材料科学与工程专业概论

材料科学与⼯程专业概论
材料是物
质，但不是所有物质都可以称为材料。

如燃料和化学原料、⼯业化学品、⾷物和药物，⼀般都不算是材料。

材料是⼈类赖以⽣存和发展的物质基础。

⼆. 材料的分类
然后我们看材料的分类。

材料可按其成分及物理化学性质可分为：
a ⾦属材料（铸铁、碳钢、铝合⾦⼘
b ⽆机⾮⾦属材料（⽔泥、玻璃、陶瓷⼘
c 有机⾼分⼦材料（塑料、合成橡胶、合成纤维）
d 复合材料（由两种或两种以上物理、化学、⼒学性能不同的物质，经⼈⼯组合⽽成的多相固体材料，如⽯墨/铝复合材料、碳/陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料）。

按使⽤⽤途材料可分为结构材料（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）和功能材料（由两种或两种以上物理、化学、⼒学性能不同的物质，经⼈⼯组合⽽成的多相固体材料）。

按照应⽤领域来分材料可以分为电⼦材料、航空航天材料、核材料、建筑材料、能源材料、⽣物材料等。

按来源可分为⼈⼯材料和天然材料。

三、材料的地位和作⽤
1. 材料是⼈类⽂明的⾥程碑
我们中学阶段学过经济发展史，纵观⼈类利⽤材料的历史，材料起着举⾜轻重的作⽤，是⼀切⽣产和⽣活的物质基础，是⽣产⼒的标志，是⼈类进步的⾥程碑。

⽯器时代：早在⼀百万年以前，⼈类开始进⼊旧⽯器时代，可以使⽤⽯头作为⼯具。

⼀
万年以前，⼈类开始进⼊新⽯器时代，将⽯头加⼯成器具和⼯具如左下⾓图，
在8000年前, 开始⼈⼯烧制成陶器，⽤于器⽫和装饰品如彩陶双⽿罐。

青铜器时代：五千年以前，⼈类开始进⼊青铜器时代，青铜烧注成型，⽤⾦
属，越王勾践曾使⽤的青铜剑，中国商代司母戊⿍。

铁器时代：3000年以前⼈类开始进⼊铁器时代，⽣铁冶炼及处理技术推动了农业、⽔利、和军事的发展和⼈类社会进步，直⾄ 18世纪进⼊了近代⼯业快速发展时代。

材料是⼈类进化和⽂明的标志。

⽯器、青铜器、铁器这些具体的材料被历史学家作为划分时代的重要标志。

材料的发展创新是各个⾼新技术领域发展的突破⼝，
新型材料是当代社
会发展进步的促进剂，是现代社会经济的先导，是现代⼯业和现代农业发展的基础，也是国防现代化的保证。

材料的发展深刻地影响着世界经济、
军事和社会的发展，同时也改变着⼈
们在社会活动中的实践⽅式和思维⽅式，由此极⼤地推动了社会进步。

2. 材料是经济和社会发展的先导
第⼀次⼯业⾰命，钢铁⼯业的发展为蒸汽机的发明和利⽤奠定了基础。

的发明促进了机械制造和铁路运输等⾏业发展 .
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，电动机的发明奠定基础.使制造业⼤⼒迈⼊电⽓化时代同学们⼤家好，祝贺同学们考⼊辽宁⼯程技术⼤学材料学院。

相信在座同学除了对⼤学⽣活怎么进⾏规划感到迷茫，也会对⾃⼰所学专业仍然存在疑虑：材料学是研究什么的？我们可以在材料学⾥学到什么呢？学了这个学科有什么⽤处呢？因此我们开设这门材料科学与⼯程专业概论以解答同学们的这些问
题，让咱们对材料学从⼀个感性认识上升到理性认识。

⼀、材料的定义
⾸先第⼀节我们介绍⼀下材料的定义。

材料是⼈类⽤于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。

⼈类开始⼤量使转炉和平炉炼钢
第三次⼯业⾰命，⼈⼯合成⾼分⼦材料问世；单晶硅材料为电⼦技术的发展起到核⼼作⽤；航空材料不断进步也是有着新材料研发不可磨灭的功劳
3.材料是现代⽂明的基⽯
材料是⼈类赖以⽣存和发展的物质基础。

进⼈20世纪80年代以来，在世界范围内⾼新
技术迅猛发展，国际上展开激烈的竟争，各国都想在⽣物技术、信息技术、空间技术、能源技术、海洋技术等⾼技术领域占有⼀席之地。

发展⾼新技术的关键是材料，因此新型材料的
开发本⾝就成为⼀种.荡新技术，称为新材料技术，其标志技术是材料设计，即根据需要来设计具有特定功能的新材料。

材料的重要性已被⼈们充分地认识，能源、信息、材料已被世
⼈公认为当今社会发展的三⼤⽀柱。

21世纪的⼈类科学技术，将以先进材料技术、先进能
源技术、信息技术和⽣物技术等四⼤学科为中⼼，通过其相互交叉和相互影响，为⼈类创造
出完全不同的物质环境。

未来的材料，将是与⽣物和⾃然具有很好的适应性、相容性和环境
友好的材料。

因此，性能不断提⾼、来源越来越⼴泛、能满⾜⼈类⽣活和社会⽇益增长需要的新材料，将会以更快的速度、更⾼的质量获得发展。

四、材料科学与⼯程概述
1、定义材料科学与⼯程专业是研究材料成分、结构、加⼯⼯艺与其性能和应⽤的学
科」要专业⽅向有⾦属材料、⽆机⾮⾦属材料、耐磨材料、表⾯强化、材料加⼯等
其⽬的在于揭⽰材料的⾏为。

材料科学与⼯程属于⼯学学科门类之中的其中⼀个⼀级学科，下设3个⼆级学科，分别是：材料物理与化学、材料学、材料加⼯⼯程。

2、材料科学与⼯程的内涵：材料⼯程-研究材料在制备过程中的⼯艺和⼯程技术问题。

材料科学与⼯程-研究材料组成、结构、⽣产过程、材料性能与使⽤性能以及他们之间的关系。

四要素：组织结构、成分⼯艺、材料性能与使⽤性能
下⾯给同学们材料科学的模型，来帮同学解释下材料科学与⼯程的内涵。

如图所⽰为材
料4个要素之间的关系。

4个要素反映了材料科学与⼯程研究中的共性间题，其中合成和加⼯、受加⼯影响的使⽤性能是两个普遍的关键要素，正是在这4个要素上，各种材料相互借
鉴、相互补充、相互渗透。

抓住了这4个要素，就抓住了材料科学与⼯程研究的本质。

⽽各种材料，是其特征所在，反映了该种材料与众不同的个性。

如果这样去认识，则许多长期困扰材料科技⼯作者的问题都将迎刃⽽解。

可以依据这4个基本要索评估材料研究中的机遇，
以新的或更有效的⽅式研制和⽣产材料，这4个要素的相对重要性，⽽不必拘泥⼦材料类别、
功⽤或从基础研究到⼯程化过程中所处的地位。

同时，也使材料科技⼯作者可以识别和跟踪
材料科学与⼯程研究的主要发展趋势。

材料性能是材料功能特性和效⽤（如电、磁、光、热、⼒学等性质）的定量度量和描述。

任何⼀种材料都有其特征的性能和应⽤。

例如 .⾦属材料具有刚性和硬度，可以⽤作各种结
构件；它也具有延性，可以加⼯成导线或受⼒⽤线材；⼀些特种合⾦，如不锈钢、形状记忆合
⾦、超导合⾦等，以⽤作耐腐蚀材料、智能材料和超导材料等。

陶瓷有很⾼的熔点、⾼的强度和化学惰性，可⽤作⾼温发动机和⾦属切削⼑具等机械等特性的特种陶瓷，在相应的领域发挥作⽤，有⾼延伸率的韧性陶瓷
成了材料科技作者追求的⽬标。

光灿夺⽬的宝⽯和性能光学涂层；⽽利⽤其硬度和导热性，可⽤作切削⼯具和传导材料。

⾼分⼦材料以其各种独特的性能使其在各种不同的产品上发挥作⽤。

材料的性能是由材料的内
部结构决定的，材料的结构反映了材料的组成基元及其排列和运动的⽅式。

材料的组成基元
⼀般为原⼦、离⼦和分⼦等，材料的排列⽅式在很⼤程度上受组元间结合类型的影响，
如⾦属键、离⼦键、共价键、分⼦键等。

组元在结构中不是静⽌不动的，是在不断的运动中，如电⼦的运动、原⼦的热运动等。

描述材料的结构可以有不同层次，包括原⼦结构、原⼦的排列、相结构、显微结构、结构缺陷等，每个层次的结构特征都以不同的⽅式决定着材料的性能。

物质结构是理解和控制性能的中⼼环节。

组成材料的原⼦结构，电⼦围绕着原⼦核的运动情况对材料的物理性能有重要影响，尤其是电⼦结构会影响原⼦的键合，使材料表现出⾦属、⽆机⾮⾦属或⾼分⼦的固有属性。

使⽤性能是材料性能在⼯作状态（受⼒、⽓氛、温度）下的表现，材料性能可以视为材料的固有性能，⽽使⽤效能则随⼯作环境不同⽽异，及材料与
⼯艺设计位于多⾯体的中⼼，它直接和其它
特殊地位。

使⽤性能包括可靠性、有效寿命、速度
⽤运载⼯具的）、安全性和寿命期费⽤等。

因此，建⽴使
⽤性能与材料基本性能相关联的模型，了解失效模式，发展合理的仿真试验程序，开展可靠性、耐⽤性、预测寿命的研究，以最低代价延长使⽤期，对先进材料研制、设计和⼯艺是⾄关重要的。

这些问题，不仅对⼤型
结构和机器⽤的材料，⽽且对电⼦器件、磁性器件和光学器件中的结构元件和其他元件所⽤的材料，都是⼗分必要的。

组织与结构每个特定的材料都含有⼀个以原⼦和电⼦尺度到宏观尺度的结构体系,
对于⼤多数材料，所有这些结构尺度上化学成分和分布是⽴体变化的，这是制造该种特定材料所采⽤的合成和加⼯的结果。

⽽结构上⼏乎⽆限的变化同样会引起与此相应的⼀系列复杂的材料性质。

因此，在各种尺度上对结构与成分的深⼈了解是材料科学与⼯程的⼀个主要⽅⾯。

材料科学的核⼼内容是结构与性能。

为了深⼊理解和有效控制性能和结构，⼈们常常需要了解各种过程的现象，如屈服过程、断裂过程、导电过程、磁化过程、相变过程等。

材料中各种结构的形成都涉及能量的变化，
因此外界条件的改变也将会引起结构的改变，从⽽导致性能的改变。

因此可以说，过程是理解性能和结构的重要环节，结构是深⼊理解性能的核⼼，外界条件控制着结构的形成和过程的进⾏。

⾦属、⽆机⾮⾦属和某些⾼分⼦材料在空间均具
有规则的原⼦排列，或者说具有晶体的格⼦构造。

晶体结构会影响到材料的诸多物理性能，如强度、塑性、韧性等。

⽯墨和⾦刚⽯都是由碳原⼦组成，但⼆者原⼦排列⽅式不同，导致强度、硬度及其它物理性能差别明显。

当材料处于⾮晶态时，
与晶体材料相⽐，性能差别也很⼤，如玻璃态的聚⼄烯是透明的，⽽晶态的聚⼄烯是半透明的。

⼜如某些⾮晶态⾦属⽐晶态⾦属具有更⾼的强度和耐蚀性能。

此外，在晶体材料中存在的某些排列的不完整性，即存
在结构缺陷，也对材料性能产⽣重要影响。

我们在研究晶体结构与性能的关系时，除考虑其内部原⼦排列的规则性，还需要考虑其尺⼨的效应。

具有⾼强度特征的⼀维材料的有机纤维、光导纤；⽽具有压电、介电、半导体、磁学、
但陶瓷的脆性则限制了它的应⽤，开发具利⽤⾦刚⽯的耀度和透明性，可制成但它与材料的固有性能密切相关。

理论 5个要素相连，表明它在材料科学中的（器件或车辆的）、能量利⽤率（机器或常
维，作为⼆维材料的⾦刚⽯薄膜、超导薄膜等都具有特殊的物理性能。

成分⼯艺⼯艺是指建⽴原⼦、分⼦和分⼦聚集体的新排列，在从原⼦尺度到宏观尺
度的所有尺度上对结构进⾏控制以及⾼效⽽有竞争⼒地制造材料和零件的演变过程。

合成常
常是指原⼦和分⼦组合在⼀起制造新材料所采⽤的物理和化学⽅法。

合成是在固体中发现新
的化学现象和物理现象的主要源泉，合成还是新技术开发和现有技术改进中的关键性要素。

合成的作⽤包括合成新材料、⽤新技术合成已知的材料或将已知材料合成为新的形式、
将已知材料按特殊⽤途的要求来合成 3个⽅⾯。

⽽加⼯（这⾥所指的加⼯实际上是成型加⼯），除了上述为⽣产出有⽤材料
对原⼦和分⼦控制外，还包括在较⼤尺度上的改变，有时也包括材料制造等⼯程⽅⾯的问题。

对企业来说，材料的合成和加⼯是获得⾼质量和低成本产品的关
键，把各种材料加⼯成整体材料、元器件、结构或系统的⽅法都将关系到⼯作的成败，
材料加⼯能⼒对于把新材料转变成有⽤制品或改进现有材料制品都是⼗分重要的。

材料加⼯涉及许多学科，是科学、⼯程以及经验的综合，是制造技术的⼀部分，
也是整个技术发展的关键⼀步，它利⽤了研究与设计的成果，同时也有赖于经验总结和⼴泛的试验⼯作。

⼀个国家保持强有⼒的材料加⼯技术研究能⼒，对各个⼯业部门实现⾼质量、⾼效率是⾄关重要的。

3、材料科学与材料⼯程的关系
材料科学的核⼼问题是结构与性能的关系。

⼀般地说，科学是属于研究
畴。

材料科学的基础理论体系，能为材料⼯程提供必要的设计依据，为更好地选
择材料、使
⽤材料、发挥材料的潜⼒、发展新材料等提供理论基础。

并可以节省时间、提⾼可靠性、提⾼质量、降低成本和能耗、减少对环境的污染等。

材料⼯程是属于⼯程性质的领域，⽽⼯程是属于解决“怎样做”的问题。

济地⽽⼜能为社会所接受地控制材料的结构、性能和形状。

材料科学和材料⼯程是紧密联系、互相促进的。

材料⼯程为材料科学提出了丰富的研究
课题，材料⼯程技术也为材料科学的发展提供了客观物质基础。

材料科学和材料⼯程间的不同主要在于各⾃强调的核⼼问题不同，
它们之间并没有⼀条明显的分界线，在解决实际问题时，很难将科学因素和⼯程因素独⽴出来考虑。

因此，⼈们常常将⼆者放在⼀起，称为“材料科学与
⼯程”。

4、材料科学与⼯程的发展趋势
长期以来。

⼈们对材料本质的认识是表⾯的、肤浅的。

最初，每种材料的发展、制造和
使
⽤都是靠⼯艺匠⼈的经验，如听声⾳、看⽕候，或靠祖传秘⽅等等。

后来，随着经验的积累出现了 “材料⼯艺学”，这⽐⼯匠的经验进了⼀⼤步，但它只记录了⼀些制造过程和规律，⼀般还是知其然不知其所以然。

因此，长期以来，材料的发展⼗分缓慢，只有在“材料科学”形成之后，材料才得到了迅速的发展。

五、⾦属材料
定义⾦属材料⼀般是指⼯业应⽤中的纯⾦属或合⾦。

⾃然界中⼤约有
70多种纯⾦属，其中常见的有铁、铜、铝、锡、镍、⾦、银、铅、锌等等。

⽽合⾦常指两种或两种以上的⾦属或⾦属与⾮⾦属结合⽽成
，且具有⾦属特性的材料。

常见的合
⾦如铁和碳所组成的钢合⾦；铜和锌所形成的合⾦为黄铜等。

各类材料中应⽤最⼴泛，⽤量最⼤的就是⾦属材料。

分类⾦属材料通常分为⿊⾊⾦属和有⾊⾦属两类。

⿊⾊⾦属包括钢和铸
铁。

钢按照化学成分分为碳素钢和合⾦钢；按照品质⼜分为普通钢、优质钢和⾼级优质钢；按照冶炼⽅法可分为平炉钢、转炉钢、电炉钢和奥⽒体钢；按照⽤途⼜分为建筑及⼯程⽤钢、结构钢、⼯具钢、特殊钢及专⽤钢。

铸铁通常分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸“为什么”的范其⽬的在于经
铁和特种铸铁等。

钢铁是现代⼯业中的主要⾦属材料，
在机械产品中占整个⽤材消耗的⼀半以上。

有⾊⾦属是指 Fe 以外的其他⾦属及其合⾦。

⼯程上最重要的
有⾊⾦属是 A1、Cu 、Zn 、Sn 、Pb 、Mg 、Ni 、Ti 及其合⾦。

有⾊⾦属的消耗虽然只占⾦属材料总消耗的很少部分，但是因为它们具有独特的导电、导热性，同时相对密度⼩、化学性质稳定、耐热、耐腐蚀，因⽽它们在⼯程上占有重要地位。

材料性能：
⾦属材料的性能决定着材料的适⽤范围及应⽤的合理性。

四
个⽅⾯，即：机械性能、化学性能、物理性能、⼯艺性能。

机械
性能⾦属在⼀定温度条件下承受外⼒（载荷）作⽤时，抵抗变形和断裂的能⼒
称为⾦属材料的机械性能（也称为⼒学性能）。

⾦属材料承受的载荷有多种形式，它可以是静态载荷，也可以是动态载荷，包括单独或同时承受的拉伸应⼒、压应⼒、弯曲应⼒、剪切应⼒、扭转应⼒，以及摩擦、振动、冲击等等。

⾦属材料的机械性能是零件的设计和选材时的主要依据。

外加载荷性质不同
（例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等），对⾦属材料要求的机械性能也将不同。

常⽤的机械性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、多次冲击抗⼒和疲劳极限等。

1）强度是指⾦属材料在静荷作⽤下抵抗破坏（过量塑性变形或断裂）的性能。

由于载荷的作⽤⽅式有拉伸、压缩、弯曲、剪切等形式，所以强度也分为抗拉强度、抗压强度、抗弯
强度、抗剪强度等。

各种强度间常有⼀定的联系，使⽤中⼀般较多以抗拉强度作为最基本的强度指针。

2）塑性是指⾦属材料在载荷作⽤下，产⽣塑性变形
（永久变形）⽽不破坏的能⼒。

3）硬度是衡量⾦属材料软硬程度的指针。

⽬前⽣产中测定硬度⽅法最常⽤的是压⼊硬度法，它是⽤⼀定⼏何形状的压头在⼀定载荷下压⼊被测试的⾦属材料表⾯，根据被压⼊程度来测定其硬度值。

常⽤的⽅法有布⽒硬度
（HB ）、洛⽒硬度（HRA 、HRB 、HRC ）和维⽒硬度
（HV ）等⽅法。

4）疲劳前⾯所讨论的强度、塑性、硬度都是⾦属在静载荷作⽤下的机械性能指针。

实际上，许多机器零件都是在循环载荷下⼯作的，在这种条件下零件会产⽣疲劳。

5）冲击韧性以很⼤速度作⽤于机件上的载荷称为冲击载荷，⾦属在冲击载荷作⽤下抵抗破坏的能⼒叫做冲击韧性。

化学性能⾦属与其他物质引起化学反应的特性称为⾦属的化学性能。

在实际应⽤中主要考虑⾦属的抗蚀性、抗氧化性（⼜称作氧化抗⼒，这是特别指⾦属在⾼温时对氧化作⽤的抵抗能⼒或者说稳定性），以及不同⾦属之间、⾦属与⾮⾦属之间形成的化合物对机械性能的影响等等。

在⾦属的化学性能中，特别是抗蚀性对⾦属的腐蚀疲劳损伤有着重⼤的意义。

物理性能⾦属的物理性能主要考虑
1）密度（⽐重）：P =P/V 单位克/⽴⽅厘⽶或吨/⽴⽅⽶，式中P 为重量，V 为体积。

在实际应⽤中，除了根据密度计算⾦属零件的重量外，很重要的⼀点是考虑⾦属的⽐强度（强度b b 与密度p 之⽐）来帮助选材，以及与⽆损检测相关的声学检测中的声阻抗（密度p 与
声速C 的乘积）和射线检测中密度不同的物质对射线能量有不同的吸收能⼒等等。

2）熔点：⾦属由固态转变成液态时的温度，对⾦属材料的熔炼、热加⼯有直接影响，并与材料的⾼温性能有很⼤关系。

3）热膨胀性随着温度变化，材料的体积也发⽣变化（膨胀或收缩）的现象称为热膨胀，
多⽤线膨胀系数衡量，亦即温度变化 1C 时，材料长度的增减量与其 0C 时的长度之⽐。

热膨胀性与材料的⽐热有关。

在实际应⽤中还要考虑⽐容（材料受温度等外界影响时，量的材料其容积的增减，即容积与质量之⽐），特别是对于在⾼温环境下⼯作，或者在冷、热交替环境中⼯作的⾦属零件，必须考虑其膨胀性能的影响。

⾦属材料的性能主要分为单位重
4）磁性能吸引铁磁性物体的性质即为磁性，它反映在导磁率、磁滞损耗、剩余磁感应强度、矫顽磁⼒等参数上，从⽽可以把⾦属材料分成顺磁与逆磁、软磁与硬磁材料。

5）电学性能主要考虑其电导率，在电磁⽆损检测中对其电阻率和涡流损耗等都有影响。

⼯艺性能⾦属对各种加⼯⼯艺⽅法所表现出来的适应性称为⼯艺性能，主要有以下四
个⽅⾯：
1）切削加⼯性能：反映⽤切削⼯具（例如车削、铳削、刨削、磨削等）对⾦属材料进⾏切削加⼯的难易程度。

2）
可锻性：反映⾦属材料在压⼒加⼯过程中成型的难易程度，
例如将材料加热到⼀定温度时其塑性的⾼低（表现为塑性变形抗⼒的⼤⼩）
，允许热压⼒加⼯的温度范围⼤⼩，冷缩特性以及与显微组织、机械性能有关的临界变形的界限、热变形时⾦属的流动性、性能等。

3）可铸性：反映⾦属材料熔化浇铸成为铸件的难易程度，表现为熔化状态时的流动性、吸⽓性、氧化性、熔点，铸件显微组织的均匀性、致密性，以及冷缩率等。

4）可焊性：反映⾦属材料在局部快速加热，使结合部位迅速熔化或半熔化（需加压），从⽽使结合部位牢固地结合在⼀起⽽成为整体的难易程度，表现为熔点、熔化时的吸⽓性、氧化性、导热性、热胀冷缩特性、塑性以及与接缝部位和附近⽤材显微组织的相关性、械性能的影响等。

⾦属材料⾏业发展⾦属制品⾏业包括结构性⾦属制品制造、
⾦属⼯具制造、集
装箱及⾦属包装容器制造、不锈钢及类似⽇⽤⾦属制品制造，船舶及海洋⼯程制造等。

随着社会的进步和科技的发展，⾦属制品在⼯业、农业以及⼈们的⽣活各个领域的运⽤越来越⼴泛，也给社会创造越来越⼤的价值。

⾦属制品⾏业在发展过程中也遇到⼀些困难，例如技术单⼀，技术⽔平偏低，缺乏先进的设备，⼈才短缺等，制约了⾦属制品⾏业的发展。

为此，可以采取提⾼企业技术⽔平，引进先进技术设备，培养适⽤⼈才等提⾼中国⾦属制品业的发展。

2009年⾦属制品⾏业的产品将越来越趋向于多元化，业界的技术⽔平越来越⾼，产品质量会稳步提⾼，竞争与市场将进⼀步合理化。

加上国家对⾏业的进⼀步规范，以及相关⾏业优惠政策的实施，2009-2012年，⾦属制品⾏业将有巨⼤的发展空间。

六、材料表⾯技术
定义通过对材料基体表⾯加涂层或改变表⾯形貌、化学组成、相组成、微
观结构、缺陷状态，达到提⾼材料抵御环境作⽤能⼒或赋予材料表⾯某种功能特性的⼯艺技术。

⾦属材料表⾯⼯程学科是涉及范围较⼴的学科。

总的⽬的是：在保证材料整体强度⽔平不降低的基础上设法应⽤不同的现代技术⼿段赋予材料表⾯各种所需要的性能。

包括：表⾯准备、表⾯冷塑性变性强化、表⾯覆层强化，⾼能量密度表⾯强化与改性、表⾯淬⽕强化，化学热处理表⾯强化及表⾯特殊涂覆处理和表⾯复合处理技术等内容。

⾦属材料，特别是钢铁材料，⽬前仍旧是机械，设备和⼯程构件的主要材料。

国内
机械⾏业曾对114个⼤型企业耗⽤材料的统计资料表明：钢铁材料占
93.13% ;有⾊⾦属占1.85%;⾮⾦属材料占 5.2%。

⽬前存在的主要问题是：材料消耗多、⽲U ⽤率低、质量⽋稳定、制成的零部件或⼯程结构失效较早等。

机械零件失效的主要形式：
a 塑性变形。

原因是材料强度不⾜或过载使⽤；
断裂三种类型；
c 磨损。

按磨损机理分为磨料磨损、冲蚀磨损、粘着磨损和疲劳磨损四类，各类磨损⼜可以细分为更具体的⼀些形式。

d 腐蚀。

在环境及周围介质作⽤下，对⾦属材料及零件的腐蚀。

在以上四种失效形式中，磨损、疲劳和腐蚀占 80%以上。

由现代理化⼿段分析后证实：失效通常是从材料的表⾯开始的，⽽且往往是因其表⾯性能不⾼所致。

故研究⾦属材料的表热胀导热对机 b 断裂。

有韧性断裂、脆性断裂和疲劳
⾯及其相应的强化⽅法有⼗分重要的意义。

化成处理主要有：化学镀、电镀、发蓝、发⿊、磷化和铝的阳极氧化等；⾯覆层主要为热喷涂、热堆焊覆层（衬）和⽤玻璃和地沥清等覆衬于其表⾯，以达热、耐蚀、防滑、修复尺⼨和防腐等⽬的。

f ⾼能量密度表⾯强化。

以极⾼密度的能量作⽤于⾦属表⾯使其发⽣物理、化学变化，达到强化或表⾯改性的⽬的称为⾼能量
密度表⾯强化。

特点是：⽅法简单、时间短、变形⼩、⾼效率等，但设备复杂，造价⾼。

采⽤：电⼦束、激光束、太阳能和⾼频冲击表⾯感应加热等。

能量密度：以电⼦束和激光束提供的能量密度最⾼，可达到：
3 108~109W/cm2 。

⽕焰和⾼频加热的能量密度为 102~103W/cm2。

Laser 被美国和过俄罗斯⾸先⽤于⼯业处理上 ,我
国上海光机所于 90 年代曾⽤于齿轮的齿⾯淬⽕。

g 表⾯复合处理。

将两种或两种以上的表⾯处理（或强化）⼯艺⽤于同⼀⼯件的表⾯强化的⽅法称为表⾯复合处理。

⽬的：发挥各⾃的优点 ,更⼤限度地提⾼⾦属的表⾯性能。

例如：热浸镀铝 +热扩散 ,使镀层结合牢固 ;渗碳热处理 +喷丸 ;感应加热淬⽕ +喷丸等。

材料表⾯技术特点使⾦属材料基体强度不变的前题条件下，设法使其表⾯具有各种
优异的特殊性能。

例如：⾼硬度、⾼耐磨性、耐蚀、抗疲劳（接触、⾼周、腐蚀疲劳等）特殊的物理和化学性能（反光、吸收电磁波、发光、电导、电绝缘性能和⽣物相容性涂层等）。

此外，还有装饰作⽤。

材料表⾯技术发展以化学热处理为例，采⽤微机配以先进的传感元件进⾏碳、氮势
控制；运⽤可控⽓氛实现少⽆氧化加热等。

以表⾯许需要的特有性能为例：船甲板的防滑处理等；以特殊的物理性能为例，发光涂层，吸收电磁波的涂层⽣物容性涂层等。

七、⽆机⾮⾦属材料
1 ）定义⽆机⾮⾦属材料是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。

是除有机⾼分⼦材料和⾦属材料以外的所有材料的统称。

⽆机⾮⾦属材料的提法是 20世纪 40年代以后，随着现代科学技术的发展从传统的硅酸盐材料演变⽽来的。

⽆机⾮⾦属材料是与有机⾼分⼦材料和⾦属材料
并列的三⼤材料之⼀。

2）成分结构陶瓷结构⼀般具有多晶多相的特征（含有玻璃相和⽓相）。

绝⼤多数陶瓷表⾯强化技术
分类通常按表⾯强化技术的性质分类，可以分为：
a 化学热处理表⾯强化；
b 表⾯淬⽕强化；
c 表⾯覆层（化成处理覆层、覆衬、
PVD 薄膜和热浸渗）强化及装饰；
d 表⾯冷塑性变形强化；
e 表⾯复合强化；
f 表⾯⾼能量密度改性与强化。

各类表⾯强化的概况。

a 化学热处理表⾯强化。

即⽤渗⼊原⼦在材料表层内扩散⽽形成⼈⼯内污染层，以改变表层的化学成分为先决条件，再进⾏不同处理后赋与表⾯和内部不同的组织，从⽽具有不同性能的表⾯强化⽅法。

例如：钢的渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、热浸渗和渗⾦属等等。

b 表⾯淬⽕。

不改变材料的化学成分，只是因表层相变⽽产⽣的强化⽅法称为表⾯淬⽕。

例如：⾼频、中频和表⾯感应加热淬⽕、⽕焰加热表⾯淬⽕、电⼦束、激光（
Laser ）束加热表⾯淬⽕等。

c 表⾯冷塑性变形强化。

在⾦属材料的再结晶温度之下，使其表层发⽣冷塑性变形后达到表层加⼯硬化，弥补其表⾯轻微脱碳和细⼩缺陷并形成表层残余压应⼒的强化⽅法称为表⾯冷塑性变形强化。

其显著作⽤就是提⾼⾦属材料及其制品的⾼周疲劳寿命，度愈⾼，其表⾯强化效果愈显著。

表⾯冷塑性变形强化的⽅法有：层喷丸强化。

其中，喷丸强化⽤得最普遍。

d 表⾯覆层强化及装饰。

使⾦属表⾯获得特殊的覆盖层，及装饰等⽬的⼯艺⽅法都称为表⾯覆层强化及装饰。

它分为：衬。

表⾯镀膜主要有物理⽓相沉积（ PVD ）、化学⽓相沉积（表⾯滚压、 CVP 、且材料本⾝强内孔挤压和表耐蚀、抗疲劳
以提⾼其耐磨、表⾯镀膜，化成处理和表⾯覆
CVD ）和分⼦外延技术等；。