材料学概论课件第1章绪论

1、材料学概论材料学概论INTRODUCTION TO MATERIALS SCIENCE安徽工业大学材料科学与工程学院安徽工业大学材料科学与工程学院 陈艳陈艳1. 材料导论，励杭泉主编，中国轻工业出版社，材料导论，励杭泉主编，中国轻工业出版社，2000年年6月出版月出版2材料概论，周达飞主编，化学工业出版社，材料概论，周达飞主编，化学工业出版社，2001年年7月月出版出版3材料科学导论，冯端、师昌绪、刘治国主编，化学工材料科学导论，冯端、师昌绪、刘治国主编，化学工业出版社，业出版社，2002年年5月出版月出版4新型材料学导论，赵连泽主编，南京大学出版社，新型材料学导论，赵连泽主编，南京大学出版社

2、，2000年年8月出版月出版主要参考书主要参考书目录目录第四章第四章 无机非金属无机非金属材料材料 (Inorganic Nonmetal Materials)第三章第三章 金属金属材料材料 (Metal Materials )第二章第二章 材料学基础材料学基础 (Fundament of Materials Science)第一章第一章 绪论绪论 (Introduction)第五章第五章 有机高分子有机高分子材料材料(Organic Macromolecule Materials)第七章第七章 新新材料材料 (New Materials )第六章第六章 复合复合材料材料 (Composite

3、 Materials )第一章第一章 绪绪 论论Chapter 1 IntroductionChapter 1 什么是材料什么是材料 What is Materials 在人类历史和现代科学技术发展过程中重要的材料在人类历史和现代科学技术发展过程中重要的材料 材料科学的定义材料科学的定义 What is Materials Science 材料工程的定义材料工程的定义 What is Materials Engineering 材料的分类材料的分类 Classification of Materials 此课程的学习目标和方法此课程的学习目标和方法 Objective and Methods

4、of Learning this Course 什么是材料？具体地说，材料是用什么是材料？具体地说，材料是用来制造各种产品的固体物质，这些物质来制造各种产品的固体物质，这些物质用来生产和构成功能更多、更强大的产用来生产和构成功能更多、更强大的产品。金属、陶瓷、玻璃、半导体、超导品。金属、陶瓷、玻璃、半导体、超导体、塑料、橡胶、纤维、砂子、石块，体、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。还有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？ 1-1 1-1 材料的定义材料的定义其它定义其它定义 Webster编者编者“New

5、 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

6、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

7、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一一.人类生活中的材料人类生活中的材料 我们的周围到处都是材料 我们的衣食住行的必备条件 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密切的联系。材料重要性材料重要性 陶瓷艺术品结束动画图片结束动画图片陶瓷艺术结束动画图片结束动画图片玻璃瓶玻璃瓶结束动画图片结束动画图片水果篮水果篮结束动画图片结束动画图片门门窗窗玻玻璃璃搪瓷茶壶搪瓷茶壶结束动画图片结束动画图片天然花岗岩天然花岗岩结束动画图片结束动画图片景泰蓝工艺景泰蓝工艺 蓝地虎头鱼缸蓝地虎头鱼缸结束动画图

8、片结束动画图片中国古代陶器中国古代陶器秦秦始始皇皇兵兵马马俑俑结束动画图片结束动画图片琉琉 璃璃 瓦瓦结束动画图片结束动画图片结束动画图片结束动画图片二、二、一些典型的高聚物材料一些典型的高聚物材料塑塑料料布布结束动画图片结束动画图片塑塑料料薄薄膜膜结束动画图片结束动画图片塑料模仁塑料模仁结束动画图片结束动画图片特种工程塑料特种工程塑料结束动画图片结束动画图片特种高聚物材料特种高聚物材料结束动画图片结束动画图片合成纤维合成纤维结束动画图片结束动画图片一些典型的高聚物材料一些典型的高聚物材料聚丙稀短纤维聚丙稀短纤维结束动画图片结束动画图片合成橡胶轮胎合成橡胶轮胎结束动画图片结束动画图片衣衣服服

9、纤纤维维结束动画图片结束动画图片塑料的应用塑料的应用塑塑 钢钢 窗窗三、聚合物的应用结束动画图片结束动画图片塑塑料料的的应应用用结束动画图片结束动画图片塑料的应用塑料的应用结束动画图片结束动画图片塑料的应用塑料的应用结束动画图片结束动画图片不锈钢餐具不锈钢餐具结束动画图片结束动画图片Golf stick结束动画图片结束动画图片破破粉粉碎碎设设备备结束动画图片结束动画图片地铁列车地铁列车结束动画图片结束动画图片吸吸音音吊吊顶顶结束动画图片结束动画图片电力陶瓷电力陶瓷结束动画图片结束动画图片砂轮砂轮结束动画图片结束动画图片钢 塔结束动画图片结束动画图片结束动画图片结束动画图片汽车与高速公路结束动画

10、图片结束动画图片结束动画图片结束动画图片结束动画图片结束动画图片结束动画图片结束动画图片飞机飞机结束动画图片结束动画图片结束动画图片结束动画图片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1-2-1 材料的重要作用材料的重要作用 Importance of Materials for the Development 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。

11、的物质基础是材料。 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1. 石器时代石器时代2. 铜器时代铜器时代3. 铁器时代铁器时代4. 石石器器 陶陶 器器铜 器 编编 钟钟越王勾践剑吴王夫差剑铁铁 器器位于莫斯科用钛合金建造的高40米的加加林纪念碑镁合金外壳的便携式电脑100倍50倍20倍 2倍钛基、铜基、铁基材料的使用和发展，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

12、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、液晶、分子小型芯片、液晶、分子器件、计算机（器件、计算机（PC

13、PC）手提电脑，掌上电脑手提电脑，掌上电脑材料品种：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、重量使用的复合材料，高比强、代替金属、重量轻轻耐摩擦、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

14、种材料相互替换、复合、共性、特性，各种材料相互替换、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材料工程的定义：材料工程的定义： 研究材料在制备、处理加工过程中的工艺和各种工程问题。材料科学的定义：材料科学的定义： 核心内容之一是研究材料的组织、结构与性质之间的关系。材料科学与工程的定义：材料科学与工程的定义： 研究对象是材料组成（成分、组织与结构）、性能、生产流程和使用性能以及它们之间的关系。(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、无机非金属和材料科学：从理论上研

15、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）。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

16、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作用分类作用分类Function功能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(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、贝氏体珠光体、贝氏体、马氏体和奥氏体马氏体和奥

17、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 常用的稀有金属材料有：常用的稀有金属材料有

18、：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. 空气中移氧化，如钢、铁等生成氧化膜，空气中移氧化，如钢、铁等生成氧化膜， 合金可改性抗

19、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Inorganic nonmetalsInorganic nonmetals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

20、） 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：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）复合材料复合材料CompositesComposites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

21、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 纤维增强纤维增强基体基体 Matrix 增强体增强体 Reinforcement按复合方式分类按复合方式分类金属金属 金属、无机非金属金属、无机非金属无机非金属无机非金属 金属、无机非金属金属、无机非金属高分子高分子(塑料、橡胶塑料、橡胶) 金属、无机非金属、金属、无机非金属、高分子高分子(纤维纤维)(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

22、性能具有良好的减摩、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 human body for re