工程材料导论

1、IntroductiontoEngineeringMaterials材料的定义与分类材料的定义与分类材料的地位和作用材料的地位和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材料的发展趋势材料的发展趋势矿业及农业科技矿业及农业科技与工程范畴与工程范畴材料科学材料科学与工程范畴与工程范畴 材料的地位和作用材料的地位和作用 材料的定义与分类材料的定义与分类定义：定义：宇宙间可用于制造有用物品的固态物质统称为宇宙间可用于制造有用物品的固态物质统称为1资源资源2能源能源3环保环保4质量质量5经济经济 有用的、并能用来制造物品（件）的物质有用的、并能用来制造物品（件）的物质 一般指固态的，可用

2、于工程上的物质一般指固态的，可用于工程上的物质 作为材料科学研究对象的材料则主要是那些制造器件或作为材料科学研究对象的材料则主要是那些制造器件或物品的人造物质物品的人造物质 材料的定义与分类材料的定义与分类材料无处不在材料无处不在人类已经发现的材料：人类已经发现的材料：“800800 ” ”万种万种每年新增：每年新增：“2525 ” ”万种万种具有实际工业价值的有：具有实际工业价值的有：“8 8 ” ”万种万种 材料的定义与分类材料的定义与分类u铁器时代铁器时代u信息时代信息时代（新材料时代）u石器时代石器时代（石器、陶器 、瓷器)u青铜器时代青铜器时代 材料的地位和作用材料的地位和作用第一次

3、工业革命（第一次工业革命（1818世纪）世纪）制钢工业制钢工业的发展为蒸汽机的发明和应用奠定了物质基础的发展为蒸汽机的发明和应用奠定了物质基础以以蒸汽机蒸汽机和和纺织机纺织机的发明和使用为主要标志的发明和使用为主要标志工业革命使工厂制代替了手工工场，用工业革命使工厂制代替了手工工场，用机器机器代替了手工代替了手工劳动劳动 以以电力电力和和内燃机内燃机的发明和使用为主要标志的发明和使用为主要标志, ,以石油开发和新以石油开发和新能源为突破口，大力推进了汽车、飞机等其他工业。能源为突破口，大力推进了汽车、飞机等其他工业。第二次工业革命（第二次工业革命（1919世纪中叶到世纪中叶到2020世纪中叶）

4、世纪中叶）莫尔斯电报机发报第三次工业革命（第三次工业革命（2020世纪世纪4040年代起）年代起） 以以核能核能、电子计算机电子计算机、空间技术空间技术和和生物工程生物工程的发明和的发明和使用为主要标志，涉及信息技术、新能源技术、新材料技使用为主要标志，涉及信息技术、新能源技术、新材料技术、生物技术、空间技术和海洋技术等诸多领域的一场术、生物技术、空间技术和海洋技术等诸多领域的一场信信息控制技术革命息控制技术革命。 材料的地位和作用材料的地位和作用发发电电机机1820年年蒸蒸气气机机1763年年计计算算机机1946年年第一次工业革命第一次工业革命 制钢工业制钢工业的发展为蒸汽机的发明的发展为蒸

5、汽机的发明和应用奠定了物质基础和应用奠定了物质基础第二次工业革命第二次工业革命 合金钢、铝合金及其他非金属材合金钢、铝合金及其他非金属材料料的发展是此次工业革命的支撑的发展是此次工业革命的支撑第三次工业革命第三次工业革命 航空材料不断进步；航空材料不断进步；塑料、合成塑料、合成橡胶、合成纤维橡胶、合成纤维的相继问世；的相继问世；单晶单晶硅硅材料对电子技术的发明和应用起材料对电子技术的发明和应用起到了核心的作用到了核心的作用 材料的地位和作用材料的地位和作用 材料的地位和作用材料的地位和作用图图 例例所用材料所用材料特特 点点 世界杯 足球赛 指定用球用32片复合泡沫材料缝制而成反弹力大，球速快

6、而稳定，耐磨。 大屏幕 液晶投 影电视面板用晶体硅制成。 对比度和清晰度高， 显示速度快，体积小。DVD录像机用DVDRW盘片存储节目体积小，重量轻。仿真手臂用高强度碳纤维复合材料作手臂骨骼，陶瓷作感知元件碳纤维复合材料强度高，重量轻，可旋转的腕和手指以及微电机等安装在它上面。 材料的地位和作用材料的地位和作用 材料的地位和作用材料的地位和作用种种 类类使用的使用的主要材料主要材料存储存储容量容量特特 点点 软盘软盘氧化铁氧化铁磁性材料磁性材料 1.44 Mb容量小，主要是文本文件的存储。 CDRW多元合金和以多元合金和以ZnS等等为主的陶瓷材料为主的陶瓷材料 650 Mb驱动器兼容CD光盘，

7、光盘价低，用量高速增长。 MO (磁光盘磁光盘)TbFeCo合金磁光材合金磁光材料料 650Mb 1.3G需用专用驱动器，价格高，局限在广告、图形用户。 VDRW多元合金和以多元合金和以ZnS等等为主的陶瓷材料为主的陶瓷材料单面单层为单面单层为4.7 Gb驱动器兼容CDRW和CD光盘集成芯片集成芯片1G、16G、32G小巧便于携带、存储容量大、价格便宜、性能可靠。几种可反复读写的移动存储器的比较几种可反复读写的移动存储器的比较U盘盘 材料的地位和作用材料的地位和作用实 例材 料强度范围 MPa比强度 MPa 压气机 叶片铝合钛合金 压气机 机匣钛合金350110080

8、245 飞机 尾翼碳纤维复合材料10001200（顺纤维方向） 625750 硼纤维 铝合金 板和管硼纤维增强铝合金1500（顺纤维方向）570几种航空材料的比强度几种航空材料的比强度 材料的地位和作用材料的地位和作用不同时期航空发动机的工作温度不同时期航空发动机的工作温度 在美国卡拉维纳尔角航天基地待升空的航天飞机（穿梭机）。它是人类高技术的结晶。它应用了成千上万种材料成千上万种材料，特别是一些高技术的新型材料 材料的地位和作用材料的地位和作用材料是现代文明的基石材料是现代文明的基石 材料的地位和作用材料的地位和作用一、材料科学与工程一、材料科学与工程（MSEMSE）的定义的定义研究各种材料

9、的成分、结构、制备加工研究各种材料的成分、结构、制备加工 工艺与性能之间的关系工艺与性能之间的关系研究材料在制备、处理加工过程中的研究材料在制备、处理加工过程中的 工艺和各种工程问题工艺和各种工程问题 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一、材料科学与材料工程的关系一、材料科学与材料工程的关系 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 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二、材料科学与工程二、材料科学与工程（MSEMSE）的兴起的兴起1 1、需求牵引、需求牵引利用新材料和材料改进利用新材料和材料改进飞机飞机汽车汽车减轻减轻自重自重节约能源节约能源保护

10、环境保护环境汽车用高强钢，可减重汽车用高强钢，可减重24%，强度增加，强度增加34%1 1、需求牵引、需求牵引1 1、需求牵引、需求牵引长征火箭壳体：长征火箭壳体： 铝合金铝合金744Kg744Kg；碳纤维；碳纤维401Kg401Kg；两者相比两者相比: : 碳纤维减重碳纤维减重343343KgKg；射程增加；射程增加14761476KmKm各种材料在波音各种材料在波音787787飞机上的应用飞机上的应用2 2、科学驱动、科学驱动固体物理、无机化学固体物理、无机化学有机化学、物理化学有机化学、物理化学材料本身的研究材料本身的研究大大加强大大加强材料科学冶金学、金属学、陶瓷冶金学、金属学、陶瓷学

11、、高分子学等学、高分子学等物资结构和物性物资结构和物性金属材料、高分子材料、陶瓷材料亦自成体系；金属材料、高分子材料、陶瓷材料亦自成体系；复合材料的学科体系正在形成复合材料的学科体系正在形成各类材料的研究设备与生产手段有颇多共同之处各类材料的研究设备与生产手段有颇多共同之处许多不同类型的材料可以相互代替和补充；许多不同类型的材料可以相互代替和补充；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和发展材料科学与工程的形成和发展三、材料科学与工程三、材料科学与工程（MSEMSE）的特点的特点n是多学科交叉，包括物理学、化学、冶金学、金属是多学

12、科交叉，包括物理学、化学、冶金学、金属学、学、 陶瓷学、高分子化学及计算科学等陶瓷学、高分子化学及计算科学等n是一种与实际使用结合非常紧密的科学是一种与实际使用结合非常紧密的科学n是一个正在发展中的科学是一个正在发展中的科学 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四、材料科学与工程的组成要素四、材料科学与工程的组成要素合成合成/ /制备制备结构结构/ /成分成分性质（性能）性质（性能）使用性能（效能）使用性能（效能） 材料的发展趋势材料的发展趋势“9.11”“9.11”事件与材料事件与材料纽约世贸大厦纽约世贸大厦1973年竣工，110层、411m主体钢架结构(用钢7.8万吨)墙面

13、由铝板和玻璃砖组成n塔楼坍塌原因塔楼坍塌原因: :高温下材料强度迅速降低高温下材料强度迅速降低n9.119.11之后大楼怎么建材结实？之后大楼怎么建材结实？采用高强、轻质材料采用高强、轻质材料n如何对付有毒烟雾？如何对付有毒烟雾？用环保防火材料用环保防火材料n如何有利逃生？如何有利逃生？用自发光材料用自发光材料蓄光型自发光夜光粉可以连续可以连续12年自发光的材料年自发光的材料自发光楼梯扶手 材料的发展趋势材料的发展趋势自已会发亮的灯自已会发亮的灯 材料的发展趋势材料的发展趋势现代战争武器与材料之一现代战争武器与材料之一B-2隐形战略轰炸机隐身性能源于：隐身性能源于： 特殊的结构设计特殊的结构设

14、计 隐身材料的充分利用隐身材料的充分利用B-2B-2使用的主要材料：使用的主要材料： 主梁和发动机舱主梁和发动机舱轻金属、复合材料轻金属、复合材料 其他部分其他部分碳纤维和石墨纤维的复合材料碳纤维和石墨纤维的复合材料机翼前缘机翼前缘包覆吸波材料包覆吸波材料整个机体整个机体喷涂吸波油漆喷涂吸波油漆（XKuP-4）吸波材料 材料的发展趋势材料的发展趋势现代战争武器与材料之二现代战争武器与材料之二航天飞机美国“战斧”式巡航导弹神州飞船99式坦克式坦克具备优异的防弹外型，其炮塔和车体均采用复合装甲，抗弹能力成倍提高99式坦克式坦克 材料的发展趋势材料的发展趋势现代战争武器与材料之三现代战争武器与材料之

15、三装甲材料的变迁：装甲材料的变迁：厚厚钢钢板板合合金金钢钢复复合合装装甲甲英国英国“挑战者挑战者”坦克坦克战车全重62.54吨，最大速度56千米时，车体和炮塔采用“ 乔巴姆”复合装甲英国英国“挑战者挑战者”坦克坦克 材料的发展趋势材料的发展趋势金属、陶瓷、聚合物和复合材料将平分秋色金属、陶瓷、聚合物和复合材料将平分秋色新材料技术出现群体性突破新材料技术出现群体性突破纳米技术是前沿技术中最具前瞻性和带动性的领域之一纳米技术是前沿技术中最具前瞻性和带动性的领域之一光电子材料、光子材料将成为发展最快和最有前途的电子光电子材料、光子材料将成为发展最快和最有前途的电子信息材料信息材料新型功能材料（超导材

16、料、智能材料、生物医用材料）及新型功能材料（超导材料、智能材料、生物医用材料）及其应用技术面临新的突破其应用技术面临新的突破新型结构材料（高温合金、难熔金属、金属间化合物、金新型结构材料（高温合金、难熔金属、金属间化合物、金属基复合材料、高分子材料、钛合金、镁合金）发展前景乐属基复合材料、高分子材料、钛合金、镁合金）发展前景乐观观 材料的发展趋势材料的发展趋势n材料的可持续发展战略：材料的可持续发展战略：建立生态工业园区建立生态工业园区研究与开发生态环境材料研究与开发生态环境材料n金属材料资源危机，传统材料面临挑战金属材料资源危机，传统材料面临挑战节约原材料节约原材料探索代用品探索代用品政策导

17、向政策导向以质补量以质补量材料的物理性能和化学性能材料的工艺性能工程设计制造对材料的性能要求常用的力学性能指标1 1、什么是材料的性能？、什么是材料的性能？n条件性：条件性：材料的性能是一种参量，具有相对意义；材料的性能是一种参量，具有相对意义；n定义：定义：指材料对于各种负荷作用的响应；指材料对于各种负荷作用的响应；n多样性：多样性：任何一种材料，其各种性能都具有一定数值的任何一种材料，其各种性能都具有一定数值的 指标；指标；工程设计制造对材料的性能要求工程设计制造对材料的性能要求设计开发高性能的新材料评价材料合成和加工工艺的有效性根据构件的服役条件，正确选材确定性能指标，保证构件安全运行2

18、 2、材料性能研究的目的与意义、材料性能研究的目的与意义3 3、材料的主要性能要求、材料的主要性能要求n使用性能：使用性能：指材料在服役条件下能保证安全可靠工作所指材料在服役条件下能保证安全可靠工作所 必备的性能必备的性能n工艺性能：工艺性能：指制造过程中材料适应加工的能力指制造过程中材料适应加工的能力n定义：定义：指材料在指材料在外力外力作用下的行为，也叫机械性能。作用下的行为，也叫机械性能。材料的软硬程度材料的软硬程度硬度硬度材料抵抗外力的材料抵抗外力的能力能力强度强度含缺陷材料抗断裂含缺陷材料抗断裂能力能力断裂强度断裂强度变形能力变形能力弹性、塑性弹性、塑性材料的脆性材料的脆性韧性韧性导电性能导电性能折射、反射、吸折射、反射、吸收光及声学性能收光及声学性能密度、熔点密度、熔点磁性