材料科学与工程基础第一章绪论

1、材料科学与工程基础材料科学与工程基础FUNDAMENTALS OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING李爱菊李爱菊 博士博士 副教授副教授北京北京 清华大学、北京航空航天大学清华大学、北京航空航天大学 、北京理工大学、北京理工大学、 北京科北京科技大学技大学 、中国地质大学、中国石油大学（北京）、中国地质大学、中国石油大学（北京）、 华北华北电力大学电力大学(北京北京) 、北京工业大学、北京化工大学、北京工业大学、北京化工大学、 北京北京联合大学联合大学 全国拥有全国拥有“材料科学与工程材料科学与工程”专业的大学专业的大学上海上海 同济大学、同济大学、 上海大学

2、上海大学 、上海工程技术大学、上海工程技术大学 广东广东 华南理工大学、暨南大学、广东工业大学、深圳大学华南理工大学、暨南大学、广东工业大学、深圳大学 目录目录第四章第四章 材料的性能材料的性能 (Material Properties)第三章第三章 材料组成和结构材料组成和结构 (Compositions and Structures of Materials )第二章第二章 物质结构基础物质结构基础 (Structure of Matter)第一章第一章 绪论绪论 (Introduction)第五章第五章 材料的制备和成型加工材料的制备和成型加工 (Preparation and Manu

3、facturing of Materials)课程安排：课程安排：必修课，必修课，6464学时。学时。 考核成绩：考核成绩：平时成绩平时成绩+期中考试期中考试+期期末末考试。考试。 第一章第一章 绪绪 论论Chapter 1 Introduction What is Materials Classification of Materials What is Materials Science What is Materials Engineering Importance of Materials on Progress of human History and Modern Science

4、and Technology Objective and Methods of Learning this Course1-1 材料的定义和分类材料的定义和分类1-2 材料科学与工程概述材料科学与工程概述1-3 本课程的内容和学习方法本课程的内容和学习方法第一章内容第一章内容 我们的周围到处都是材料我们的周围到处都是材料 我们的衣食住行的必备条件我们的衣食住行的必备条件 人类一切生活和生产活动的物质基础人类一切生活和生产活动的物质基础 先于人类存在，并且与人类的出现和进化有着先于人类存在，并且与人类的出现和进化有着密切的联系。密切的联系。 1-1 1-1 材料的定义和分类材料的定义和分类1-1

5、-1 定义定义1. 材料材料 Materials(Definition and Classification) 陶瓷艺术品陶瓷艺术结束动画图片结束动画图片玻璃瓶玻璃瓶门门窗窗玻玻璃璃搪瓷茶壶搪瓷茶壶天然花岗岩天然花岗岩景泰蓝工艺景泰蓝工艺 蓝地虎头鱼缸蓝地虎头鱼缸填补龋齿的新材填补龋齿的新材料料新型陶瓷新型陶瓷中国古代陶器中国古代陶器秦秦始始皇皇兵兵马马俑俑琉琉 璃璃 瓦瓦钛结构自行车：钛合金的应用场合非常特钛结构自行车：钛合金的应用场合非常特殊，一般用于需要抗腐蚀、耐疲劳、高弹殊，一般用于需要抗腐蚀、耐疲劳、高弹性的场合。性的场合。新型轮胎新型轮胎塑塑料料布布塑塑料料薄薄膜膜塑料模仁塑料模仁

6、特种工程塑料特种工程塑料特种高聚物材料特种高聚物材料合成纤维合成纤维合成橡胶轮胎合成橡胶轮胎塑料的应用塑料的应用塑塑 钢钢 窗窗塑料的应用塑料的应用不锈钢餐具不锈钢餐具Golf stick破破粉粉碎碎设设备备地铁列车地铁列车吸吸音音吊吊顶顶电力陶瓷电力陶瓷钢 塔汽车与高速公路飞机飞机原始形状原始形状拉直拉直加热后恢复加热后恢复形状记忆合金形状记忆合金原始形状原始形状折成球形装折成球形装入登月舱入登月舱太阳能加热后太阳能加热后循环体系循环体系人类使用材料是一巨大的、全球性的、时空无限的人类使用材料是一巨大的、全球性的、时空无限的去动画图片开始去动画图片开始 什么是材料？具体地说，材料是用什么是材

7、料？具体地说，材料是用来制造各种产品的物质，这些物质用来来制造各种产品的物质，这些物质用来生产和构成功能更多、更强大的产品。生产和构成功能更多、更强大的产品。金属、陶瓷、玻璃、半导体、超导体、金属、陶瓷、玻璃、半导体、超导体、塑料、橡胶、纤维、砂子、石块，还有塑料、橡胶、纤维、砂子、石块，还有许多复合材料都属于材料的范畴。许多复合材料都属于材料的范畴。矿物燃料、空气和水，是否是材料？矿物燃料、空气和水，是否是材料？材料的定义材料的定义Material：材料科学：材料科学 （工科）（工科） 物质科学物质科学 （理科）（理科） 材料是指具有满足指定工作条件下使材料是指具有满足指定工作条件下使用要求

8、的形态和物理性状的物质。用要求的形态和物理性状的物质。其它定义其它定义 Webster编者编者“New International Dictionary（1971年）年）”中关于材料（中关于材料（Materials）的定义为：材料是指用来制造某些）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）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）的基本物质（如金属、木料、塑料、纤维等） 迈尔迈尔新百科全书新百科全书中材料的含义：材料是从原材料中取中材料的含义：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

9、料，如金得的，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属、石块、木料、皮革、塑料、纸、天然纤维和化学纤维等等。等。2. 原料（原料（Raw Materials） 由原料到材料。由原料到材料。 原料一般不是为获得产品，而是生产材料，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。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。到产品的转变过程不发生化学变化。原料与材料原料与材料3.材料与物质材料与物质(Materials and Matter) 材

10、料材料可由一种或可由一种或多种物质多种物质组成。组成。 同一物质同一物质由于制备方法或加工方法不同由于制备方法或加工方法不同可以得到用途各异、类型可以得到用途各异、类型不同的材料不同的材料。材料与物质材料与物质类别类别1-1-2类别类别 classifications 材料可以根据化学组成、状态、作用和使用材料可以根据化学组成、状态、作用和使用领域分类。领域分类。化学组成分类化学组成分类components状态分类状态分类state金属材料金属材料无机非金属材料无机非金属材料有机高分子材料有机高分子材料气态气态固态固态液态液态单晶单晶多晶多晶复晶复晶非晶非晶作用分类作用分类Function功能

11、材料功能材料结构结构(工程工程)材料材料应用领域分类应用领域分类Application建筑建筑电子电子医用医用仪表仪表包装包装耐火耐火能源等等能源等等金属材料金属材料u金属材料分为黑色金属材料和有色金属材金属材料分为黑色金属材料和有色金属材料两类。料两类。u黑色金属材料包括钢、铸铁和铁合金。黑色金属材料包括钢、铸铁和铁合金。u有色金属是指除铁以外的其它金属及其合有色金属是指除铁以外的其它金属及其合金。金。(1) 黑色金属材料黑色金属材料钢钢Steel化学成分化学成分碳素钢、合金钢碳素钢、合金钢品质品质普通、优质、高级优质钢普通、优质、高级优质钢金相组织或组织结构金相组织或组织结构珠光体、贝氏体

12、珠光体、贝氏体、马氏体和奥氏体马氏体和奥氏体用途用途建筑工程、结构、工具、特殊性建筑工程、结构、工具、特殊性能、专业用钢能、专业用钢冶炼方法冶炼方法平炉、转炉、电炉、沸腾炉钢平炉、转炉、电炉、沸腾炉钢铸铁铸铁灰铸铁灰铸铁可锻铸铁可锻铸铁球墨铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁蠕墨铸铁特殊性能铸铁特殊性能铸铁(2) (2) 有色金属有色金属五大类五大类 轻金属轻金属 （4.5g/cm24.58/cm2) (4.58/cm2) 铜、镍、铅、锌铜、镍、铅、锌 贵金属贵金属 金、银、铂、铑金、银、铂、铑 类金属（半）类金属（半） 硅、硒、绅、硼硅、硒、绅、硼 稀有金属稀有金属 钛、锂、钨、钼、镭钛、锂、钨、钼、镭 常

13、用的稀有金属材料有：常用的稀有金属材料有：AlAl、Cu Cu 、ZnZn、 SnSn、 PbPb、 MgMg、 NiNi(3) (3) 基本特性基本特性 Principal PropertiesPrincipal Properties a. a. 金属键，常规法生产的为晶体结构；金属键，常规法生产的为晶体结构； b.b. 常温下固体熔点较高；常温下固体熔点较高； c.c. 金属光泽；金属光泽； d.d. 纯金属范性大，展性、延性大；纯金属范性大，展性、延性大； e.e. 强度较高；强度较高； f.f. 导热、导电性好；导热、导电性好； g.g. 空气中易氧化，如钢、铁等生成氧化膜，空气中易氧

14、化，如钢、铁等生成氧化膜， 合金可改性抗氧化性。合金可改性抗氧化性。(4) (4) 用途用途 ApplicationApplication a.a. 结构材料结构材料: :如机床如机床, ,建筑机械设备、建筑机械设备、工程交通工具；工程交通工具； b.b. 导体材料，电线芯（铜）导体材料，电线芯（铜） c.c. 工具工具无机非金属材料无机非金属材料无机非金属材料主要是硅酸盐材料，包括陶无机非金属材料主要是硅酸盐材料，包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料四类。瓷、玻璃、水泥和耐火材料四类。主要原料：天然的硅酸盐矿物和人工合成的主要原料：天然的硅酸盐矿物和人工合成的氧化物及其它少数化合物。氧化物及其它少

15、数化合物。生产过程：原料处理成型煅烧。生产过程：原料处理成型煅烧。Inorganic nonmetalsInorganic nonmetals(1) (1) 分类分类（按成分，化学结构和用途分四大类）（按成分，化学结构和用途分四大类） 混凝土（水泥）混凝土（水泥） 玻璃玻璃 GlassGlass 硅及耐火材料硅及耐火材料 SiliconSilicon 陶瓷（器）陶瓷（器） CeramicsCeramics 传统陶瓷（天然硅酸盐矿）：各中粘土烧传统陶瓷（天然硅酸盐矿）：各中粘土烧制而成。制而成。 (Silicate Ceramics)(Silicate Ceramics) 特种陶瓷（人工化合物：

16、氧化物、氮化物、硼化物、碳化物）特种陶瓷（人工化合物：氧化物、氮化物、硼化物、碳化物）(2) (2) 基本特性基本特性以陶瓷为例，其它有较大差别以陶瓷为例，其它有较大差别 a.a. 离子键、共价键及其混合键；离子键、共价键及其混合键； b.b. 硬而脆；硬而脆； c.c. 熔点高、耐高温抗氧化熔点高、耐高温抗氧化 d.d. 导热、导电性差；导热、导电性差； e.e. 耐化学腐蚀性好；耐化学腐蚀性好； f.f. 耐磨；耐磨； g.g. 成型方式为粉末制坏、烧制成型成型方式为粉末制坏、烧制成型(3) (3) 用途用途建筑卫生陶瓷：瓷砖、浴缸。建筑卫生陶瓷：瓷砖、浴缸。工程陶瓷工程陶瓷 工程结构陶瓷

17、：反应釜（耐酸、耐腐蚀）工程结构陶瓷：反应釜（耐酸、耐腐蚀） 绝缘瓷瓶。绝缘瓷瓶。 功能陶瓷：磁性、导电。功能陶瓷：磁性、导电。高分子化合物是以高分子化合物是以C C、H H、O O、N N等元素等元素为基础，由许多结构相同的小单元重复为基础，由许多结构相同的小单元重复连接组成的。连接组成的。塑料、橡胶、纤维是使用量最大的三类塑料、橡胶、纤维是使用量最大的三类高分子材料。高分子材料。Polymers, MacromoleculesPolymers, Macromolecules高分子材料高分子材料(1) (1) 分类分类按主链结构按主链结构Backbone Backbone chainchai

18、n碳链碳链 C CC CC C杂链杂链 C CN NC=OC=O；C CO OC C元素元素 SiSi、P P、B B按使用性质按使用性质塑料塑料 PlasticsPlastics橡胶橡胶 Rubber Rubber 天然、合成天然、合成纤维纤维 Fiber Fiber 天然、合成天然、合成粘合剂粘合剂 AdhesiveAdhesive涂料涂料 CoatingCoating通用塑料、工程塑料通用塑料、工程塑料热塑性、热固性热塑性、热固性(2) (2) 基本性质基本性质 a. 共价键，部分范氏键 b. 分子量大，无明显熔点，有玻璃化转变温度Tg 和粘流温度Tf； c. 力学状态有三态：玻璃态、高

19、弹态、粘流态 d. 比重小 e. 绝缘性好 f. 优越的化学稳定性 g. 成型方法多(3) (3) 用途用途结构材料：电视机壳体、冰箱壳体、轴承、机械零件结构材料：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、地贴建筑材料：贴面板、地贴包装材料：塑料袋、薄膜、泡沫塑料包装材料：塑料袋、薄膜、泡沫塑料涂装：涂料涂装：涂料粘合剂：粘合剂粘合剂：粘合剂日用：织物（衣服）胶鞋日用：织物（衣服）胶鞋 运输：轮胎，传送带运输：轮胎，传送带定义：定义：由两种以上组分组成，并且具有与其组成由两种以上组分组成，并且具有与其组

20、成 不同的新的性能的材料不同的新的性能的材料(1) (1) 分类分类 按性能：按性能： 结构复合材料结构复合材料 功能复合材料功能复合材料 按增强剂形状及增强机理按增强剂形状及增强机理： 粒子增强粒子增强 纤维增强纤维增强复合材料复合材料CompositesComposites基体基体 Matrix 增强体增强体 Reinforcement(2) (2) 基本性质基本性质 a. 抗疲劳性能良好；抗疲劳性能良好； b. 结构件减震性好；结构件减震性好； c. 比强度和比量高；比强度和比量高； d. 耐烧能性和耐高温性能好耐烧能性和耐高温性能好 e. 具有良好的减摩、耐摩和耐润滑性能具有良好的减摩

21、、耐摩和耐润滑性能(3) (3) 用途用途无机无机-高分子高分子: 玻璃纤维增强塑料玻璃纤维增强塑料(玻璃钢玻璃钢)汽车汽车,游艇，游艇， 碳纤维增强塑料碳纤维增强塑料飞机机翼、高尔夫飞机机翼、高尔夫 球棍、球棍、 撑杆跳杆撑杆跳杆金属金属陶瓷陶瓷: 飞机螺旋桨叶飞机螺旋桨叶 综合金属韧性，陶瓷耐综合金属韧性，陶瓷耐 高温性高温性高分子高分子-高分子高分子: 橡胶增韧塑料橡胶增韧塑料 抗冲抗冲PS ABS树脂减震材料树脂减震材料 其它类型其它类型 Biomaterials Biomaterials are employed in components implanted into the hu

22、man body for replacement of diseased or damaged body parts. Advanced materials Materials that are utilized in high-technology (or high-tech) applications are sometimes termed advanced materials. lasers, integrated circuits, magnetic information storage, liquid crystal displays (LCDs), fiber optics,

23、and thermal protection systems for the Space Shuttle Orbiter.p 组成材料的各元素的原子结构，原子间的相互组成材料的各元素的原子结构，原子间的相互作用、相互结合，原子或分子在空间的排列分布作用、相互结合，原子或分子在空间的排列分布和运动规律以及原子集合体的形貌特征等。和运动规律以及原子集合体的形貌特征等。 决定材料性能的最根本的原因是什么？决定材料性能的最根本的原因是什么？1-2 材料科学与工程基础概述材料科学与工程基础概述1-2-1 材料的重要作用材料的重要作用 Importance of Materials for the Dev

24、elopment of Human Historyand Science &Technology 材料是人类社会发展的巨大推动力，制造生产工具材料是人类社会发展的巨大推动力，制造生产工具的物质基础是材料。的物质基础是材料。 石器时代石器时代陶器时代陶器时代 青铜时代青铜时代 铁期时铁期时代代复合材料复合材料（图）（图）自古以来，材料的发展水平就是人类社会文自古以来，材料的发展水平就是人类社会文明程度的标志明程度的标志.人类文明史划分依据人类文明史划分依据: 当时的代表性材料当时的代表性材料 石器时代石器时代 铜器时代铜器时代 铁器时代铁器时代1. 石石器器石斧石器时代（石器时代（Sto

25、ne Age）:石斧、凿、刀、铲、箭头、石斧、凿、刀、铲、箭头、纺轮、钵等（西安半坡遗纺轮、钵等（西安半坡遗址）址） 陶陶 器器青铜器时代（青铜器时代（Bronze Age）:巨型司母戊鼎巨型司母戊鼎（河南安阳晚商遗址）（河南安阳晚商遗址）湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑铜 器 编编 钟钟铁器铁器湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄材料的使用和发展，与生产力材料的使用和发展，与生产力和科学技术的水平密切相关。和科学技术的水平密切相关。举例举例 17641764年工业革命，第一部机器（手摇）年工业革命，第一部机器（手摇） 17691769年，水力纺纱机年，水力纺纱机 17821782年，年，蒸汽机蒸汽机为动力

26、的纺纱机，纺织业为动力的纺纱机，纺织业 （动力）（动力） 瓦特发动机、传动机、工作机瓦特发动机、传动机、工作机机器系列机器系列 机器制造机器制造 铁铁 冶炼业冶炼业 木炭木炭大量砍伐；水土流失大量砍伐；水土流失 煤煤 采矿业采矿业 搅炼法（鼓风）搅炼法（鼓风） 炼钢炼钢 交通运输业交通运输业下一页下一页蒸汽机上一页上一页19451945年年 电子管计算机，几间大屋电子管计算机，几间大屋 半导体半导体集成电路集成电路小型芯片、液小型芯片、液晶、分子器件、计算机（晶、分子器件、计算机（PCPC） 手提电脑，掌上电脑手提电脑，掌上电脑Intel 24MB缓存17亿晶体管！ 晶体管的主要原料是：锗、硅

27、半导体材料品种：几十万种（手册中）材料品种：几十万种（手册中）科学技术发展的三大支柱：科学技术发展的三大支柱： 80年代年代 能源、材料、信息能源、材料、信息 90年代信息技术、新材料、生物技术年代信息技术、新材料、生物技术 高速民航客机高速民航客机使用的复合材料，高比强、代替金属、重量轻使用的复合材料，高比强、代替金属、重量轻耐摩擦、热氧稳定、力学性能耐摩擦、热氧稳定、力学性能生物降解材料（环境保护）生物降解材料（环境保护）计算机、液晶显示屏（低电压）计算机、液晶显示屏（低电压）信息社会要术各种各样光、电、磁、声材料信息社会要术各种各样光、电、磁、声材料各种材料相互替换、复合、共性、特性，各

28、种材料相互替换、复合、共性、特性， 纳米材料纳米材料目前目前下一页返回返回1-2-2 材料科学与工程基础的范畴和任务材料科学与工程基础的范畴和任务（1）学科建立）学科建立 Establishment of Material Science and Engineering 1960s 金属材料金属材料金相学金相学金属学金属学 无机材料无机材料无机化学无机化学陶瓷学陶瓷学 高分子材料高分子材料高分子化学高分子化学高分子物理高分子物理(2) (2) 内容和任务内容和任务 Contents and ObjectiveContents and Objective 材料科学：从理论上研究金属、无机非金属和

29、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、有机高分子等材料的成分、结构、 加工工艺同材料加工工艺同材料性能及材料应用之间的相互关系。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、材料科学与工程：关于材料组成、结构、制备制备工艺工艺与其性能及与其性能及使用过程使用过程间相互关系的知识开发及间相互关系的知识开发及应用的科学应用的科学 学科性质：是介于基础科学与应用科学之间的学科性质：是介于基础科学与应用科学之间的应用基础科学应用基础科学（边缘学科）。（边缘学科）。使用性能使用性能Performance合成与制备过程合成与制备过程Synthesis

30、and Processing组成与结构组成与结构Compositions and Structures性质性质Properties（工程）（工程）（化学）（化学）（物理学）（物理学）研究内容研究内容科学性科学性 a. 从化学角度出发，研究材料的化学组成、键性、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动状态与各物性之间的关系 c. 材料的制备工艺材料的制备工艺技术性技术性 d. 材料的性能表征材料的性能表征 e. 材料的应用材料的应用(3) 材

31、料工程材料工程 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料，须弄清以下三个关系 （材质）（材质）材料内部结构与性能材料内部结构与性能 （内部形态）（内部形态）加工工艺与性能加工工艺与性能 （使用环境，耐久性）（使用环境，耐久性）材料的性能与使用过程材料的性能与使用过程(4) 材料科学与材料工程的关系材料科学与材料工程的关系 一般来讲，科学是研究一般来讲，科学是研究“为什么为什么”的学问，而工

32、程的学问，而工程是解决是解决“怎么做怎么做”的学问。材料科学的基础理论，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，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。发挥现有材料的潜力、发展新材料提供理论基础。 材料科学和材料工程之间的区别主要在于着眼点的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（一起，采用一个复

33、合名词材料科学与工程（MSE，Material Science and Engineering）1-3 本课程的内容和学习方法本课程的内容和学习方法1-3-1 内容内容第一章第一章 绪论绪论 Introduction 材料的定义、分类材料的定义、分类 及基本内容及基本内容第二章第二章 物质结构基础物质结构基础 Fundamentals of Material Structure 各类材料结构上的共性基础、原子分子、聚集各类材料结构上的共性基础、原子分子、聚集 态、表面、转变态、表面、转变第三章第三章 材料的组成及结构材料的组成及结构 Compositions and Structures of Materials 从材料的组成入手，阐述各种材料的聚集态结从材料的组成入手，阐述各种材料的聚集态结