工程材料基础(清华大学)-1.绪论

1、工程材料基础1.绪论 本章内容1.1 材料发展概要1.2 材料应用现状与新材料的发展趋势1.3 材料科学与工程1.4 材料的分类1.5 材料加工工程1.6 课程主要内容及要求 1.1 材料发展概要 材料: 人类用来制造各种产品的物质，是人类生产和生活的物质基础。 人类早期历史划分为石器时代、青铜器时代和铁器时代, 现已进入人工合成材料的新时代。 材料和能源、信息一起成为现代科学技术的三大支柱之一。111 石器时代 石器是人类最先使用的工具。还出现了玉器、陶器和瓷器。我国是玉器的故乡。烧制的陶器包括红陶、黑陶、白陶和釉陶。我国是最早生产瓷器的国家。瓷器成为中国文化的象征。图1- 1 瓷器 112

2、 青铜器时代铜锡合金青铜是人类历史上发明的第一个合金。灿烂的青铜文化：“司母戊”；越王勾践的宝剑；战国青铜编钟，秦皇陵墓铜车马等。图1-2 司母戊鼎113 铁器时代 从春秋战国时期(公元前770221年)已开始大量使用铁器：铸铁刑鼎；铁丸、铁锸和铁鼎，比其他国家早许多个世纪。 先炼铁后炼钢的两步炼钢技术比其它国家早1600多年。 钢的热处理技术114 钢铁工业和有色金属的发展 15世纪以后，欧洲钢铁工业的发展。从20世纪50年代初至70年代末，全世界钢的年产量由2.1亿t增加到7.5亿吨。 目前我国钢产量已跃居世界首位。 有色金属也得到了发展。115 非金属材料的发展 丝绸 人工合成高分子材料

3、: 从20世纪60年代到70年代，有机合成材料每年以14的速度增长而金属材料的年增长率仅为4。20世纪90年 代初，塑料产量已逾1亿t，按体积计，已超过 钢铁产量。 陶瓷材料: 耐高温、耐腐蚀的氧化铝；将电信息转变为光信息的铌酸锂；用于切削刀具的氮化硅；具有高温超导性能的氧化钇等。116 复合材料及新材料技术的发展 宇航和航空工业中制造卫星壳体、宇宙飞行器外壳、飞机机身等；在交通运输工业中制造汽车车身、轻型船、艇等；在石油化工工业中制造耐酸、耐碱、耐油的容器、管道等。我国在新材料的研究和材料加工新工艺的研究工作中取得了卓有成效的重大成果。1.2 材料应用现状与新材料的发展趋势121 材料应用的

4、现状 用量最大的材料是钢铁材料和铝合金、铜合金、钛合金和镍合金等有色金属。 高分子材料、陶瓷材料和复合材料在不同工业部门也得到一定的应用，有些部门则大量使用这些材料。122 新材料的发展趋势 1先进复合材料 2光电子信息材料 3低维材料 4新型金属材料 5. 高性能塑料 6. 先进陶瓷材料 7超导材料1.3 材料科学与工程131 材料科学与工程学科的形成 材料科学与工程学科的形成是材料的发展和科学技术进步的结果，同时又为推动材料的发展和科技的进步创造了条件。132 材料科学与工程的内容1材料科学与工程 的四要素四个要素，即制备与加工、组成与结构、性能和使用性能，它们之间的关系如图1-3 所示。

5、材料科学与工程的核心内容是结构与性能的关系。 图1-3 材料科学与工程四要素的关系 材料科学与工程的范围及其与基础科学和应用间的关系成分结构性能性能的表征与检测工艺流程制备科学与工艺工程材料基础科学（数、理、化、生、地）实际应用信息、能源、交通运输、机械制造2材料的性能 可分两类：力学性能和物理性能，如表1-2所示。 力学性能 强度 弹性模量 抗拉强度 屈服强度塑性 %延伸率 %断面收缩率硬度 抗划痕能力 磨损率冲击 吸收能量 韧性 转变温度 蠕变 蠕变速度 应力持久强度 疲劳 疲劳极限 疲劳寿命续上表物理性能 密度 电学性能 导电性 介电性（绝缘性） 铁电性 压电性磁学性能 铁氧体磁性 铁磁

6、性 顺磁性 光学性能 吸收 颜色 衍射 激光作用 光导 反射 透射热学性能 热容量 导热性 热膨胀 3使用性能 使用性能是材料在使用条件下表现出的行为，包括环境影响、受力状态、可靠性、耐用性、寿命预测及延寿措施、材料设计等内容。4组成与结构 一定的化学组成，这是决定材料结构和性能的内在因素。 (a) 工业纯铁，铁素体 (b)含碳0.4%的碳钢,铁素体珠光体 (c) 含碳0.8%的碳钢，珠光体 (d)含碳1.2%的碳钢,珠光体二次渗碳体 图1-5 四种不同碳质量分数的铁碳合金的室温平衡组织 续上页 图1-6 材料内部四个不同层次的结构 （a）原子结构 (b)原子排列 (c)铁的晶粒组织 结构可分

7、为四个层次，如图1-6所示，所有这些层次都会影响材料的性能。 (d)白口铸铁中的多相组织 5制备与加工 材料的制备与加工既包括传统的冶炼、铸造、压力加工、焊接、热处理、烧结、表面技术、机械加工和对加工过程的模拟与仿真技术，也包括了新发展的高能束（激光束、电子束和离子束）表面改性技术、真空溅射、气相沉积、热喷涂、多种材料复合等新工艺。材料的制备与加工决定了材料的成分和组织结构，从而决定了材料的性能。 133 材料科学与工程的特点 1.材料科学与工程是多学科交叉的新兴学科2.材料科学与工程技术有不可分割的关系3.科学与工程有很强的应用目的和明确的应 用背景1.4 材料的分类分为金属材料、高分子材料

8、、陶瓷材料和复合材料四大类：141 金属材料金属材料是以金属元素为基础的材料。合金即是在纯金属中，有意地加入一种或多种其他元素，通过冶金或粉末冶金方法制成的具有金属特性的材料。金属材料是最重要的工程材料。金属材料可分为两大部分： （1）黑色金属； （2）有色金属。142 高分子材料分为四大类：1塑料；2合成纤维；3橡胶4胶粘剂143 陶瓷材料 陶瓷是一种或多种金属元素同一种非金属元素(通常为氧)的化合物。主要为金属氧化物和金属非氧化合物。包括无机玻璃、玻璃陶瓷(或称微晶玻璃)和陶瓷等三类。工程上应用最广的是陶瓷。工业陶瓷材料可分为： （1）普通陶瓷(或传统陶瓷)； （2） 特种陶瓷(或新型陶瓷

9、)； （3） 金属陶瓷。144 复合材料 复合材料就是两种或两种以上不同材料的组合材料，其性能优于它的组成材料。复合材料在强度、刚度和耐蚀性方面比单纯的金属、陶瓷和聚合物都优越，是一类特殊的工程材料，具有广阔的发展前景。 15 材料加工工程151 材料加工工艺 材料加工可以将未经成型的坯料加工成所要求形状的零件（表1-3 典型的材料加工工艺 ）。金属材料铸造：砂型、压铸、永久铸型、 熔模铸造、连续铸造成型：锻造、拉丝、深冲、弯曲连接：气焊、钎焊、氩弧焊、锡 焊、磨擦焊、扩散焊机械加工：车、铣、刨、钻、 磨、切割粉末冶金 将液态金属浇入或注入固体模中得到所要求的形状。通常在热态下用高压力将固体金

10、属变形成为一定形状。将液态金属变形或高压、高温将几块金属连接在一起。用切削加工去掉多余金属。高压下将金属粉压成一定形状，再高温加热使之连成一体。 陶瓷材料铸造： 包括涂泥釉压制：挤压、压制、 等静压成形烧结：将液体陶瓷或液体加固体的陶瓷泥浆浇注成所需的形状。将固体陶瓷或液体加固体陶瓷的粘性泥浆压成一定形状。将压制成的固体进行高温加热，使之粘连成块。 聚合物模制：注模法，转移 模塑法成形：旋压、挤压、 真空成形 将热的或甚至液态的聚合物压入模具中，类似铸造。将受热聚合物通过模孔或包裹在模胎上，获得某种形状。 复合材料铸造：包括渗透成形连接：胶粘剂粘接、 爆炸 连接、扩 散连接压制和烧结 液体组分

11、包围着另一种组分，以获得完整的复合材料。用力使一个软质组分围绕复合材料的第二组分发生变形。通过胶接、变形或高温过程将两种组分连接在一起。将粉末状组分压制成形，然后加热使粉末连接在一起。 152 材料加工对结构和性能的影响 图1-7 材料加工与结构、性能的关系 材料加工的方法会影响它的组织结构： 图1-8 采用铸造方法和塑性成型方法制作的铜棒结构 1.6 课程主要内容及要求： 1.6.1 课程主要内容绪论;原子结构与结合键;晶体结构;扩散;材料的固化; 二元合金相图;材料力学性能;固态相变;高分子材料结构与性能; 陶瓷材料结构与性能。1.6.2 教学要求 教学环节：讲课36，习题课4，实验8课程

12、特点：技术基础课，掌握原理和方法，联系 实际教学要求： 1. 认真听课、作好笔记 2复习与作业 3实验与报告 4. 学习方法：概念归纳总结、记忆1.6.3 考核问题成绩分配： 平时成绩：30%（实验10%；习题20%） 考试： 70%考试方式： 期末考试以笔试为主，部分同学可申 请口试1.6.4 主要参考书 1“材料工程基础”，王昆林编著,清华大学出版社 2“材料科学基础”，马泗春主编 陕西科技出版社 3“Principles of Materials Science and Engineering” 第三版， 作者： illiam F.Smith, 出版社：McGraw-Hill,Inc.小结（一） 了解材料发展简史：石器时代、青铜器时代和铁器时代；近代钢铁工业和有色金属的发展。现已进入人工合成材料的新时代。 材料应用以金属材料为主，先进复合材料、光电子信息材料、低维材料、新型金属材料等各类新材料得到迅速地发展。 在材料发展和科学技术进步的基础上，形成了材料科学与工程学科。材料科学与工程包括四个要素，即制备与加工、组成与结构、性能和使用性能，其