材料科学基础课件1

1、河北工程大学机电学院材料成型教研室1绪绪 论论 一一. .材料科学基础材料科学基础的基本概念的基本概念 二二. .材料科学的发展史材料科学的发展史 三三. .材料的分类及其应用材料的分类及其应用 四四. .学习学习材料科学基础材料科学基础的意义的意义 五五. .材料科学的研究方法材料科学的研究方法 六六. .本课程的特点及学习方法本课程的特点及学习方法u材料材料是指人类用来制造有用物品的物质。是指人类用来制造有用物品的物质。 u材料科学材料科学是研究材料的是研究材料的成分成分、组织结构组织结构、制备工艺制备工艺、加工工艺加工工艺、材料的、材料的性能性能与材料与材料应用应用之间的相互关系之间的相

2、互关系的科学。的科学。u材料科学基础材料科学基础是进行材料科学研究的基础理论是进行材料科学研究的基础理论，它，它将各种材料（包括金属、陶瓷、高分子材料）的微将各种材料（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，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。了材料科学和材料工程的基础理论。 材料往往作为划分人类社会发展历史阶段的标志。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，从古代到现在人类使用材

3、料的历史共经历了七个时代，开始时间：开始时间：w 石器时代（公元前石器时代（公元前1010万年）万年）w 青铜器时代（公元前青铜器时代（公元前30003000年）年）w 铁器时代（公元前铁器时代（公元前10001000年年w 水泥时代（公元水泥时代（公元0 0年）年）w 钢时代（钢时代（18001800年）年）w 硅时代（硅时代（19501950年）年）w 新材料时代（新材料时代（19901990年）年） 象形尊象形尊( (西周西周) )铁器铁器 龙芯龙芯波音客机波音客机 通常根据材料的结构和用途来分类。通常根据材料的结构和用途来分类。是以强度，刚度，韧性，耐劳性，硬度，疲劳强是以强度，刚度，

4、韧性，耐劳性，硬度，疲劳强度等力学性能为特征的材料。度等力学性能为特征的材料。是以声，光，电，磁，热等物理性能为特征的材是以声，光，电，磁，热等物理性能为特征的材料。料。 结构材料实际上是一种按结构材料实际上是一种按结结合键合键种类来分类的方法。由此种类来分类的方法。由此可将材料分为可将材料分为金属、陶瓷、高金属、陶瓷、高分子分子和由金属、陶瓷和高分子和由金属、陶瓷和高分子分别组合成的各种分别组合成的各种复合材料复合材料。1. 金属材料金属材料 特点特点w 以金属键结合为主以金属键结合为主 w 良好的导电性、导良好的导电性、导 热热性、延展性和金属光性、延展性和金属光泽泽 ，熔点较高。，熔点较

5、高。w 用量最大、应用最广用量最大、应用最广泛泛黑色金属黑色金属铁及铁合金（钢铁材料铁及铁合金（钢铁材料）有色金属有色金属轻金属轻金属, ,重金属重金属, ,贵金属贵金属, ,半金属，半金属， 稀有金属稀有金属 及其合金及其合金黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达12亿吨，在亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的机械产品中的用量已占整个用材的60%以上。以上。 鸟巢鸟巢4.2万吨万吨Q460钢材钢材金属材料制品金属材料制品2. 无机非金属材料无机非金属材料特点：（以陶瓷为例）特点：（以陶瓷为例）w 以共价键和离子键为以共价键和离子键为主主w 熔点高、硬度

6、高、耐熔点高、硬度高、耐高温抗氧化、耐腐蚀、高温抗氧化、耐腐蚀、耐磨、脆性大耐磨、脆性大 w 成型方式为粉末制坯、成型方式为粉末制坯、烧制成型烧制成型混凝土、水泥、耐火材混凝土、水泥、耐火材料、陶瓷等料、陶瓷等传统陶瓷传统陶瓷，是以天然材料，是以天然材料( (如黏土、石英、长石等如黏土、石英、长石等) )为原料的为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。陶瓷，主要用作建筑材料使用。陶瓷制品陶瓷制品陶瓷发动机陶瓷发动机特种陶瓷特种陶瓷，人工化合物（氧化物、氮化物、碳化物、硼化，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。物），常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。3

7、. 高分子材料高分子材料 塑料、橡胶、合成纤维、粘合剂、涂料等塑料、橡胶、合成纤维、粘合剂、涂料等w 以分子键和共价键为主以分子键和共价键为主w 分子量大，无明显熔点，塑性、耐蚀性、电绝缘性、减振性分子量大，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。工业和化学、交通运输、航空航天等工业中被广泛应用。 l结构材料结构材料：电视机壳体、冰箱壳体、轴承、机械零件等：电视机壳体、冰箱壳体、轴承、机械零件等l绝缘材料绝缘材料：漆包

8、线、电缆、绝缘版、电器零件等：漆包线、电缆、绝缘版、电器零件等l建筑材料建筑材料：贴面板、地贴等：贴面板、地贴等l包装材料包装材料：塑料袋、薄膜、泡沫塑料等：塑料袋、薄膜、泡沫塑料等l涂装涂装：涂料等：涂料等l粘合剂粘合剂：粘合剂等：粘合剂等l日用日用：织物（衣服）胶鞋等：织物（衣服）胶鞋等l运输运输：轮胎，传送带等：轮胎，传送带等ETFEETFE（聚氟乙烯）耐腐蚀（聚氟乙烯）耐腐蚀性、保温性俱佳，自清洁性、保温性俱佳，自清洁能力强能力强 4. 复合材料复合材料 按基体材料可分为按基体材料可分为w 金属基复合材料金属基复合材料w 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料w 高分子复合材料高分子复合材料 l

9、是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以微观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。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玻璃纤维增强高分子复合材料 特点特点w 抗疲劳性能良好抗疲劳性能良好w 结构件减震性好结构件减震性好w 比强度和比刚度高比强度和比刚度高w 耐烧和耐高温性能好耐烧和耐高温性能好w 具有良好的减摩、耐具有良好的减摩、耐摩和耐润滑性能摩和耐润滑性能 航空发动机航空发动机无机无机高分子材料：高分子材料：玻璃纤维增强塑料玻璃纤维增强塑料( (玻璃玻璃钢钢) )可用于汽车可用于汽车, ,游艇等；游艇等；碳纤维增强

10、塑料碳纤维增强塑料可用于可用于飞机机翼、高尔夫球棍、撑杆跳杆等；飞机机翼、高尔夫球棍、撑杆跳杆等； 金属金属陶瓷复合材料：陶瓷复合材料：可用于飞机螺旋桨叶等；可用于飞机螺旋桨叶等；高分子高分子高分子复合材料：高分子复合材料：橡胶增韧塑料橡胶增韧塑料可用可用于抗冲击于抗冲击PS ABSPS ABS树脂等减震材料。树脂等减震材料。硼连续纤维增强的硼连续纤维增强的铝基复合材料铝基复合材料制成管材做航制成管材做航天飞机结构桁架。天飞机结构桁架。是以声，光，电，磁，热等物是以声，光，电，磁，热等物理、化学、生物性能的材料。功能材料是能源、计算理、化学、生物性能的材料。功能材料是能源、计算机、通讯、电子、

11、激光等现代科学的基础。机、通讯、电子、激光等现代科学的基础。1 贮氢材料 原理：原理：w第一步：先吸收少量的氢形成含氢的固溶体，结第一步：先吸收少量的氢形成含氢的固溶体，结构保持不变。构保持不变。w第二步：固溶体进一步与氢反应，发生相变生成第二步：固溶体进一步与氢反应，发生相变生成氢化物相。氢化物相。w第三步：再提高氢压，金属中的含氢量略有增加。第三步：再提高氢压，金属中的含氢量略有增加。w金属与氢的反映是一个可逆过程。正的方向吸氢、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。

12、实现材料件，可使反应按正向、逆向反复进行。实现材料的稀释氢功能。的稀释氢功能。2 梯度功能材料 例：例：热防护梯度功能材料热防护梯度功能材料w 金属表面陶瓷涂层材料或金属与陶瓷复合材料，高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，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。致出现剥落或龟裂现象而使材料失效。w 若将金属和陶瓷组合起来，使其组分和结构呈连续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

13、效的解决热应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。力缓和问题。金属及陶瓷构成的材料的特性金属及陶瓷构成的材料的特性3 磁性材料w 稀土永磁合金w 铁氧体、SmCo5、Nd-Fe-Bw 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w 磁性薄膜、磁带磁盘记录信息磁性薄膜、磁带磁盘记录信息w 高温超导薄膜高温超导薄膜w 光学薄膜，防反射膜（玻璃反射率光学薄膜，防反射膜（玻璃反射率4%）5 环境材料w 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

14、，能够自我降解、对环境有一定的净化和修复功能。w 高性能金属材料、超级钢（强度韧性同时提高一倍）w 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w 1nm=109mw 1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w 1、零电阻效应：当TTc，电阻R=0w 2、迈斯纳效应：磁感应强度B=0 现已知：铑 临界温度=0.0002K Nb3Ge 临界温度最高=23.3K8、非晶态金属w 玻璃态金属9、信息材料w 高密度存储材料10 智能金属材料形状记忆合金形状记忆合金（二）材料的应用（二）材料的应用w 让我们回顾几项有影响的事例，以便加深理解材让我们回

15、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。料的发展在人类社会发展中起了举足轻重的作用。w 计算机与材料计算机与材料 1 1、个人电脑移动存储器的比较、个人电脑移动存储器的比较 2 2、计算机经历：电子管、计算机经历：电子管晶体管晶体管集成电路时代集成电路时代 种类种类使用的材料使用的材料存储容量存储容量特点特点软盘软盘氧化铁氧化铁1.44 Mb1.44 Mb容量小，文本文件存储容量小，文本文件存储CDCDRWRW以以ZnSZnS等为主等为主的陶瓷材料的陶瓷材料650 Mb650 MbCDCD光盘，价低，用量大光盘，价低，用量大DVDDVDRWRWZnSZnS

16、等为主的等为主的陶瓷材料陶瓷材料单面单层为单面单层为4.7 Gb4.7 GbCDCDRWRW和和CDCD光盘，用量大光盘，用量大实例压气机叶片压气机机匣飞机尾翼硼纤维铝合金板和管材料铝合金钛合金碳纤维复合材料硼纤维增强铝合金强度范围 MPa150450350110010001200 （顺纤维方向） 1500（顺纤维方向） 比强度MPa5516080245625750570w飞机和材料飞机和材料 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。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，重视材料的比为了飞得快和远，就要采用强度高和比重

17、小的材料，重视材料的比强度，即强度强度，即强度/ /比重之比。因此，航空和航天器中铝、镁合金用量比重之比。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。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。待升空的航天飞机待升空的航天飞机 钛结构自行车钛结构自行车：“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 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

18、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。 碳、硼纤维及环氧化合物复合材料非常轻，可碳、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）以在某特定方向上增加强度（用于特殊目的）。 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。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四、学习料料科学基础的意义（一）材料科学的内涵（一）材料科学的内涵

19、材料科学是一个跨物理、化学等的学科。材料科学是一个跨物理、化学等的学科。材料科学材料科学的核心问题是的核心问题是材料的组织结构和性能材料的组织结构和性能以及它们之间的关以及它们之间的关系。系。 化学成分化学成分( (成分成分) )：组成材料各元素在材料中的浓度。组成材料各元素在材料中的浓度。 组织：组织：用肉眼或借助于不同放大倍数的显微镜所观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。察到的金属内部的情景。 结构：结构：材料中各原子的具体组合状态。一般通过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。射线衍射或透射电镜研究。AlAl的高分辨透射电镜象的高分辨透

20、射电镜象举例举例1 1金刚石（钻石）和石墨，都是由碳原子组成，但前金刚石（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）不同，见下图） 举例举例2 2同样长的一段铁丝和钢丝，经弯曲后发现铁丝易弯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）。曲，而钢丝不易弯曲，即塑性不同（因两者成分不同）。举例举例3 3两根锯条，同时加热（两根锯条，同时加热（800800），然后一根水冷，），然后一根水冷，一根空冷，用手折时，发现前者很脆，后者很韧（因组织一根空

21、冷，用手折时，发现前者很脆，后者很韧（因组织不同，见下图）不同，见下图） 材料结构关系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（二）材料科学与材料工程的关系w材料科学的形成材料科学的形成：“材料材料”早存在，早存在，“材料科学材料科学”提出于提出于2020世纪世纪6060年代，年代，19571957年苏联卫星上天，美年苏联卫星上天，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，究中心，自此开始，“材料科学材料科学”一词广泛应用。一词广泛应用。w一般来讲，一般来讲，科学是研究科学是研究“为什

22、么为什么”的学问，而工的学问，而工程是解决程是解决“怎么做怎么做”的学问。的学问。材料科学的基础理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、发展新材料提供理材料，发挥现有材料的潜力、发展新材料提供理论基础。论基础。 材料工程材料工程：是工程的一个领域，其目的在于经济地，：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。状。它包括下面的五个环节。 材料科学材料科学：是一门科学，它从事与材料本质的发现、：是一门科学

23、，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，核心是结构和性的关系。它包括下面的三个环节，核心是结构和性能。能。w材料科学和材料工程之间的区别主要在于着眼点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，采用一个复合名词者放在一起，采用一个

24、复合名词材料科学与工材料科学与工程程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、：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。和应用的科学。重点研究材料的性能重点研究材料的性能改性改性 材料成型与控制工程材料成型与控制工程：人类的：人类的生产过程生产过程即将原材即将原材料加工成成品料加工成成品材料成型。材料成型。 一、成形一、成形以获得几何形状为目的。以获得几何形状为目的。 二、改性二、改性以获得性能要求为目的。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例如齿轮的生产工艺过程下料

25、下料热处理热处理粗加工粗加工热处理热处理精加工精加工热处理热处理成品成品（三）材料的性能及影响因素（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。现强度、受电压作用时体现导电能力大小。u使用性能：使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。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力学性能、物理性能和化学性能u工艺性能工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。：材料在加工过程中所表现的性能。 铸

26、造、锻压、焊接、热处理和切铸造、锻压、焊接、热处理和切 削性能等削性能等五、材料科学的研究方法五、材料科学的研究方法 材料科学研究方法分为材料科学研究方法分为理论研究理论研究方法和方法和实验研究实验研究。 实验研究的手段包括实验研究的手段包括材料性能测试材料性能测试和和微观性能测微观性能测试试。材料性能测试设备材料性能测试设备包括材料的力学性能、光学包括材料的力学性能、光学性能等各种测试手段。性能等各种测试手段。 材料的微观测试手段材料的微观测试手段包括扫描电子显微镜、透射包括扫描电子显微镜、透射电子显微镜、电子显微镜、X-X-射线衍射仪，电子探针等。射线衍射仪，电子探针等。X-射线仪w该课程属于工程技术科学，研究组织结构及其与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性能的关系，讨论在加工处理过程中组