材料科学概论-雷源源课件绪论2

材料科学概论贵州大学材料科学与冶金工程学院能源、信息、材料是２１世纪国民经济的三大支柱，其中材料是各行各业的基础，可以说，没有先进的材料，就没有先进的工业、农业和科学技术。材料科学是研究材料的成分、组织结构、制备工艺与材料性能及应用之间相互关系的学科。

材料是人类一切生产和生活水平提高的物质基础，是人类进步的里程碑。由于某些新材料的出现，成功地推动了社会的进步，提高了人类的物质文明。人类文明的发展史，就是一部如何更好地利用材料和创造材料的历史。同时，材料的不断创新和发展，也极大地推动了社会经济的发展。因此材料科学与工程专业担负着为国民经济建设培养新材料领域高级技术人才的使命。

石器时代公元前10万年

新材料时代1990年

钢时代1800年

水泥时代公元0年

铁器时代公元前1000年

青铜器时代公元前3000年

硅时代1950年人类社会发展的历史阶段常常用当时主要使用的材料来划分。从古代到现在人类使用材料的历史共经历了七个时代：

在人类的发展史上，最先使用的工具是石器。我们的祖先用坚硬的容易纵裂成薄片的燧石和石英石等天然材料制成石刀、石斧、石锄。

石器

早在新石器时代(公元前6000年～公元前5000年)，中华民族的先人们用粘土(主要成分为SiO2，Al2O3)烧制成陶器。马家窑(甘肃)文化时期的陶器以砂质和泥质红陶为主，表面彩绘有条带纹、波纹和舞蹈纹等，制品有炊具、食具、盛储器皿等。陶器

我国在东汉时期发明了瓷器，成为最早生产瓷器的国家。瓷器于9世纪传到非洲东部和阿拉伯国家，13世纪传到日本，十五世纪传到欧洲。瓷器成为中国文化的象征，对世界文明产生了极大的影响。直到今天，中国瓷器仍畅销全球，名誉四海。

瓷器图01－01

秦代的兵马俑图01－02

宋代的汝、定、钧、官、哥窑瓷图01－03

景德镇陶瓷图01－04唐代的唐三彩

我国青铜的冶炼在夏朝(公元前2140年始)以前就开始了，到殷、西周时期已发展到很高的水平。青铜主要用于制造各种工具、食器、兵器。从河南安阳晚商遗址出土的司母戊鼎重达8750N,外型尺寸为1.33m×0.78m×1.10m,是迄今世界上最古老的大型青铜器。从湖北隋县出土的战国青铜编钟是我国古代文化艺术高度发达的见证。青铜器

春秋战国时期《周礼·考工记》中记载了钟鼎、斧斤等六类青铜器中的锡含量，称为“六齐(剂)”。书中写道：“六分其金而锡居一，谓之钟鼎之齐；五分其金而锡居一，谓之斧斤之齐；四分其金而锡居一，谓之戈戟之齐；三分其金而锡居一，谓之大刃之齐；五分其金而锡居二，谓之削杀矢之齐；金、锡半，谓之鉴燧之齐”。这是世界上最古老的关于青铜合金成分的文字记载。这表明我们的祖先已经认识到了青铜的性能与成分之间的密切关系。我国从青秋战国时期(公元前770年～公元前221年)已开始大量使用铁器。

从兴隆战国铁器遗址中发掘出了浇铸农具用的铁模，说明冶铸技术已由泥砂造型水平进入铁模铸造的高级阶段。

到了西汉时期,炼铁技术又有了很大的提高，采用煤作为炼铁的燃料，这要比欧洲早1700多年。在河南巩县汉代冶铁遗址中，发掘出20多座冶铁炉和锻炉。炉型庞大，结构复杂，并有鼓风装置和铸造坑。可见当年生产规模之壮观。

我国古代创造了三种炼钢方法。第一种是从矿石中直接炼出自然钢。用这种钢作的剑在东方各国享有盛誉，东汉时传入了欧洲；第二种是西汉时期的经过“百次”冶炼锻打的百炼钢；第三种是南北朝时期生产的灌钢。先炼铁后炼钢的两步炼钢技术我国要比其它国家早1600多年。铁人黄河镇河大铁牛(唐开元12年铸)铁人黄河镇河大铁牛(唐开元12年铸)铁人黄河镇河大铁牛(唐开元12年铸)铁人黄河镇河大铁牛(唐开元12年铸)

钢的热处理技术也达到了相当高的水平。西汉《史记·天官书》中有“水与火合为淬”一说，正确地说出了钢铁加热、水冷的淬火热处理工艺要点。《汉书·王褒传》中记载有“巧冶铸干将之朴，清水淬其锋”的制剑技术。明代科学家宋应星在《天工开物》一书中对钢铁的退火、淬火、渗碳工艺作了详细的论述。钢铁生产工具的发展，对社会进步起了巨大的推动作用。（四）材料的应用让我们回顾几项有影响的事例，以便加深理解材料的发展在人类社会发展中起了举足轻重的作用。

1、计算机经历：电子管→晶体管→集成电路时代

2、个人电脑移动存储器的比较

材料科学的发展是计算机飞速发展的基础。

种类使用的材料存储容量特点软盘氧化铁1.44Mb容量小，文本文件存储CD－RW以ZnS等为主的陶瓷材料650MbCD光盘，价低，用量大MO(磁光盘)TbFeCo合金磁光材料650Mb，1.3G需专用驱动器，价格高，局限在广告图形用户DVD－RWZnS等为主的陶瓷材料单面单层为4.7GbCD－RW和CD光盘，用量大计算机与材料生命科学材料原来使用专用的汞合金，为防止金属合金的分解已经开发出一种可以满足口腔中特殊的物理及化学环境的新型陶瓷。具体来讲，它需要满足下列要求：耐口腔中的酸；低热导率（这对你吃冷饮有好处）；尽得住数年的咀嚼力；耐骤冷骤热；当然还要口感舒适美国待升空的航天飞机新材料新工艺重大成果

在当代，科学技术和生产飞跃发展。材料、能源与信息作为现代社会和现代技术的三大支柱，发展格外迅猛。

从20世纪60年代到70年代，高分子材料每年以14％的速度增长，而金属材料的年增长率仅为4％。到70年代中期，全世界的高分子材料和钢的体积产量已经相等；除了用作结构材料代替钢铁外，目前正在研究和开发具有良好导电性能和耐高温的高分子材料。涤纶安全带尼龙齿轮2. 热塑性材料（聚丙烯PP）

聚丙烯由丙烯单体聚合而成。聚丙烯刚性大,其强度、硬度和弹性等机械性能均高于聚乙烯。聚丙烯的密度仅为0.90g/cm3～0.91g/cm3,是常用塑料中最轻的。聚丙烯的耐热性良好,长期使用温度为100℃～110℃。聚丙烯具有优良的电绝缘性能和耐蚀性能，在常温下能耐酸、碱,所以经常制作成导线外皮。但聚丙烯的冲击韧性差，耐低温及抗老化性也差。聚丙烯可用于制作某些零部件，如法兰、齿轮、风扇叶轮、泵叶轮、把手及壳体等，还可制作化工管道、容器、医疗器械等。聚丙烯制成电容器外皮聚丙烯管子二、热固性塑料

1.酚醛塑料(PF)

由酚类和醛类在酸或碱催化剂作用下缩聚合成酚醛树脂,再加入添加剂而制得的高聚物。一般为热固性塑料。酚醛塑料具有一定的机械强度和硬度,耐磨性好，绝缘性良好,耐热性较高，耐蚀性优良。缺点是性脆，不耐碱。酚醛塑料广泛用于制作插头、开关、电话机、仪表盒、汽车刹车片、内燃机曲轴皮带轮、纺织机和仪表中的无声齿轮、化工用耐酸泵日用用具等。酚醛塑料制品三、人工合成xianwei(腈纶)

化学名称为聚丙烯腈纤维，商品名称为腈纶或奥纶。它是丙烯腈的聚合物-聚丙烯腈树脂经湿纺或干纺制成。腈纶质轻，密度为1.14g/cm3～1.17g/cm3。，柔软，保暖性好，犹如羊毛。腈纶不发霉，不虫蛀,弹性好,吸湿小，耐光性能特别好，多数用来制造毛线和膨体纱及室外用的帐蓬、幕布、船帆等织物，还可与羊毛混纺，织成各种衣料。腈纶的缺点是耐磨性差，弹性不如羊毛，摩擦后容易在表面产生许多小球，不易脱落，且因摩擦、静电积聚小球容易吸收尘士使织物弄脏。腈纶毛衣4.3合成橡胶橡胶是一种具有极高弹性的高分子材料，其弹性变形量可达100％～1000％，而且回弹性好，回弹速度快。同时，橡胶还有一定的耐磨性，很好的绝缘性和不透气、不透水性。它是常用的弹性材料、密封材料、减震防震材料和传动材料。

橡胶制品图01－06全塑汽车

陶瓷材料的发展同样十分引人注目，它除了具有许多特殊性能作为重要的功能材料(例如可作光导纤维、激光晶体等)以外，其脆性和抗热震性正在逐步获得改善，是最有前途的高温结构材料。机器零件和工程结构已不再只使用金属材料制造了。绝缘陶瓷耐磨陶瓷氧化铝热电偶套管氧化铝陶瓷密封环氧化铝陶瓷喷咀氮化硅陶瓷刀具氮化硅陶瓷滚珠随着航空、航天、电子、通讯等技术以及机械、化工、能源等工业的发展，对材料的性能提出越来越高、越来越多的要求。传统的单一材料已不能满足使用要求。复合材料的研究和应用引起了人们的重视。如玻璃纤维树脂复合材料(即玻璃钢)、碳纤维树脂复合材料已应用于宇航和航空工业中制造卫星壳体、宇宙飞行器外壳、飞机机身、螺旋桨等、发动机叶轮等；在交通运输工业中制造汽车车身、轻型船艇等，在石油化工工业中制造耐酸、耐碱、耐油的容器、管道等。玻璃钢赛车壳体玻璃钢储液罐NbTi超导棒YBaCUO高温超导材料高温超导磁体超导电流引线近年来超导材料、磁性材料、形状记忆材料、信息材料等各种功能材料有很大的发展。图1形状记忆效应简易演示实验(c)加热后恢复

(a)原始形状(b)拉直（a）原始形状（b）折成球形装入登月舱图3月球上使用的形状记忆合金天线

（c）太阳能加热后（a）预压缩

（b）受热扩张后（c）植入腔道内效果图4医用腔内支架的应用原理示意

光缆磁浮列车（时速430公里）我国在新材料新工艺的研究和应用方面取得重大成果

研制成功性能优越、用途广泛的新型结构钢—贝氏体钢；

研制出零电阻温度为128.7K的Tl-Ca-Ba-Cu-O超导体(铊系超导体)；

镁铝合金的开发和应用研究取得重大成果。镁铝合金叶轮

镁铝合金手机壳镁铝合金叶轮镁铝合金手机壳材料快速成型技术和材料表面处理技术在我国得到迅速发展。

激光表面淬火、激光熔涂技术已在汽车发动机缸套、凸轮轴、石油抽油管、纺织用锭杆等零件的表面强化上得到应用。

化学气相沉积(CVD)可制造出高硬度、高耐磨性的金黄色TiN薄膜,用于耐磨零件和装饰件的表面处理。分层实体快速成形减速机箱体原型熔融沉积快速成形叶轮原型

我国汽车工业发展迅猛，汽车材料需求迅速增加。新型轿车电动汽车航空、航天事业迅速崛起，带动航空、航天材料的发展。

1970年我国成功发射人造卫星；

1999年11月21日我国载人航天工程第一艘试验飞船“神舟”一号飞