概述,材料科学与工程

1、材料科学与工程基础 绪 论 材料的定义材料的定义 材料的性能材料的性能 材料的分类材料的分类 材料科学与工程概述材料科学与工程概述 课程的内容及学习方法课程的内容及学习方法 一、材料的定义一、材料的定义 材料材料是能为人类是能为人类经济地经济地、用于制造、用于制造有用物有用物 品品的物质。的物质。 材料是具有一定性能，可以用来制材料是具有一定性能，可以用来制 作器件、构件、工具、装置等物品的物质。作器件、构件、工具、装置等物品的物质。 材料存在于我们的周围，与我们的生活息材料存在于我们的周围，与我们的生活息 息相关。材料是人类文明、社会进步、科技发息相关。材料是人类文明、社会进步、科技发 展的

2、物质基础。展的物质基础。 什么是材料？什么是材料？ 材料无处不在材料无处不在 材料是人类社会进步的里程碑材料是人类社会进步的里程碑 人类利用材料的历史，人类利用材料的历史， 就是一部人类进化和进步就是一部人类进化和进步 的历史的历史。 现代社会 三三 大大 支支 柱柱 能源、信息和能源、信息和材料材料（19981998） 生物工程、信息技术和生物工程、信息技术和新材料新材料 材料是经济和社会发展的基础和先导材料是经济和社会发展的基础和先导 材料定义：材料定义： 在机器、结构件、器件和产品中因其性能在机器、结构件、器件和产品中因其性能 而成为有用的物质而成为有用的物质 必需保证使用的基本性能（力

3、学、物理），必需保证使用的基本性能（力学、物理）， 具有一定的寿命（疲劳、磨损、腐蚀）；具有一定的寿命（疲劳、磨损、腐蚀）； 便于制造，即可以生产出来；便于制造，即可以生产出来； 可接受的成本。可接受的成本。 评价一个设备、部件、零件的优劣或质量：评价一个设备、部件、零件的优劣或质量： 二、材料的性能二、材料的性能 材料的性能材料的性能是指材料的性质和功能。是指材料的性质和功能。性性 质质是本身所具有的特质或本性；是本身所具有的特质或本性；功能功能是人们是人们 对材料的某种期待与要求种可以承担功效，对材料的某种期待与要求种可以承担功效， 以及承担该功效下的表现或能力。以及承担该功效下的表现或能

4、力。 1.1.力学性能力学性能 2.2.物理性能物理性能 3. 化学性能化学性能 4. 工艺性能工艺性能 材料的材料的力学性能力学性能是指材料处于特定环境因是指材料处于特定环境因 素素(温度、介质等温度、介质等)时，在外力或能量以及作用时，在外力或能量以及作用 下表现出来的变形和破坏的特征。下表现出来的变形和破坏的特征。 通常把作用在材料上的外力或能量称为载通常把作用在材料上的外力或能量称为载 荷或负荷。材料的荷或负荷。材料的主要力学性能主要力学性能有有： 弹性弹性 强度强度 塑性塑性 硬度硬度 冲击韧性冲击韧性 疲劳特性疲劳特性 耐磨性耐磨性 力学性能力学性能 拉伸试验拉伸试验 过程：过程：

5、 力学性能力学性能 外力增加，试样伸长。得到外力增加，试样伸长。得到P P L L曲线，换算曲线，换算 为为 曲线。材料表现为弹性变形、均匀塑性曲线。材料表现为弹性变形、均匀塑性 变形、颈缩、断裂。变形、颈缩、断裂。 弹性与刚度弹性与刚度 弹性变形：弹性变形： 弹性模量与刚度：弹性模量与刚度： 在在OAOA段为直线，即应力段为直线，即应力 与应变成正比，变化规律服与应变成正比，变化规律服 从虎克定律。并且在外力卸从虎克定律。并且在外力卸 载后试样恢复到原始长度。载后试样恢复到原始长度。 可以达到的最大应力成为弹可以达到的最大应力成为弹 性极限性极限( (比例极限比例极限) )。 力学性能力学性

6、能 强度与塑性强度与塑性 屈服强度：屈服强度：s s 0.2 0.2 塑性：塑性：断裂前可发生永久断裂前可发生永久 变形的能力。变形的能力。 抗拉强度：抗拉强度：b b 材料材料开始发生塑性变开始发生塑性变 形的最小应力。形的最小应力。 材料材料发生断裂前能承发生断裂前能承 受的最大应力。受的最大应力。 力学性能力学性能 硬度硬度 硬度硬度是衡量材料软硬程度的指标，反映材料抵抗局部是衡量材料软硬程度的指标，反映材料抵抗局部 塑性变形的能力。塑性变形的能力。 莫氏硬度：莫氏硬度： 材料名称材料名称 硬度级别硬度级别 滑石滑石1 石膏石膏2 萤石萤石4 钠长石钠长石6 黄玉黄玉8 刚玉刚玉9 金刚

7、石金刚石10 布氏硬度：布氏硬度： 用直径用直径D D钢球在钢球在 力力P P的作用下压在试的作用下压在试 样上一定时间样上一定时间, ,压痕压痕 直径为直径为d d。实用于较。实用于较 软的塑性材料。软的塑性材料。 力学性能力学性能 硬度硬度 洛氏强度：洛氏强度： 用用120120度圆锥金刚石压头，度圆锥金刚石压头，1470N 1470N (150kgf)(150kgf)力压入材料，以压入材料表面力压入材料，以压入材料表面 的深度来度量材料的硬度。用于硬度较的深度来度量材料的硬度。用于硬度较 高的淬火钢件。高的淬火钢件。 用对面夹角用对面夹角136136度四棱锥金刚石压头，度四棱锥金刚石压头

8、， 在力在力P P作用下压入材料，用压痕单位面积作用下压入材料，用压痕单位面积 上承受的力作为材料硬度的度量。力的大上承受的力作为材料硬度的度量。力的大 小从小从980N980N、490N490N、297N297N到到0.192N0.192N不等。不等。 压痕小用显微镜来观察，用于测量表层或压痕小用显微镜来观察，用于测量表层或 微区。微区。 维氏强度：维氏强度： 力学性能力学性能 冲击韧性冲击韧性 冲击韧性冲击韧性是材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的是材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的 能力。常用能力。常用一次弯曲冲击韧性一次弯曲冲击韧性试验试验a ak k值来表示。以值来表示。以 带缺口

9、标准试样快速冲断时，单位横截面积吸收的带缺口标准试样快速冲断时，单位横截面积吸收的 功。冲击韧性是材料强度和塑性综合作用的结果。功。冲击韧性是材料强度和塑性综合作用的结果。 试样尺寸试样尺寸试验方法试验方法 力学性能力学性能 断裂韧性断裂韧性 断裂韧性断裂韧性是材料中存在缺陷时，材料抵抗脆性断裂的是材料中存在缺陷时，材料抵抗脆性断裂的 能力。能力。 断裂韧性指标为断裂韧性指标为K KIC IC，有专门的测定方法。工程应用 ，有专门的测定方法。工程应用 要求：要求： 大型构件不可避免存在各种缺陷，在缺陷前端大型构件不可避免存在各种缺陷，在缺陷前端 有不同的应力作用，都存在应力集中，其中裂纹受有不

10、同的应力作用，都存在应力集中，其中裂纹受 张开应力作用为最危险。张开应力作用为最危险。 Y裂纹形状系数，裂纹形状系数，a裂纹长度的一半。裂纹长度的一半。 力学性能力学性能 疲劳强度疲劳强度 零件在低于屈服应力的交变应力的反复作用下，零件在低于屈服应力的交变应力的反复作用下， 而发生的断裂现象称为而发生的断裂现象称为疲劳断裂疲劳断裂。疲劳断裂是损伤的。疲劳断裂是损伤的 积累过程，包括疲劳裂纹的产生、扩展、瞬间断裂三积累过程，包括疲劳裂纹的产生、扩展、瞬间断裂三 各阶段。应力大小和循环次数有关。各阶段。应力大小和循环次数有关。 低周疲劳低周疲劳又称条件疲劳极限，又称条件疲劳极限， 参照零件工作周期

11、可能作用参照零件工作周期可能作用 的次数下能承受的应力极限的次数下能承受的应力极限 值。值。（可以有效发挥材料的作用） 高周疲劳高周疲劳对称应力作用趋于水对称应力作用趋于水 平线的最大应力为平线的最大应力为-1 -1 , ,作作 为永久可用的疲劳强度极限。为永久可用的疲劳强度极限。 实际大多以实际大多以10107 7次未断裂的应次未断裂的应 力来测定。力来测定。 力学性能力学性能 耐磨性耐磨性 一个零件相对另一零件有摩擦运动而造成接触面一个零件相对另一零件有摩擦运动而造成接触面 的尺寸变化、质量损失现象成为磨损。的尺寸变化、质量损失现象成为磨损。 磨损的后果可能因零件尺寸变化，轻则降低传动质量

12、，磨损的后果可能因零件尺寸变化，轻则降低传动质量， 影响部件的使用性能；重则因尺寸变小造成零件断裂。影响部件的使用性能；重则因尺寸变小造成零件断裂。 磨损主要有磨粒磨损磨损主要有磨粒磨损( (切削切削) )、粘着磨损、粘着磨损( (分子作用力分子作用力) )； 此外接触疲劳有人作为磨损，也有人算另一类损伤形式。此外接触疲劳有人作为磨损，也有人算另一类损伤形式。 测定方法让两试样组成摩擦付，在设定条件测定方法让两试样组成摩擦付，在设定条件( (力、力、 润滑剂润滑剂) )进行一定时间的摩擦运动后，测定试样的尺进行一定时间的摩擦运动后，测定试样的尺 寸减小值寸减小值/ /质量的损失值质量的损失值/

13、 /摩擦表明外观形貌来比较摩擦表明外观形貌来比较 不同材料的耐磨性。不同材料的耐磨性。 力学性能力学性能 材料的材料的物理性能物理性能是指材料本身的具有各种是指材料本身的具有各种 物理量物理量(热、电、光、磁等热、电、光、磁等)以及环境变化时他以及环境变化时他 们的变化程度。们的变化程度。 密度与比容密度与比容 导热性导热性 热膨胀系数热膨胀系数 单位体积物质的质量单位体积物质的质量 Kg/M3 单位质量的物质所占的体积单位质量的物质所占的体积 M3/Kg 物体内温度梯度为物体内温度梯度为1/M1/M时，在单位时间、单位时，在单位时间、单位 面积内传递的热量面积内传递的热量 W/(M.K) 温

14、度上升温度上升11时，单位长度的伸长量时，单位长度的伸长量 mm/(.mm)或或-1 物理性能物理性能 电阻与电导电阻与电导 电阻温度系数电阻温度系数 熔点熔点 导磁率导磁率 物质由固态转变为液态的温度，反映固态下原子间结物质由固态转变为液态的温度，反映固态下原子间结 合力。合力。 电阻率电阻率 为单位长度和单位截面积导体的电阻。为单位长度和单位截面积导体的电阻。 单位是单位是M，其倒数称为电导率，其倒数称为电导率 S/M 温度上升温度上升11时，时，电阻率电阻率 的变化系数，的变化系数， 单位单位-1 电子导电的特点是温度升高，电阻率上升；离子导 电是热激活过程，温度升高，电阻率下降。 超导

15、现象是材料在很低温度下，电阻突然从某个值 降为零的特征。每种材料有自己的转变温度，某些化合 物的转变温度达到100K以上。 从铁合金、化合物从铁合金、化合物(铁氧体铁氧体)特有性能。特有性能。 物理性能物理性能 反映材料与各种化学试剂发生化学反应的反映材料与各种化学试剂发生化学反应的 可能性和反应速度大小的相关参数。可能性和反应速度大小的相关参数。 工程材料工程材料主要考虑其耐腐蚀性，电化学材料有的考察电极 电位、储能密度等。 材料由于周围环境介质侵蚀而造成的损伤和破坏材料由于周围环境介质侵蚀而造成的损伤和破坏 均称为腐蚀。均称为腐蚀。 发生腐蚀的化学过程有化学腐蚀发生腐蚀的化学过程有化学腐蚀

16、( (氧化氧化) )、电化学、电化学 腐蚀和应力腐蚀等不同形式。腐蚀速度与材料、介质、腐蚀和应力腐蚀等不同形式。腐蚀速度与材料、介质、 温度、应力、辐照温度、应力、辐照因素有关。腐蚀不仅影响零件因素有关。腐蚀不仅影响零件 表明质量，并且可以造成零件早期损坏，防腐设计应表明质量，并且可以造成零件早期损坏，防腐设计应 考虑材料的选择和防腐措施相结合。考虑材料的选择和防腐措施相结合。 化学性能化学性能 材料的材料的工艺性能工艺性能是材料力学、物理、化是材料力学、物理、化 学性能的综合表现。主要反映材料生产或零学性能的综合表现。主要反映材料生产或零 部件加工过程的可能性或难易程度。部件加工过程的可能性

17、或难易程度。 1. 材料可生产性材料可生产性：得到材料可能性和制备方法。：得到材料可能性和制备方法。 2. 铸造性铸造性：将材料加热得到熔体，注入较复杂的型腔后：将材料加热得到熔体，注入较复杂的型腔后 冷却凝固，获得零件的方法。冷却凝固，获得零件的方法。 流动性流动性：充满型腔能力：充满型腔能力 收缩率收缩率：缩孔数量的多少和分布特征：缩孔数量的多少和分布特征 偏析倾向偏析倾向：材料成分的均匀性：材料成分的均匀性 工艺性能工艺性能 3. 锻造性锻造性：材料进行压力加工：材料进行压力加工(锻造、压延、轧制、拉锻造、压延、轧制、拉 拔、挤压等拔、挤压等)的可能性或难易程度的度量。的可能性或难易程度

18、的度量。 4. 焊接性焊接性：利用部分熔体，将两块材料连接在一起。：利用部分熔体，将两块材料连接在一起。 塑性变形能力：塑性变形能力：材料不破坏的前提下的最大变形量。材料不破坏的前提下的最大变形量。 塑性变形抗力：塑性变形抗力：发生塑性变形所需要的最小外力。发生塑性变形所需要的最小外力。 连接能力连接能力：焊接头部位强度与母材的差别程度。焊接头部位强度与母材的差别程度。 焊接缺陷焊接缺陷：焊接处出现气孔、裂纹可能性的大小或母材焊接处出现气孔、裂纹可能性的大小或母材 变形程度。变形程度。 工艺性能工艺性能 5. 切削加工性切削加工性：材料进行切削加工的难易程度。它与：材料进行切削加工的难易程度。

19、它与 材料的种类、成分、硬度、韧性、导热性等有关。材料的种类、成分、硬度、韧性、导热性等有关。 6. 热处理性能热处理性能：可以实施的热处理方法和材料在热处理：可以实施的热处理方法和材料在热处理 时性能改变的程度。时性能改变的程度。 切削抗力切削抗力 加工表面质量加工表面质量 排屑难易程度排屑难易程度 切削刀具的使用寿命切削刀具的使用寿命 随着科技进步的发展，对材料工艺性能的评价标准也在随着科技进步的发展，对材料工艺性能的评价标准也在 不断发展和变化。不断发展和变化。 工艺性能工艺性能 决定材料性能实质：决定材料性能实质： 构成材料构成材料原子的类型原子的类型：材料的成分描述了组成材料的元材料

20、的成分描述了组成材料的元 素种类以及各自占有的比例。素种类以及各自占有的比例。 材料中材料中原子的排列方式原子的排列方式：原子的排列方式除了和元素原子的排列方式除了和元素 自身的性质有关以外，还和材料经历的生产加工过程有自身的性质有关以外，还和材料经历的生产加工过程有 密切的关系。密切的关系。 研究的意义：研究的意义： 1. 性能决定了材料的用途。性能决定了材料的用途。 2. 性能决定了材料和零部件生产方法。性能决定了材料和零部件生产方法。 3. 性能的变化规律为改变材料性能达到人们需求提供途径。性能的变化规律为改变材料性能达到人们需求提供途径。 总总 结结 三、材料的分类三、材料的分类 用途

21、：结构材料用途：结构材料（受力，承载） 功能材料功能材料（半导体，超导体，以及光、电、声、磁、应力转换，等） 物理形态：晶体材料和非晶态材料物理形态：晶体材料和非晶态材料 属性：金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料属性：金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料 几何形态：三维材料、二维材料、一维材料和零维材料几何形态：三维材料、二维材料、一维材料和零维材料 发展：传统材料发展：传统材料（钢铁，铜，铝，水泥，塑料，陶瓷，. ） 新材料新材料（金属间化合物，高温超导材料，非晶态合金，纳米材料, .） 使用：建筑材料、电子材料、医用材料和能源材料使用：建筑材料、电子材料、医用材料和能源材料 工程

22、材料：工程材料： 各种在工程上使用的材料各种在工程上使用的材料 金属材料：金属材料： 黑色金属（钢铁）黑色金属（钢铁） 有色金属（非铁金属及其合金）有色金属（非铁金属及其合金） 非金属材料：非金属材料： 无机非金属材料无机非金属材料 有机高分子材料有机高分子材料 复合材料复合材料 四、材料科学与工程概述四、材料科学与工程概述 材料科学与工程：材料科学与工程：关于将材料的成分、加工关于将材料的成分、加工 工艺与其性能和用途联系起来的知识的开发与工艺与其性能和用途联系起来的知识的开发与 应用。应用。 材料科学材料科学 材料工程材料工程 为什么？为什么？ 怎么做？怎么做？ 材料科学与工程的性质材料科

23、学与工程的性质 材料科学的由来材料科学的由来 材料科学与工程的范围材料科学与工程的范围 材料科学在工程中的作用材料科学在工程中的作用 材料科学与工程的形成和发展材料科学与工程的形成和发展 u 各种材料的制造和应用发展到一个崭新的阶段；各种材料的制造和应用发展到一个崭新的阶段； u固体物理、无机化学、有机化学、物理化学、现代分析固体物理、无机化学、有机化学、物理化学、现代分析 测试技术和设备的发展，以及冶金学、金属学、陶瓷学、测试技术和设备的发展，以及冶金学、金属学、陶瓷学、 高分子科学的发展，为材料科学的发展打下了坚实的基高分子科学的发展，为材料科学的发展打下了坚实的基 础。础。 u 在材料科

24、学出现之前，金属材料、高分子材料与陶瓷材在材料科学出现之前，金属材料、高分子材料与陶瓷材 料都已自成体系，目前复合材料也在形成学科体系。料都已自成体系，目前复合材料也在形成学科体系。 u各类材料的研究设备与生产手段颇多相似之处。各类材料的研究设备与生产手段颇多相似之处。 u 许多不同类型的材料可以相互替代和补充，能更充分发许多不同类型的材料可以相互替代和补充，能更充分发 挥各种材料的优越性，达到物尽其用的目的。挥各种材料的优越性，达到物尽其用的目的。 u复合材料在多数情况下是不同类型材料的组合。复合材料在多数情况下是不同类型材料的组合。 材料科学与工程的形成与发展：材料科学与工程的形成与发展：

25、 材料科学与工程的形成与发展，反 映了学科发展从细分到整合（综合）的 基本规律。 材料学科的分合图材料学科的分合图 地地 质质采采 矿矿 矿矿 冶冶 化化 工工冶冶 金金 陶陶 瓷瓷 高分子高分子 物物 冶冶 化化 冶冶 物物 冶冶 力力 冶冶 物物 理理 社会科学社会科学 材料学 材料学 M M S S E E 化化 学学力力 学学 矿矿 18791879 18881888 18881888 19371937 19371937 19661966 19861986 19891989 19751975 美国美国 MIT 矿冶及材料系名称的演变矿冶及材料系名称的演变 年年系名称系名称 186518

26、65 18791879地质与采矿工程地质与采矿工程 18791879 18841884采矿工程采矿工程 18841884 18881888采矿工程采矿工程（地质、采矿、冶金）（地质、采矿、冶金） 18881888 18901890采矿与冶金采矿与冶金 18901890 19271927采矿工程与冶金采矿工程与冶金 19271927 19371937采矿与冶金采矿与冶金 19371937 19661966冶金冶金 19661966 19751975冶金与材料科学冶金与材料科学 19751975 现在现在材料科学与工程材料科学与工程 材材 料料 学学 科科 金金 属属 材材 料料 与与 热热 处处 理理 钢钢 铁铁 冶冶 金金 有有 色色 金金 属属 冶冶 金金 冶冶 金金 物物 理理 化化 学学 金金 属属 压压 力力 加加 工工 无无 机机 非非 金金 属属