第1章：材料与人类

1、 第一章：材料与人类第一章：材料与人类 Materials and Man第一节第一节 材料与人类文明及社会现代化材料与人类文明及社会现代化第二节第二节 材料循环（材料循环（Materials Cycling）第三节第三节 材料科学与工程材料科学与工程第四节第四节 材料成分材料成分结构结构合成与加工合成与加工前前 言言Return法：埃菲尔铁塔法：埃菲尔铁塔ReturnReturnReturnReturn美：北极星火箭美：北极星火箭阿拉斯加的输油管道阿拉斯加的输油管道起重机起重机电视塔电视塔机机 床床齿齿 轮轮螺螺 栓栓二战期间，美、英等盟军诺曼底登陆。货轮（自由轮轮）横渡大西洋时船体断裂。

2、1950年，美国北极星导弹的固体燃料发动机在试射时爆炸。1986年1月28日，美国航天飞机“挑战号”发射升空后75秒即发生爆炸 挑战号全体人员合影2003年2月1日，美国使用次数最多的“哥伦比亚”号航天飞机失事哥伦比亚号全体人员合影 飞机，船舶，埃菲尔铁塔飞机，船舶，埃菲尔铁塔 人类社会的一切活动，都离不开材料人类社会的一切活动，都离不开材料; 新世纪人类面临的五大问题（人口、粮新世纪人类面临的五大问题（人口、粮食、资源、能源与环境）都与材料密不可食、资源、能源与环境）都与材料密不可分。分。 材料是人类文明和科学进步的基础，它材料是人类文明和科学进步的基础，它使人类使人类社会社会环境紧密而有机

3、地联环境紧密而有机地联系在一起。系在一起。 前前 言言第一节：材料与人类文明及社会现代化第一节：材料与人类文明及社会现代化一一、材料与物质材料与物质 物质（物质（Substance)Substance):宇宙万物均是物质构成、宇宙万物均是物质构成、 包括水、空气、废弃物。包括水、空气、废弃物。 材料（材料（Materials)Materials):是人类用于制造生活和是人类用于制造生活和生生 产用的机器、构件、器体和产品的物质，是人类产用的机器、构件、器体和产品的物质，是人类 赖以生存和发展的物质基础。赖以生存和发展的物质基础。 材料与材料与物质物质的区别、联系：的区别、联系： 材料是材料是

4、有用的、能用来制造物件、物品的物质；有用的、能用来制造物件、物品的物质； 多指固体的、用于工程上的物质；多指固体的、用于工程上的物质； 主要是指人造物质。主要是指人造物质。 二、二、材料是人类文明的里程碑材料是人类文明的里程碑1. 是人类历史阶段的标志是人类历史阶段的标志 旧石器时代旧石器时代新石器时代新石器时代青铜器时代青铜器时代铁器时代铁器时代 ？思考题思考题1 1: 为何青铜器时代在前、铁器时代在后？为何青铜器时代在前、铁器时代在后？思考题思考题2 2： 现在是什么历史阶段？现在是什么历史阶段？2. 导致城市的建立导致城市的建立 例：芝加哥；嘉峪关、金昌例：芝加哥；嘉峪关、金昌3. 推动

5、经济发展推动经济发展 如几次工业革命；并参如几次工业革命；并参P2； 无钢铁无钢铁无铁道无铁道美国就不能开发西部美国就不能开发西部不能不能 现代化现代化； 无金属材料无金属材料无机械工业、无建筑业无机械工业、无建筑业 无高分子材料无高分子材料无家电、无轻工业无家电、无轻工业 无功能材料无功能材料无晶体管、集成电路、计算机、硅材无晶体管、集成电路、计算机、硅材 料等；无激光器（激光材料）和光纤通讯（光导纤料等；无激光器（激光材料）和光纤通讯（光导纤 维）维） 无高温合金、钛合金和高温结构陶瓷无高温合金、钛合金和高温结构陶瓷无航空航天无航空航天 技术的发展技术的发展 无现代材料无现代材料无现代科技

6、、文明及经济发展。无现代科技、文明及经济发展。4.材料、信息、能源是人类文明的三大柱石，材料、信息、能源是人类文明的三大柱石， 而材料又是后二者的物质基础。而材料又是后二者的物质基础。三、三、材料是社会现代化的材料是社会现代化的 物质基础与先导物质基础与先导（自学）（自学） 新世纪美国确定的经济发展重点新世纪美国确定的经济发展重点三大产业：信息产业、生物工程产业、纳米产业三大产业：信息产业、生物工程产业、纳米产业两大支柱：材料、先进制造技术两大支柱：材料、先进制造技术第二节：材料循环（第二节：材料循环（Materials Cycling） 材料、能源与环境材料、能源与环境一、一、材料的单向循环

7、模式材料的单向循环模式（如图11） 资源开采资源开采生产加工生产加工消费使用消费使用废物丢弃废物丢弃 与材料相关的产业既是资源消耗的大户，也与材料相关的产业既是资源消耗的大户，也是能源消耗的大户，又是环境污染的主要来源。是能源消耗的大户，又是环境污染的主要来源。二、二、材料的双向循环模式材料的双向循环模式 一个生产过程的输出变为另一个（生一个生产过程的输出变为另一个（生 产）产） 过程的输入，一个过程的废物变成另过程的输入，一个过程的废物变成另一个过程的原料；一个过程的原料；如图如图12 清洁生产、无害循环。参清洁生产、无害循环。参P5思路：思路：三、三、 材料的可持续发展战略与生态环境材料材

8、料的可持续发展战略与生态环境材料1、材料的可持续发展战略材料的可持续发展战略u 保证材料性能的同时，尽可能节约资源与减保证材料性能的同时，尽可能节约资源与减少环境污染，改变片面追求性能的旧观点；少环境污染，改变片面追求性能的旧观点；u 重视对材料及其产品整个寿命周期对环境协重视对材料及其产品整个寿命周期对环境协调性的评价；调性的评价；u 不但讲科学技术效益、经济效益，还要将社不但讲科学技术效益、经济效益，还要将社会效益，将材料科技与产业具体目标和各国、各地会效益，将材料科技与产业具体目标和各国、各地区可持续发展的大目标结合起来。区可持续发展的大目标结合起来。2、 生态环境材料的研发生态环境材料

9、的研发u 20世纪世纪90年代以来国际材料与工程的最新趋势。年代以来国际材料与工程的最新趋势。u 生态环境材料生态环境材料：同时具有优良使用性能和最佳同时具有优良使用性能和最佳环境协调性能的材料。其特征：环境协调性能的材料。其特征：资源、能源消耗少，生态和环境污染小；资源、能源消耗少，生态和环境污染小；再生利用率高或可降解化和可循环利用；再生利用率高或可降解化和可循环利用； 在制造、使用、废弃直到再生利用的整个寿命周期在制造、使用、废弃直到再生利用的整个寿命周期 中均与环境协调共存。中均与环境协调共存。u 途径途径： 或开发新材料或开发新材料; 或改进、改造传统材料（达到节约资料或改进、改造传

10、统材料（达到节约资料 并与环境协调）。并与环境协调）。u 4倍因子理论倍因子理论：半份消耗，倍数产出半份消耗，倍数产出其结果其结果4倍倍 产出（同样资源消耗水平）。产出（同样资源消耗水平）。u 两大主题：两大主题： （2）LCALCA：Life Cycle Assessment Life Cycle Assessment 即即材料的材料的 环境协调环境协调性性评价。评价。（1）生态环境材料设计、研究与开发；）生态环境材料设计、研究与开发；第三节：材料科学与工程第三节：材料科学与工程（MSEMSE：MaterialMaterials s Science and Engineering Scien

11、ce and Engineering）一、一、材料科学的兴起材料科学的兴起（参见（参见P78） 相关基础学科对物质结构和物质性能的深入研究，相关基础学科对物质结构和物质性能的深入研究， 促进对材料本质的了解；促进对材料本质的了解； 金属、陶瓷和高分子材料早已自成体系，相互借金属、陶瓷和高分子材料早已自成体系，相互借 鉴，促进材料科学的发展；鉴，促进材料科学的发展； 各类材料的研究设备与生产手段相同、相近；各类材料的研究设备与生产手段相同、相近；（使用中）不同类型的材料可相互代替和补充，故（使用中）不同类型的材料可相互代替和补充，故 需相互贯通；需相互贯通； 复合材料更需对各类材料的全面了解、总

12、体把握。复合材料更需对各类材料的全面了解、总体把握。二、二、材料科学与工程（材料科学与工程（MSE）材料科学：是一门应用科学，研究材料的成分、组材料科学：是一门应用科学，研究材料的成分、组织、结构与性质之间的关系，了解材料的本质有关理织、结构与性质之间的关系，了解材料的本质有关理论与描述。论与描述。材料工程：是一个工程领域，处理材料制备、处理材料工程：是一个工程领域，处理材料制备、处理加工过程中的工艺和各种工程问题，进行设计并在工加工过程中的工艺和各种工程问题，进行设计并在工程上实施与保证，产生预定的性能。程上实施与保证，产生预定的性能。MSE：具有鲜明的工程性具有鲜明的工程性(最终得到符合要

13、求的工程最终得到符合要求的工程 材料材料)。MSE：是知识开发和传输的一个完整体系。是知识开发和传输的一个完整体系。如图如图13第四节第四节 材料成分材料成分结构结构合成与加工合成与加工 性能性能使用效能使用效能 包括了决定材料性质和使用性能的原子类型和排列方式包括了决定材料性质和使用性能的原子类型和排列方式 ,内涵丰富，是具体材料合成制备和加工方法的结果。内涵丰富，是具体材料合成制备和加工方法的结果。制造材料制造材料(组合原子组合原子,分子成集聚体分子成集聚体)与零件与零件(成型成型,加工处理加工处理)。制备的作用包括合成新材料制备的作用包括合成新材料,用新技术合成一致的材料用新技术合成一致

14、的材料(获获新的形式新的形式),按特殊用途来合成材料这三个方面。按特殊用途来合成材料这三个方面。对金属材料对金属材料:一般先合成制备一般先合成制备(冶炼冶炼)再后续加工再后续加工(如轧制如轧制,机机械械 加工加工)； 对于其它材料对于其它材料:合成与加工的界限模糊合成与加工的界限模糊,如高聚物的反映注如高聚物的反映注射成型射成型,陶瓷的烧结。陶瓷的烧结。也即材料的固有性能，包括力学性能，物理性能也即材料的固有性能，包括力学性能，物理性能 和化学性能。和化学性能。 是材料的功能特性和效用的定量度量和描述。是材料的功能特性和效用的定量度量和描述。 也表示了材料对外界作用或刺激的反应或整体也表示了材

15、料对外界作用或刺激的反应或整体响应，并按其响应类型和大小表达出的一种品质或特性。响应，并按其响应类型和大小表达出的一种品质或特性。 又称又称或或。如速度，使用寿命，安全可靠性，成本。如速度，使用寿命，安全可靠性，成本与与既相互联系，又相互区别。材料的性能是其既相互联系，又相互区别。材料的性能是其使用性能的基础，一般而言，材料的性能多系实验室条件下的使用性能的基础，一般而言，材料的性能多系实验室条件下的简单性能，而使用性能多系在实际使用环境或工况下元器件、简单性能，而使用性能多系在实际使用环境或工况下元器件、零件或设备考核出的复杂性能，零件或设备考核出的复杂性能，材料的性能在使用中会逐渐发生变化

16、的。材料的性能在使用中会逐渐发生变化的。核心与本质：核心与本质：结构决定性能；结构决定性能；材料科学是材料科学是MSE的基础、指导，是核心；的基础、指导，是核心；MSE直接付诸于应用，反过来又促进了材料科学的发展。直接付诸于应用，反过来又促进了材料科学的发展。关于材料的结构：关于材料的结构： 材料是有结构的；材料是有结构的； 材料设计材料设计：根据理论和信息，设计出符合要求的成分和组织结根据理论和信息，设计出符合要求的成分和组织结构的新材料，提出其制备合成方案，预测其性能。这需多层次多构的新材料，提出其制备合成方案，预测其性能。这需多层次多尺度的材料设计尺度的材料设计. 选用材料：选用材料：科

17、学合理、经济地选择合乎工程应用的某种材料。科学合理、经济地选择合乎工程应用的某种材料。 本本 章章 小小 结结材料与人类密切相关，材料与人类密切相关，材料是人类物质文明的基础材料是人类物质文明的基础。材料、。材料、 信息、能源是信息、能源是现代文明的三大支柱现代文明的三大支柱，而，而材料又是一切发展和进材料又是一切发展和进步的前提。步的前提。人类进入人类进入21世纪后认真思考世纪后认真思考材料、能源和环境材料、能源和环境的的密切关系，越来越重视密切关系，越来越重视材料的可持续发展与生态环境材料材料的可持续发展与生态环境材料的的研究，考虑研究，考虑MSE的发展思路，从单一循环方式向的发展思路，从

18、单一循环方式向双向闭合循双向闭合循环环过渡，向着无公害、零排放方向发展，全方位全过程再度过渡，向着无公害、零排放方向发展，全方位全过程再度规划未来材料及相关产业的发展。规划未来材料及相关产业的发展。材料从各个分散的分支学科向统一的大材料观发展，这是材料材料从各个分散的分支学科向统一的大材料观发展，这是材料科学发展的必然。科学发展的必然。材料科学和材料工程密不可分材料科学和材料工程密不可分，统称为，统称为“材料科学与工程材料科学与工程”。现代材料观最重要的思想就是把。现代材料观最重要的思想就是把材料材料成分成分结构结构合成与加工合成与加工性能性能使用效能使用效能作为材料作为材料材料科学与工程的材

19、料科学与工程的五大要素五大要素来综合考虑，而且要特别重视材来综合考虑，而且要特别重视材料使用效能的作用。正确进行材料设计和从系统而全面的观料使用效能的作用。正确进行材料设计和从系统而全面的观点进行选材、用材是材料科学与工程工作者的主要任务之一。点进行选材、用材是材料科学与工程工作者的主要任务之一。 作业作业：1，3，5，7金属材料金属材料 铸造：砂型、压铸、永久铸造：砂型、压铸、永久铸型、连续铸造铸型、连续铸造 成型：锻造、拉丝、深冲成型：锻造、拉丝、深冲、弯曲、弯曲 连接：气焊、接触焊、钎连接：气焊、接触焊、钎焊、氩弧焊、摩擦焊、扩散焊焊、氩弧焊、摩擦焊、扩散焊 机械加工：车、钻、磨、机械加

20、工：车、钻、磨、切削切削 粉末冶金粉末冶金 将液态金属浇入或注入固体模中得到所要求将液态金属浇入或注入固体模中得到所要求的形状。的形状。通常在热状态下用高压力将固体金属变形为通常在热状态下用高压力将固体金属变形为有用形状。有用形状。采用液态金属、变形或高压、高温将几块金采用液态金属、变形或高压、高温将几块金属连接在一起。属连接在一起。用切削加工去掉多余金属，获得成品件。用切削加工去掉多余金属，获得成品件。先在高温下将金属粉末压制成需要的形状，先在高温下将金属粉末压制成需要的形状，然后进行高温加热，然后进行高温加热， 使微粒连结成整体。使微粒连结成整体。 陶瓷材料陶瓷材料 铸造：包括涂泥釉铸造：包括涂泥釉 压制：挤压、压制、等静压制：挤压、压制、等静压成形压成形 烧结烧结 将液体陶瓷或液体加固体的陶瓷泥浆浇注成将液体陶瓷或液体加固体的陶瓷泥浆浇注成所需形状。所需形状。将液体陶瓷或液体加固体的陶瓷泥浆压制成将液体陶瓷或液体加固体的陶瓷泥浆压制成有用形状