材料科学与工程基础

(4) 用途 Application
a. 结构材料:如机床,建筑机械设备、工程交通工具； b. 导体材料，电线芯（铜） c. 工具
2 无机非金属材料 Inorganic nonmetals
(1) 分类（按成分，化学结构和用途分四大类） • 混凝土（水泥） • 玻璃 Glass • 硅及耐火材料 Silane • 陶瓷（器） Ceramics 传统陶瓷（天然硅酸盐矿）：各中粘土烧 制而成。(Silicate Ceramics) 特种陶瓷（人工化合物：氧化物、氮化物、 硼化物、碳化物）。
• 材料是指具有满足指定工作条件下使用要求的形态和 物理性状的物质。
• • • •
2. 原料与材料 原料（Raw Materials） 由原料到材料。 原料一般不是为获得产品，而是生产材料，往往伴随 化学变化。 • 材料的特点往往是为获得产品，一般从材料到产品的 转变过程不发生化学变化。
• 3. 材料与物质(Materials and Matter) • 材料可由一种或多种物质组成。 • 同一物质由于制备方法或加工方法不同可以得到用途 各异、类型不同的材料。
• 按复合方式
无机非金属 高分子（塑料，橡胶）
(2) 基本性质
a. b. c. d. e. 抗疲劳性能良好； 结构件减震性好； 比强度和比量高； 耐烧能性和耐高温性能好 具有良好的减摩、耐摩和耐润滑性能
(3) 用途
• 无机--高分子 玻璃纤维增强塑料(玻璃钢)——汽车,游艇， 碳纤维增强塑料——飞机机翼、高尔夫 球棍、 撑杆跳杆 • 金属—陶瓷 飞机螺旋桨叶 综合金属韧性，陶瓷耐 高温性 • 高分子-高分子 橡胶增韧塑料 抗冲PS ABS树脂 减震材料
Performance
Properties Synthesis and Processing Compositions and Structures
• 研究内容：
• 科学性 a. 从化学角度出发，研究材料的化学组成、键性、 结构与性能的关系 b. 从物理角度，阐述材料的组成原子、分子及其运 动状态与各物性之间的关系 c. 材料的制备工艺 • 技术性 d. 材料的性能表征 e. 材料的应用
(3) 材料工程 Materials Engineering
对于工程技术人员：如何选择特定应用环境下需要的材料，来满 足使用要求，如何按实际要求设计新材料，须弄清以下三个关系 （材质）——材料内部结构与性能 （内部形态）——加工工艺与性能 （使用环境，耐久性）——材料的性能与使用过程
1-3本课程的内容和学习方法
1-3-2 学习方法和要求 中文教材和英文教材相结合，电子课件上网，中 英文习题 课堂讲授、课堂讨论和课外作业、课前预习相结
合 通过物质结构与组成的基本理论的学习，掌握材 料的结构——性能内在关系； 通过对比，了解高分子材料与金属和无机非金属 材料在材料结构和性能特点上的主要异同点； 运用结构 —— 性能关系的原理，了解主要材料品 种的制备和应用的特点，具有一定材料设计的基础知 识。
• 1-1-2类别 classfication
• 材料可以根据化学组成、状态、作用和使用领域分类。 • • 化学组成分类 金属材料 无机非金属材料
•
• •
components
状态分类
有机高分子源自文库料
气态 液态 单晶
•
• • •
state
作用分类
固态
多晶 非晶 复晶
功能 结构（工程） 建筑、仪表、电子、医用 包装、耐火．．．．能源等等。
• 1-1 材料的定义和分类(Definition and Classfication) • 1-1-1定义 • 1. 材料 Materials • Material：材料科学 （工科） • 物质科学 （理科） • Webster编者“New International Dictionary（1971年）” 中关于材料（Materials）的定义为：材料是指用来制造 某些有形物体（如：机械、工具、建材、织物等的整 体或部分）的基本物质（如金属、木料、塑料、纤维 等） • 迈尔《新百科全书》中材料的含义：材料是从原材料 中取得的，为生产半成品、工件、部件和成品的初始 物料，如金属、石块、木料、皮革、塑料、纸、天然 纤维和化学纤维等等。
(3) 各种材料相互替换、复合、共性、特性 纳米材料
1-2-2 材料科学与工程的范畴和任务 (1) 学科建立 Establishment of Maerials Scienceand Engineering
1960’s 金属材料——金相学——金属学 无机材料——无机化学——陶瓷学 高分子材料——高分子化学——高分子物理
• • • • •
(3) 基本特性 Principal Properties
a. 金属键，常规法生产的为晶体结构； b. 常温下固体熔点较高； c. 金属光泽； d. 纯金属范性大、展性、延性大； e. 强度较高； f. 导热、导电性好； g. 空气中移氧化，如钢、铁等生成氧化膜，合金可改性 抗氧化性。
1-3-1 内容 • 第一章 绪论 Introduction 材料的定义、分类 及基本内容 • 第二章 物质结构基础 Fundamentals of Material Structure 各类材料结构上的共性基础、原子分子、聚集 态、表面、转变 • 第三章 材料的组成及结构 Compositions and Structures of Materials 从材料的组成入手，阐述各种材料的聚集态结 构和宏观组织结构。
(2) 内容和任务 Contents and Objective
材料科学：从理论上研究金属、无机非金属和有机高分子等材 料的成分、结构、 加工工艺同材料性能及材料应用之间的 相互关系。
材料科学与工程：关于材料组成、结构、制备工艺与其性能及 使用过程间相互关系的知识开发及应用的科学
学科性质：是介于基础科学与应用科学之间的应用基础科学， （边缘学科）。
主要参考书
• Fundamentals of Materials Science and Engineering（英文资料） • 《材料科学与工程基础》 （美） L、H 范弗莱克 • 《材料科学与工程系列教材》 哈尔滨工 业大学出版社（1999） • 《材料科学基础》. 谢希文，北京航空航 天大学出版社，1999年。
塑料 Plastics
(2) 基本性质
a. b. c. d. e. f. g. • • • • • • • • 共价键，部分范氏键 分子量大，无明显容点，有玻璃化转变温度Tg和粘流温度Tf； 力学状态有三态 玻璃态、高弹态、粘流态 比重小 绝缘性好 优越的化学稳定性 成型方法多 结构材料：电视机壳体、冰箱壳体、轴承、机械零件 绝缘材料：漆包线、电缆、绝缘版、电器零件 建筑材料：贴面板、地贴 包装材料：塑料袋、薄膜、泡沫塑料 涂装：涂料 粘合剂：粘合剂 日用：织物（衣服）胶鞋 运输：轮胎，传送带
• 钢 --- 金相组织或组织结构——珠光体、贝氏体、马氏体和奥氏体 • •
• • •
• 铸铁 — 球墨铸铁
•
(2) 有色金属
五大类 轻金属 （<4.5g/cm2）铝、镁、纳、钙 重金属 (>4.58/cm2) 铜、镍、铅、锌 贵金属 金、银、铂、铑 类金属（半） 硅、硒、绅、硼 稀有金属 钛、锂、钨、钼、镭 常用的稀有金属材料有：Al、Cu 、Zn、 Sn、 Pb、 Mg、 Ni……
(2) 基本特性，以陶瓷为例，其它有较大差别
a. b. c. d. e. f. g. 离子键、共价键及其混合键； 硬而脆； 熔点高、耐高温抗氧化 导热、导电性差； 耐化学腐蚀性性好； 耐磨； 成型方式为粉末制坏、烧制成型
(3) 用途
• 建筑卫生陶瓷：瓷砖、浴缸。 • 工程陶瓷 工程结构陶瓷：反应釜（耐酸、耐腐蚀） 绝缘瓷瓶。 • 功能陶瓷：磁性、导电。
• 第四章 材料的性能 Properties of Materials 阐明在应力、热、光、电、声、化学介质等 各种外界因素下，各类材料所表现的宏观性质、 破坏形式及其内部结构的变化规律。
• 第五章 材料的制备和成型加工 Preparation and Manufacturing of Materials 从不同种类材料出发，阐明材料的制备原理 和方法。
• 瓦特发动机、传动机、工作机——机器系列 机器制造 铁 —— 冶炼业 • 木炭——大量砍伐；水土流失—— 煤 采矿业
搅炼法（鼓风） 炼钢 交通运输业
• 1945年 电子管计算机 几间大屋 半导体——集成电路——小型芯片、液晶、分子器 件、计算机（PC） 手提电脑，掌上电脑
(2) 目前
• 材料品种几十万种（手册中） • 科学技术发展的三大支柱： 80年代 能源、材料、信息 90年代 信息技术、新材料、生物技术 • 高速民航客机使用的复合材料，高比强、代替金属、 重量轻 • 耐摩擦、热氧稳定、力学性能 • 生物降解材料（环境保护） • 计算机、液晶显示屏（低电压） • 信息社会要术各种各样光、电、磁、声材料
3. 高分子材料 polymers, Marcomolecules
(1) 分类 碳链 –C–C–C 杂链 –C–N–C=O –C–O–C– 元素 Si 、P、B
•
按主链结构 backebone
•
•
通用塑料、工程塑料； 热塑性、热固性 橡胶 Ruber 天然、合成 按使用性质 纤维 Fiber 人造、合成 粘合剂 Adhesive 涂料 Coating
(3) 用途
4. 复合材料 composites
定义：由两种以上组分组成，并且具有与其组成不同的 新的性能的材料 (1) 分类 • 按性能： 结构复合材料 功能复合材料 • 按增强剂形状及增强机理： 粒子增强 纤维增强
基体 Matrix 金属 增强体 Reinforcement 金属、无机非金 金属、无机非金属 金属、无机非金、高分子
•
•
function
应用领域分类
•
application
1. 金属材料 metals
(1) 黑色金属材料 • 化学成分——碳素钢、合金钢
• • Stell • 品质——普通、优质、高级优质钢 用途——建筑工程、结构、工具、特殊性能、专业用钢 冶炼方法——平炉、转炉、电炉、沸腾炉钢 灰铸铁 可锻铸铁 蠕墨铸铁 特殊性能铸铁
1-2 材料科学与工程概述 Brief Introduction
1-2-1材料的重要作用
Importance of Materials for the Develoment of Humen History and Science &Technology • 材料是人类社会发展的巨大推动力，生产工具制造的物质 基础是材料。 • 石器时代——陶器时代—— 青铜时代 ——铁期时代—— 复合材料 • 材料的使用和发展，与生产力和科学技术的水平密切相关 • 举例： (1) 1764年工业革命，第一部机器（手摇） 1769年 水力纺纱机 1782年 蒸汽机为动力的纺纱机，纺织业 （动力）
材料科学与工程基础
FUNDAMENTALS OF MATERIALS
SCIENCE AND ENGINEERING
第一章 绪论 Chapter 1 Introduction
• • • • •
Chapter 1
What is Materials Classfication of Materials What is Materials Science What is Materials Engineering Importance of Materials on Progress of Humen History and Modern Science and Technology • Objective and Methods of Learning this Course