材料科学与工程基础绪论x

1、材料科学与工程学院材料物理教研室李艳红目目 录录第一章 绪论第二章 材料结构基础第三章 材料组成与结构第四章 材料的性质第五章 材料的制备与成型加工aluminum (metal) cans , glassbottlesand plastic (polymer) bottles 1-1 材料的定义、分类及基本性质1-2 材料科学与工程概述1-3 本课程的内容和学习方法1-1-1 定义定义1. 材料材料 Materials我们的周围到处都是材料我们的周围到处都是材料我们的衣食住行的必备条件我们的衣食住行的必备条件人类一切生活和生产活动的物质基础人类一切生活和生产活动的物质基础先于人类存在，并且与

2、人类的出现和进化先于人类存在，并且与人类的出现和进化有着密切的联系。有着密切的联系。陶瓷艺术结束动画图片结束动画图片玻璃瓶玻璃瓶结束动画图片结束动画图片结束动画图片结束动画图片结束动画图片结束动画图片塑塑料料布布结束动画图片结束动画图片特种工程塑料特种工程塑料结束动画图片结束动画图片结束动画图片结束动画图片一些典型的高聚物材料一些典型的高聚物材料结束动画图片结束动画图片结束动画图片结束动画图片结束动画图片结束动画图片人类使用材料是一巨大的、全球性的、时空无限的人类使用材料是一巨大的、全球性的、时空无限的去动画图片开始去动画图片开始 什么是材料？具体地说，材料是用什么是材料？具体地说，材料是用来

3、制造各种产品的物质，这些物质用来来制造各种产品的物质，这些物质用来生产和构成功能更多、更强大的产品。生产和构成功能更多、更强大的产品。金属、陶瓷、玻璃、半导体、超导体、金属、陶瓷、玻璃、半导体、超导体、塑料、橡胶、纤维、砂子、石块，还有塑料、橡胶、纤维、砂子、石块，还有许多复合材料都属于材料的范畴。许多复合材料都属于材料的范畴。 矿物燃料、空气和水，是否是材料？矿物燃料、空气和水，是否是材料？Material：材料科学：材料科学 （工科）（工科） 物质科学物质科学 （理科）（理科） 材料是指具有满足指定工作条件下使材料是指具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质。用要求的形态和物理

4、性状的物质。原料原料（Raw Materials） 由由原料到材料。原料到材料。 原料原料一般不是为获得产品，而是生产材料一般不是为获得产品，而是生产材料，往往，往往 伴随化学变化。伴随化学变化。 材料材料的特点往往是为获得产品，一般从的特点往往是为获得产品，一般从材料到产品材料到产品 的转变过程不发生化学变化。的转变过程不发生化学变化。材料材料与物质与物质(Materials and Matter) 材料材料可由一种或可由一种或多种物质多种物质组成。组成。 同同一物质一物质由于制备方法或加工方法由于制备方法或加工方法不同可以得到不同可以得到用途用途各异、类型各异、类型不同的材料不同的材料。1

5、-1-2类别类别类别类别 材料材料可以根据化学组成、状态、作用和使用可以根据化学组成、状态、作用和使用领域分类。领域分类。化学组成化学组成分类分类状态状态分类分类金属材料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气态气态固态固态液态液态单晶单晶多晶多晶复晶复晶非晶非晶作用分类作用分类Function功能材料功能材料结构结构(工程工程)材料材料应用领域分类应用领域分类Application建筑建筑电子电子医用医用仪表仪表包装包装耐火耐火能源等等能源等等(1) 黑色金属材料黑色金属材料钢钢Steel化学成分化学成分碳素钢、合金钢碳素钢、合金钢品质品质普通、优质、高级优质钢普通

6、、优质、高级优质钢金相组织或组织结构金相组织或组织结构珠光体、贝氏体珠光体、贝氏体、马氏体和奥氏体马氏体和奥氏体用途用途建筑工程、结构、工具、特殊性建筑工程、结构、工具、特殊性能、专业用钢能、专业用钢冶炼方法冶炼方法平炉、转炉、电炉、沸腾炉钢平炉、转炉、电炉、沸腾炉钢铸铁铸铁灰铸铁灰铸铁可锻铸铁可锻铸铁球墨铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁蠕墨铸铁特殊性能铸铁特殊性能铸铁(2) (2) 有色金属有色金属五大类五大类 轻金属轻金属 （ (4.5g/cm4.5g/cm3 3) ) 铜、镍、铅、锌铜、镍、铅、锌 贵金属贵金属 金、银、铂、铑金、银、铂、铑 类金属（半）类金属（半） 硅、硅、硒、砷、硒、砷、硼硼 稀

7、有金属稀有金属 钛、锂、钨、钼、镭钛、锂、钨、钼、镭 常用常用的有色金属材料的有色金属材料有：有：AlAl、Cu Cu 、ZnZn、 SnSn、 PbPb、 MgMg、 NiNi(3) (3) 基本特性基本特性 Principal PropertiesPrincipal Properties a. a. 金属键，常规法生产金属键，常规法生产的金属为的金属为晶体结构；晶体结构； b.b. 常温下常温下固体，熔点固体，熔点较高；较高； c.c. 金属光泽；金属光泽； d.d. 纯金属范性大、展性、延性大；纯金属范性大、展性、延性大； e.e. 强度较高；强度较高； f.f. 自由电子的存在，导热自

8、由电子的存在，导热、导电性好；、导电性好； g.g. 空气空气中易氧中易氧化，如钢、铁等生成氧化膜，化，如钢、铁等生成氧化膜， 合金可改性抗氧化性。合金可改性抗氧化性。(4) (4) 用途用途 ApplicationApplication a. a. 结构材料结构材料: :如机床如机床, ,建筑机械设备、建筑机械设备、 工程工程交通工具；交通工具； b.b. 导体材料，电线芯（铜）导体材料，电线芯（铜） c.c. 工具工具(1) (1) 分类分类（按成分，化学结构和用途分四大类）（按成分，化学结构和用途分四大类） 混凝土（水泥）混凝土（水泥） 玻璃玻璃 GlassGlass 硅及耐火材料硅及耐

9、火材料 SiliconSilicon 陶瓷（器）陶瓷（器） CeramicsCeramics 传统陶瓷（天然硅酸盐矿）：各中粘土烧传统陶瓷（天然硅酸盐矿）：各中粘土烧制而成。制而成。 (Silicate Ceramics)(Silicate Ceramics) 特种陶瓷（人工化合物：氧化物、氮化物、硼化物、碳化物）特种陶瓷（人工化合物：氧化物、氮化物、硼化物、碳化物）(2) (2) 基本特性基本特性以陶瓷为以陶瓷为例例 a.a. 离子键、共价键及其混合键；离子键、共价键及其混合键； b.b. 硬而脆；硬而脆； c.c. 熔点高、耐高温抗氧化熔点高、耐高温抗氧化 d.d. 导热、导电性差；导热、

10、导电性差； e.e. 耐化学腐蚀性好；耐化学腐蚀性好； f.f. 耐磨；耐磨； g.g. 成型方式为粉末制坏、烧制成型成型方式为粉末制坏、烧制成型(3) (3) 用途用途建筑卫生陶瓷：瓷砖、浴缸。建筑卫生陶瓷：瓷砖、浴缸。工程陶瓷工程陶瓷 工程结构陶瓷：反应釜（耐酸、耐腐蚀）工程结构陶瓷：反应釜（耐酸、耐腐蚀） 绝缘瓷瓶。绝缘瓷瓶。 功能陶瓷：磁性、导电。功能陶瓷：磁性、导电。Polymers, MacromoleculesPolymers, Macromolecules( (1) 1) 分类分类按主链结构按主链结构Backbone Backbone chainchain碳链碳链 C CC C

11、C C杂链杂链 C CN NC=OC=O；C CO OC C元素元素 SiSi、P P、B B按按使用性质使用性质塑料塑料 PlasticsPlastics橡胶橡胶 Rubber Rubber 天然、合成天然、合成纤维纤维 Fiber Fiber 天然、合成天然、合成粘合剂粘合剂 AdhesiveAdhesive涂料涂料 CoatingCoating通用塑料、工程塑料通用塑料、工程塑料热塑性、热固性热塑性、热固性以C、H、N、O等元素为基础，由许多结构相同的小单位重复连接组成，含有成千上万个原子，分子量很大，并在某一个范围内变化着。(2) (2) 基本性质基本性质 a. 共价键，部分范氏键 b

12、. 分子量大，无明显熔点，有玻璃化转变温度Tg 和粘流温度Tf； c. 力学状态有三态：玻璃态、高弹态、粘流态 d. 比重小 e. 绝缘性好 f. 优越的化学稳定性 g. 成型方法多(3) (3) 用途用途结构材料：电视机壳体、冰箱壳体、轴承、机械零件结构材料：电视机壳体、冰箱壳体、轴承、机械零件绝缘材料：漆包线、电缆、绝缘版、电器零件绝缘材料：漆包线、电缆、绝缘版、电器零件建筑材料：贴面板、地贴建筑材料：贴面板、地贴包装材料：塑料袋、薄膜、泡沫塑料包装材料：塑料袋、薄膜、泡沫塑料涂装：涂料涂装：涂料粘合剂：粘合剂粘合剂：粘合剂日用：织物（衣服）胶鞋日用：织物（衣服）胶鞋 运输：轮胎，传送带运

13、输：轮胎，传送带CompositesComposites定义：定义：由两种以上组分组成，并且具有与其组成由两种以上组分组成，并且具有与其组成 不同的新的性能的材料不同的新的性能的材料(1) (1) 分类分类 按性能按性能： 结构复合材料结构复合材料 功能功能复合材料复合材料 按增强剂形状及增强机理按增强剂形状及增强机理：粒子：粒子增强增强 纤维增强纤维增强基体基体 Matrix 增强体增强体 Reinforcement按复合方式分类按复合方式分类金属金属 金属、无机非金属金属、无机非金属无机非金属无机非金属 金属、无机非金属金属、无机非金属高分子高分子(塑料、橡胶塑料、橡胶) 金属、无机非金属

14、、金属、无机非金属、高分子高分子(纤维纤维)(2) (2) 基本性质基本性质 a. 抗疲劳性能良好；抗疲劳性能良好； b. 结构件减震性好；结构件减震性好； c. 比强度和比强度和比模量比模量高；高； d. 耐烧能性和耐高温性能好耐烧能性和耐高温性能好 e. 具有良好的减摩、耐摩和耐润滑性能具有良好的减摩、耐摩和耐润滑性能 生物材料生物材料Biomaterials 用于人体组织和器官的诊断、修复或增进其功能的一类高技术材料，即用于取代、修复活组织的天然或人造材料，其作用药物不可替代。生物材料能执行、增进或替换因疾病、损伤等失去的某种功能，而不能恢复缺陷部位。先进材料先进材料Advanced m

15、aterials 纳米材料，纳米材料，LED用材料，光纤等用材料，光纤等1-2-1 材料的重要作用材料的重要作用 材料材料是人类社会发展的巨大推动力，制造生产工具是人类社会发展的巨大推动力，制造生产工具的物质基础是材料。的物质基础是材料。 石器时代石器时代陶器时代陶器时代 青铜时代青铜时代 铁期时铁期时代代复合材料复合材料（图）（图）自古以来，材料的发展水平就是人类社会文自古以来，材料的发展水平就是人类社会文明程度的标志明程度的标志.人类文明史划分依据人类文明史划分依据: 当时的代表性材料当时的代表性材料1. 石器时代石器时代2. 铜器时代铜器时代3. 铁器时代铁器时代4. 石石器器 陶陶 器

16、器铜 器 编编 钟钟铁铁 器器 17641764年工业革命，第一部机器（手摇）年工业革命，第一部机器（手摇） 17691769年，水力纺纱机年，水力纺纱机 17821782年，年，蒸汽机蒸汽机为动力的纺纱机，纺织业为动力的纺纱机，纺织业 （动力）（动力） 瓦特发动机、传动机、工作机瓦特发动机、传动机、工作机机器系列机器系列 机器制造机器制造 铁铁 冶炼业冶炼业 木炭木炭大量砍伐；水土流失大量砍伐；水土流失 煤煤 采矿业采矿业 搅炼法（鼓风）搅炼法（鼓风） 炼钢炼钢 交通运输业交通运输业下一页下一页蒸汽机上一页上一页19451945年年 电子管计算机，几间大屋电子管计算机，几间大屋 半导体半导体

17、集成电路集成电路小型芯片、液小型芯片、液晶、分子器件、计算机（晶、分子器件、计算机（PCPC） 手提电脑，掌上电脑手提电脑，掌上电脑材料品种：几十万种（手册中）材料品种：几十万种（手册中）科学技术发展的三大支柱：科学技术发展的三大支柱： 80年代年代 能源、材料、信息能源、材料、信息 90年代信息技术、新材料、生物技术年代信息技术、新材料、生物技术 高速民航客机高速民航客机使用的复合材料，高比强、代替金属、重量轻使用的复合材料，高比强、代替金属、重量轻耐摩擦、热氧稳定、力学性能耐摩擦、热氧稳定、力学性能生物降解材料（环境保护）生物降解材料（环境保护）计算机、液晶显示屏（低电压）计算机、液晶显示

18、屏（低电压）信息社会要术各种各样光、电、磁、声材料信息社会要术各种各样光、电、磁、声材料各种材料相互替换、复合、共性、特性，各种材料相互替换、复合、共性、特性， 纳米材料纳米材料下一页返回返回1-2-2 材料科学与工程基础的范畴和任务材料科学与工程基础的范畴和任务（1）学科建立）学科建立 Establishment of Material Science and Engineering 1960s 金属材料金属材料金相学金相学金属学金属学 无机材料无机材料无机化学无机化学陶瓷学陶瓷学 高分子材料高分子材料高分子化学高分子化学高分子物理高分子物理卫星上天引发的震动 “材料科学”概念的提出只是20

19、世纪50年代末到60年代初的事情。 1957年，前苏联人造卫星首先上天，对美国人触动很大。1957年10月和11月，苏联先后发射了两颗重量分别为80kg和500kg的人造卫星。直到第二年的1月底，美国才发射了一个重量仅8kg的人造卫星。58 由于当时正是苏美两国争夺世界霸权的冷战时代，这件事在美国朝野引起很大震动。各有关部门联合向总统提出报告，认为美国落后于苏联的原因主要在于先进材料的研究开发方面。 1958年3月，美国总统发布了“全国材料规划”，决定由12所大学成立材料科学研究中心，采用先进的科学理论和实验方法对材料进行深入研究，从此出现了“材料科学材料科学”一词。 1966年，美国麻省理工

20、学院将“冶金系”改为“冶金与材料科学系”，1975年又将其更名为“材料科学与工程系”。这标志着人们开始把材料的研究作为自然科学的一个分支，从此“材料科学”学科开始兴起。材料的获得，质量的改进和使材料成为人们可用的器件或构件都离不开生产工艺和制造技术等工程知识，因此将材料科学与工程相提并论了592. 20世纪上半叶基础世纪上半叶基础学科的发展奠定了材料科学的基础学科的发展奠定了材料科学的基础 量子力学、固体物理、无机化学、有机化学、物理化学等基础学科的发展为材料科学的形成奠定了重要的理论基础；而各种现代分析技术的进步，加深了人们对物质结构和材料的物理化学性质的理解；同时，冶金学、金属学、陶瓷学、

21、高分子科学等应用科学的发展也使人们对材料本身的研究大大加强。这使人们对材料的制备、结构、性能以及它们之间的相互关系的研究也越来越深入。3. 不同不同材料应用理论的交叉融合促进了材料科学的形成材料应用理论的交叉融合促进了材料科学的形成 在“材料科学”概念出现以前，金属、陶瓷和高分子都已自成体系，但它们之间存在颇多相似之处，不同材料之间可以相互借鉴，促使了该学科的发展。604. 不同不同材料测试技术及工艺技术的交叉融合也促进了材料科材料测试技术及工艺技术的交叉融合也促进了材料科学的形成学的形成 虽然不同类型的材料各有其专用的生产设备和测试手段，但它们在许多方面是相同或相近的。 一方面，不同材料的一

22、方面，不同材料的结构结构与与性能性能表征方法大体上是相通表征方法大体上是相通的。的。 例如，光学显微镜、电子显微镜、表面测试设备、力学性能及其他例如，光学显微镜、电子显微镜、表面测试设备、力学性能及其他物理性能测试设备等，对不同类型的材料而言是通用的。物理性能测试设备等，对不同类型的材料而言是通用的。 另一方面，在材料的另一方面，在材料的制备制备与与加工加工中，有许多工艺也是通中，有许多工艺也是通用的。用的。 例如，挤压工艺常用于金属材料的成形加工以提高强度，而某些高例如，挤压工艺常用于金属材料的成形加工以提高强度，而某些高分子材料通过挤压法形成纤维同样能使其比强度和比刚度大幅度提高。分子材料

23、通过挤压法形成纤维同样能使其比强度和比刚度大幅度提高。 (2) (2) 内容和任务内容和任务 Contents and ObjectiveContents and Objective 材料科学：从理论上研究金属、无机非金属和材料科学：从理论上研究金属、无机非金属和有机高分子等材料的成分、结构、有机高分子等材料的成分、结构、 加工工艺同材料加工工艺同材料性能及材料应用之间的相互关系。性能及材料应用之间的相互关系。 材料科学与工程：关于材料组成、结构、材料科学与工程：关于材料组成、结构、制备制备工艺工艺与其性能及与其性能及使用过程使用过程间相互关系的知识开发及间相互关系的知识开发及应用的科学应用的

24、科学 学科性质：是介于基础科学与应用科学之间的学科性质：是介于基础科学与应用科学之间的应用基础科学应用基础科学（边缘学科）。（边缘学科）。使用性能使用性能Performance合成与制备过程合成与制备过程Synthesis and Processing组成与结构组成与结构Compositions and Structures性质性质Properties（工程）（工程）（化学）（化学）（物理学）（物理学）材料科学与工程定义为：关于材料组成、结构、制备工艺与其性能及使用过程间相互关系的知识开发及应用的科学。研究内容研究内容科学性科学性 a. 从化学角度出发，研究材料的化学组成、键性、从化学角度出发

25、，研究材料的化学组成、键性、 结构与性能的关系结构与性能的关系 b. 从物理角度，阐述材料的组成原子、分子及其运从物理角度，阐述材料的组成原子、分子及其运 动状态与各物性之间的关系动状态与各物性之间的关系 c. 材料的制备工艺材料的制备工艺技术性技术性 d. 材料的性能表征材料的性能表征 e. 材料的应用材料的应用返回目录返回目录(3) (3) 材料工程材料工程 Materials EngineeringMaterials Engineering 对于工程技术人员：如何选择特定应用环境下需对于工程技术人员：如何选择特定应用环境下需要的材料，来满足使用要求，如何按实际要求设计新要的材料，来满足使

26、用要求，如何按实际要求设计新材料，须弄清以下三个关系材料，须弄清以下三个关系 （材质）（材质）材料内部结构与性能材料内部结构与性能 （内部形态）（内部形态）加工工艺与性能加工工艺与性能 （使用环境，耐久性）（使用环境，耐久性）材料的性能与使用材料的性能与使用过程过程材料科学与材料工程的区别材料科学：集中于认识材料的本质，提出有关的 理论和描述，说明材料结构是如何与其成分，性质及行为相联系的。材料工程：瞄准基础科学和经验知识的综合和运用，以便发展、制备、改善和使用材料，满足具体需要。 两者之间很难划出明确的界限，主要区别在于着眼的不同或者说各自强调的中心不同1-3-1 目的专业基础课：奠定学科基础，建立整体概念为什么学？学什么？怎么学？第一章第一章 绪论绪论 材料的定义、分类材料的定义、分类 及基本内容及基本内容第二章第二章 材料材料结构基础结构基础 各类材