材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)

1、材料科學(xué)與工程基礎(chǔ),FUNDAMENTALS OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING,第一章 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 and Methods o

2、f Learning this Course,Chapter 1,1-1 材料的定義和分類(Definition and Classfication) 1-1-1定義 1. 材料 Materials Material：材料科學(xué) （工科） 物質(zhì)科學(xué) （理科） Webster編者“New International Dictionary（1971年）”中關(guān)于材料（Materials）的定義為：材料是指用來(lái)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(shū)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，

3、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)。,2. 原料與材料 原料（Raw Materials） 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(guò)程不發(fā)生化學(xué)變化。 3. 材料與物質(zhì)(Materials and Matter) 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

4、分類 無(wú)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. 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,(2) 有色金屬 五大類 輕金

5、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 Principal Properties a. 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 Application a. 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

6、芯（銅） c. 工具,2 無(wú)機(jī)非金屬材料 Inorganic nonmetals (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。(Silicate Ceramics) 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，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

7、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 polymers, Marcomolecules (1) 分類 碳鏈 CCC 按主鏈結(jié)構(gòu) 雜鏈 CNC=O COC 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 Coating,(2) 基本性質(zhì) a. 共價(jià)鍵，部分范氏鍵 b. 分子量大，無(wú)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

8、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,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

9、屬、無(wú)機(jī)非金 按復(fù)合方式 無(wú)機(jī)非金屬 金屬、無(wú)機(jī)非金屬 高分子（塑料，橡膠） 金屬、無(wú)機(jī)非金、高分子,(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(wú)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PS ABS樹(shù)脂 減震材料,1-2 材料科學(xué)與工程概述 Brief Introduction 1-2-1材料的重要作用 Import

10、ance of Materials for the Develoment of Humen History and Science &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）,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

11、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,(2) 目前 材料品種幾十萬(wàn)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,1-2-2 材料科學(xué)與工程的范疇和任務(wù) 學(xué)科建立 Establishment of Maerials Scienceand Engineerin

12、g 1960s 金屬材料金相學(xué)金屬學(xué) 無(wú)機(jī)材料無(wú)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) Contents and Objective 材料科學(xué)：從理論上研究金屬、無(wú)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(guò)程間相互關(guān)系的知識(shí)開(kāi)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）。,Performance,Properties,Synthesis and Processing,Compositions and Structures,研究

13、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(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 Materials Engineering 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(lái)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(guò)程,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

14、、分類 及基本內(nèi)容 第二章 物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) Fundamentals of Material Structure 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 材料的組成及結(jié)構(gòu) Compositions and Structures of Materials 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 材料的性能 Properties of Materials 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 材料的制備和成型加工 Preparation and Manufacturing of Materials 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 中文教材和英文教材相結(jié)合，電子課件上網(wǎng)，中英文習(xí)題 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(guò)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)性能內(nèi)在關(guān)系； 通過(guò)對(duì)