工程材料概论

工程材料概论第1页，共40页，2023年，2月20日，星期一课程性质：面向全校非机械专业本科生开设的通识教育选修课开设目的及内容：建立材料科学与工程的基本概念，了解其在经济社会发展中的作用；了解材料的共性规律与特点，建立从材料设计、组织控制、制备加工到性能评价与工程应用的概念体系；基本掌握工程材料的基本分类方法及常用工程材料的性能和用途；进度与安排：共16学时（1——8周）课程简介第2页，共40页，2023年，2月20日，星期一第一讲材料科学与材料世界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材料的发展趋势第3页，共40页，2023年，2月20日，星期一材料的定义与分类定义：宇宙间可用于制造有用物品的固态物质统称为材料物质≠材料材料的判据1资源2能源3环保4质量5经济有用的、并能用来制造物品（件）的物质一般指固态的，可用于工程上的物质——工程材料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第4页，共40页，2023年，2月20日，星期一矿业及农业科技与工程范畴材料科学与工程范畴

材料的地位和作用第5页，共40页，2023年，2月20日，星期一材料的定义与分类定义：宇宙间可用于制造有用物品的固态物质统称为材料物质≠材料材料的判据1资源2能源3环保4质量5经济有用的、并能用来制造物品（件）的物质一般指固态的，可用于工程上的物质——工程材料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第6页，共40页，2023年，2月20日，星期一材料的定义与分类材料无处不在人类已经发现的材料：“800”万种每年新增：“25”万种具有实际工业价值的有：“8”万种第7页，共40页，2023年，2月20日，星期一材料的定义与分类第8页，共40页，2023年，2月20日，星期一铁器时代信息时代（新材料时代）石器时代（石器、陶器、瓷器)青铜器时代

材料的地位和作用第9页，共40页，2023年，2月20日，星期一

材料的地位和作用石器时代青铜时代新材料时代铁器时代钢铁时代人类利用材料的历史，就是一部人类进化和进步的历史第10页，共40页，2023年，2月20日，星期一第一次工业革命（18世纪）制钢工业的发展为蒸汽机的发明和应用奠定了物质基础以蒸汽机和纺织机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，用机器代替了手工劳动人类社会从农业文明转向工业文明第11页，共40页，2023年，2月20日，星期一以电力和内燃机的发明和使用为主要标志,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。第二次工业革命（19世纪中叶到20世纪中叶）世界由“蒸汽时代”进入“电气时代”莫尔斯电报机发报第12页，共40页，2023年，2月20日，星期一第三次工业革命（20世纪40年代起）以核能、电子计算机、空间技术和生物工程的发明和使用为主要标志，涉及信息技术、新能源技术、新材料技术、生物技术、空间技术和海洋技术等诸多领域的一场信息控制技术革命。是迄今为止人类历史上规模最大、影响最为深远的一次科技革命第13页，共40页，2023年，2月20日，星期一

材料的地位和作用发电机1820年蒸气机1763年计算机1946年第一次工业革命制钢工业的发展为蒸汽机的发明和应用奠定了物质基础第二次工业革命合金钢、铝合金及其他非金属材料的发展是此次工业革命的支撑第三次工业革命航空材料不断进步；塑料、合成橡胶、合成纤维的相继问世；单晶硅材料对电子技术的发明和应用起到了核心的作用第14页，共40页，2023年，2月20日，星期一

材料的地位和作用纵观人类利用材料的历史可以清楚地看到，每一种重要新材料的发现和应用，都把人类支配自然的能力提高到一个新的水平。材料科学技术的每一次重大突破都会引起生产技术的重大变革，甚至引起一次世界性的技术革命，大大地加速社会发展的进程，给社会生产力和人类生活带来巨大变革，把人类物质文明推向前进。第15页，共40页，2023年，2月20日，星期一

材料的地位和作用图例所用材料特点

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DVD－RW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。第16页，共40页，2023年，2月20日，星期一

材料的地位和作用第17页，共40页，2023年，2月20日，星期一

材料的地位和作用种类使用的主要材料存储容量特点软盘氧化铁磁性材料1.44Mb容量小，主要是文本文件的存储。CD－RW多元合金和以ZnS等为主的陶瓷材料650Mb驱动器兼容CD光盘，光盘价低，用量高速增长。

MO(磁光盘)TbFeCo合金磁光材料650Mb1.3G需用专用驱动器，价格高，局限在广告、图形用户。VD－RW多元合金和以ZnS等为主的陶瓷材料单面单层为4.7Gb驱动器兼容CD－RW和CD光盘集成芯片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U盘第18页，共40页，2023年，2月20日，星期一

材料的地位和作用实例材料强度范围

MPa比强度

MPa

压气机叶片铝合金150~45055~160

钛合金压气机机匣钛合金350~110080~245

飞机尾翼碳纤维复合材料1000~1200（顺纤维方向）625~750

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第19页，共40页，2023年，2月20日，星期一

材料的地位和作用不同时期航空发动机的工作温度第20页，共40页，2023年，2月20日，星期一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，特别是一些高技术的新型材料

材料的地位和作用第21页，共40页，2023年，2月20日，星期一挑战者号失事失事原因右侧固体火箭助推器连接处因设计上的缺陷和气温过低、密封垫圈失效引起的。第22页，共40页，2023年，2月20日，星期一材料是现代文明的基石

材料的地位和作用第23页，共40页，2023年，2月20日，星期一一、材料科学与工程（MSE）的定义材料科学：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材料工程：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的形成和发展第24页，共40页，2023年，2月20日，星期一一、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第25页，共40页，2023年，2月20日，星期一材料科学与工程的形成和发展二、材料科学与工程（MSE）的兴起第26页，共40页，2023年，2月20日，星期一1、需求牵引利用新材料和材料改进飞机汽车减轻自重节约能源保护环境汽车用高强钢，可减重24%，强度增加34%第27页，共40页，2023年，2月20日，星期一1、需求牵引第28页，共40页，2023年，2月20日，星期一1、需求牵引长征火箭壳体：

铝合金744Kg；碳纤维401Kg；两者相比:

碳纤维减重343Kg；射程增加1476Km各种材料在波音787飞机上的应用第29页，共40页，2023年，2月20日，星期一2、科学驱动固体物理、无机化学有机化学、物理化学材料本身的研究大大加强材料科学冶金学、金属学、陶瓷学、高分子学等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；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第30页，共40页，2023年，2月20日，星期一材料科学与工程的形成和发展三、材料科学与工程（MSE）的特点是多学科交叉，包括物理学、化学、冶金学、金属学、陶瓷学、高分子化学及计算科学等是一种与实际使用结合非常紧密的科学是一个正在发展中的科学第31页，共40页，2023年，2月20日，星期一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合成/制备结构/成分性质（性能）使用性能（效能）第32页，共40页，2023年，2月20日，星期一材料的发展趋势“9.11”事件与材料纽约世贸大厦1973年竣工，110层、411m主体钢架结构(用钢7.8万吨)墙面由铝板和玻璃砖组成塔楼坍塌原因:高温下材料强度迅速降低9.11之后大楼怎么建材结实？采用高强、轻质材料如何对付有毒烟雾？用环保防火材料如何有利逃生？用自发光材料蓄光型自发光夜光粉第33页，共40页，2023年，2月20日，星期一可以连续12年自发光的材料自发光楼梯扶手材料的发展趋势自已会发亮的灯第34页，共40页，2023年，2月20日，星期一材料的发展趋势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：特殊的结构设计隐身材料的充分利用B-2使用的主要材料：主梁和发动机舱——轻金属、复合材料其他部分——碳纤维和石墨纤维的复合材料机翼前缘——包覆吸波材料整个机体——喷涂吸波油漆（XKuP-4）吸波材料第35页，共40页，2023年，2月20日，星期一材料的发展趋势现代战争武器与材料之二航天飞机美国“战斧”式巡航导弹烧蚀防热材料为航天器提供隔热屏障神州飞船第36页，共40页，2023年，2月20日，星期一99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式坦克材料的发展趋势现代战争武器与材料之三装甲材料的变迁：厚钢板合金钢复合装甲英国“挑战者”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“挑战者”坦克第37页，共40页，2023年，2月20日，星期一材料的发展趋势金属、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、