材料科学基础课件1.ppt

河北工程大学机电学院材料成型教研室 1 材料科学基础 FoundationsofMaterialsScience 绪论 一 材料科学基础 的基本概念二 材料科学的发展史三 材料的分类及其应用四 学习 材料科学基础 的意义五 材料科学的研究方法六 本课程的特点及学习方法 一 材料科学基础 的基本概念 材料是指人类用来制造有用物品的物质 材料科学是研究材料的成分 组织结构 制备工艺 加工工艺 材料的性能与材料应用之间的相互关系的科学 材料科学基础是进行材料科学研究的基础理论 它将各种材料 包括金属 陶瓷 高分子材料 的微观结构和宏观结构规律建立在共同的理论基础上 用于指导材料的研究 生产 应用和发展 它涵盖了材料科学和材料工程的基础理论 二 材料科学的发展史 材料往往作为划分人类社会发展历史阶段的标志 从古代到现在人类使用材料的历史共经历了七个时代 开始时间 石器时代 公元前10万年 青铜器时代 公元前3000年 铁器时代 公元前1000年 水泥时代 公元0年 钢时代 1800年 硅时代 1950年 新材料时代 1990年 狩猎图 石刀 石茅 石箭 秦兵马俑 制陶 司母戊大方鼎 象形尊 西周 铁器 埃菲尔铁塔 国家游泳中心 水立方 国家体育场 鸟巢 磁悬浮列车 波音客机 三 材料的分类及应用 一 材料的分类 通常根据材料的结构和用途来分类 结构材料是以强度 刚度 韧性 耐劳性 硬度 疲劳强度等力学性能为特征的材料 功能材料是以声 光 电 磁 热等物理性能为特征的材料 结构材料实际上是一种按结合键种类来分类的方法 由此可将材料分为金属 陶瓷 高分子和由金属 陶瓷和高分子分别组合成的各种复合材料 1 金属材料 特点以金属键结合为主良好的导电性 导热性 延展性和金属光泽 熔点较高 用量最大 应用最广泛 黑色金属 铁及铁合金 钢铁材料 有色金属 轻金属 重金属 贵金属 半金属 稀有金属及其合金 黑色金属 即钢铁材料 其世界年产量已达12亿吨 在机械产品中的用量已占整个用材的60 以上 鸟巢4 2万吨Q460钢材 金属材料制品 2 无机非金属材料 特点 以陶瓷为例 以共价键和离子键为主熔点高 硬度高 耐高温抗氧化 耐腐蚀 耐磨 脆性大成型方式为粉末制坯 烧制成型 混凝土 水泥 耐火材料 陶瓷等 传统陶瓷 是以天然材料 如黏土 石英 长石等 为原料的陶瓷 主要用作建筑材料使用 特种陶瓷 人工化合物 氧化物 氮化物 碳化物 硼化物 常用作工程上的耐热 耐蚀 耐磨零件 3 高分子材料 塑料 橡胶 合成纤维 粘合剂 涂料等以分子键和共价键为主分子量大 无明显熔点 塑性 耐蚀性 电绝缘性 减振性好 密度小 高分子材料在机械 电气 纺织 汽车 飞机 轮船等制造工业和化学 交通运输 航空航天等工业中被广泛应用 结构材料 电视机壳体 冰箱壳体 轴承 机械零件等绝缘材料 漆包线 电缆 绝缘版 电器零件等建筑材料 贴面板 地贴等包装材料 塑料袋 薄膜 泡沫塑料等涂装 涂料等粘合剂 粘合剂等日用 织物 衣服 胶鞋等运输 轮胎 传送带等 ETFE 聚氟乙烯 耐腐蚀性 保温性俱佳 自清洁能力强 4 复合材料 按基体材料可分为金属基复合材料陶瓷基复合材料高分子复合材料 是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料 玻璃纤维增强高分子复合材料 特点抗疲劳性能良好结构件减震性好比强度和比刚度高耐烧和耐高温性能好具有良好的减摩 耐摩和耐润滑性能 无机 高分子材料 玻璃纤维增强塑料 玻璃钢 可用于汽车 游艇等 碳纤维增强塑料可用于飞机机翼 高尔夫球棍 撑杆跳杆等 金属 陶瓷复合材料 可用于飞机螺旋桨叶等 高分子 高分子复合材料 橡胶增韧塑料可用于抗冲击PSABS树脂等减震材料 硼连续纤维增强的铝基复合材料制成管材做航天飞机结构桁架 功能材料 功能材料 是指具有一种或几种特定功能的材料 用于非承载目的的材料 是以声 光 电 磁 热等物理 化学 生物性能的材料 功能材料是能源 计算机 通讯 电子 激光等现代科学的基础 1贮氢材料 原理 第一步 先吸收少量的氢形成含氢的固溶体 结构保持不变 第二步 固溶体进一步与氢反应 发生相变生成氢化物相 第三步 再提高氢压 金属中的含氢量略有增加 金属与氢的反映是一个可逆过程 正的方向吸氢 放热 逆向反应释氢 吸热 改变温度和压力条件 可使反应按正向 逆向反复进行 实现材料的稀释氢功能 2梯度功能材料 例 热防护梯度功能材料金属表面陶瓷涂层材料或金属与陶瓷复合材料 高温环境中使用时 由于两者热膨胀系数相差较大 往往在金属和陶瓷的界面处产生较大的热应力 导致出现剥落或龟裂现象而使材料失效 若将金属和陶瓷组合起来 使其组分和结构呈连续变化可以充分发挥两者的优点 能有效的解决热应力缓和问题 金属及陶瓷构成的材料的特性 3磁性材料 稀土永磁合金铁氧体 SmCo5 Nd Fe B电子表 微型电机 助听器 磁盘驱动器 磁记录材料 MP3等 4金属薄膜材料 磁性薄膜 磁带磁盘记录信息高温超导薄膜光学薄膜 防反射膜 玻璃反射率4 5环境材料 环境材料是指与生态环境相容或协调的材料 即从开采 产品制造到应用 废弃或在循环利用以及废物处理等整个生命周期中对生态环境没有危害 能够与生态环境和谐共存 能够自我降解 对环境有一定的净化和修复功能 高性能金属材料 超级钢 强度韧性同时提高一倍 长寿命金属材料 发电设备 化工设备 高温下的发动机 6纳米金属材料 1nm 10 9m1纳米大约3 4个原子的宽度 一根头发丝直径有7 8万纳米 7超导材料 1 零电阻效应 当T Tc 电阻R 02 迈斯纳效应 磁感应强度B 0现已知 铑临界温度 0 0002KNb3Ge临界温度最高 23 3K 8 非晶态金属 玻璃态金属 9 信息材料 高密度存储材料 10智能金属材料 形状记忆合金 二 材料的应用 让我们回顾几项有影响的事例 以便加深理解材料的发展在人类社会发展中起了举足轻重的作用 计算机与材料1 个人电脑移动存储器的比较2 计算机经历 电子管 晶体管 集成电路时代 飞机和材料从莱特兄弟实现飞行的梦想以来 航空和航天器发生了巨变 为了飞得快和远 就要采用强度高和比重小的材料 重视材料的比强度 即强度 比重之比 因此 航空和航天器中铝 镁合金用量大 随着航空技术的进一步发展 轻质和高比强度的钛合金 碳纤维高分子复合材料 硼纤维金属复合材料等得到愈来愈多的采用 待升空的航天飞机 材料和生活用品钛结构自行车 自行车发烧友 选择钛合金制自行车 钛合金的应用场合很特殊 通常用于需要抗腐蚀 耐疲劳 高弹性的场合 生命科学材料原来使用专用的汞合金 为防止金属合金的分解已经开发出一种可以满足口腔中特殊的物理及化学环境的新型陶瓷 具体来讲 它需要满足下列要求 耐口腔中的酸 低热导率 这对你吃冷饮有好处 尽得住数年的咀嚼力 耐骤冷骤热 当然还要口感舒适 复合科学材料碳 硼纤维及环氧化合物复合材料非常轻 可以在某特定方向上增加强度 用于特殊目的 超级钢近来 钢铁工业已经开发出一种汽车用钢 比原先的轻24 而强度高34 称为超级钢 其优点是 高撞击能量吸收率 高强度 质量比 实用新型制造工艺 可以有多种不同性能 寿命 防锈等 四 学习料料科学基础的意义 一 材料科学的内涵材料科学是一个跨物理 化学等的学科 材料科学的核心问题是材料的组织结构和性能以及它们之间的关系 化学成分 成分 组成材料各元素在材料中的浓度 组织 用肉眼或借助于不同放大倍数的显微镜所观察到的金属内部的情景 结构 材料中各原子的具体组合状态 一般通过X 射线衍射或透射电镜研究 Al的高分辨透射电镜象 举例1金刚石 钻石 和石墨 都是由碳原子组成 但前者是自然界中最坚硬的固体 而后者却很软 因晶体结构不同 见下图 举例2同样长的一段铁丝和钢丝 经弯曲后发现铁丝易弯曲 而钢丝不易弯曲 即塑性不同 因两者成分不同 举例3两根锯条 同时加热 800 然后一根水冷 一根空冷 用手折时 发现前者很脆 后者很韧 因组织不同 见下图 材料结构关系 结构的三个层次 原子结构 晶体结构 显微组织 二 材料科学与材料工程的关系材料科学的形成 材料 早存在 材料科学 提出于20世纪60年代 1957年苏联卫星上天 美国震动很大 在大学相继建立十余个材料科学研究中心 自此开始 材料科学 一词广泛应用 一般来讲 科学是研究 为什么 的学问 而工程是解决 怎么做 的学问 材料科学的基础理论 为材料工程指明方向 为更好地选择 使用材料 发挥现有材料的潜力 发展新材料提供理论基础 材料工程 是工程的一个领域 其目的在于经济地 而又为社会所能接受地控制材料的结构 性能和形状 它包括下面的五个环节 材料科学 是一门科学 它从事与材料本质的发现 分析和了解方面的研究 其目的在于提供材料结构的统一描绘或模型 以及解释这种结构与性能之间的关系 它包括下面的三个环节 核心是结构和性能 材料科学和材料工程之间的区别主要在于着眼点的不同或者说各自强调的中心不同 它们之间并没有一条明确的界线 因此 后来人们常常将二者放在一起 采用一个复合名词 材料科学与工程 材料科学与工程 是关于材料成分 组织结构 工艺与它们性能和用途之间的有关知识的开发和应用的科学 重点研究材料的性能 改性 材料成型与控制工程 人类的生产过程即将原材料加工成成品 材料成型 一 成形 以获得几何形状为目的 二 改性 以获得性能要求为目的 成分 组织结构 工艺 性能及应用 例如齿轮的生产工艺过程 下料 热处理 粗加工 热处理 精加工 热处理 成品 三 材料的性能及影响因素 材料的性能指的是材料受到外界作用时的行为 材料的组织结构决定了材料的性能 如在受力时体现强度 受电压作用时体现导电能力大小 使用性能 材料在使用过程中所表现的性能 力学性能 物理性能和化学性能工艺性能 材料在加工过程中所表现的性能 铸造 锻压 焊接 热处理和切削性能等 五 材料科学的研究方法 材料科学研究方法分为理论研究方法和实验研究 实验研究的手段包括材料性能测试和微观性能测试 材料性能测试设备包括材料的力学性能 光学性能等各种测试手段 材料的微观测试手段包括扫描电子显微镜 透射电子显微镜 X 射线衍射仪 电子探针等 透射电子显微镜 电子探针 扫描电镜 材料拉伸疲劳试验仪及其控制柜 X 射线仪 六 本课程的特点及学习方法 该课程属于工程技术科学 研究组织结构及其与性能的关系 讨论在加工处理过程中组织结构的形成 转化规律 因而与材料工程 如何控制材料的结构 性能和形状 之间没有明显的界限 而且没有形成严密完整的理论体系 带有很强的实践性 在学习时必须理论联系实际 既要掌握基础知识和一般性理论 也要考虑他们的应用 要培养实验验证理论 总结实验规律 甚至发展理论的能力 概念术语多 死记硬背多 相关学科多 物理学 化学 热力学 金属学等 一 本课程的特点 二 学习方法 要明确组织结构的概念 理解它们的