合肥工业大学材料成型及控制工程专业导论

1材料科学与工程导论

苏勇20132绪论1.意义和目的材料的定义和分类材料的地位和作用材料科学与工程的形成和发展2.内容3材料是人类用于制造机器、构件和产品的物质,是人类赖以生存和发展的物质基础。

材料的定义4无机非金属材料金属材料高分子材料复合材料材料的分类5

材料是人类社会发展的基础和先导，是人类社会进步的里程碑和划时代的标志。材料和能源、信息被称为人类社会的"三大支柱”。

材料的地位和作用6

一种重要新材料的发现和使用,都把人类支配自然的能力提高到一

个新水平,材料科学技术的每一次重大突破都会引起生产技术的重大变革,甚至引起一次世界性的技术变革,从而把人类物质文明和精神文明推向前进。

材料的地位和作用7材料科学与工程的形成与发展，反映了学科发展从细分到整合（综合)的基本规律。

材料科学与工程的形成和发展8材料学科的分合图地质采矿矿冶化工冶金陶瓷高分子物冶化冶物冶力冶物理社会科学

材料学MSE化学力学矿187918881888193719371966198619891975材料科学与工程的形成和发展9

美国MIT矿冶及材料系名称的演变年系名称1865~1879地质与采矿工程1879~1884采矿工程1884~1888采矿工程（地质、采矿、冶金）1888~1890采矿与冶金1890~1927采矿工程与冶金1927~1937采矿与冶金1937~1966冶金1966~1975冶金与材料科学1975~现在材料科学与工程材料科学与工程的形成和发展10材料科学与工程的形成与发展11材料学科金属材料与热处理钢铁冶金有色金属冶金冶金物理化学金属压力加工无机非金属材料硅酸盐工程高分子材料与工程粉末冶金电子材料腐蚀与防护材料科学与工程复合材料铸造焊接材料科学与工程的形成和发展12环境输入系统输出学科现象环境自然社会材料类型层次金属复合陶瓷高分子相分子原子电子金相组织功能社会现象性能自然现象材料学宏观微观社会科学自然科学社会需要成果反馈材料和材料学材料科学与工程的形成和发展13材料及其在人类社会发展

进程中的地位和作用1-1.材料是人类社会进步的里程碑1-2.材料是经济和社会发展的基础和先导1.新材料技术是工业革命和产业发展的先导2.新材料技术是高技术发展的基础14

纵观人类利用材料的历史,可以清楚地看到,每一种重要新材料的发现和应用,都把人类支配自然的能力提高到一个新的水平。材料科学技术的每一次重大突破都会引起生产技术的重大变革,甚至引起一次世界性的技术革命,大大地加速社会发展的进程,给社会生产力和人类生活带来巨大的变革,把人类物质文明推向前进。

材料是人类社会进步的里程碑15人类使用材料的七个时代的开始时间材料是人类社会进步的里程碑16人类利用材料的历史,就是一部人类进化和进步的历史。

材料是人类社会进步的里程碑171-2材料是经济和社会发展的基础和先导新材料技术是工业革命和产业发展的先导新材料技术是高技术发展的基础18两次工业革命都是以新材料的发明和广泛应用为先导的第一次工业革命（18世纪)：制钢工业的发展为蒸汽机的发明和应用奠定了物质基础。

第二次工业革命（20世纪中叶以来)：单晶硅材料对电子技术的发明和应用起了核心作用。

新材料技术是工业革命和产业发展的先导19材料强度密度比在不同年代里的进展(由图中可以看出,现代先进材料的强度已比原始材料提高了约50倍)铝木材石料青铜铸铁钢复合材料碳纤维芳香族酰胺纤维6新材料技术是工业革命和产业发展的先导20现代涡轮喷气发动机３０年代气冷式航空发动机蒸汽机在本世纪内由于采用了现代材料使发动机工作温度急剧上升,因而发动机的理论效率大大提高。

新材料技术是工业革命和产业发展的先导211950196519551970197519601990198019952000198520053070504060100908020110120130座·mile/Usgal

航空材料的发展与飞机的燃放年份Comet707-120707-120B880990727-100DC-9-30A320-200747-400MD112.5倍飞机燃油效率提高2.5倍新材料技术是工业革命和产业发展的先导

航空材料的发展2219501960197019801990200020102020900110015001300材料的表面温度(℃)1700单晶合金普通铸件定向凝固超级合金共晶合金弥散强化超级合金隔热涂层陶瓷复合材料碳-碳新材料技术是工业革命和产业发展的先导在发动机上应用的年份叶片材料的发展历程纤维增强超级合金23109316495381490C3150C6490C10930C19270C发动机温度一次大战水冷式30年代空冷式风扇喷气发动机蜗轮喷气发动机超音速燃烧冲压式喷气发动机温度（0C）新材料技术是工业革命和产业发展的先导24φ1100φ110021971200~1800℃100~1200℃410~950℃400℃飞船返回舱舱体温度情况新材料技术是工业革命和产业发展的先导25小飞机直升机运输机波音707战斗机喷气式机超音速飞机近地卫星卫星飞机速率速度与效益10102103104每减少1kg所收获效益新材料技术是工业革命和产业发展的先导26新材料技术是工业革命和产业发展的先导+175+390+595金属玻璃纤维KavlarC/C复合材料Km导弹射程火箭壳体材料与导弹射程2730年代教练机二次大战战斗机80年代截击机航天飞机东方快车号10931649538490C93.30C4270C10930C16490C不同类型的飞行器蒙皮温度温度（0C）新材料技术是工业革命和产业发展的先导28碳素工具钢钨钴铬硬质合金烧结碳化钨金属陶瓷陶瓷多晶金刚石高速钢立方氮化硼新材料技术是工业革命和产业发展的先导29图1.1高技术体系示意图探索智力探索宇宙空间探索物质结构探索生命本质探索海洋奥秘环境科学技术空间科学技术新材料科学技术新能源与再生能源信息科学技术生物科学技术海洋科学技术人材料发展总的趋势3021世纪重点发展的高技术领域的材料选择材料发展总的趋势31材料发展总的趋势新材料技术出现群体性突破，将对21世纪基础科学和几乎所有工业领域产生革命性影响纳米技术是前沿技术中最具前瞻性和带动性的重点领域之一电子信息材料技术进展迅速，光电子材料、光子材料将成为发展最快和最有前途的电子信息材料。新型功能材料及其应用技术面临新的突破（超导材料、智能材料、生物医用材料)新型结构材料发展前景乐观（高温合金、难熔金属、金属间化合物、金属基复合材料、高分子材料、钛合金、镁合金)32新材料技术是高技术发展的基础196019701980199011011021031081071061051041011021031年份每片集成电路芯片上元件的数量按指数规律增加，而最小特征尺寸则按指数规律减小（美国电话电报公司贝尔实验室)MOS存储器双极存储器MOS逻辑器双极逻辑(b)(a)SSIMSILSIVLSI二维三维界面最小特征长度（M)每个芯片上的元件数33197019601950194019801990200010-1010-810-610-410-210010250100150250300200半导体器件电子管19481958晶体管集成电路40年间器件尺寸降低100万倍0.350.51.28线宽(，M)0.00520.2极大(>10-7)大规模(103-105)超大规模(106-107)(美分)芯片价格器件尺寸相对值晶片直径(MM)年代新材料技术是高技术发展的基础34新材料技术是高技术发展的基础35无机非金属敏感材料新材料技术是高技术发展的基础36新材料技术是高技术发展的基础371890191019301950197019902010203020501102104106108第一条电话一对12路电话线同轴电缆同轴电缆与微波系统通讯卫星光导纤维年不同通讯方式的相对信息量相对信息量新材料技术是高技术发展的基础38总结:正是由于这两类材料的发明和应用技术的主要缘故，才可能有当今"第三次革命”---信息革命的产生；使人类进入了一个新的时代---信息时代。

新材料技术是高技术发展的基础39上述事例雄辩的表明,新材料是人类社会进步、世界革命和提高人类生活品质中具有特别重要的基础和先导作用,其发展对提高国家的综合国力和国际实力具有巨大的推动作用和深远的影响。

新材料技术是高技术发展的基础40黑色金属简介41碳钢的分类1。按碳的质量百分数分：低碳钢（C：≤0.25％)

中碳钢（C：0.25％≤C≤0.6％)

高碳钢（C：＞0.6％)2。按钢的质量分（主要是杂质硫、磷的含量)：

普通碳素钢（S≤0.055％，P≤0.045％)

优质碳素钢（S≤0.040％，P≤0.040％)

高级优质碳素钢（S≤0.030％，P≤0.035％)3。按用途分:碳素结构钢:主要用于桥梁、船舶、建筑构件、机器零件等

碳素工具钢:主要用于刀具、模具、量具等含碳量越高,硬度、强度越大,但塑性降低42碳钢的牌号与用途普通碳素结构钢：Q195.Q215.Q235.Q255.Q275等。数字表示最低屈服强度。

Q195.Q215.Q235塑性好，可轧制成钢板、钢筋、钢管等。Q255.Q275可轧制成型钢、钢板等。

用途优质碳素结构钢：钢号以碳的平均质量万分数表示。如20＃、45＃等。20＃表示含C：0.20%（万分之20)。

用途主要用于制造各种机器零件43碳钢的牌号与用途碳素工具钢：钢号以碳的平均质量千分数表示，并在前冠以T。如T9、T12等。T9表示含C：0.9%（千分之9)。

用途主要用于制造各种刀具、量具、模具等铸钢：铸钢牌号是在数字前冠以ZG，数字代表钢中平均质量分数（以万分数表示)。如ZG25，表示含C：0.25%。

用途主要用于制造形状复杂并需要一定强度、塑性和韧性的零件,如齿轮、联轴器等。

44碳钢的常规热处理退火将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（随炉冷却)，以获得接近于平衡状态组织的热处理工艺。

正火完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、去应力退火将钢件加热到AC3和Acm以上30－50℃,保持适当时间后,在空气中冷却,得到珠光体类组织的热处理工艺。

45碳钢的常规热处理淬火将钢件加热到奥氏体化后,快速冷却,使组织转变为马氏体的热处理工艺。所得的马氏体的形态与钢的成分、原始奥氏体晶粒的大小以及形成条件有密切关系。奥氏体晶粒越小,马氏体越细。

回火将钢件淬火后,为了消除内应力并获得所要求的性能,将其加热到AC1以下的某一温度,保温一定时间,然后冷却到室温的热处理工艺。

46合金钢合金钢分类在碳钢中加入一种或多种合金元素,形成的钢称之为合金钢。

按所含合金元素的多少分：低合金钢（总质量分数低于5％)、中合金钢（总质量分数5％－10％)、高合金钢（总质量分数高于10％)。

按主要合金元素种类分:铬钢、铬镍钢、锰钢、硅锰钢等。

按用途分:结构钢、工具钢、特殊性能钢。

47合金元素的作用1。合金元素与铁的作用:合金元素加入钢中，首先溶于铁形成固溶体，超过溶解度极限时与碳形成化合物。合金元素溶与铁，形成合金铁素体或合金奥氏体。合金元素溶于铁素体会使钢的室温强度提高，这种作用称为固溶强化。

2。合金元素与碳的作用：对于与碳的亲和力较弱的合金元素，不与碳发生作用，只溶于铁素体或奥氏体中;对于与碳的亲和力较强的合金元素，当质量分数较低时，与铁一起形成合金渗碳体，当质量分数较高时，形成合金碳化物。

48不锈钢能在大气和一般腐蚀性介质中具有很高耐蚀性的钢种。用途主要用来制造在各种腐蚀性介质中工作并具有较高抗腐蚀能力的零件或结构件。广泛用于石油、化工、原子能、海洋开发、国防和一些先端科学技术领域。49合金元素的作用1。耐腐蚀性要求越高，碳的质量分数应越

低;2。加入主要的合金元素Cr。Cr能提高基体的电极电位。在氧化性介质中极易钝化,形成致密的氧化膜,提高耐腐蚀性

3。加入合金元素Ni。可获得单项的奥氏体组织,显著提高耐腐蚀性并改善钢的塑性,通过热处理还可以改善钢的强度。

50合金元素的作用5。加入合金元素Ti、Nb等:能优先同C形成稳定的碳化物，使Cr保留在基体中，避免晶界贫Cr，提高钢的耐腐蚀性。

6。加入合金元素Mn、N等:部分替代Ni以获得奥氏体组织，并能提高铬不锈钢在有机酸中的耐腐蚀性。

4。加入合金元素Mo、Cu等:提高钢在非氧化性酸中的耐腐蚀能力。

51铸铁铁及铁基合金碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金称之为铸铁，通常还含有较多的Si、Mn、S、P等元素。

用途铸铁时工程上最常用的金属材料,广泛应用在机械制造、冶金、矿上、石油化工。交通等领域。例如,铸铁在农业机械中占40－60％,在汽车拖拉机中占50－70％,在机床制造中占60－90％。铸铁的生产设备和工艺简单,价格便宜。

52铁及铁基合金铁碳合金中碳的存在形式间隙固溶与铁化合态的渗碳体游离态的石墨亚稳态,在一定条件下分解为铁和石墨稳定态,可以从铸铁溶液中析出,也可以从奥氏体中析出53铁及铁基合金铸铁的种类根据石墨化程度的不同,铸铁的类型和组织也不同。

灰口铸铁白口铸铁麻口铸铁各种铸铁的力学性能

54铁及铁基合金铸铁性能特点石墨的形态对铸铁的力学性能影响较大。灰口铸铁的抗拉强度和塑性较低,这是因为石墨对基体的严重割裂所造成的。石墨相当于钢基体中的裂纹和空洞,它减小基体的抗拉强度,并引起应力集中。石墨量越多,铸铁的抗拉强度越低。

55铁及铁基合金石墨的存在对铸铁的特殊作用1。铸铁的切削加工性能优异;2。铸铁的铸造性能良好;3。铸铁具有耐磨性;4。铸铁具有良好的减振性;5。铸铁对缺口不敏感。

56非铁及其合金铝及铝合金铜及铜合金钛及钛合金镁及镁合金57铝及铝合金铝及铝合金的特点密度低、比强度高。纯铝的密度只有2700kg/m3,仅为铁的1/4。

优良的物理、化学性能。导电性能好、磁化率低、耐腐蚀等。加工性能好。铸造性能好、易于塑性变形,经热处理后还具有很高的强度。

58铝及铝合金纯铝

名称纯度用途高纯铝99.93%-99.99%科学研究、制作电器工业高纯铝98.85%-99.9%铝箔、铝合金原料工业纯铝98.0%-99.0%电线、电缆、配置合金纯铝中含有Fe、Si、Zn等元素时,会使性能下降纯铝的强度很低,不能用作结构材料铝合金59铝及铝合金合金元素的作用

铝中加入合金元素后,可提高合金的强度,并保持良好的加工性能。

提高强度的方法固溶强化时效强化弥散强化细晶强化60铝及铝合金铝合金的种类变形铝合金铸造铝合金用途铝丝、铝箔、铝合金型材等复杂形状的铸件等61铜及铜合金铜及铜合金的特点优良的物理、化学性能。导电、导热性能好、耐腐蚀等,是抗磁材料。

加工性能好。容易冷热成形,铸造铜合金铸造性能好。

具有某些特殊力学性能。比如优良的减摩性和耐摩性高的弹性极限和疲劳强度。色泽美观。62铜及铜合金纯铜纯铜为紫色，又称紫铜。主要用于制作电导体及配制合金。工业纯铜分为4种：T1、T2、T3.T4。编号越大，纯度越低。

纯铜的强度低,不宜用作结构材料

63铜及铜合金铜合金种类铜中加入合金元素后,可提高合金的强度,并保持良好的加工性能。

铜合金的种类黄铜青铜白铜以Zn为主要合金元素。良好的加工性能,优良的铸造性能,耐腐蚀性能也好。

以Sn为主要合金元素。用于铸造形状复杂的零件。抗腐蚀性比黄铜还好。以Ni为主要合金元素。具有较好的强度和塑性,能进行冷加工变形,抗腐蚀性能也好。

64钛及钛合金钛及钛合金的特点

密度低、比强度高。耐高温、耐腐蚀性能、低温韧性好等。加工条件复杂,成本较高。

65钛及钛合金纯钛

钛的密度低,熔点高,线膨胀系数小。导热性差。纯钛塑性好,强度高,可以加工成细丝和薄片。钛在大气、海水及酸碱中的抗腐蚀性能好。

纯钛的晶体结构882.5度以上：密排六方结构，称为α－Ti882.5度以下：体心立方结构，称为β－Ti66钛及钛合金钛合金的种类α－钛合金钛中加铝、硼等α稳定元素获得α－Ti合金。这种合金的室温强度较低，但高温（500－600度)强度很高。抗氧化性、抗蠕变性以及焊接性能良好。

钛中加入钼、铬、钒等元素后可获得β－Ti合金。这种合金的强度高,冲压性能好,并可通过淬火和时效获得强化。

这种合金的塑性好,容易锻造、压延和冲压,并可通过固溶和时效进行强化。热处理后的强度可提高50％－100％。

α＋β－钛合金β－钛合金67镁及镁合金纯镁的特点密度低、比强度高。纯镁的密度只有1749kg/m3，仅为铁的1/4.铝的2/3。

镁的电极电位较低,抗腐蚀性能差。

镁属于密排六方结构,因此塑性变形能力差