09级—第一章 绪论 (2)

材料科学与工程的形成与发 展，反映了学科发展从细分 到整合（综合）的基本规律。
地质
1879
矿
1888
1888
矿冶
1937
化工
采矿
1937
冶金
1966
陶瓷
社会科学
物理 物冶
物冶
化冶
力冶
1986
材 料 学
1989
M S E
1975
高分子
化学
力学
材料学科的分合图
美国 MIT 矿冶及材料系名称的演变
年 1865~1879 1879~1884 1884~1888 1888~1890 1890~1927 1927~1937 1937~1966 1966~1975 1975~现在
系名称 地质与采矿工程
采矿工程 采矿工程（地质、采矿、冶金）
采矿与冶金 采矿工程与冶金
采矿与冶金 冶金
冶金与材料科学 材料科学与工程
美国大学有关材料专业的变化趋势
系 名 称 1964
1970
1985
矿物与采矿 9
7
5
冶
金 31
21
17
材
料 11
29
51
其
它 18
21
17
合
计 69
78
90
金属材料及热处理、粉末冶金
2004年度 国家技术发明一等奖
张立同院士《耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术》 黄伯云院士《高性能炭／炭航空制动材料的制备技术》
3.材料的分类
① 按化学组成分类 ② 按材料的性能分类 ③ 按材料的应用分类 ④ 按材料结晶状态分类 ⑤ 按材料的尺寸分类
1)按化学组成分类
金属材料
纯金属(单质)、合金
粉末冶金 金属陶瓷术
各材料学科之间的相互渗透塑、料压移延植成与型借—鉴—。金属
板材轧制成型
在制造技术上也是互相渗透和借鉴。
如等离子技术在冶金工业、金属材料
新技术在各类材料焊高中接分得、子到表和广面无化机泛学非应热金用处属。理材、料气等相领沉域积得、到
广泛应用。
Materials Science and Engineering
在大多数情况下，温度、疲劳损伤、应力和腐蚀 是互相相关的。材料除受到上述因素影响外，还 受到其它自然环境的影响，需根据材料使用的具 体环境进行选择和处理。
需考虑：成分、强度、重量、能量吸收性能以及延展性
材料科学家需从显微结构上检验钢材，以确定该材料是否满 足上述要求；他们还需采用低成本的制造方式。
在材料选择和设计过程中还必须考虑：成型过程是否影响钢 材的力学性能？采用何种涂层可更好地提高钢的抗腐蚀性能？ 这种钢材是否易于焊接？等等。
例二、三种不同的氧化铝材料
Titanic号破裂和沉没
“挑战者”号载人航天飞机失事
疲劳损伤: 当材料在使用过程中经历反复的加载和 卸载，其内部微裂纹扩展而导致的材料损伤称为 疲劳损伤。
腐蚀: 大多数金属和高分子材料与氧气和其它气体 均会发生反应，尤其是在较高温度下。材料也会 受腐蚀性液体的侵蚀而永久损坏。
应变速率: 材料选择和应用中，也应考虑应变速率。 如silly Putty是一种硅橡胶，当被缓慢拉伸，可 以变形很大，而被快速拉伸时，则很容易破裂。 很多金属也有此现象。
使用 性能
四 加工 要 素 性能
组成、 结构
陶瓷
材料科学与工程
金属
材 料 科 学 与 工 程
高分子 复合材料 材料
例一、汽车底盘材料
性质/使用性能 成本
• 什么结构特性制约了 强度和成型性能?
• 什么性能控制强度?
组成
•比强大小? •成型性能? •汽车的防撞性如何? •制造成本?
•铁基? •铝基? •使用何种合金元素? •使用量?
具有抵抗外场作用而保持自己的形状、结 构不变的优良力学性能（强度和韧性等），用 于结构目的的材料。
结构材料
杭州湾跨海钢铁大桥，桥长36公里
青藏铁路 1142公里
功能材料
具有优良的电学、磁学、光学、热学、 声学、化学和生物学功能及其相互转化的功 能，被用于非结构目的的高技术材料。
按物理性质分为：导电材料、半导体材料
➢ 多晶材料：由许多晶粒组成的材料，其性能与晶 粒大小、晶界的性质有密切关系, 如各种陶瓷。
➢ 非晶态材料：由原子或分子排列远程无序的固体 材料，如玻璃、高分子材料。
单晶
单晶金刚石
单晶硅棒 (直拉法)
多晶
非晶
液晶
5）按材料的尺寸分类
➢ 零维材料 超微粒子(大小1—100nm的超微粒) ➢ 一维材料 光导纤维、碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维;
单晶 多晶、低孔隙率 多晶、高孔隙率
制备加工过程对产品性能的影响
5.环境及其它影响材料的因素
材料设计及选用时需考虑温度、循环应 力、突然撞击、以及腐蚀和氧化等环境因 素的影响。
温度: 温度的猛然变化会改变材料的性能。
金属材料在高温下 突然失去强度
材料强度随温度的变化
极低温度下，金属材料和高分子材料亦发生脆化。
磁悬浮列车 核磁共振仪
➢ 1946年世界第一台计算机 占地面积为170平方米左右， 重量30吨。运算速度5000 次/秒;
➢ 经过了电子管、晶体管、 集成电路和超大规模集成 电路四个阶段。
➢ 现:几百亿次/秒。
No钛合金自行车 Image
材料和生活用品
26
发动机工作温度（℃）
1400 1200
纺织 冶金 机械 造船
百度文库
电子 石油 化工 电气 通讯
合成材料 半导体材料
新型无机材料 高分子材料 新型金属材料 复合材料
现代高新技术的发展更离不开材料的发展, 只有开 发制备出满足性能需要的新材料后, 技术创新才可 能实现, 我们的生活才会更加丰富多彩.
材料是人类生存、社会发展、科技进步的 物质基础，是现代科技发展的先导
金
属 材
高温合金、精密合金
料
金属腐蚀与防护、金属物理
金 属工 材程 料
硅 酸 盐
材 料
水泥、玻璃 陶瓷、耐火材料
无 机 非 金 属
材 料 工 程
材 料 科 学 与 工
高分子化学、高分子材料、
材
程
高 分 子
材 料
高分子化工、化学纤维 、 橡胶制品、塑料成型加工工艺
高料 分与 子工
程
一级学科 材料科学与工程
磨制石器 7000年前
陶器
青铜器时代 公元前5000年
青铜器时代
铁器时代 公元前1200年
铁器时代
人类的文明史—— 材料的发展史
人类学习利用材料、制造 材料、创新材料的历史。
材料发展近现代史
1712年—— 4次技术革命 蒸汽机 → 电 → 原子能 → 计算机、生
物、空间技术
18世纪末 19世纪末 20世纪中期 20世纪70年代
近地卫星
103
超音速飞机
波音707
喷气式机
102
战斗机
运输机
直升机
10
小飞机
飞机速率
速度与效益
+595 +390 +175
Km
导弹射程
金属 玻璃纤维 Kavlar C/C复合材
料
火箭壳体材料与导弹射程
责任重大 大有作为
2006年度 国家自然科学一等奖
闵乃本院士《介电体超晶格材料的设计、制备、性能和应用》
材料科学：专注于理解材料成分、结构和它们性能 及使用性能之间的关系。
材料工程：着重于将物质或原料转变成具有适当结 构、满足使用性能要求的材料——材料化过程。
材料科学的形成
社会经济需求 科学技术发展的持续推动 不同材料的诸多共性
有必要形成一门材料科学
材料科学与工程的形成
A 固体物理 B 材料工程
材料在当今国民经济中的地位
材料是当代文明的三大支柱之一
材料、能源、信息是当代社会文明和国民经济的 三大支柱，是人类社会进步和科学技术发展的物质基 础和技术先导。
材料是全球新技术革命的四大标志之一
新材料技术、新能源技术、信息技术、生物技术。
新型材料的研究、开发与应用反映一个国家的科学 技术与工业水平，关系到国家的综合国力与安全。
温度（0C）
航空材料
No Image
波音777客机上的发动机的压缩机、叶片及紧固件。
30
30年代教练机 二次大战战斗机
80年代截击机 航天飞机
东方快车号
490C 不同类型的飞行器蒙皮温度 93.30C
4270C 10930C
16490C
538
1093
温度（0C）
1649
每减少1kg所收获效益
104 卫星
第一章 绪 论
一. 材料的定义 二. 材料的发展、地位和作用 三. 材料的分类 四. 材料科学与工程的形成与发展 五. 环境及其它影响材料的因素
1.什么是材料?
材料是由一定配比的若干相互作用的 元素组成、具有一定结构层次和确定性能， 并能用于制造物品、器件、构件、机器或 其他产品的物质。
合成/制备
结构
•如何控制制备过程以获得高韧性、易成 型的钢铁材料? •如何制造空气动力学性能好的汽车底盘?
制备汽车底盘的材料要求：
1) 具有极高的强度，但易于成型，以制造出满足空气动力学要 求的外形轮廓；
2) 考虑到能耗，钢板必须薄而轻；
3) 为增加汽车的安全性，在撞车情况下钢板还必须能够吸收大 量的能量。
绝缘材料、超导材料 磁性材料、透光材料 隔热材料、催化材料
……
按物理效应分为：压电材料、热电材料
铁电材料、非线性光学材料 磁致伸缩材料、光电材料 形状记忆材料、变色材料
……
• 磁存储
电饭锅：利用磁性材料的居里点特性。
压电晶体和 光电晶体
PZT Fibers
No Image
形状记忆合金
56
A
B
20年 代 MS材料科学
A
B
40年 代
MSE材料科学与工程
MS
B
60年
70年代以后
材料科学代与工程是多学科性的交叉学科。
材料学科的交叉和渗透 金属基
陶瓷基复合材料
物理、化学、力树学脂、基物理化学、晶体
三大材料的交叉，衍学生出金许属多学复合材料。
无机材料科学基础
基础学科向各材料学科的高交分叉子和物渗理与透化。学
现代涡轮喷气发动机
1000
800
600
蒸汽机
400 200
３０年代气冷 式航空发动机
0
1900 1920 1940 1960 1980
年份
2000
一次大战水冷式 30年代空冷式
风扇喷气发动机
涡轮喷气发动机
超音速燃烧冲压 式喷气发动机
1490C 3150C 6490C
发动机温度
10930C
19270C
黑色、有色、特殊金属材料
材 料
无机非金属材料
水泥、陶瓷、玻璃、耐火材料……
高分子材料
塑料、橡胶、纤维、涂料、粘合剂
复合材料 金属基、陶瓷基、树脂基、C/C
四大类传统材料
金属＋陶瓷 金属、合金 金属＋高分子
Co+WC
Fe,Al,Cu
橡胶
（硬质合金）
钢铁
（轮胎）
无机非金属
Al2O3 Si3N4，SiC
玻璃
有机高分子
热塑性塑料 弹性体 有机纤维
陶瓷＋高分子
玻璃纤维＋树脂 碳纤维+环氧树脂
各种金属零部件
高 温 结 构 陶 瓷 零 件
工 程 塑 料 制 成 的 零 件
复合材料
用碳纤维增强环氧树脂制得的高尔夫球杆强 度高、重量轻、刚性好。
复合材料
2) 根据材料的性能分类 结构材料 功能材料
结构材料
玻璃—无机非金属材料
塑料—高分子材料
2. 材料的发展、地位与作用
➢材料是人类赖以生存和发展的重要物质基础；
➢ 材料是人类文明的里程碑，是人类进化的重要 标志之一，人类历史曾以使用的主要材料来加 以划分。
旧石器时代 青铜器时代
新石器时代 铁器时代
旧石器时代
（10000年前）
新石器时代
（距今10000-4000年）
3）按材料的应用分类
电子材料、电工材料、信息材料、航空航天材料、 能源材料、生物医用材料、建筑材料 、 光学材料、感光材料、耐蚀材料、研磨材料、 耐火材料、结构材料、包装材料等。
航 空 、 航 天 材 料
能源材料 电子材料
光学材料 生物材料
建筑材料
4）按材料的结晶状态分类
➢ 单晶材料：由一个比较完整的晶粒构成的材料， 如金刚石、单晶硅、单晶纤维；
晶须强度和刚度最高。
➢ 二维材料 金刚石薄膜、高温超导薄膜、半导体薄膜 ➢ 三维材料 块状材料。
铁基纳米晶带材
4.材料科学与工程的形成与发展
材料科学与工程的定义
材料科学与工程：是关于材料成分、结构、工艺和 它们性能与应用之间有关知识开发和应用的科学。 它是一个多学科的交叉领域，是从科学到工程的一 个专业连续领域。
材
材
材
料
料
二级学科
料
物
加
学
理
工
与
工
化
程
学
结论：
• 不同的材料二级学科曾为社会培养了大量
的专业人才；
• 已不能满足21世纪人才培养的需求，必须
进行改革；
• 按照“四要素”原则重新构建材料科学与
工程的大材料学科。
材料科学与工程的四要素
性质/使用性能
组成
（工程）
（物理学）
（化学）
合成与加工
结构
材料科学与工程的内涵
注意:
材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料.
大多数的物质需通过一定的工艺过程才能转化为 材料.
材料可由一种物质或若干种物质构成.
同一种物质,由于制备或加工方法不同,可成为用途
不同—不同类型的材料.
宝石
基板材料
激光材料
催化剂载体
Al2O3
高温炉管 切削工具
生活中的材料
— 可口可乐容器
铝—金属材料