材料工程设计第1讲课件

1、材料工程技术的内涵材料工程技术的发展材料工程设计与其他课程的关系第1讲 材料工程设计概述1.材料科学与工程的研究对象材料科学与工程是一门以材料为研究对象，介于基础科学与工程之间的学科材料。界将其界定为：“研究材料组织、结构、制备工艺与其性能和使用间相互关系。”图1-1 材料科学与工构成四面体2.材料科学与工程的定义材料科学与工程是以固体物理、现代化学、热力学、动力学、物理冶金等为基础；运用电镜、电子探针、x射线、各类能谱仪以及计算机等先进实验技术和设备；以电子、质子、结力、晶体结构、缺陷等观点；研究材料的机械、物理、化学等各种性能以及其制备和使用过程中的行为；进而控制这些变化，提高现有材料的性

2、能，探索开发新材料。3.材料科学与工程的区别对材料共性规律的研究形成了材料科学体系；根据所需材料的性能，用已知规律进行成分与组织设计，并实现具体应用，形成了材料工程体系。前者重点是弄清材料的本质、探讨材料的结构与性能，行为之间的关系，回答“为什么”的问题，侧重于知识的开拓与创新；后者是解决“如何做”的问题，主要研究材料的使用性能和加工工艺，以便发展制备、完善和使用材料，侧重点在于知识的综合运用。4.材料科学与工程的研究内容材料科学是建立在固体科学基础上的物理、化学、冶金学和陶瓷学等学科的综合科学，它又是各类基础学科的交叉，以材料本质及变化规律为对象，以解决实际工程问题为目的而形成的科学体系；材

3、料研究者以材料科学为基础，主要从事材料的合成、制备和性能，以及材料特性的表征；而材料工程技术人员主要从事工艺流程和装备技术的开发。目前，材料应用于信息、能源、交通运输和制造业等各个领域，成为工业发展乃至国民经济发展的基础。当今世界各国力争在经济上、军事上和政治上取得优势，就必须以高科技为“制高点”，材料技术群作为高科技六大技术群(信息技术群、能源技术群、生物技术群、海洋技术群、空间技术群、材料技术群)的基础，很大程度上决定高科技的发展。材料工程技术作为核心，对材料技术群的发展起到至关重要的作用。图1-2. 材料科学、工程及其应用5.材料工程设计内涵从广义上讲，材料工程设计包括了自材料的生产到产

4、品及其应用全过程中各个工程技术环节所涉及的技术规范地形成。其目的在于经济的而为社会所能接受的开发、生产、使用材料。按材料工程各工艺技术的目的及特征可划分成生产制备、成型加工，性能(力性、功能特性）转化三大基础工程技术领域；材料工程设计则是主要针对上述各工程环节所涉及的工程技术的确定与相关工艺的设计，以及质量控制，此外，还包括上述各项工程技术实施过程中所涉及的专用设备及控制系统的设计，以及产品在使用过程中的完全运行、延寿与失效分析等技术活动。6.材料工程设计的发展历史从人类使用和制备材料的发展历史角度看，材料工程技术水平在一定程度上决定了社会发展水平，材料的过去、现在与将来与人类社会科学技术发展

5、息息相关。人类是能制造与使用工具的“智能”动物，材料作为人类制造有用工具的物质基础，成为人类发展历史科学划分的客观标准。以材料及其特征可将人类社会划分为不同历史阶段，即：石器时代（新石器时代和旧石器时代）陶瓷器时代铜器时代铁器时代以钢铁、水泥、化工材料为基础的工业化时代以电子、晶体半导体、大规模集成电半导体材料为基础的信息化时代以功能材料、纳米材料为基础的节能环保时代。7.材料工程设计历史特征在旧石器时代，原始人能用天然石块凿呈棱边锋利的工具和武器，新石器时代，开始使用经过磨、锯、钻等原始的材料加工手段。在这一阶段，人们通过认知各种天然材料的特性，.用原始的加工手段，加工成各种能利用的工具和器

6、皿，如：半坡出土的如此精细的石器凝聚了原始人类对天然材料加工技术的聪明智慧。陶瓷器的出现，标志着人类利用天然原料制造新材料的材料的开始，如：半坡出土的陶器证明了原始中国人在万年前具有陶瓷材料的加工和烧结技术。铜铁器的出现，标志着类已掌握技术的冶炼技术。这些人工材料的出现标志着包括原料的加工、加热技术和工艺流程等材料工程技术已形成，并对社会的发展产生巨大的影响。近代工业革命和战争促进了结构材料特别是钢铁和各种有色金属材料的迅猛发展，建筑业促进了无机非金属材料工程的发展，石油化工工业促进了高分子材料工程发展，包括复合材料在内这些构成了传统材料工程领域，支持了整个近代工业基础。目前，材料研究手段更多

7、，材料功能更丰富，特别是材料科学本质认识更加深入，材料应用更广。材料的开发、制备及制备更注重与人、社会及环境的协调。图1-3 半坡出土的石器和陶器图1-3 司母戊大方鼎图1-4 战国时期的青铜剑图1-5 瓦特蒸汽机图1-5 莱特兄弟-飞机8.材料工程设计原则与要求材料工程设计应该遵循一定的原则，解决对材料制备过程技术性问题保证在工程上能实现，在经验上可行，对社会有益。材料工程行为包括研究和开发新材料、材料的生产和应用，其目的就是开发出高性能材料、提升现有材料的性能和保障现有材料的性能和作用得到充分发挥。材料工程必须适应社会的需要，才能通过社会的严峻选择，同时也必须协调发展。作为未来的材料工作者

8、，不仅需要全面了解与熟悉有关材料工程领域的基本技术方法及原理，还需要扎实地掌握材料工程设计的基本方法与技术。9.材料设计内容与程序材料设计是指通过理论与计算预报材料的组分、结构与性能，在通过实验来“订做”具有特定性质与使用性能的新材料。10.材料设计层次微观设计层次、连续体设计层次和工程设计层次。原子、电子及微观组织结构尺度材料的成分设计材料组织结构设计材料微观缺陷控制材料的原子分子结构及结合键材料微观结构材料组织及形态材料缺陷材料物理化学性能实验材料学计算材料学不考虑单个原子的行为，把材料看成均匀的连续体材料工程力学材料物理化学定性模型定量模型大块材料材料制备技术材料冷热加工工艺材料的使用性能不同层次的材料设计中，前两个层次主要是为材料工程设计提供必要的基础设计。11.材料工程设计与其他课程的关系科学基础固体物理固体化学数学物理方法物理化学金属学硅酸盐物理性能高分子材料学材料化学材料力学行为表面物理化学材料设计与制备技术金属材料工艺学硅酸盐材料工艺学高分子材料工艺学工艺设备及其控制等等工程基础材料成分分析测试方法材料组织结构分析测