材料科学导论（基础教育）

1、材料科学与工程导论Introduction to material science and engineering河南理工大学 矿物加工专业1凌云书屋绪 论 材料的定义与分类 材料的地位和作用 材料科学与工程的形成和发展2凌云书屋材料的定义材料是人类用于制造机器、构件和产品的物质,是人类赖以生存和发展的物质基础。3凌云书屋挑战者 1983首航第十次 一个O形环失效升空后73秒时，爆炸解体坠毁。机上的7名宇航员4凌云书屋RMS Titanic冰山撞击了船体，导致船底的铆钉承受不了撞击因而毁坏，当初制造时也有考虑铆钉的材质使用较脆弱，而在铆钉制造过程中加入了矿渣，但矿渣分布过密，因而使铆钉变得脆弱

2、无法承受撞击冰海沉没5凌云书屋材料的分类分类一：按物理化学属性划分无机非金属材料金属材料高分子材料复合材料6凌云书屋材料的分类分类二：按用途分电子信息材料航空航天材料核材料建筑材料生物医用材料能源材图13 中科院金属所研制的纳米碳纤维储氢材料 7凌云书屋材料的分类分类三：按性能分结构材料：力学性能为基础，制造受力构件所需的材料。功能材料：利用物质独特的物理化学性质或生物功能而形成的材料。8凌云书屋材料的分类分类三：按性能分 功能材料 智能材料9凌云书屋材料的分类分类四：按应用与发展分传统材料新材料10凌云书屋11凌云书屋材料是人类文明的里程碑人类使用不同材料的开始时间

3、12凌云书屋材料是社会现代化的物质基础与先导第一次工业革命（18世纪）：蒸汽机、煤、铁、钢四个主要因素，the age of machine。钢铁材料的进步是其主要物质基础13凌云书屋第二次工业革命（20世纪中叶以来）：单晶硅材料对电子技术的发明和应用起了核心作用。14凌云书屋材料强度密度比在不同年代里的进展(由图中可以看出,现代先进材料的强度已比原始材料提高了约50倍)铝木材石料青铜铸铁钢复合材料碳纤维芳香族酰胺纤维615凌云书屋现代涡轮喷气发动机年代气冷式航空发动机蒸汽机16凌云书屋19501960197019801990200020102020900110015001300材料的表面温度

4、()1700单晶合金普通铸件定向凝固超级合金共晶合金弥散强化超级合金隔热涂层陶瓷复合材料碳-碳在发动机上应用的年份叶片材料的发展历程纤维增强超级合金17凌云书屋1490C3150C6490C10930C16490C发动机温度一次大战水冷式30年代空冷式风扇喷气发动机蜗轮喷气发动机超音速燃烧冲压式喷气发动机温度（0C）18凌云书屋+175+390+595金属玻璃纤维KavlarC/C复合材料K m导弹射程火箭壳体材料与导弹射程19凌云书屋a light, strong para- aramid synthetic fiber 芳族聚酰胺 合成纤维5 times stronger than ste

5、el on an equal weight basisKavlar苯二胺 对苯二酰20凌云书屋ENIAC Electronic Numerical Integrator And Computer 电子管1941-1946 美国 vacuum tube computers 170平方米，30吨，150千瓦，48万美元17,468 电子管 10,000 电容器，1500继电器，6000多个开关，“绝招”-1秒5000次加法和500次乘法，继电器计算机快1000多倍，手工计算 20万倍。21凌云书屋TRADIC - Transistorized Airborne Digital Computer 美

6、国贝尔实验室 1954 晶体管（transistors） 800It could perform a million logical operations every second, still not quite as fast as the vacuum tube computers of the day, but pretty close. And best of all, it operated on less than 100 watts of power and it was much more reliable than its vacuum tube predecessors.

7、22凌云书屋IBM360 集成电路计算机 1964It was the first family of computers designed to cover the complete range of applications, from small to large, both commercial and scientific.23凌云书屋1970s tens of thousands of transistors per chip LSI Million VLSI 1989 Million 2005 billion transistor 2007 tens billion transi

8、stor 24凌云书屋IBM 5150 1981 8088微处理器Imac G4 2002 25凌云书屋Compaq LTE 386 laptop1989 Intel8086 processor26凌云书屋小结上述事例雄辩的表明，新材料在人类社会进步、产业革命和提高人类生活品质中具有特别重要的基础和先导作用，其发展对提高国家的综合国力具有巨大的推动作用和深远影响。27凌云书屋21世纪重点发展的高技术领域的材料选择信息科学技术 信息材料新能源科学技术 新能源材料生物科学技术 生物医用材料空间科学技术 空间技术用材料 生态环境科学技术 生态环境材料用高技术改造、更新现有材料，发展材料科学技术28凌

9、云书屋 信息科学技术正在发生结构性变革，仍然是经济持续增长的主导力量通信网络技术为信息产业注入强大活力3G 时代3rd-generation半导体技术进入纳米时代纳米芯片 机器人计算机智能技术日新月异29凌云书屋高锟 光纤之父高锟教授在一九六六年发表 光通讯九十年代n 1.48 1.46LED 激光光敏元件2亿m/s3亿单模 多模 反射光子晶体 衍射30凌云书屋 生物技术正经历着一场前所未有的技术革命，一个庞大的生物产业正在孕育和形成基因组学、蛋白质科学、干细胞及再生医学的研究成为生命科学的前沿与热点干细胞及再生医学的研究及应用为人类健康开辟了新道路生物芯片在医疗和科研领域 转基因技术31凌云

10、书屋 航天技术快速发展，不断开辟人类探索的新空间 太空探索带动太空探索技术加速发展 研制多种用途的新一代航天飞行器成未来趋势小卫星技术日趋成熟并将广泛应用太空攻防技术成为未来航天技术发展的重要领域32凌云书屋33凌云书屋能源材料煤炭的高效清洁利用成为化石能源技术研发热点核能技术 氢能 储氢材料新能源和可再生能源技术展现良好前景南非 沙索技术转让10亿34凌云书屋 新材料技术出现群体性突破，将对21世纪基础科学和几乎所有工业领域产生革命性影响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信息材料。新型功能材料（超导材料、智能材料、生物医用材料）

11、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）35凌云书屋21世纪材料生产模式材料的单项循环：材料产业：资源 能源 消耗大户 环境污染的主要来源36凌云书屋单项模式的灾难37凌云书屋材料循环 材料双向循环模式废物在不同生产过程中循环 多产品共生的工业模式 三废综合利用38凌云书屋矿物加工矿产原材料 工业废料 粉煤灰废旧电子产品 等双向循环模式39凌云书屋40凌云书屋双向循环模式41凌云书屋材料科学与工程的定义材料科学：研究材料的组织结构与性质之间的关系。材料工程：是研究材料在制备、处理加工过程中的工艺和各种工程问题。材料科学与工程：是指出研究有关材

12、料的组成、结构、制备工艺流程与材料性能和用途关系的知识和它的应用。42凌云书屋材料科学与工程的特点基础科学研究结构 性能 使用特性社会需求和经验科学知识经验积累MSE工艺43凌云书屋材料科学与工程的特点一是多学科交叉。它是物理学、化学、冶金学、金属学、陶瓷学、高分子化学及计算科学相互融合和交叉的结果；二是一种与实际使用结合非常紧密的科学。发展材料科学的目的在于开发新材料，提高材料的性能和质量，合理使用材料，同时降低材料成本和减少污染；三是材料科学是一个正在发展中的科学。不像物理学、化学已有很成熟的体系，它将随着各有关学科的发展而得到充实和发展。44凌云书屋材料科学与工程的内涵组成要素：成分结构

13、合成加工使用效能45凌云书屋材料科学与工程的形成和发展材料科学与工程学科的形成与发展，反映了学科发展从细分到整合的基本规律。46凌云书屋材料科学与工程的由来为了满足经济和社会的需求,人们早已大量使用材料,并推动材料的不断发展。但20世纪之前的材料进步往往大量依靠人们的经验、技巧、继承和积累,发展的速度还是缓慢的,其原因在于人们还没有对材料在科学上有深刻的认识和理解。直到20世纪60年代才提出“材料科学”的概念，“材料科学”的形成实际上也是科学技术发展的结果。47凌云书屋是各学科综合发展的必然结果固体物理、无机有机化学、物理化学物质结构和性质冶金学、金属学陶瓷学、高分子学材料的制备结构与性能金属

14、材料、高分子材料与陶瓷材料之间的共性规律材料科学48凌云书屋从社会经济需求的牵引、科学技术发展的推动以及不同材料的诸多共性来看，有必要形成一门材料科学。材料科学一般认为研究材料的组织、结构和性质的关系，探索自然规律，属于基础研究；但实际上，研究和发展材料的目的在于应用。材料又是一门应用科学，研究材料必须通过合理工艺流程才能制备出具有实际价值的材料来，即材料工程问题。49凌云书屋美国MIT18651879 地质与采矿工程18791884 采矿工程18841888 采矿工程（地质、采矿、冶金）18881890 采矿与冶金18901927 采矿工程与冶金19271937 采矿与冶金19371966

15、冶金19661975 冶金与材料科学1975现在材料科学与工程高校材料系的发展历史50凌云书屋51凌云书屋52凌云书屋Thanks for your attention53凌云书屋第二部分 材料科学与工程的四要素MSE四要素使用性能材料的性质结构与成分合成与加工两个重要内容仪器与设备分析与建模54凌云书屋材料性质：是功能特性和效用的描述符，是材料 对电.磁.光.热.机械载荷的反应。材料性质描述力学性质物理性质化学性质强度硬度刚度塑性韧性电学性质磁学性质光学性质热学性质催化性质腐蚀性氧化性55凌云书屋 材料的结构键合结构晶体结构组织结构56凌云书屋 材料的结构-键合结构离子建共价键金属键化学键氢

16、 键分子键物理键结合能陶瓷材料高分子材料金属材料冰（H20）卤族晶体注：1. 有些陶瓷材料属共价键化合物，如SiC陶瓷； 2. 分子键又称范德瓦尔斯力 3. 实际晶体并非只有一种键合结构，如冰晶（共价键、氢键）57凌云书屋晶 体：原子排列长程有序，有周期 材料的结构-晶体结构非晶体：原子排列短程有序，无周期准晶体：原子排列长程有序，无周期58凌云书屋定义：组成材料的不同物质表示出的某种形态特征 材料的结构-组织结构匀晶型组织共晶型组织包晶型组织相图特征结构特征马氏体组织奥氏体组织贝氏体组织.组合特征单相组织两相组织多相组织.59凌云书屋材料力学性能在外加载荷或与环境因素联合作用下表现出的各种行

17、为。60凌云书屋结构材料性质的表征-材料力学性质强度：材料抵抗外应力的能力。塑性：外力作用下，材料发生不可逆的永久 性变形而不破坏的能力。硬度：材料在表面上的小体积内抵抗变形或 破裂的能力。刚度：外应力作用下材料抵抗弹性变形能力。61凌云书屋结构材料性质的表征-材料力学性质疲劳强度：材料抵抗交变应力作用下断 裂破坏的能力。抗蠕变性：材料在恒定应力（或恒定载 荷）作用下抵抗变形的能力。韧性：材料从塑性变形到断裂全过程中 吸收能量的能力。62凌云书屋强度范畴刚度范畴塑性范畴韧性范畴应 力应 变63凌云书屋2. 强度表征： 弹性极限 屈服强度 抗拉强度 断裂强度 强 度1. 强度定义： 抵抗变形和断

18、 裂的能力64凌云书屋强度指标的意义弹性极限：发生弹性形变中的最大应力。弹性结束 塑性变形的开始。 理论值。 0.01残留 塑 性变形0.01应力。弹性变形是物体卸载后就完全消失的那种变形,而塑性变形则是指卸载后不能消失而残留下来的那部分变形又称残余变形。65凌云书屋强度指标及意义屈服强度：屈服现象开始发生时的应力，是材料发生明显塑性变形的抗力。屈服：试样继续拉长载荷却不增加。条件屈服强度：一定残余伸长对应的应力。0.01 0.2 应用：制品的设计材料加工如 高压气密容器 紧锢螺栓 密封圈 橡胶垫66凌云书屋强度指标的意义抗拉强度：开始发生颈缩时的应力。断裂强度：断裂时的应力值。bf比较各种材

19、料的性能。但对材料选择和加工意义不大。屈服强度决定67凌云书屋应力应变曲线68凌云书屋材料力学性能 塑性表征及意义塑性：断裂前材料发生塑性变形的能力。指卸载后不能消失而残留下来的那部分变形 延伸率断面收缩率69凌云书屋延伸率 是塑性伸长的量度 =L/L0=（L-L0）/L0 原始标距长度 断裂后试样的标距长度断面收缩率 是塑性收缩的量度=Af/A070凌云书屋加工硬化金属材料在再结晶温度以下经加工（压锻）产生塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象。71凌云书屋加工硬化有利：它可提高金属的强度、硬度和耐磨性。如冷拉高强度钢丝和冷卷弹簧负面：进一步加工带来困难。冷轧钢板愈轧愈硬 切削加工

20、使工件表层变脆硬使刀具磨损、增大切削力72凌云书屋材料力学性能硬度：材料表面局部抵抗变形的能力。测量：压痕法 压头 一定压力 材料表面压痕尺寸。布氏试验 -布氏硬度洛氏试验-洛氏硬度维氏试验 -维氏硬度硬度表征及意义73凌云书屋布氏硬度：淬火钢球 载荷 压痕总面积维氏硬度：金刚石棱锥 载荷 压痕总面积洛氏硬度：金刚石圆锥 压入深度74凌云书屋材料力学性能 刚度 表征和意义刚度：外应力作用下材料抵抗弹性变形能力。弹性变形：外载荷撤去后，能完全消失恢复试样原样的变形。 75凌云书屋刚度的表征弹性模量：弹性变形阶段应力和应变的比值，E取决于材料本质，内部原子结合键的强弱。与组织变化关系不大弹性行为：

21、载荷取消后，试样尺寸恢复原样的行为。76凌云书屋刚度表征和意义弹性行为 分类线形 非线性 滞弹性阻尼 减震77凌云书屋材料力学性能 疲劳强度表征疲劳强度：材料抵抗交变应力作用下断裂破坏的能力。 疲劳：承受载荷低于屈服强度，但在交变应力下长时间工作材料失效的现象。疲劳失效过程：裂纹形成，裂纹发展和突然断裂。78凌云书屋疲劳寿命：在一定交变应力下，不发生断裂的最大时间疲劳极限：材料能够经受无限多次（108）循环应力而不断裂的最大应力。79凌云书屋材料力学性能 抗蠕变性能表征意义抗蠕变性：材料在恒定应力（或恒定载 荷）作用下抵抗变形的能力。蠕变：高温下受到应力，随时间发生缓慢塑性变形的现象。80凌云

22、书屋蠕变试验和蠕变曲线81凌云书屋抗蠕变性表征：蠕变极限 持久强度蠕变极限：在一定温T度和规定时间t内,式样产生一定蠕变伸长量的应力。 符号表示和意义持久强度：在一定温度下，规定时间内发生断裂的应力。符号表示和意义82凌云书屋材料力学性能 韧性表征和意义韧性表征：冲击韧性 KIC断裂韧性 KIC韧性：材料从塑性变形到断裂全过程中 吸收能量的能力。是强度和塑性 的综合量度。83凌云书屋韧性表征和意义断裂韧性：抵抗裂纹失稳扩展而断裂的能力。断裂：裂纹产生，扩展超过临界尺寸，失稳快速扩展断裂。KI 应力场强因子KIC 临界应力场强因子裂纹扩展的临界状态对应的场强因子，代表材料的断裂韧性。84凌云书屋

23、KI 应力场强因子外加应力85凌云书屋材料物理性能电学性能表征：电流：电场作用下正负离子的定向移动。86凌云书屋电力 机械、交通 电子、微电子 日常生活击穿现象 介电性质导电性质静电现象导电率电阻率介电常数 87凌云书屋电学性质电阻率 金属导体 半导体超导现象零电阻抗磁性88凌云书屋决定电导率的基本参数 parameters 载流子类型 charge carrier 电子、空穴、正离子、负离子 载流子数 charge carrier density-n, 个/m3 载流子迁移率 electron mobility 89凌云书屋不同材料的电导率举例 离子固体 室温绝缘体 T高 电导率大 （无机非

24、金属） 高分子 杂质致有导电性金属 自由电子 电导率高 导电性好 硅 半导体90凌云书屋影响电导率的因素 温度 晶体结构 晶格缺陷 杂质 缺陷91凌云书屋聚合物的电导性结构型 共轭效应 双键 环添加型 参杂 添加或去掉电子 卤族原子 碱金属离子 复合 导电的纳米粉体 石墨 碳纳米管 金属粉末等92凌云书屋导电聚合物的应用理想情况下，导电聚合物具有金属导电性，且重量轻、易加工、材料来源广等特点 。用作电极、电磁波屏蔽、抗静电材料等 半导体器件和发光器件方面得应用 聚合物电池、电致变色显示器、 电化学传感器、场效应管、 聚合物发光二极管（LED）93凌云书屋超导电性在一定低温下材料突然失去电阻的现

25、象 （小于10-25cm）1913年 , 超导现象发现, 诺贝尔物理奖 1987年, 在陶瓷（金属氧化物）中发现超导现象，超导研究取得重大突破, 诺贝尔物理奖94凌云书屋超导体的两种特性： 完全导电性 完全抗磁性磁场强度始终为零三个性能指标 超导转变温度Tc 愈高愈好 临界磁场Hc 破坏超导态的最小磁场。 随温度降低，Hc将增加； 当TTc时, Hc=Hc临界电流密度Jc 95凌云书屋材料的分类及其电导率 材料 电阻率 电导率 超导体 导体 半导体 绝缘体 0 10-8-10-5 10-5-107 107-1018 105-108 10-7-105 10-18-10-7 96凌云书屋材料物理性

26、能 磁性2. 磁学性：磁化 强度 外磁场，物质被磁化的程度。磁化: 在外磁场作用下,各磁矩规则取向，宏观呈磁性 磁导率 磁感应强度和磁场强度比值，表征物质被磁化程度的物理量 磁化率 磁化强度和磁场的比值97凌云书屋磁矩表征磁性物体磁性大小的物理量。m 电子轨道磁矩 电子自旋磁矩磁感应强度：物质在外磁场中，会被磁化并感生一附加磁场，其磁场强度H与外磁场强度H之和称为该物质的磁感应强度B98凌云书屋磁性的本质 电子的磁矩 电子的自旋磁矩轨道磁矩 孤立原子 具有“永久磁矩” 有未被填满的电子壳层 不具磁性 原子各层都充满电子 99凌云书屋抗磁性 外磁场中，感生一个磁矩，与外磁场方向相反顺磁性 原子内

27、部存在永久磁矩 有外磁场，显示极弱磁性 无外磁场，宏观无磁性铁磁性 强磁性物质，Fe，Co，Ni 室温下磁化率可达103。 较弱磁场 较高的磁化强度； 外磁场移去保留较强磁性100凌云书屋矫顽力：使剩磁降低为零所需要的磁场强度。 磁滞特性 软磁材料 硬磁材料101凌云书屋无机非金属材料的磁学性能1、尖晶石型铁氧体 磁性无机材料一般是含铁及其它元素的复合氧化物，通常称为铁氧体 亚铁磁性 102凌云书屋高分子材料的磁学性能1、大多数体系为抗磁性材料 2、顺磁性仅存在于两类有机物 含有过渡金属 含有属于定域态或较少离域的未成对电子 （不饱和键、自由基等）103凌云书屋材料物理性能 光学性能表征：光反

28、射率 光折射率 光的吸收104凌云书屋光：电磁波 固体材料的光学性质，取决于电磁辐射与材料表 面、近表面以及材料内部的电子、原子、缺陷之间 的相互作用105凌云书屋材料物理性能 热学性能表征：热导率热膨胀系数熔点比热 热应力 耐热性106凌云书屋热导率：单位温度梯度下， 单位时间内通过单位垂直 面积上的热量 耐热性指在受负荷下，材料失去其物理机械性能而发生永久变形的温度。 耐热性指在受负荷下，材料失去其物理机械性能而发生永久变形的温度。 各种 材料的使用上限温度 高分子材料 常温及中温条件下使用，v0淬火工艺通过快速冷却，获得远离平衡态的不稳定组织，达到强化材料的目的。218凌云书屋时 间温

29、度淬火正火正火工艺在奥氏体状态下，空气或保护气体冷却获得珠光体均匀组织，提高强度，改善韧性。219凌云书屋时 间温 度退火工艺通过缓慢冷却，获得接近平衡态的组织，达到均匀化、消除内应力的目的。220凌云书屋时 间温 度回火工艺淬火或正火的材料重新加热。目的在于松懈淬火应力和使组织向稳态过度，改善材料的延展性和韧性，并稳定工件的尺寸。221凌云书屋目的：实现材料间的整体结合内容: 1. 焊接 3. 铆接 2. 粘接 4. 栓接材料的联接222凌云书屋223凌云书屋三材料表面工程表面改性表面防护薄膜技术224凌云书屋-改变材料表面的性质三束表面改性化学表面改性（化学热处理）表面淬火表面改性225凌

30、云书屋从工艺机理上分析，表面改性同整体材料的改性是相同的，即：在表面实现材料的成分、组织与结构的变化，达到改变材料表面性能的目的。不同点就是采用了特殊的能量输入方式，使能量作用效果或成分变化仅发生在表面。226凌云书屋三束表面改性激光束 - 组织变化电子束 -组织变化离子束 - 成分、组织变化细晶化均匀化非晶化金属元素合金化227凌云书屋化学表面改性（化学热处理）改变材料表面的化学成分 - 化学渗入成 分温 度ABC + 心部浓 度表面C+N+Me+C0228凌云书屋纳米粉体表面改姓229凌云书屋表面淬火 高频淬火电磁能集肤电流表面热能 火焰淬火气体化学反应表面热能热处理组织改变性能改变230

31、凌云书屋 腐蚀防护 摩擦磨损防护表面防护231凌云书屋腐蚀防护 大气腐蚀 海水腐蚀 工业介质腐蚀232凌云书屋由腐蚀造成的材料失效量，占世界材料总产量的比例很高，腐蚀问题十分严重。因此，腐蚀防护非常重要。233凌云书屋美国八个工业部门对材料性质的需求情况234凌云书屋化学反应-腐蚀的原因主动防护被动防护合金化非晶化高纯度表面涂镀表面改性表面钝化电化学保护抗蚀材料235凌云书屋摩擦磨损防护 增加抗磨损性 增加润滑性236凌云书屋薄膜技术有许多种薄膜技术能够在基材表面覆盖薄膜材料层，其中最重要的两种方法是：物理气相沉积 PVD化学气相沉积 CVD液相沉积 LD237凌云书屋238凌云书屋239凌云

32、书屋随着材料科学技术的不断发展，薄膜技术已不仅仅是材料改性的手段。更重要的是，现代薄膜技术在高新技术领域，如：微电子器件、纳米结构与组装、光电子器件，等方面正发挥着越来越重要的作用。240凌云书屋四材料的复合金属基复合材料陶瓷基复合材料高分子复合材料241凌云书屋材料复合的主要目的就是依据不同材料性能的优势互补、协调作用的原则，进行材料的设计与制备。因此材料复合的过程就是材料制备、改性、加工的统一过程。复合材料的制备过程融合了金属、陶瓷、高分子材料制备的基本原理。目前材料科学的发展，复合的概念越来越重要，出现了许多新型的复合材料及制备方法。242凌云书屋243凌云书屋MonomerOrganc

33、layCuring agent NanocompositeSwellingPolymerisation原位聚合法 粘土聚合物复合材料244凌云书屋SolventOrganclayPolymerNanocompositeSwellingIntercalationSolventEvaporation溶液插层法示意图245凌云书屋ThermoplasticOrganclayNanocompositeBlendingAnnealing熔融插层法246凌云书屋 现代材料的合成与加工不仅涉及到微观和宏观范围内的内容，同时也涉及到更微细化，甚至达到了原子尺度范围上的问题，因此，这里论述的合成与加工的内涵要大

34、于通常所说的材料工程的内涵。247凌云书屋与其它要素的关系从材料的产生到进入使用过程，直至损耗，四大要素存在着逻辑上的因果顺序，即：合成与加工结构与成分材料性质使用性能产生具备提供248凌云书屋249凌云书屋提拉法制取单晶硅250凌云书屋大尺寸单晶硅251凌云书屋定向凝固技术在熔模铸造型壳中建立特定方向的温度梯度，使熔融合金沿着与热流相反的方向按照要求的结晶取向凝固的一种铸造工艺。定向凝固技术最突出的成就是在航空工业中的应用。252凌云书屋定向凝固共晶组织的涡轮叶片垂直于主应力的横向晶界往往是裂纹产生和扩展的主要部位生长方向与主应力方向一致的单向生长的柱状晶体。定向凝固由于消除了横向晶界253

35、凌云书屋近终形技术制备的叶片254凌云书屋 在极端化的条件下，完成合成与加 工过程，获得更多的功能特性。 超纯条件-单晶硅晶片高压条件-人工金刚石低温条件-超导体超细条件-纳米材料4.发展趋势255凌云书屋我国与工业发达国家材料加工存在很大差距256凌云书屋大尺寸、高均匀性、高完整性的晶体生长技术；高精度晶片加工技术；MOCVD、MBE超薄膜生长技术；高纯和超高纯材料纯制技术；低维材料的微细加工和制备技术；高均匀超细粉体制备技术；电子陶瓷、磁性材料的焙烧和成型技术；材料的修饰或改性技术；电子材料合成与加工的关键技术257凌云书屋由此看出：我国在合成与加工方面同先进国家的差距还很大，许多关键技术

36、落后的根源都归到这里。因此提高材料合成与加工的技术水平是我们的最重要的课题。258凌云书屋第三章结构材料钢铁材料有色金属材料陶瓷材料玻璃材料水泥材料高分子材料复合材料259凌云书屋什么是“结构材料” ？结构材料是主要利用材料的强度、韧性、弹性等力学性能，用于制造在不同环境下工作时承受载荷的各种结构件和零部件的一类材料，即机械结构材料和建筑结构材料。260凌云书屋261凌云书屋钢铁材料纯铁工业纯铁强度低、硬度低、塑性好，一般不用于结构材料铸铁C 质量分数大于2.11%的铁碳合金钢含C量碳钢合金钢成分、结构与性能的关系262凌云书屋钢铁是怎样炼成的263凌云书屋碳钢的分类含碳量越高，硬度、强度越大

37、，但塑性降低264凌云书屋2。按钢的质量分（主要是杂质硫、磷的含量）： 普通碳素钢（S 0.055，P 0.045) 优质碳素钢（S 0.040，P 0.040) 高级优质碳素钢（S 0.030，P 0.035)265凌云书屋3。按用途分：碳素结构钢：主要用于桥梁、船舶、建筑构件、机器零件等 碳素工具钢：主要用于刀具、模具、量具等266凌云书屋碳钢的牌号与用途普通碳素结构钢：Q195、 Q215、 Q235、 Q255等。数字表示最低屈服强度。 Q195、 Q215、 Q235塑性好，可轧制成钢板、 钢筋、钢管等。 Q255、 Q275可轧制成型钢、钢板等。用途267凌云书屋优质碳素结构钢：钢

38、号以碳的平均质量万分数表示。如20、45等。 20表示含C：0.20%（万分之20）。用途主要用于制造各种机器零件碳素工具钢：钢号以碳的平均质量千分数表示，并在前冠以T。如T9、T12等。 T9表示含C：0.9%（千分之9）用途主要用于制造各种刀具、量具、模具等268凌云书屋碳钢的牌号与用途铸钢：铸钢牌号是在数字前冠以ZG，数字代表钢中平均质量分数（以万分数表示）。如ZG25，表示含C：0.25%。用途主要用于制造形状复杂并需要一定强度、塑性和韧性的零件，如齿轮、联轴器等。269凌云书屋奥氏体是碳溶解在Fe中的间隙固溶体，常用符号A表示。它仍保持Fe的面心立方晶格。其溶碳能力较大，在727时溶

39、碳为c0.77,1148时可溶碳2.11。奥氏体是在大于727高温下才能稳定存在的组织。奥氏体塑性好，是绝大多数钢种在高温下进行压力加工时所要求的组织。奥氏体是没有磁性的。碳钢的常规热处理270凌云书屋渗碳体 渗碳体是铁与碳形成的金属化合物，其化学式为Fe3C。渗碳体的含碳量为c6.69，熔点为1227。其晶格为复杂的正交晶格，硬度很高HBW800，塑性、韧性几乎为零，脆性很大。在铁碳合金中有不同形态的渗碳体，其数量、形态与分布对铁碳合金的性能有直接影响。 271凌云书屋珠光体 珠光体是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体。其形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物，也称片

40、装珠光体。用符号P表示，含碳量为c0.77。其力学性能介于铁素体与渗碳体之间，决定于珠光体片层间距，即一层铁素体与一层渗碳体厚度和的平均值。 272凌云书屋马氏体分级淬火 是将奥氏体化工件先浸入温度稍高或稍低于钢的马氏体点的液态介质（盐浴或碱浴）中，保持适当的时间，待钢件的内、外层都达到介质温度后取出空冷，以获得马氏体组织的淬火工艺，也称分级淬火。分级淬火由于在分级温度停留到工件内外温度一致后空冷，所以能有效地减少相变应力和热应力，减少淬火变形和开裂倾向。分级淬火适用于对于变形要求高的合金钢和高合金钢工件，也可用于截面尺寸不大、形状复杂地碳素钢工件。273凌云书屋碳钢的常规热处理退火将钢加热到

41、适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（随炉冷却），以获得接近于平衡状态组织的热处理工艺。正火完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、去应力退火将钢件加热到AC3和Acm以上3050度，保持适当时间后，在空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。274凌云书屋碳钢的常规热处理淬火将钢件加热到奥氏体化后，快速冷却，使组织转变为马氏体的热处理工艺。所得的马氏体的形态与钢的成分、原始奥氏体晶粒的大小以及形成条件有密切关系。奥氏体晶粒越小，马氏体越细。回火将钢件淬火后，为了消除内应力并获得所要求的性能，将其加热到AC1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。275凌云书屋合金钢合金钢分

42、类铁及铁基合金在碳钢中加入一种或多种合金元素，形成的钢称之为合金钢。按所含合金元素的多少分：低合金钢（总质量分数低于5）、中合金钢（总质量分数510）、高合金钢（总质量分数高于10）。按主要合金元素种类分：铬钢、铬镍钢、锰钢、硅锰钢等。按用途分：结构钢、工具钢、特殊性能钢。276凌云书屋合金元素的作用铁及铁基合金1。合金元素与铁的作用：合金元素加入钢中，首先溶于铁形成固溶体，超过溶解度极限时与碳形成化合物。合金元素溶与铁，形成合金铁素体或合金奥氏体。合金元素溶于铁素体会使钢的室温强度提高，这种作用称为固溶强化。2。合金元素与碳的作用：对于与碳的亲和力较弱的合金元素，不与碳发生作用，只溶于铁素体

43、或奥氏体中；对于与碳的亲和力较强的合金元素，当质量分数较低时，与铁一起形成合金渗碳体，当质量分数较高时，形成合金碳化物。277凌云书屋不锈钢铁及铁基合金能在大气和一般腐蚀性介质中具有很高耐蚀性的钢种。用 途主要用来制造在各种腐蚀性介质中工作并具有较高抗腐蚀能力的零件或结构件。广泛用于石油、化工、原子能、海洋开发、国防和一些尖端科学技术领域。278凌云书屋铁及铁基合金合金元素的作用1。耐腐蚀性要求越高，碳的质量分数应越低；2。加入主要的合金元素Cr。Cr能提高基体的电极电位。在氧化性介质中极易钝化，形成致密的氧化膜，提高耐腐蚀性3。加入合金元素Ni。可获得单项的奥氏体组织，显著提高耐腐蚀性并改善

44、钢的塑性，通过热处理还可以改善钢的强度。279凌云书屋铁及铁基合金合金元素的作用5。加入合金元素Ti、Nb等：能优先同C形成稳定的碳化物，使Cr保留在基体中，避免晶界贫Cr，提高钢的耐腐蚀性。6。加入合金元素Mn、N等：部分替代Ni以获得奥氏体组织，并能提高铬不锈钢在有机酸中的耐腐蚀性。4。加入合金元素Mo、Cu等：提高钢在非氧化性酸中的耐腐蚀能力。280凌云书屋铸铁铁及铁基合金碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金称之为铸铁，通常还含有较多的Si、Mn、S、P等元素。用 途铸铁时工程上最常用的金属材料，广泛应用在机械制造、冶金、矿上、石油化工。交通等领域。铸铁的生产设备和工艺简单，价格便宜。2

45、81凌云书屋铁及铁基合金铁碳合金中碳的存在形式间隙固溶于铁化合态的渗碳体游离态的石墨亚稳态，在一定条件下分解为铁和石墨稳定态，可以从铸铁熔液中析出，也可以从奥氏体中析出Fe3C碳溶解在Fe中的间隙固溶体282凌云书屋铁及铁基合金铸铁的种类根据石墨化程度的不同，铸铁的类型和组织也不同。灰口铸铁白口铸铁可煅铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁283凌云书屋铸铁白口铸铁：碳绝大部分以化合物 存在， 断口银白色。性能：硬而脆，难于加工，使用价值低。铁及铁基合金灰口铸铁：碳以 形式存在，断口呈暗灰色。性能：价格低廉，易切削加工，常用于气缸，支座机床等。渗碳体Fe3C 片状石墨284凌云书屋铁及铁基合金铸铁可锻铸铁：由一

46、定成分的白口铸铁经石墨化退火处理而获得，其中碳大部分或全部以团絮状石墨形式存在，由于具有较灰口铸铁高得多的塑性和韧性，习惯上称为可锻铸铁，实际上并不可锻。渗碳体团絮石墨生产周期长，单件成本高，一般制作形状复杂的薄壁小件。285凌云书屋铸铁特性：球化减小应力集中，基体强度利用率高，可以进行热处理加工，屈强比高。机械性能高，生产工艺比可锻铸铁简单，近年来日益得到广泛的应用。“以铁代钢，以铸代锻”球墨铸铁：铁水在浇注前经球化处理，其中碳大部分或全部以球状石墨形式存在。铁及铁基合金286凌云书屋铸铁碳以蠕虫状石墨存在，介于片状和球状之间，所以性能在在灰铸铁和球墨铸铁之间。优点：导热性和耐疲劳性好，高部

47、件。合金铸铁：铸铁中加入合金元素如Cr、Cu、Al、等，可得到耐蚀、耐热及耐磨等特性的合金铸铁。铁及铁基合金蠕墨铸铁：蠕化处理不宜控制287凌云书屋铸铁性能特点石墨的形态对铸铁的性能影响较大。灰口铸铁的抗拉强度和塑性较低，这是因为石墨对基体的严重割裂所造成的。石墨相当于钢基体中的裂纹和空洞，它减小基体的抗拉强度，并引起应力集中。石墨量越多，铸铁的抗拉强度越低。288凌云书屋石墨的存在对铸铁的特殊作用减弱晶粒间振动能的传递，并将振动能转变为热能流动性好，凝固过程中析出比容较大的石墨，减小凝固收缩减摩、断屑的作用；脱落形成显微凹穴，起储油作用，可维持油膜的连续性片状石墨相当于许多微小缺口良好的润滑

48、剂，脱落在摩擦面289凌云书屋高分子材料2000年，世界合成高分子材料的年总产量已达到2亿吨。其中塑料1.63亿吨，合成橡胶0.11亿吨，合成纤维0.28亿吨。高分子科学既是一门基础学科，又是一门应用科学，主要由四个学科分支组成。高分子化学、高分子物理、高分子材料和高分子工艺290凌云书屋多种多样的高分子材料291凌云书屋292凌云书屋293凌云书屋防 弹 衣高比强度的降落伞绳索294凌云书屋什么是高分子？高分子的含义主要由C、 H 、 O 等元素组成分子量很大（104107，甚至更大）。分子似“一条链”，由许多相同的结构单元组成。以共价键的形式重复连接而成。295凌云书屋与小分子比较分子量不

49、确定，只有一定的范围，是分子量不等的同系物的混合物；没有固定熔点，只有一段宽的温度范围；分子间力很大，没有沸点，加热到2000C3000C以上，材料破坏（降解或交联）。296凌云书屋297凌云书屋298凌云书屋高分子材料分类按材料来源分类天然高分子合成高分子按材料性能和用途分类塑料橡胶纤维涂料粘合剂功能高分子称为三大合成材料299凌云书屋通用高分子材料塑料、橡胶、纤维，称为三大合成材料全世界产量1亿多吨塑料主要品种有：合成橡胶主要用途为制造轮胎，约占60%合成纤维主要品种有：涤纶（PET）、尼龙、聚丙烯腈、聚丙烯等聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等300凌云书屋工程塑料性能：坚硬、韧性、耐磨

50、、耐热水及蒸气，加工时尺寸稳定性好、化学稳定性好。主要有：尼龙（聚酰胺）、聚碳酸酯（PC）、聚苯醚（PPO）、聚甲醛（POM）、饱和聚酯（PET、PBT）等301凌云书屋三大高分子材料的比较302凌云书屋材料应力应变曲线303凌云书屋按结构单元的化学组成分类1. 碳链高分子主链以C原子间共价键相联结 加聚反应制得如聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯聚乙烯304凌云书屋2. 杂链高分子涤纶主链除C原子外还有其它原子如O、N 、S等，并以共价键联接，缩聚反应而得。如聚对苯二甲酸乙二酯（涤纶）、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等305凌云书屋3. 元素有机高分子主链中不含C原子，而由Si、 B 、P 、

51、Al、 Ti 、As等元素与O组成，其侧链为有机基团；兼有无机高分子和有机高分子的特性，既有很高耐热和耐寒性，又具有较高弹性和可塑性，如硅橡胶。硅橡胶306凌云书屋4. 无机高分子主链既不含C原子，也不含有机基团，而完全由其它元素所组成，这类元素的成链能力较弱，故聚合物分子量不高，并易水解。二硫化硅聚二氯一氮化磷307凌云书屋高分子材料形成过程简单流程如下：308凌云书屋 热塑性塑料：受热后软化，冷却后又变硬，可重复循环。热固性塑料：由单体直接形成网状聚合物或通过交联线型预聚体而形成，一旦形成交联聚合物，受热后不能再回到可塑状态。制品不溶不熔。优点：质轻、电绝缘、耐化学腐蚀、容易成形加工等；缺

52、点：力学性能比金属材料差，表面硬度低，大多数品种易燃，耐热性差。热塑性与热固性309凌云书屋图 热塑性a、b和热固性c聚合物的形态特征 310凌云书屋聚合物分子运动特点聚合物分子运动具有多重性。运动单元：侧基、支链、链节、链段及整个大分子等。运动方式：键长、键角的振动或扭曲；侧基、支链或链节的摇摆、旋转；分子内旋转及整个大分子的重心位移等。聚合物分子运动具有明显的松弛特性。具有时间依赖性的过程称为松弛过程。分子运动是一个速度过程，要达到一定的运动状态，提高温度和延长时间具有相同的效果，这称为时-温等效原理，或时-温转化效应。311凌云书屋力学状态玻璃态链段运动处于“冻结”状态，模量高形变小。具

53、有虎克弹性行为，质硬而脆。高弹态链段运动已充分发展。在较小应力下，即可迅速发生很大的形变，除去外力后，形变可迅速恢复。粘流态由于链段的剧烈运动，整个大分子链重心发生相对位移，产生不可逆位移即粘性流动。交联聚合物无粘流态存在312凌云书屋玻璃化转变聚合物的玻璃化转变是指从玻璃态到高弹态之间的转变。从分子运动的角度看，玻璃化温度Tg是大分子链段开始运动的温度。玻璃化转变是一个松弛过程。在时间尺度不变时，凡是加速链段运动速度的因素，如大分子链柔性的增大、分子间作用力减小等结构因素，都使Tg下降。313凌云书屋高分子材料发展简史天然高分子的利用天然高分子改性天然橡胶硫化（1839年）硝化纤维赛璐珞（1

54、868年） celluloid粘胶纤维（18931898年）纤维素黄酸钠合成高分子20世纪初，出现了酚醛树脂1920年，Staudinger提出高分子概念30年代、40年代，飞速发展70年代，特种性能的高分子314凌云书屋创立高分子化学的施陶丁格Hermann Staudinger 1881一1965 The Nobel Prize in Chemistry 1953“for his discoveries in the field of macromolecular chemistry”315凌云书屋2000年化学奖授予了黑格(A. J. Heeger，美国)、马克迪尔米德(A. G. Ma

55、cDiarmid，美国)和白川英树(H. ShiraKawa，日本) 三人，他们发现了导电聚合物。 A.J.Heeger(美国)A.G.Macdiarmid (美国)H.ShiraKawa (日本)316凌云书屋几种典型的高分子材料317凌云书屋聚乙烯制品318凌云书屋聚乙烯（PE）聚乙烯从1939年开始工业化生产，是目前产量最大，应用最广泛的品种。低密度聚乙烯（LDPE）在各种聚乙烯中产量最大，主要用于生产薄膜（制造食品袋、垃圾袋、地膜、大鹏膜等）；约10%用于生产注塑用品。线型低密度聚乙烯（LLDPE）主要用于生产薄膜，厚度比低密度聚乙烯更薄，制品性能更好。还用于生产扁丝，制造编织袋。31

56、9凌云书屋高密度聚乙烯注塑制品：工业容器、家用器皿、玩具等。中空吹塑制品：食品、药品、化妆品的包装瓶等。薄膜制品（约占20%）：大量用于食品包装。聚乙烯管材应用领域主要有：生活用水和煤气管道、农业排灌用管道以及圆珠笔内的油墨管子等。质轻、坚韧耐磨，力学性能良好，使用寿命长，施工安装简便，输送阻力小、安全可靠，铺设费用低。320凌云书屋给水用HDPE管321凌云书屋超高分子量聚乙烯（UHMWPE）可作为工程塑料在汽车、机械、原子能以及宇宙飞行等领域得到重要应用。具有优异的耐冲击和自润滑性，耐腐蚀、抗磨损、不粘着等特性。可作齿轮、轴套、滑板、储罐衬里等。催化剂决定材料性能 齐格勒 茂金属聚乙烯 韧

57、性、透明度、热粘性、热封温度、低气味方面等明显优于传统聚乙烯322凌云书屋聚乙烯生产线323凌云书屋聚氯乙烯（PVC）324凌云书屋PVC，是耗石油最少的热塑性树脂。具有阻燃及较高的机械强度。PVC可以兼有两种截然不同的性能，从软质到硬质，具有不同的用途。 应用： 农用塑料制品：农地膜、渔用单丝、绳缆等； 包装材料，保鲜、防锈、防霉等，塑料编织袋、包装容器等；日用品，塑料鞋、塑料袋、人造革、塑料玩具等； 化学建材，塑钢门窗、水管、电线穿线管等。325凌云书屋PS保温板PS光纤聚苯乙烯（PS）326凌云书屋327凌云书屋PS，无色透明，相对密度1.05，电绝缘性能优异，耐热性好，吸湿性低、质硬、

58、刚性强，耐化学性好，易被染色，有良好的加工性。 应用： 世界市场上，PS主要用于包装，其次是电子、电器。发泡聚苯乙烯（EPS）质轻、隔热、防震、价廉，用于建筑和包装。国内最大的市场是家电行业。国内彩色电视机外壳有60% 使用高抗冲聚苯乙烯（HIPS）。328凌云书屋氟塑料是各种含氟塑料的总称。聚四氟乙烯（PTFE）。1950年首先由杜邦公司投产。有“塑料王”之称。是高结晶度聚合物，无熔融态，分解温度400 ，可在260 以下长期下使用，耐低温达-200 ，力学性能优异。光滑不粘，摩擦系数极小，具有自润滑性。耐化学腐蚀性极强，耐强酸、强碱、有机溶剂，能耐王水及沸腾的氢氟酸。具有塑料中最好的电绝缘

59、性能。广泛用于化工机械和容器的防腐、耐磨密封、电绝缘等。四氟乙烯、六氟丙烯、三氟氯乙烯等单体329凌云书屋330凌云书屋纤维涤纶尼龙（锦纶）聚丙烯腈（腈纶、人造羊毛）331凌云书屋保鲜膜性能要求保鲜、保洁、自粘安全、无毒市场上的保鲜膜聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、偏聚氯乙烯及其他材质聚氯乙烯（PVC）保鲜膜存在的问题332凌云书屋聚合物光盘基片性能要求高的透光率、光学纯度、尺寸稳定性和热变形温度，较好的机械性能和加工性能、低的双折射和成本等。主要材料：聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、改性双酚A环氧树脂、非晶态聚烯烃等333凌云书屋有色金属材料铝及铝合金铜及铜合金钛及钛合金镁及镁合

60、金334凌云书屋铝及铝合金铝及铝合金的特点密度低、比强度高。纯铝的密度只有2700kg/m3，仅为铁的1/3。优良的物理、化学性能。导电性能好、磁化率低、耐腐蚀等。加工性能好。铸造性能好、易于塑性变形，经热处理后还具有很高的强度。有色金属材料335凌云书屋铝的生产过程铝及铝合金336凌云书屋铝及铝合金纯铝名称纯度用途高纯铝99.93%-99.99%科学研究、制作电器工业高纯铝98.85%-99.9%铝箔、铝合金原料工业纯铝98.0%-99.0%电线、电缆、配置合金纯铝中含有Fe、Si、Zn等元素时，会使性能下降纯铝的强度很低，不能用作结构材料铝合金337凌云书屋铝及铝合金合金元素的作用铝中加入