發(fā)展。從20世紀50年代初至70年代末，全世界鋼的年產(chǎn)量由2.1億t增加到7.5億噸。l 目前我國鋼產(chǎn)量已躍居世界首位。l 有色金屬也得到了發(fā)展。l 絲綢絲綢l l 人工合成高分子材料人工合成高分子材料: : 從20世紀60年代到70年代，有機合成材料每年以14的速度增長而金屬材料的年增長率僅為4。20世紀90年 代初，塑料產(chǎn)量已逾1億t，按體積計，已超過 鋼鐵產(chǎn)量。l 陶瓷材料陶瓷材料: 耐高溫、耐腐蝕的氧化鋁；將電信息轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑畔⒌拟壦徜?；用于切削刀具的氮化硅；具有高溫超?dǎo)性能的氧化釔等。l宇航和航空工業(yè)中制造衛(wèi)星殼體、宇宙飛行器外殼、飛機機身等；l在

4、交通運輸工業(yè)中制造汽車車身、輕型船、艇等；l在石油化工工業(yè)中制造耐酸、耐堿、耐油的容器、管道等。l我國在新材料的研究和材料加工新工藝新材料的研究和材料加工新工藝的研究工作中取得了卓有成效的重大成果。l121 材料應(yīng)用的現(xiàn)狀材料應(yīng)用的現(xiàn)狀l 用量最大的材料用量最大的材料是鋼鐵材料和鋁合金、銅合金、鈦合金和鎳合金等有色金屬。l 高分子材料、陶瓷材料和復(fù)合材料在不同工業(yè)部門也得到一定的應(yīng)用，有些部門則大量使用這些材料。l 1先進復(fù)合材料先進復(fù)合材料l 2光電子信息材料光電子信息材料l 3低維材料低維材料l 4新型金屬材料新型金屬材料l 5. 高性能塑料高性能塑料l 6. 先進陶瓷材料先進陶瓷材料l

5、7超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料l131 材料科學(xué)與工程學(xué)科的形成材料科學(xué)與工程學(xué)科的形成 材料科學(xué)與工程學(xué)科的形成是材料的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進步的結(jié)果，同時又為推動材料的發(fā)展和科技的進步創(chuàng)造了條件。l1材料科學(xué)與工程材料科學(xué)與工程 的四要素的四要素l四個要素四個要素，即制備與加工、組成與結(jié)構(gòu)、性能和使用性能，它們之間的關(guān)系如圖1-3 所示。材料科學(xué)與工程的核心內(nèi)容是結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。 圖圖1-3 1-3 材料科學(xué)與工程四要素的關(guān)系材料科學(xué)與工程四要素的關(guān)系 成分結(jié)構(gòu)性能性能的表征與檢測工藝流程制備科學(xué)與工藝工程材料基礎(chǔ)科學(xué)（數(shù)、理、化、生、地）實際應(yīng)用信息、能源、交通運輸、機械制造l可分兩類：力學(xué)性能和物理性

6、能，如表1-2所示。 力學(xué)性能力學(xué)性能 強度強度 彈性模量 抗拉強度 屈服強度塑性塑性 %延伸率 %斷面收縮率硬度硬度 抗劃痕能力 磨損率沖擊沖擊 吸收能量 韌性 轉(zhuǎn)變溫度 蠕變?nèi)渥?蠕變速度 應(yīng)力持久強度 疲勞疲勞 疲勞極限 疲勞壽命物理性能物理性能 密度密度 電學(xué)性能電學(xué)性能 導(dǎo)電性 介電性（絕緣性） 鐵電性 壓電性磁學(xué)性能磁學(xué)性能 鐵氧體磁性 鐵磁性 順磁性 光學(xué)性能光學(xué)性能 吸收 顏色 衍射 激光作用 光導(dǎo) 反射 透射熱學(xué)性能熱學(xué)性能 熱容量 導(dǎo)熱性 熱膨脹 l 使用性能是材料在使用條件下表現(xiàn)出的行為，包括環(huán)境影響、受力狀態(tài)、可靠性、耐用性、壽命預(yù)測及延壽措施、材料設(shè)計等內(nèi)容。l一定的

7、化學(xué)組成化學(xué)組成，這是決定材料結(jié)構(gòu)和性能的內(nèi)在因素。 (a) 工業(yè)純鐵，鐵素體 (b)含碳0.4%的碳鋼,鐵素體珠光體 (c) 含碳0.8%的碳鋼，珠光體 (d)含碳1.2%的碳鋼,珠光體二次滲碳體 圖圖1-5 1-5 四種不同碳質(zhì)量分數(shù)的鐵碳合金的室溫平衡組織四種不同碳質(zhì)量分數(shù)的鐵碳合金的室溫平衡組織 圖1-6 材料內(nèi)部四個不同層次的結(jié)構(gòu) （a）原子結(jié)構(gòu) (b)原子排列 (c)鐵的晶粒組織 結(jié)構(gòu)可分為四個層次，如圖結(jié)構(gòu)可分為四個層次，如圖1-61-6所示，所有這些層所示，所有這些層次都會影響材料的性能。次都會影響材料的性能。 (d)白口鑄鐵中的多相組織 l 材料的制備與加工既包括傳統(tǒng)的冶煉、

8、鑄造、壓力加工、焊接、熱處理、燒結(jié)、表面技術(shù)、機械加工和對加工過程的模擬與仿真技術(shù)，也包括了新發(fā)展的高能束（激光束、電子束和離子束）表面改性技術(shù)、真空濺射、氣相沉積、熱噴涂、多種材料復(fù)合等新工藝。材料的制備與加工決定了材料的成分和組織結(jié)構(gòu)，從而決定了材料的性能。 l1.1.材料科學(xué)與工程是多學(xué)科交叉的新興學(xué)科材料科學(xué)與工程是多學(xué)科交叉的新興學(xué)科l2.2.材料科學(xué)與工程技術(shù)有不可分割的關(guān)系材料科學(xué)與工程技術(shù)有不可分割的關(guān)系l3.3.科學(xué)與工程有很強的應(yīng)用目的和明確的應(yīng)科學(xué)與工程有很強的應(yīng)用目的和明確的應(yīng) 用背景用背景分為金屬材料、高分子材料、陶瓷材料和復(fù)合材料四大類：四大類：l金屬材料金屬材料是

9、以金屬元素為基礎(chǔ)的材料。l合金合金即是在純金屬中，有意地加入一種或多種其他元素，通過冶金或粉末冶金方法制成的具有金屬金屬特性的材料。l金屬材料是最重要的工程材料最重要的工程材料。l金屬材料可分為兩大部分： （1）黑色金屬； （2）有色金屬。l分為四大類：l1塑料；l2合成纖維；l3橡膠l4膠粘劑l 陶瓷是一種或多種金屬元素同一種非金屬元素(通常為氧)的化合物。主要為金屬氧化物和金屬非氧化合物。包括無機玻璃、玻璃陶瓷(或稱微晶玻璃)和陶瓷等三類。工程上應(yīng)用最廣的是陶瓷。l工業(yè)陶瓷材料可分為： （1）普通陶瓷(或傳統(tǒng)陶瓷)； （2） 特種陶瓷(或新型陶瓷)； （3） 金屬陶瓷。l 復(fù)合材料就是兩種

10、或兩種以上不同材料的組合材料，其性能優(yōu)于它的組成材料。復(fù)合材料在強度、剛度和耐蝕性方面比單純的金屬、陶瓷和聚合物都優(yōu)越，是一類特殊的工程材料，具有廣闊的發(fā)展前景。 l151 材料加工工藝材料加工工藝l 材料加工可以將未經(jīng)成型的坯料加工成所要求形狀的零件（表1-3 典型的材料加工工藝 ）。金屬材料鑄造：砂型、壓鑄、永久鑄型、 熔模鑄造、連續(xù)鑄造成型：鍛造、拉絲、深沖、彎曲連接：氣焊、釬焊、氬弧焊、錫 焊、磨擦焊、擴散焊機械加工：車、銑、刨、鉆、 磨、切割粉末冶金 將液態(tài)金屬澆入或注入固體模中得到所要求的形狀。通常在熱態(tài)下用高壓力將固體金屬變形成為一定形狀。將液態(tài)金屬變形或高壓、高溫將幾塊金屬連接

11、在一起。用切削加工去掉多余金屬。高壓下將金屬粉壓成一定形狀，再高溫加熱使之連成一體。 陶瓷材料鑄造： 包括涂泥釉壓制：擠壓、壓制、 等靜壓成形燒結(jié)： 將液體陶瓷或液體加固體的陶瓷泥漿澆注成所需的形狀。將固體陶瓷或液體加固體陶瓷的粘性泥漿壓成一定形狀。將壓制成的固體進行高溫加熱，使之粘連成塊。 聚合物模制：注模法，轉(zhuǎn)移 模塑法成形：旋壓、擠壓、 真空成形 將熱的或甚至液態(tài)的聚合物壓入模具中，類似鑄造。將受熱聚合物通過?？谆虬谀Ｌド?，獲得某種形狀。 復(fù)合材料鑄造：包括滲透成形連接：膠粘劑粘接、 爆炸 連接、擴 散連接壓制和燒結(jié) 液體組分包圍著另一種組分，以獲得完整的復(fù)合材料。用力使一個軟質(zhì)組分

12、圍繞復(fù)合材料的第二組分發(fā)生變形。通過膠接、變形或高溫過程將兩種組分連接在一起。將粉末狀組分壓制成形，然后加熱使粉末連接在一起。 圖圖1-7 材料加工與結(jié)構(gòu)、性能的關(guān)系材料加工與結(jié)構(gòu)、性能的關(guān)系 材料加工的方法會影響它的組織結(jié)構(gòu)：材料加工的方法會影響它的組織結(jié)構(gòu)： 圖圖1-8 1-8 采用鑄造方法和塑性成型方法制作的銅棒結(jié)構(gòu)采用鑄造方法和塑性成型方法制作的銅棒結(jié)構(gòu) l1.6.1 課程主要內(nèi)容課程主要內(nèi)容l緒論;原子結(jié)構(gòu)與結(jié)合鍵;晶體結(jié)構(gòu);擴散;材料的固化; 二元合金相圖;l材料力學(xué)性能;固態(tài)相變;高分子材料結(jié)構(gòu)與性能; 陶瓷材料結(jié)構(gòu)與性能。教學(xué)環(huán)節(jié)：講課36，習(xí)題課4，實驗8課程特點：技術(shù)基礎(chǔ)課

13、，掌握原理和方法，聯(lián)系 實際教學(xué)要求： 1. 認真聽課、作好筆記 2復(fù)習(xí)與作業(yè) 3實驗與報告 4. 學(xué)習(xí)方法：概念歸納總結(jié)、記憶l成績分配： 平時成績：30%（實驗10%；習(xí)題20%） 考試： 70%l考試方式： 期末考試以筆試為主，部分同學(xué)可申 請口試 1“材料工程基礎(chǔ)”，王昆林編著,清華大學(xué)出版社 2“材料科學(xué)基礎(chǔ)”，馬泗春主編 陜西科技出版社 3“Principles of Materials Science and Engineering” 第三版， 作者： illiam F.Smith, 出版社：McGraw-Hill,Inc.l 了解材料發(fā)展簡史：石器時代、青銅器時代了解材料發(fā)展簡史：石器時代、青銅器時代和鐵器時代；近代鋼鐵工業(yè)和有色金屬的發(fā)展。和鐵器時代；近代鋼鐵工業(yè)和有色金屬的發(fā)展?，F(xiàn)已進入人工合成材料的新時代?，F(xiàn)已進入人工合成材料的新時代。l 材料應(yīng)用以金屬材料為主，先進復(fù)合材料、材料應(yīng)用以金屬材料為主，先進復(fù)合材料、光電子信息材料、低維材料、新型金屬材料等