第三章 材料概论

物理科学与技术学院方 鹏 飞材材 料料 科科 学学第三章 材料简介材料简介 材料的概念及分类 金属材料 无机非金属材料 高分子材料一、 材料与材料科学 材料是一个国家科学技术水平、经济发展水平和人民生活水平的重要标志，也是一个时代的重要标志。人类社会的发展史事实上也是一部材料的发展史，材料与人类的发展和进步息息相关，材料的每一次重大发现及其大量制造和使用，推动人类社会向更新更高的阶段发展。几百万年来，人类已经跨越了石器时代，青铜器时代，铁器时代，以水泥、玻璃、塑料、橡胶为代表的非金属时代， 21世纪将以复合材料和功能材料为特色。材料的涵义使用性能 （ 物理 ）合成 /加工 （ 工程 ） 性质 （ 化学 ） 结构 /成分 （ 物理 ）l 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称为材料。l 材料包含有四个要素：材料的制备（加工）、材料的结构、材料的性能和材料的使用性能。这四个要素是相互关联、相互制约的，如下图所示：在上图中： 材料的性质与现象是新材料创造、发展及生产过程中人们最关注的中心问题。 材料的结构与成分决定了它的性质和使用性能，也影响着它的加工性能。而为了实现某种性质和使用性能，又提出了材料结构与成分的可设计性。 材料的结构与成分受材料合成和加工所制约。 为完成某一特定的使用目而制造的材料，必须是最经济的， 并符合社会的规范和具有可持续发展性。材料简介作为材料，必须具备如下特点 ： 一定的组成 可加工性 现状保持性 使用性能 经济性 再生性从以上的分析可见，材料与物质是两个不同的概念，材料总是和一定的用场相联系的。材料简介l 材料按用途可分为结构材料和功能材料。结构材料主要是利用材料的力学和理化性质，广泛应用于机械制造、工程建设、交通运输和能源等各个工业部门。功能材料则利用材料的热、光、电、磁等性能，用于电子、激光、通讯、能源和生物工程等许多高新技术领域。功能材料的最新发展是智能材料。l 材料按化学组成的不同，可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料。材料简介材料简介l 金属材料又分为黑色金属和有色金属。黑色金属通常包括铁、锰、铬以及它们的合金。除黑色金属以外的其他各种金属及其合金都称为有色金属。为了发展航空、火箭、宇航、舰艇、能源等新技术工业，需要研制具有特殊性能的新型金属材料。l 无机非金属材料主要是指硅酸盐材料，包括陶瓷、玻璃和水泥。新近发展起来的特种陶瓷，成分扩展到纯的氧化物、碳化物、氮化物和硅化物。此外半导体材料也属于无机非金属材料。材料的分类l 高分子材料是一类合成材料，主要有塑料、合成纤维和合成橡胶，此外还有涂料和胶粘剂等。这类材料具有优异的性能，如较高的强度、优良的塑性、耐腐蚀、不导电等，发展速度很快，已部分取代了金属材料。合成具有特殊性能的高分子材料是其发展方向。l 复合材料是由金属材料、陶瓷材料和高分子材料复合组成的。复合材料的强度、刚性和耐腐蚀性等比单一材料更为优越，是一类具有广阔应用发展前景的新型材料。材料简介二、材料科学：范畴及任务q 材料是一切技术发展的物质基础，是与人类社会的发展 进步密切相关的。q 最初，各种材料的发展是分别进行，互不相关的。随着 科学技术的发展，人们对材料的认识不断深化，积极吸取了近代物理、化学，特别是固体物理、量子化学等基础理论并应用各种先进分析仪器和尖端技术来研究和阐明材料的本性，为认识材料的性能 结构 应用之间的关系和探索新材料提供了理论基础。这样就在各种基础学科的渗透和现代科学仪器的帮助下，从 20世纪 60年代开始形成了一门新的综合性学科 材料科学。材料简介q 材料科学是一门以材料为研究对象，介于基础科学与应用科学之间的应用基础科学。q 材料科学的内容：一是从化学的角度出发，研究材料的化学组成、键性、结构与性能的关系规律；二是从物理学角度出发，阐述材料的组成原子、分子及其运动状态与各种物性之间的关系，在此基础上为材料的合成、加工工艺及应用提出科学依据。材料简介q 材料科学的主要任务是以现代物理学、化学等基础学科理论为基础，从电子、原子分子间结合力、晶体及非晶体结构、显微组织、结构缺陷等观点研究材料的各种性能以及材料在制造和应用过程中的行为，了解结构 性能 应用之间的规律关系，提高现有材料的性能，发挥材料的潜力，并能动地探索和发展新型材料以满足工农业生产、国防建设和现代技术发展对材料日益增长的需求。材料简介材料科学体系示意图材料简介一、金属材料金属材料介绍自然界中存在的 94多种化学元素中有 2/3是金属 (72种 )， 20世纪中几乎所有的金属都被研究过。金属材料在工程中一直是最重要的材料。q 大约公元前 5000年，人类进入铜器时代（铜、青铜、黄铜等）；公元前 1200年又进入铁器时代。q 此外，还出现了金、银等贵金属，人们将其作为货币、首饰等。与此对应的铜、铁、铅等称为 “贱金属 ”，并由此诞生了 “炼金术 ”，客观上推动了技术的进步。q 从中世纪到工业革命时期，金属生产向着规模化的方向发展。（高炉炼铁、炼钢、电的产生和使用）q 19世纪末到 20世纪中叶，是金属钢和其它金属材料飞速发展的时代，超高强度钢、工具钢、不锈钢等相继研究成功。金属材料的发展史金属材料介绍 力学性能（如强度、塑性、韧性等）堪称 “全能冠军 ”。 既耐热，又耐寒。 金属材料的有出色的工艺性能。 金属有良好的导热性、导电性和铁磁性，在电力电子等行业有不可替代的作用。金属材料的优点金属材料介绍l 金属材料可分为两大家：钢铁和有色金属（非铁合金）。l 目前世界的钢铁总年产量约 8亿吨，而有色金属年产量约为5000万吨，钢铁产量约占金属总量的 94。l 钢铁是金属材料的主力军，但非铁金属由于它们的特殊性能，在工业占仍有不可替代的重要用途。金属材料的类别金属材料介绍1.1 钢铁 现代工业化的基础自工业革命以来，钢铁一直是人类使用的最主要的结构材料，是国家工业化的基础，在这一历史时期，钢铁的生产能力和消费水平往往是国家综合实力的重要标志。而且在未来很长的一段时期中，钢铁主导的地位仍将难以动摇。金属材料介绍金属材料介绍钢 铁钢铁是铁和碳的合金体系总称。钢铁中含碳量大于 2%的叫生铁，小于 0.02%的叫纯铁，在这两者之间的称为钢。钢中含碳量大于 0.25%的称低碳钢，介于 0.25% 0.60%的称中碳钢，大于 0.60%的称为高碳钢。所谓炼钢，其实质是控制生铁中含碳量达到钢的要求，同时除去危害钢的性能的一些杂质，如 S、 P等。若要想得到特殊性能的合金钢，当然还要加入一些其他金属。近 30年来，尽管受能源和资源的制约，世界钢铁生产仍以 1的速度递增。金属材料介绍我国随着经济的发展，钢产量一路猛增，年产量已超过 1亿吨，进入世界前列。金属材料介绍经济发达国家和中等发达国家的人均年钢产量在 300 kg/人以上，我国还有相当距离。 金属材料介绍l 电力系统中的工业锅炉、高压锅炉及其热交换管道，发电机中的大型篆字和叶轮，变压器的铁芯。l 汽车工业：根据美国的一份调查，美国平均美台车消耗的材料钢铁的九大应用领域金属材料介绍l 机床与工程机械，包括起重机、挖掘机、拖拉机。l 铁路（钢轨）与桥梁。l 船舶和海上钻井平台。它们对钢材的强度、韧性和耐海水腐蚀都有很高的要求。l 兵器：包括坦克、大炮、枪械。l 石油开采机械、输油管道和泵站。l 化工压力容器、反应釜和管道，其中不锈钢、耐热钢等特殊钢用量很大。l 建筑钢筋和构架金属材料介绍金属材料介绍金属材料介绍金属材料介绍阿利 伯克号导弹驱逐舰钢铁材料的基础是铁和碳的合金，一般情况下含碳量在 2.1以上的为铸铁，小于 2.1为钢。在 Fe-C合金中，有目的加入各种适量合金元素（常用的有 Si、 Mn、 Cr、 Mo、 W、 V、Ti、 Nb、 B等），就形成形形色色的合金钢或合金铸铁。钢铁材料的种类繁多，性能跨度很大，用途极为广泛，现将主要的分类及特点简介如下：钢铁的分类金属材料介绍a 铸铁l