材料及社会进步

1、材料与社会进步材料与社会进步上海大学材料工程学院 戚飞鹏前言材料科学是当前最受人们重视的技术领域之一。材料的应用与发展史，与人类文明的发展和社会的进步是息息相关的。了解各种材料的基本概况及它们的由来、应用、发展以及与我们人类社会关系，是极有意义的学习任务。对金属材料及其合金，钢铁材料，非金 属材料中、复合材料和功能材料（超导、 纳米、非晶、储氢等）作一一的介绍。概述人类的进化史人类的进化史鱼类无脊椎动物两栖类哺乳类 爬行类古猿人劳动创造了人本身劳动创造了人本身人类进步过程的三个阶段人类进步过程的三个阶段我国古代冶炼和使用的金我国古代冶炼和使用的金属属第一章 有色金属及其合金有色金属是相对黑色金

2、属而言的，黑色金属主要指铁、钢，所以有色金属也被称为非铁金属。 有色金属可以分为轻金属（铝、镁、钛 等）、重金属（铜、铅、锌、锡等）、贵金属（金、银、铂等）、稀土金属及稀有金属（锂、铍等）五大类。常用的有色金属有铝、铜、镁、锌、锡、钛等。第一节 铜与铜合金 一、工业纯铜的一般特性 1、铜具有优良的导电和导热性能 2、铜的摩擦系数很小 3、铜的耐腐蚀性能良好 4、铜具有很高的塑性 5、铜的熔点是1085C，密度为8.89 第一节 铜与铜合金二、铜合金的分类与牌号 铜合金按其主要组成和性能，可以分为两类，即黄铜和青铜。青铜合金牌号表示：例如合金牌号为 “ZCuSn3Zn8Pb6Ni”,合金名称为“

3、3-8-6-1锡青铜”。 其中“Z”表示铸造,为“铸”字汉语拼音第一个字母。Sn、Zn、Pb、Ni的平均含量为“3%”、“8%”、“6%”、“1%”，余下的是Cu的含量。黄铜合金牌号表示：例如合金牌号“ZCuZn25Al6Fe3Mn3”,合金名称为“25-6-3-3铝黄铜”。其中“Z”仍表示铸造。Al、Fe、Mn、Cu的平均含量为“6%”、“3%”、“3%”、“63%”，余下的是Zn的含量。 第一节 铜与铜合金三、铜器的精品 1、司母戊方鼎 商朝人面纹方鼎 西周小克鼎 2、世纪宝鼎 3、西汉“透光镜” 4、曾侯乙编钟 5、永乐大钟 6、武当山金殿 此外还有颐和园铜亭 、铜狮 、铜龟 等精品。第

4、二节 铝与铝合金 一、纯铝的一般特性 铝的密度小，2.72g/cm3 铝的熔点为660.37C 铝的塑性好 铝的导电性和导热性很好 第二节 铝与铝合金二、铝合金的分类 1、铸造铝合金GB/T11731995铸造AlSi类合金铸造AlCu类合金铸造AlMg类合金铸造AlZn类合金2、变形铝合金 不能热处理强化铝合金 可热处理强化铝合金 三、铝及铝合金的应用 第三节 镁与镁合金 一、镁的基本情况 1、镁的基本性质 镁熔点651C，密度为1.75.85g/cm3，较高的比强度，切削加工性能也较好 镁的化学活性很强 镁的耐腐蚀性能差 2、镁在地球上存在形式 3我国的情况 三大一小 （三强一弱）第三节

5、镁与镁合金二、镁合金的分类及特点 1、 镁合金的分类 镁合金的标记方法 ：我国将镁合金分为4类：变形镁合金（MB）、铸造镁合金（ZM）、压铸镁合金（YM）和航空镁合金（ZM-）。 2镁合金的性能特点1）、比强度高 2）、减震性好 3) 、切削加工性好 4）、抗蚀性差 第三节 镁与镁合金三、镁合金“绿色”合金 1、产品轻量化、强韧化 2、废物回收能量消耗低 3、产品单位体积价格低、消耗能量少 4、综合性能优于塑料 第四节 钛与钛合金一、纯钛的性能与制取 1、熔点高(1725)密度小(4.50g/cm3) 2、比强度高 3、抗蚀性好第四节 钛与钛合金二、钛合金的分类及性能 1）、分为相、相和+ 相

6、钛合金 2）、抗蚀性能好 3）、钛合金有高的高温强度性能第四节 钛与钛合金三、钛合金的应用1.航天航空:航空发动机的机匣壳体、 泵体、叶轮、阀门、静止结构件2.医学及其它第二章 功能材料一、超导材料 1）超导现象 超导材料绝不是电阻无限小的理想导体材料。 1986年以前，发现的材料要在23.2K温度下，也就是在液氦条件温度下才有超导电现象。 1986年发现了氧化物超导材料，是在液氮温度条件下的超导材料 。 第一节 超导材料 2）超导材料的基本性质（1）零电阻效应 超导体有三个临界参数：临界温度Tc、临界磁场Hc、临界电流Ic。 临界温度Tc：即电阻突然消失的温度。人们所希望的是发现临界温度高的

7、超导体。 临界磁场Hc：对处于超导态的超导材料，外加一个磁场，当该磁场强度大于Hc时，超导材料的超导性被破坏，Hc即是该超导材料的临界磁场。 临界电流Ic：处于超导态的超导体允许通入的最大电流，即为超导体的临界电流。当通入的电流大于临界电流Ic时，超导体的超导现象也会被破坏。 第一节 超导材料（2）完全抗磁性 迈斯纳效应 ：锡(Sn)单晶球被冷却到超导态时，体内的磁通线全部被排斥的现象。迈斯纳效应示意图 第一节 超导材料3）超导材料分类 （1）、低温超导体 （T c30K，又称为常规超导体） 低温超导体按其化学成分分为：元素超导体、合金超导体和化合物超导体。 元素超导体：近50种，其中金属元素

8、有28种。 合金超导体：NbZr、NbTi、NiZrTi 、NiTiTa 化合物超导体：Nb3Sn、V3Gd 第一节 超导材料（2）高温超导体 LaSrCuO（镧锶铜氧化物）超导体；YBa2Cu3O7（钇钡铜氧化物）超导体；BiSrCaCuO（铋锶钙铜氧化物）超导体；TlBaCaCuO（铊钡钙铜氧化物）超导体；HgBaCaCuO（汞钡钙铜氧化物）超导体临界温度为 8090K 第一节 超导材料4）超导材料的应用 （1）电力行业的应用 （2）磁悬浮列车（3）医学上的应用 （4）贮存能量 （5）热核反应堆 第二节 储氢材料1）金属氢化物 金属或合金贮氢释氢的原理：)(2生成热温度、压力HMHnnHM

9、第二节 储氢材料理想的、有使用价值的贮氢合金，必须具备如下的条件：（1）吸氢能力高，即能吸尽量多的氢；（2）贮氢时生成热应尽量小，便于释氢时的温度不必太高。而作为贮存热量作用时，则生成热应该越高越好；（3）贮氢和释氢的速度都要求快；（4）导热性能优良；（5）对氧气、一氧化碳和水等杂质的抵抗力要大；（6）化学稳定性好，经久耐用，不易产生破碎粉化；（7）来源广、价廉物美。（8）使用与运输时安全、可靠；第二节 储氢材料2）贮氢合金简介（1）镁系合金 （2）稀土系合金 （3）钛系合金 第二节 储氢材料3）贮氢合金的应用 (1）制取贮运氢气的容器 (2）制取高纯度氢气和回收氢 (3）氢能交通工具 (4）

10、核反应堆中的使用 (5）氢化物镍电池 第二节 储氢材料氢化物镍电池的工作原理是： 氢化物（贮氢合金）为负极，Ni（OH）2为正极，以KOH水溶液为电解质构成了Ni/MH电池。发生以下的反应： 正极：Ni（OH）2+OHNiOOH+H2O+e 负极：M+n H2O+neMHn+ nOH总的电极反应： M+ nNi（OH）2 MHn+ nNiOOH氢化物镍电池除了对环境无污染，对人体无毒害以外，还具有比能量高（为Ni/Ca电池的1.52倍）良好的耐充电、放电性能，没有记忆效应，而且还有能与Ni/Ca电池互换使用的优点。 第三节 形状记忆合金 形状记忆合金有类似高级动物的“记忆性能”，成为智能材料的

11、一种。1）形状记忆效应 单向形状记忆效应 双向形状记忆效应 全方位形状记忆效应 形状记忆合金记忆效应的形式（a）单向形状记忆效应；（b）双向形状记忆效应；（c）全方向形状记忆效应第三节 形状记忆合金2）形状记忆合金简介（1）TiNi基合金 （2）Cu基形状记忆合金 （3）Fe基形状记忆合金 第三节 形状记忆合金3）形状记忆合金的应用（1）工业上应用 ：紧固件、连接件、温控元件 形状记忆合金管接头连接管子示意图 温控元件结构简图 第三节 形状记忆合金（2）医学上应用 矫正牙齿用拱形金属丝 骨折、骨裂所要固的固定钉和接骨板 防止血栓形成的血凝过滤器 形状记忆合金制成的血凝过滤器 第三节 形状记忆合

12、金形状记忆合金还可以制作人工肾用瓣、人工心脏用的人工肌肉和血管扩张支架、脑动脉瘤夹 。它还可以用在智能机械、仿生机械、机械手、机器人等方面。 第四节 生物医用功能材料 1）生物医用材料发展简史 2）生物医用材料的要求 （1）对人体是无毒的（即必须是惰性材料）；（2）不产生人体过敏反应；（3）不致癌；（4）不产生畸变；（5）不破环所接触的人体组织；（6）与血液接触时,不破坏血液成分,不引起凝血和血小板凝聚,不改变电解质的平衡等。（7）理想的物理性能和力学性能 （8）来源广、价格低；容易加工成型（9）不发生性能退化现象 第四节 生物医用功能材料3）生物医用材料简介（1）医用金属材料 医用不锈钢在骨

13、科和牙科得到了不少的应用。 钴基合金具有高的耐磨性和耐蚀性，在医学 上广泛地用来制取人工关节、接骨板、骨钉。钛和钛合金广泛地用在制取义齿、牙床、牙桥、牙冠等。形状记忆合金在医学上的应用（略）。医用贵金属用于牙科。 第四节 生物医用功能材料（2）生物陶瓷 近于惰性生物陶瓷用在承受力的人工骨、关节修复体、牙根种植体等方面。表面生物活性陶瓷用于人工血管、气管、喉管的支架，牙齿植体等方面。 可吸收生物陶瓷用于骨缺陷的修复，耳听骨的补复和替换等。 第四节 生物医用功能材料（3）医用高分子材料 心脏瓣膜：用聚四氟乙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、硅橡胶；心脏起搏器：用聚乙烯、乙缩醛；肺：用硅橡胶、聚烷基酮、硅砜、聚

14、碳酸酯；肾脏：用醋酸纤维素、聚丙腈、聚砜、聚氨酯；胰脏：用丙烯酸脂共聚物（中空纤维）；食道：用聚硅酮、聚氟乙烯；喉头：用聚乙烯、聚四氟乙烯、聚硅酮；气管：用聚乙烯、聚四氟乙烯、聚硅酮、聚酯纤维；玻璃体：用聚乙烯醇水凝胶；角膜：用硅橡胶、聚丙烯酸酯；晶状体：用硅橡胶球；鼻子：用聚乙烯、硅橡胶；耳朵及鼓膜：用硅橡胶、丙烯酸基有机玻璃聚乙烯；手术后缝合线：用聚亚胺酯。第五节 纳米材料 纳米材料的概念最早是在1911年由德国科学家格莱特（Gleiter）提出的。1nm=10-9m，纳米材料的微粒尺寸一般在10100nm之间，材料尺寸变得如此之小，性能必定会有一系列变化。第五节 纳米材料1）纳米材料的制

15、备 气相法：气相冷凝法、溅射法、化学气相沉积法、通电加热蒸发法等；液相法：溶胶凝胶法、喷雾法、水热法、高压淬火法等；固相法：高能球磨法、非晶晶化法、燃烧合成法等 气相冷凝法示意图 第五节 纳米材料2）纳米材料的特点纳米材料属于原子簇与宏观物体交界的过渡区域，该系统既非典型的微观系统，也非典型的宏观系统，具有独特的结构特征，即一系列新的特点。三个效应：表面与界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应。 第五节 纳米材料3）纳米材料的应用（1）纳米材料的催化作用 （2）纳米材料的磁学性能特殊 （3）纳米晶软磁材料（4）纳米级的WC-Co材料 （5）纳米材料传感器 第三章第三章 复合材料复合材料 第一节 概

16、述一、复合材料定义 一般认为，有两种或两种以上物理和化学性能不同的物质组合而成的一种固体材料，称为复合材料。复合材料是一种多相材料。其中一类相（或组成）为连续相，称为基体，起粘结作用；另一类相(或组成)为增强相。自然界的许多物质都可以看成是复合材料。竹子和木材是纤维素和木质素组成的复合物。人类很早就仿效自然界，利用复合的原理，在生产和生活中，创建了许多人工复合材料，例如混凝土、轮胎 。 第三节 概述二、复合材料的分类 1、材料的作用 （1)、结构复合材料 （2）、功能复合材料 2、基体材料 （1） 高聚物基复合材料 （2）金属基复合材料 （3） 无机非金属基复合材料 3、增强材料形态 （1）

17、连续纤维复合材料 （2） 短纤维复合材料 （3） 颗粒填料复合材料 （4） 编织复合材料 第一节 概述4、增强纤维种类 （1） 玻璃纤维复合材料（2） 碳纤维复合材料（3） 有机纤维复合材料（4） 金属纤维复合材料（5） 陶瓷纤维复合材料第一节 概述三、复合材料的性质 （1）比强度和比模量高（2）耐疲劳性质好（3）减震性能好（4）断裂安全好第二节 复合材料的增强相 一、玻璃纤维 1）玻璃纤维分类 1、原材料成分 ：无碱玻璃纤维、中碱玻璃纤维、高碱玻璃纤维和特种玻璃纤维。无碱玻璃纤维：又称E玻璃纤维，其碱金属氧化物含量13%。 特种玻璃纤维：有纯镁铝硅三元组成的高强度玻璃纤维、硅铝钙镁耐腐蚀玻璃

18、纤维、含铅纤维、石英纤维等。 第二节 复合材料的增强相2、纤维粗细 粗玻璃纤维：30m；初级纤维：20m；中级纤维：1020m；高级纤维：310m；超细纤维：34m。3、纤维性质 高强度玻璃纤维、高模量玻璃纤维、耐高温玻璃纤维、耐碱玻璃纤维、耐酸玻璃纤维和普通玻璃纤维等。 第二节 复合材料的增强相2）玻璃纤维的性能 （1）玻璃纤维的密度为2.24.3g/cm3 （2）玻璃纤维具有高的抗拉强度 （3）玻璃纤维的伸长率不是很高，约为3% （4）玻璃纤维的耐磨性能、耐折性能较低（5）玻璃纤维的耐热性能较高 （6）良好的化学稳定性 第二节 复合材料的增强相3）玻璃纤维的制取 玻璃纤维是由原材料玻璃球，

19、放入铂金坩埚中，进行加热熔化成玻璃熔液，然后从坩埚底部漏板的小孔中流出，被高速拉制成的。 拉制玻璃纤维的示意图 第二节 复合材料的增强相二、碳纤维 1）碳纤维的分类 1、按碳纤维性能 ：高性能碳纤维、低性能碳纤维 2、按原丝的类型：聚丙烯腈基碳纤维、粘胶基碳纤维、沥青基碳纤维、木质素纤维基碳纤维和其它有机纤维基（如天然纤维）碳纤维。3、按碳纤维的功能：受力结构用碳纤维、耐火焰碳纤维、活性碳纤维、导电用碳纤维、润滑用碳纤维和耐磨用碳纤维。第二节 复合材料的增强相2）碳纤维的制取 一种是制取碳晶须和短碳纤维的气相法。 另一种是制取连续长碳纤维的有机纤维碳化法 。第二节 复合材料的增强相3）碳纤维性

20、能 （1）碳纤维的密度为1.52.0g/cm3 （2）强度和弹性模量更高 （3）耐高温性能好 （4）耐强酸、碱以外的一般酸、碱 第二节 复合材料的增强相三、其它纤维 （1）有机纤维（2）碳化硅纤维（3）硼纤维（4）晶须 第三节 复合材料的结构设计 影响复合材料性能的因素，首先当然是纤维和基体，它们的性能对复合材料起关键作用 （1）传递效应 （2）阻断效应 （3）不连续效应 （4）诱导效应 （5）散射和吸收效应 此外，必须还要注意以下因素： 纤维的排列方向、纤维的细度与长度、纤维和基体的体积比。 第三节 复合材料的结构设计1）纤维的长度 在拉力F的作用下，纤维被从基体中拉脱前就发生了断裂现象的条

21、件是，纤维拉断时所能承受的力小于纤维被从基体拉脱的力，f42max0lmax04fl第三节 复合材料的结构设计max04fl相反，纤维被从基体中拉脱发生在它断裂之前的条件是： max04fl处在临界状态的条件是： 第三节 复合材料的结构设计实际上，材料沿纤维排布方向受到两个方向的拉力F作用。在这样的条件下，纤维与基体的受力和变形的情况如图所示。其中：（a）为未受外力时，纤维与基体的结合情况；（b）拉伸变形时，纤维与基体的结合情况；（c）拉伸时，纤维沿长度方向的拉伸应力分布情况。第三节 复合材料的结构设计 从纤维的应力分布可见，长度为L的纤维，受两边拉力作用时，起到力的传递作用的纤维是左、右两部

22、分，长度分别是L0的两段，而L1长度的中间段纤维起了强度增强作用。由此可见，只有当纤维长度L大于起传递力的作用长度两倍L0时，纤维的强度才能充分发挥作用。 第三节 复合材料的结构设计以纤维临界长度L=2，即=1/2L代入得： max2fL 纤维的长度必须大于临界长度，才有明显的增 强效果。 第三节 复合材料的结构设计2）纤维的体积百分比 当它承受拉应力时，纤维和基体产 生相同的弹性应变，并且与所组成的复合材料的弹性应变相同。 第三节 复合材料的结构设计即有： fmc=f ：纤维弹性应变 m：基体弹性应变 c：复合材料弹性应变 纤维的弹性模量、强度和体积百分比分别为： EffVf基体的弹性模量、

23、强度和体积百分比化别为：EmmVm第三节 复合材料的结构设计 复合材料承受的总载荷为纤维和基体承受的载荷之和，纤维和基体的体积百分比之和等于1，即：VfVm+= 1则得到复合材料的强度 ：cmVffm= +（）第三节 复合材料的结构设计VfcVf临界越大，则 越大，纤维增强效果越好 只有让 Vf ，纤维增强的效果才充分体现。 同样，可以得到复合材料的弹性模量数值：EcEfEm= Vf +( 1-Vf)而通常： Em 2.11%； 钢 C2.11%。第一节 铁 一、陨铁从天上掉下来的铁 1、陨铁的发现 陨石按成分可以分为三类： 第一类是普通陨石，它的组成是硅酸盐矿物（橄榄石、辉石等） 第二类是石

24、铁陨石，它主要有约各占50%的铁镍和硅酸盐类组成 第三类是陨铁，它的成分主要是铁镍，含量一般在98%以上，其中含镍量在420%之间 第一节 铁美国纽约自然历史博物馆里的一块名为“巨屋”的巨大陨铁 广东省博物馆陈列着的大陨铁 第一节 铁2、世界各地使用的陨铁工具 3、我国对陨铁的使用历史 铁刃铜钺 、 铁援铜戈 、铜柄铁剑第一节 铁二、人工冶铁的起源与发展 三、我国人工冶铁技术的发明和发展 1、炼铁工艺的进展 2、我国早期的铁器 春秋中晚期铁器 1、长沙龙洞坡铁削 2、常德德山铁削 3、长沙识字岭铁锄 4、六合铁丸 5、六合铁条第一节 铁3、我国冶铁术的发展 1）、高温液态生铁 2）、西汉圆形大

25、竖炉 3）、鼓风技术的发展 郑州古荥汉代椭圆炼铁炉复原图 “王桢农书”的水排图 风箱结构简图 第一节 铁4、铸铁的品种与发展 1）铸铁的分类与组织 铸铁按其中碳存在的不同形式，有无石墨析出和石墨的形态，可以分为：（1）、白口铁（无石墨析出，碳与铁以化合物渗碳体Fe3C形式分布）（2）、灰口铁（石墨呈片状析出）（3）、麻口铁（即有渗碳体，又有片状石墨），球墨铸铁（石墨呈球状析出）（4）、可锻铸铁（石墨以团絮状析出）（5）、蠕墨铸铁（石墨以蠕虫状析出） 铸铁金相基本组织主要有铁素体、奥氏体、珠光体等。 第一节 铁2）、白口铸铁 普通白口铸铁 镍硬铸铁 高铬铸铁 第一节 铁3）灰口铁 片状石墨 主要

26、特性：（1）、较低的缺口敏感性 （2）、良好的减震性 （3）、良好的减摩性 我们国家标准（GB943988）对灰铸铁划分成七个牌号，即：HT100，HT150，HT200，HT250，HT300，HT350，HT400 第一节 铁4）麻口铁 渗碳体+石墨 冷硬铸铁 第一节 铁5）可锻铸铁 图絮状石墨 “欧洲法” “美国法”我国的国家标准（GB94401988）对可锻铸铁的牌号分为：黑心可锻铸铁：KTH30006，KTH35010珠光体可锻铸铁：KTZ45006，KTZ55004，KTZ65002，KTZ70002 第一节 铁6）球墨铸铁球状石墨 屈服强度和屈服强度与抗拉强度的比值高 耐磨性 好

27、耐热性 好我国球墨铸铁牌号及力学性能 牌号力学性能（最小值）基体组织抗拉强度（MPa）屈服强度（MPa）伸长率（%）布氏硬度HBSQT4001840025018130180铁素体QT4001540025015130180铁素体QT4501045031010160210铁素体QT50075003207170230铁素体+珠光体QT60036003703190270珠光体+铁素体 QT70027004202225305珠光体QT80028004802245335珠光体或回火组织QT90029006002280360贝氏体或回火索氏体第一节 铁7）蠕墨铸铁 蠕虫状石墨 力学性能比灰铸铁高耐热疲劳性能

28、和铸造性能比球墨铸铁好第一节 铁四、现代生铁的冶炼和铸铁的熔炼 1、生铁的冶炼 原料：铁矿石、焦炭和熔剂 高炉示意图第一节 铁冶金物理化学反应 ：焦炭的燃烧： C+O2 = CO2 （放热） CO2+C = 2CO （吸热）铁矿石还原：间接还原： 3Fe2O3+CO = 2Fe3O4+CO2 Fe3O4+ CO = 3FeO+ CO2 FeO+ CO = Fe+ CO2 直接还原： FeO+ C = Fe+ CO 第一节 铁高炉生产的生铁分为三种：铸造生铁、炼钢生铁、特种生铁 高炉炼铁的附带产品有高炉煤气和炉渣 第一节 铁2、铸铁的熔炼 冲天炉基本结构：支撑部分、炉体、送风系统、炉顶、前炉 冲天炉电炉双联 冲天炉示意图