材料科学与工程导论第一章绪论

• 2.材料加工工艺方法 • 利用材料的加工工艺可以将未经过成型的坯料加工成型零 件所要求的形状。其中金属的加工方法很多：有铸造、焊 接、胶接、锻、拉、挤、轧、弯等。 • 3.性能与使用效能 • 成品状态的材料具有一整套满足实际设计要求的性能—强 度、硬度、导电性、密度、色彩等。 • 4.材料设计和选用材料 • （1）材料设计 • （2）选用材料
高速列车
•导弹的眼睛 —— 窗口材料 （ZnS, ZnSe, Al2O3, diamond, …） 导弹头罩
窗口材料： 蓝宝石 金刚石
窗口
f
ZnS/金刚石
二、材料的发展史，就是科学技术的发展史。
中国的四大发明：纸、火药、指南针、活字印刷 表1 科学原理的发现时间与其产业化时间的对照
原理 电机 真空管 无线电 X光 雷达 原子堆 半导体 激光 1821 1882 1887 1895 1935 1939 1948 1958 成品 1886 1915 1922 1913 1940 1942 1951 1960 发展时间 65 33 35 18 5 3 3 2
材料科学与工程导论
主讲：贺沁婷
参考书目
• 1.杨瑞成 ，张建斌，陈奎，居春艳.材料科学与工 程导论.北京：科学出版社，2012 • 2. 顾宜，赵长生.材料科学与工程基础.北京：化 学工业出版社，2011
第一章 绪论
• • • • 第一节 第二节 第三节 第四节 材料的发展与人类的文明 材料的分类 材料科学与工程 材料的发展趋势
按组成分类
• 单组分材料
• 复合材料
金属材料的分类 • 按组成成分分类 – 纯金属 – 合金 • 按实用分类 – 黑色金属材料（铁及铁合金） – 有色金属材料（非铁金属） • 贵金属、稀有金属
金属材料的分类 黑 色 金 属 普碳钢 合金钢 重有色金属 稀有色金属 渗碳钢、工具钢、弹簧钢、模具钢、 不锈钢、低合金高强钢 铜、镍、锡、铅、锌 钛、锆
人类对材料微观结构认识的发展过程 1）逻辑推理(古代哲学家，432 BC.)
2）宏观形貌观察、观测（by eye, 1669）
3）数学理论计算 4）科学测定（X-ray diffraction, electron diffraction,等）
1、古代中国：
“日取其半，万世不竭” “道生一，一生二，二生三，三生万物”（《老子》）； “以土与金、木、水、火杂以成百物”（《国语〃正语》）； “太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦，八卦交而生万物” （《易经》）
电子显微镜（SEM、TEM）
扫描探针显微术***（STM、AFM）
* 1914’s Nobel prize; **1915’s, ***1987’s.
晶体的微观周期性结构
晶体点阵中的缺陷
电子在周期势场中的运动 量子力学 Schrödinger方程
晶体的宏观 几何形貌
位错在晶体中运动 ih Ψ t
按状态分类 • 单晶材料 • 多晶质材料 • 非晶态材料 • 准晶态材料
按物理效应分类 • 压电材料 • 热电材料 • 铁电材料 • 光电材料 • 电光材料 • 声光材料 • 磁光材料 • 激光材料
按用途分类
• 功能材料 • 结构材料
按用途分类 • 建筑材料 • 结构材料 • 研磨材料 • 耐火材料 • 耐酸材料 • 电工材料 • 电子材料 • 光学材料 • 感光材料 • 包装材料
b(MPa) 纵向 382 488
0.2(MPa) 310 478
(%) 6 12
横向
高
360 482 330 440
Байду номын сангаас
280 472 250 290
4 9 2 6
铝的理论强度为4700MPa，当今高强铝合金的最高强度没有超过1000MPa。
战机
舰船
导弹
高层 建筑
火箭
铝合金的 主要应用领域
战车 人造 卫星 汽车
第一节 材料的发展与人类文明
什么是材料(materials)?
材料是人类社会所能接受的、可经济地制造有用物品的物质。
Materials is the stuff from which a thing is made for using.
天然材料
人工材料 人工材料
一、材料的发展史，就是人类社会的发展史。 人类历史的划分 石器时代陶器时代青铜器时代铁器时代。
玻璃钢 –FRP(Fiberglass Reinforced Plastics ) –GRP(Glass Reinforced Plastics) –GFRP(Glass fibre reinforced plastics) –玻璃纤维增强树脂基复合材料 • 以玻璃纤维或其制品作增强材料的增强塑料，称谓为玻璃 纤维增强塑料，或称谓玻璃钢。由于所使用的树脂品种不 同，因此有聚酯玻璃钢、环氧玻璃钢、酚醛玻璃钢之称。 • 特点：质轻而硬，不导电，机械强度高，耐腐蚀。 • 用途：可以代替钢材制造机器零件和汽车、船舶外壳等。
2、Europe: Plato (428-348 B.C.) and Euclid (330-275? B.C.) 5 regular polyhedrons stand for 5 original elements (fire, air, earth, water, ether) which were used for describing every thing in the world. Fire - tetrahedron Air - octahedron Earth - cube
非晶态材料
有机高分子材料
塑料
聚乙烯、聚四氟乙烯、工程塑料、泡沫塑料
高 分 子 材 料
橡胶 纤维 其他 人造棉、涤纶、腈纶、锦纶、尼龙 涂料、功能高分子材料
复合材料 树脂基复合材料 以基体材料分类 陶瓷基复合材料 金属基复合材料 复合 材料 以增强体分类 纤维增强复合材料 晶须增强复合材料 颗粒增强复合材料 金属纤维增强复合材料
Computer Aluminum in 19th century.
现代社会 三 大 支 柱
能源、信息和材料（1998）
生物工程，信息技术和新材料
航空航天的物质基础
三高一低的结构材料（高强度、高模量、耐高温、低密度)
卫星发射，节省1公斤重量将降低费用$20000。一次发射节约费用 20%。
鍛铝2014（LD10）的力学性能
塑钢 • 塑钢是对塑钢型材的简称，主要化学成分是PVC，因此也 叫PVC型材。 • 主要用途： –在房屋建筑中主要用于推拉，平开门窗、护栏、管材 和吊顶材料的应用。 • 主要配方： –PVC（100份）、CaCO3（14~20份）、CPE（6~12份）、 ACR（0.4~0.8份）、钛白粉（3~6份）、稳定剂（3~8 份）、色母料（0.8~1.5份）。稳定剂主要有铅盐稳定 剂、有机锡稳定剂、钙锌稳定剂、稀土稳定剂。
2Ψ + U(r)Ψ 2
表面组装 h
金属材料强化理论
能带理论 固体半导体理论
晶体生长理论
第二节 材料的分类
• 按组成分类 • 按状态分类 • 按化学状态分类
• 按物理性质分类
• 按物理效应分类 • 按用途分类
按化学状态分类 • 金属材料 • 无机非金属材料 • 有机高分子材料
• 复合材料
按物理性质分类 • 高强度材料 • 耐高温材料 • 超硬材料 • 导电材料 • 绝缘材料 • 磁性材料 • 透光材料 • 半导体材料
光纤 • 光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成 的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。 • 前香港中文大学校长高锟和George A. Hockham首先提出光 纤可以用于通讯传输的设想，高锟因此获得2009年诺贝尔 物理学奖。
防爆玻璃
弹簧钢 • 弹簧钢是指由于在淬火和回火状态下的弹性，而专门用于 制造弹簧和弹性元件的钢。 • 钢的弹性取决于其弹性变形的能力，即在规定的范围之内， 弹性变形的能力使其承受一定的载荷，在载荷去除之后不 出现永久变形。 • 据GB/T 13304 标准，弹簧钢按照其化学成分分为非合金 弹簧钢(碳素弹簧钢)和合金弹簧钢。
尼龙
太阳能
假牙
心脏支架
人工晶体
压电陶瓷
形状记忆合金
第三节
材料科学与工程
• 一、材料科学的兴起 • 1.固体物理、无机化学、有机化学、物理学等相关基础学 科对物质结构和物性的深入研究，促进了对材料本质的了 解； • 2.在材料科学这个名词出现以前，金属材料、高分子材料 与陶瓷材料都已自成体系，目前复合材料也正在形成学科 体系。 • 3.各类材料的研究设备与生产手段有颇多共同之处。 • 4.许多不同类型的材料可以相互代替和补充，能更充分发 挥各种材料的优越性，达到物尽其用的目的。
• • • • • •
选用材料的基本原则： ①胜任某一特定功能； ②综合性能比较好； ③材料性能差异定量化； ④成本、经济与社会效益； ⑤与环境保护尽可能地一致，即对环境尽可能的友好。
第四节 材料的发展趋势
• • • • • • 材料可学发展和材料研究的趋势： 1.研究多相复合材料 2.研究并开发纳米材料 3.开发机敏材料 4.研究开发生物医学材料 5.材料制备工艺、检测仪器和计算机的应用研究
• 二、材料科学与工程 • 三、材料科学与工程的特点 • 材料科学与工程具有物理学、化学、冶金学、金属学、 陶瓷学、计算数学等多学科交叉与结合的特点，并具有鲜 明的工程性。 • 现在，材料科学与工程被看做是知识的开发和知识的 传输体系，这个体系包括从基础科学和基本研究，直到人 类的需要和社会的经验这样的知识链。 • 四、材料成分—结构—合成与加工—性能—使用效能 • 1.材料科学与工程的组成要素 • 材料科学家将成分、结构、合成与加工、性能及使用效能 这五者视为材料科学与工程的五要素，把他们连接在一起， 组成一个六面体，而使用效能就是材料性能在工作状态 （受力状态、气氛、温度）下的表现。
Water - icosahedron
Ether - dodecahedron
材料科学的发展过程
1669, N. Steno, 晶面角守恒定律
1885, A. Bravais, 晶体空间点阵学说 1912, M. Laue*, 晶体的X射线衍射 1915, W. H. Bragg and W. L. Bragg**X射线晶 体结构分析方法
金 属 材 有 料 色 金 属
轻金属 稀土金属 贵金属 难熔金属
铝、镁
金、银、铂
钨、钼、钽、铌
无机非金属材料
陶瓷 传统材 料 无 机 非 金 属 材 料 新型材 料 玻璃 水泥 耐火材料 高温材料 新型玻璃 特种陶瓷 人工晶体 半导体材料 玻璃纤维、微晶玻璃 结构陶瓷、功能陶瓷 日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶 瓷、电瓷 平板玻璃、仪器玻璃、光学玻璃