材料科學和工程基礎第一章

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1、材料科學和工程基礎第一章材料科學和工程基礎第一章第一章第一章緒論緒論Chapter1Introduction WhatisMaterials ClassficationofMaterials WhatisMaterialsScience WhatisMaterialsEngineering ImportanceofMaterialsonProgressofHumenHistoryandModernScienceandTechnology ObjectiveandMethodsofLearningthisCourseChapter 1材料科學和工程基礎第一章 1-1材料的定義和分類材料的定義和分

2、類(DefinitionandClassfication)1-1-1定義定義 1.材料材料 Materials Material：材料科學 （工科）物質科學 （理科）Webster編者“New International Dictionary（1971年）”中關于材料（Materials）的定義為：材料是指用來制造某些有形物體（如：機械、工具、建材、織物等的整體或部分）的基本物質（如金屬、木料、塑料、纖維等）邁爾邁爾新百科全書新百科全書中材料的含義：材料是從原材料中取得的，為生產半成品、工件、部件和成品的初始物料，如金屬、石塊、木料、皮革、塑料、紙、天然纖維和化學纖維等等。材料是指具有滿足指定

3、工作條件下使用要求的形態和材料是指具有滿足指定工作條件下使用要求的形態和物理性狀的物質。物理性狀的物質。材料科學和工程基礎第一章 2.原料與材料原料與材料 原料（Raw Materials）由原料到材料。原料一般不是為獲得產品，而是生產材料，往往伴隨化學變化。材料的特點往往是為獲得產品，一般從材料到產品的轉變過程不發生化學變化。3.材料與物質材料與物質(Materials and Matter)材料可由一種或多種物質組成。同一物質由于制備方法或加工方法不同可以得到用途各異、類型不同的材料。材料科學和工程基礎第一章 1-1-2類別類別classfication材料可以根據化學組成、狀態、作用和使

4、用領域分類。金屬材料 化學組成分類化學組成分類 無機非金屬材料 components 有機高分子材料 氣態 狀態分類狀態分類 液態 單晶 state 固態 多晶 非晶 復晶 作用分類作用分類 功能 function 結構（工程）應用領域分類應用領域分類 建筑、儀表、電子、醫用 application 包裝、耐火能源等等。材料科學和工程基礎第一章1.金屬材料金屬材料metals(1)黑色金屬材料黑色金屬材料 化學成分碳素鋼、合金鋼 品質普通、優質、高級優質鋼 鋼鋼-金相組織或組織結構珠光體、貝氏體、馬氏體和奧氏體Stell 用途建筑工程、結構、工具、特殊性能、專業用鋼 冶煉方法平爐、轉爐、電爐、

5、沸騰爐鋼 灰鑄鐵 可鍛鑄鐵 鑄鐵鑄鐵 球墨鑄鐵 蠕墨鑄鐵 特殊性能鑄鐵 材料科學和工程基礎第一章(2)有色金屬有色金屬五大類五大類 輕金屬 （4.58/cm2)銅、鎳、鉛、鋅 貴金屬 金、銀、鉑、銠 類金屬（半）硅、硒、紳、硼 稀有金屬 鈦、鋰、鎢、鉬、鐳 常用的稀有金屬材料有：Al、Cu、Zn、Sn、Pb、Mg、Ni 材料科學和工程基礎第一章(3)基本特性基本特性 Principal Properties a.金屬鍵，常規法生產的為晶體結構；b.常溫下固體熔點較高；c.金屬光澤；d.純金屬范性大、展性、延性大；e.強度較高；f.導熱、導電性好；g.空氣中移氧化，如鋼、鐵等生成氧化膜，合金可改

6、性 抗氧化性。(4)用途用途 Application a.結構材料:如機床,建筑機械設備、工程交通工具；b.導體材料，電線芯（銅）c.工具材料科學和工程基礎第一章2 無機非金屬材料無機非金屬材料 Inorganic nonmetals(1)分類分類（按成分，化學結構和用途分四大類）混凝土混凝土（水泥）玻璃玻璃 Glass 硅及耐火材料硅及耐火材料 Silane 陶瓷（器）陶瓷（器）Ceramics 傳統陶瓷傳統陶瓷（天然硅酸鹽硅酸鹽礦）：各中粘土燒 制而成。(Silicate Ceramics)特種陶瓷特種陶瓷（人工化合物：氧化物、氮化物、硼化物、碳化物）。材料科學和工程基礎第一章(2)基本特

7、性基本特性，以陶瓷陶瓷為例，其它有較大差別 a.離子鍵、共價鍵及其混合鍵；b.硬而脆；c.熔點高、耐高溫抗氧化 d.導熱、導電性差；e.耐化學腐蝕性性好；f.耐磨；g.成型方式為粉末制壞、燒制成型(3)用途用途 建筑衛生陶瓷：瓷磚、浴缸。工程陶瓷 工程結構陶瓷：反應釜（耐酸、耐腐蝕）絕緣瓷瓶。功能陶瓷：磁性、導電。材料科學和工程基礎第一章3.高分子材料高分子材料 polymers,Marcomolecules (1)分類分類 碳鏈 CCC 按主鏈結構按主鏈結構 雜鏈 CNC=O COC backebone 元素 Si、P、B 塑料 Plastics 通用塑料、工程塑料；熱塑性、熱固性 橡膠 R

8、uber 天然、合成 按使用性質按使用性質 纖維 Fiber 人造、合成 粘合劑 Adhesive 涂料 Coating材料科學和工程基礎第一章(2)基本性質基本性質 a.共價鍵，部分范氏鍵 b.分子量大，無明顯容點，有玻璃化轉變溫度Tg和粘流溫度Tf；c.力學狀態有三態 玻璃態、高彈態、粘流態 d.比重小 e.絕緣性好 f.優越的化學穩定性 g.成型方法多(3)用途用途 結構材料：電視機殼體、冰箱殼體、軸承、機械零件 絕緣材料：漆包線、電纜、絕緣版、電器零件 建筑材料：貼面板、地貼 包裝材料：塑料袋、薄膜、泡沫塑料 涂裝：涂料 粘合劑：粘合劑 日用：織物（衣服）膠鞋 運輸：輪胎，傳送帶材料科

9、學和工程基礎第一章4.復合材料復合材料 composites 定義：定義：由兩種以上組分組成，并且具有與其組成不同的新的性能的材料 (1)分類分類 按性能：按性能：結構復合材料 功能復合材料 按增強劑形狀及增強機理按增強劑形狀及增強機理：粒子增強 纖維增強 基體基體Matrix增強體增強體Reinforcement 金屬 金屬、無機非金 按復合方式按復合方式 無機非金屬 金屬、無機非金屬 高分子（塑料，橡膠）金屬、無機非金、高分子材料科學和工程基礎第一章(2)基本性質基本性質 a.抗疲勞性能良好；b.結構件減震性好；c.比強度和比量高；d.耐燒能性和耐高溫性能好 e.具有良好的減摩、耐摩和耐潤

10、滑性能(3)用途用途 無機-高分子 玻璃纖維增強塑料(玻璃鋼)汽車,游艇，碳纖維增強塑料飛機機翼、高爾夫 球棍、撐桿跳桿 金屬陶瓷 飛機螺旋槳葉 綜合金屬韌性，陶瓷耐 高溫性 高分子-高分子 橡膠增韌塑料 抗沖PS ABS樹脂 減震材料 材料科學和工程基礎第一章1-2材料科學與工程概述材料科學與工程概述BriefIntroduction1-2-1材料的重要作用材料的重要作用ImportanceofMaterialsfortheDevelomentofHumenHistoryandScience&Technology 材料是人類社會發展的巨大推動力，生產工具制造的物質基礎是材料。石器時代陶器時代

11、 青銅時代 鐵期時代復合材料 材料的使用和發展，與生產力和科學技術的水平密切相關 舉例舉例：(1)1764年工業革命，第一部機器（手搖）1769年 水力紡紗機 1782年 蒸汽機為動力的紡紗機，紡織業（動力）材料科學和工程基礎第一章 瓦特發動機、傳動機、工作機機器系列 機器制造 鐵 冶煉業 木炭大量砍伐；水土流失 煤 采礦業 攪煉法（鼓風）煉鋼 交通運輸業 1945年 電子管計算機 幾間大屋 半導體集成電路小型芯片、液晶、分子器 件、計算機（PC）手提電腦，掌上電腦材料科學和工程基礎第一章(2)目前目前 材料品種幾十萬種（手冊中）科學技術發展的三大支柱：80年代 能源、材料、信息 90年代信息

12、技術、新材料、生物技術 高速民航客機使用的復合材料，高比強、代替金屬、重量輕 耐摩擦、熱氧穩定、力學性能 生物降解材料（環境保護）計算機、液晶顯示屏（低電壓）信息社會要術各種各樣光、電、磁、聲材料(3)各種材料相互替換、復合、共性、特性各種材料相互替換、復合、共性、特性 納米材料材料科學和工程基礎第一章材料科學和工程基礎第一章材料科學和工程基礎第一章材料科學和工程基礎第一章材料科學和工程基礎第一章材料科學和工程基礎第一章材料科學和工程基礎第一章材料科學和工程基礎第一章1-2-2材料科學與工程的范疇和任務材料科學與工程的范疇和任務學科建立學科建立 Establishment of Maerial

13、s Scienceand Engineering 1960s 金屬材料金相學金屬學 無機材料無機化學陶瓷學 高分子材料高分子化學高分子物理(2)內容和任務內容和任務 Contents and Objective材料科學：材料科學：從理論上研究金屬、無機非金屬和有機高分子等材料的成分、結構、加工工藝同材料性能及材料應用之間的相互關系。材料科學與工程材料科學與工程：關于材料組成、結構、制備工藝與其性能及使用過程間相互關系的知識開發及應用的科學學科性質學科性質：是介于基礎科學與應用科學之間的應用基礎科學，（邊緣學科）。材料科學和工程基礎第一章PerformancePropertiesSynthesi

14、s and ProcessingCompositions and Structures材料科學和工程基礎第一章材料科學和工程基礎第一章 研究內容：研究內容：科學性 a.從化學角度出發，研究材料的化學組成、鍵性、結構與性能的關系 b.從物理角度，闡述材料的組成原子、分子及其運 動狀態與各物性之間的關系c.材料的制備工藝技術性 d.材料的性能表征 e.材料的應用(3)材料工程材料工程 Materials Engineering 對于工程技術人員：如何選擇特定應用環境下需要的材料，來滿足使用要求，如何按實際要求設計新材料，須弄清以下三個關系 （材質）材料內部結構與性能 （內部形態）加工工藝與性能 （

15、使用環境，耐久性）材料的性能與使用過程 材料科學和工程基礎第一章1-3本課程的內容和學習方法本課程的內容和學習方法1-3-1內容內容 第一章第一章緒論緒論 Introduction 材料的定義、分類 及基本內容 第二章第二章物質結構基礎物質結構基礎 Fundamentals of Material Structure 各類材料結構上的共性基礎、原子分子、聚集 態、表面、轉變 第三章第三章材料的組成及結構材料的組成及結構 Compositions and Structures of Materials 從材料的組成入手，闡述各種材料的聚集態結 構和宏觀組織結構。材料科學和工程基礎第一章 第四章第

16、四章材料的性能材料的性能 Properties of Materials 闡明在應力、熱、光、電、聲、化學介質等各種外界因素下，各類材料所表現的宏觀性質、破壞形式及其內部結構的變化規律。第五章第五章材料的制備和成型加工材料的制備和成型加工 Preparation and Manufacturing of Materials 從不同種類材料出發，闡明材料的制備原理和方法。材料科學和工程基礎第一章1-3-2學習方法和要求學習方法和要求 中文教材和英文教材相結合，電子課件上網，中英文習題 課堂講授、課堂討論和課外作業、課前預習相結合 通過物質結構與組成的基本理論的學習，掌握材料的結構性能內在關系；通過對比，了解高分子材料與金屬和無機非金屬材料在材料結構和性能特點上的主要異同點；運用結構性能關系的原理，了解主要材料品種的制備和應用的特點，具有一定材料設計的基礎知識。