材料科學(xué)基礎(chǔ)課件1

河北工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院材料成型教研室1《材料科學(xué)基礎(chǔ)》

《FoundationsofMaterialsScience》

緒論

一.《材料科學(xué)基礎(chǔ)》的基本概念

二.材料科學(xué)的發(fā)展史

三.材料的分類及其應(yīng)用

四.學(xué)習(xí)《材料科學(xué)基礎(chǔ)》的意義

五.材料科學(xué)的研究方法

六.本課程的特點(diǎn)及學(xué)習(xí)方法一.《材料科學(xué)基礎(chǔ)》的基本概念材料是指人類用來制造有用物品的物質(zhì)。材料科學(xué)是研究材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、制備工藝、加工工藝、材料的性能與材料應(yīng)用之間的相互關(guān)系的科學(xué)。材料科學(xué)基礎(chǔ)是進(jìn)行材料科學(xué)研究的基礎(chǔ)理論，它將各種材料（包括金屬、陶瓷、高分子材料）的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)規(guī)律建立在共同的理論基礎(chǔ)上，用于指導(dǎo)材料的研究、生產(chǎn)、應(yīng)用和發(fā)展。它涵蓋了材料科學(xué)和材料工程的基礎(chǔ)理論。二、材料科學(xué)的發(fā)展史

材料往往作為劃分人類社會發(fā)展歷史階段的標(biāo)志。從古代到現(xiàn)在人類使用材料的歷史共經(jīng)歷了七個(gè)時(shí)代，開始時(shí)間：

石器時(shí)代（公元前10萬年）

青銅器時(shí)代（公元前3000年）

鐵器時(shí)代（公元前1000年）

水泥時(shí)代（公元0年）

鋼時(shí)代（1800年）

硅時(shí)代（1950年）

新材料時(shí)代（1990年）狩獵圖石刀、石茅、石箭秦兵馬俑制陶司母戊大方鼎

象形尊(西周)鐵器埃菲爾鐵塔國家游泳中心——水立方

國家體育場——鳥巢

龍芯磁懸浮列車波音客機(jī)三.材料的分類及應(yīng)用

（一）材料的分類

通常根據(jù)材料的結(jié)構(gòu)和用途來分類。結(jié)構(gòu)材料是以強(qiáng)度，剛度，韌性，耐勞性，硬度，疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能為特征的材料。功能材料是以聲，光，電，磁，熱等物理性能為特征的材料。

結(jié)構(gòu)材料實(shí)際上是一種按結(jié)合鍵種類來分類的方法。由此可將材料分為金屬、陶瓷、高分子和由金屬、陶瓷和高分子分別組合成的各種復(fù)合材料。1.金屬材料

特點(diǎn)以金屬鍵結(jié)合為主良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性和金屬光澤，熔點(diǎn)較高。用量最大、應(yīng)用最廣泛黑色金屬—鐵及鐵合金（鋼鐵材料）有色金屬—輕金屬,重金屬,貴金屬,半金屬，稀有金屬

及其合金黑色金屬，即鋼鐵材料，其世界年產(chǎn)量已達(dá)12億噸，在機(jī)械產(chǎn)品中的用量已占整個(gè)用材的60%以上。

鳥巢4.2萬噸Q460鋼材

金屬材料制品2.無機(jī)非金屬材料特點(diǎn)：（以陶瓷為例）以共價(jià)鍵和離子鍵為主熔點(diǎn)高、硬度高、耐高溫抗氧化、耐腐蝕、耐磨、脆性大成型方式為粉末制坯、燒制成型混凝土、水泥、耐火材料、陶瓷等傳統(tǒng)陶瓷，是以天然材料(如黏土、石英、長石等)為原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。

陶瓷制品陶瓷發(fā)動機(jī)特種陶瓷，人工化合物（氧化物、氮化物、碳化物、硼化物），常用作工程上的耐熱、耐蝕、耐磨零件。3.高分子材料

塑料、橡膠、合成纖維、粘合劑、涂料等以分子鍵和共價(jià)鍵為主分子量大，無明顯熔點(diǎn)，塑性、耐蝕性、電絕緣性、減振性好，密度小高分子材料在機(jī)械、電氣、紡織、汽車、飛機(jī)、輪船等制造工業(yè)和化學(xué)、交通運(yùn)輸、航空航天等工業(yè)中被廣泛應(yīng)用。

結(jié)構(gòu)材料：電視機(jī)殼體、冰箱殼體、軸承、機(jī)械零件等絕緣材料：漆包線、電纜、絕緣版、電器零件等建筑材料：貼面板、地貼等包裝材料：塑料袋、薄膜、泡沫塑料等涂裝：涂料等粘合劑：粘合劑等日用：織物（衣服）膠鞋等運(yùn)輸：輪胎，傳送帶等ETFE（聚氟乙烯）耐腐蝕性、保溫性俱佳，自清潔能力強(qiáng)

4.復(fù)合材料按基體材料可分為金屬基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料高分子復(fù)合材料

是把兩種或兩種以上不同性質(zhì)或不同結(jié)構(gòu)的材料以微觀或宏觀的形式組合在一起而形成的材料。玻璃纖維增強(qiáng)高分子復(fù)合材料

特點(diǎn)抗疲勞性能良好結(jié)構(gòu)件減震性好比強(qiáng)度和比剛度高耐燒和耐高溫性能好具有良好的減摩、耐摩和耐潤滑性能

航空發(fā)動機(jī)▲無機(jī)—高分子材料：玻璃纖維增強(qiáng)塑料(玻璃鋼)可用于汽車,游艇等；碳纖維增強(qiáng)塑料可用于飛機(jī)機(jī)翼、高爾夫球棍、撐桿跳桿等；▲金屬—陶瓷復(fù)合材料：可用于飛機(jī)螺旋槳葉等；▲高分子—高分子復(fù)合材料：橡膠增韌塑料可用于抗沖擊PSABS樹脂等減震材料。▲硼連續(xù)纖維增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料制成管材做航天飛機(jī)結(jié)構(gòu)桁架。功能材料功能材料：是指具有一種或幾種特定功能的材料，用于非承載目的的材料，是以聲，光，電，磁，熱等物理、化學(xué)、生物性能的材料。功能材料是能源、計(jì)算機(jī)、通訊、電子、激光等現(xiàn)代科學(xué)的基礎(chǔ)。1貯氫材料

原理：第一步：先吸收少量的氫形成含氫的固溶體，結(jié)構(gòu)保持不變。第二步：固溶體進(jìn)一步與氫反應(yīng)，發(fā)生相變生成氫化物相。第三步：再提高氫壓，金屬中的含氫量略有增加。金屬與氫的反映是一個(gè)可逆過程。正的方向吸氫、放熱，逆向反應(yīng)釋氫、吸熱。改變溫度和壓力條件，可使反應(yīng)按正向、逆向反復(fù)進(jìn)行。實(shí)現(xiàn)材料的稀釋氫功能。2梯度功能材料

例：熱防護(hù)梯度功能材料金屬表面陶瓷涂層材料或金屬與陶瓷復(fù)合材料，高溫環(huán)境中使用時(shí)，由于兩者熱膨脹系數(shù)相差較大，往往在金屬和陶瓷的界面處產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致出現(xiàn)剝落或龜裂現(xiàn)象而使材料失效。若將金屬和陶瓷組合起來，使其組分和結(jié)構(gòu)呈連續(xù)變化可以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點(diǎn)，能有效的解決熱應(yīng)力緩和問題。金屬及陶瓷構(gòu)成的材料的特性3磁性材料稀土永磁合金鐵氧體、SmCo5、Nd-Fe-B電子表、微型電機(jī)、助聽器、磁盤驅(qū)動器、磁記錄材料、MP3等。4金屬薄膜材料磁性薄膜、磁帶磁盤記錄信息高溫超導(dǎo)薄膜光學(xué)薄膜，防反射膜（玻璃反射率4%）5環(huán)境材料環(huán)境材料是指與生態(tài)環(huán)境相容或協(xié)調(diào)的材料，即從開采、產(chǎn)品制造到應(yīng)用、廢棄或在循環(huán)利用以及廢物處理等整個(gè)生命周期中對生態(tài)環(huán)境沒有危害、能夠與生態(tài)環(huán)境和諧共存，能夠自我降解、對環(huán)境有一定的凈化和修復(fù)功能。高性能金屬材料、超級鋼（強(qiáng)度韌性同時(shí)提高一倍）長壽命金屬材料：發(fā)電設(shè)備、化工設(shè)備、高溫下的發(fā)動機(jī)6納米金屬材料1nm=10－9m1納米大約3、4個(gè)原子的寬度，一根頭發(fā)絲直徑有7、8萬納米。7超導(dǎo)材料1、零電阻效應(yīng)：當(dāng)T<Tc，電阻R=02、邁斯納效應(yīng)：磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0

現(xiàn)已知：銠臨界溫度=0.0002KNb3Ge臨界溫度最高=23.3K8、非晶態(tài)金屬玻璃態(tài)金屬9、信息材料高密度存儲材料10智能金屬材料形狀記憶合金（二）材料的應(yīng)用

讓我們回顧幾項(xiàng)有影響的事例，以便加深理解材料的發(fā)展在人類社會發(fā)展中起了舉足輕重的作用。計(jì)算機(jī)與材料

1、個(gè)人電腦移動存儲器的比較

2、計(jì)算機(jī)經(jīng)歷：電子管→晶體管→集成電路時(shí)代

種類使用的材料存儲容量特點(diǎn)軟盤氧化鐵1.44Mb容量小，文本文件存儲CD－RW以ZnS等為主的陶瓷材料650MbCD光盤，價(jià)低，用量大DVD－RWZnS等為主的陶瓷材料單面單層為4.7GbCD－RW和CD光盤，用量大實(shí)例壓氣機(jī)葉片壓氣機(jī)機(jī)匣飛機(jī)尾翼硼纖維鋁合金板和管材料鋁合金鈦合金碳纖維復(fù)合材料硼纖維增強(qiáng)鋁合金強(qiáng)度范圍MPa150－450350－11001000－1200（順纖維方向）1500（順纖維方向）比強(qiáng)度MPa55－16080－245625－750570飛機(jī)和材料

從萊特兄弟實(shí)現(xiàn)飛行的夢想以來，航空和航天器發(fā)生了巨變。為了飛得快和遠(yuǎn)，就要采用強(qiáng)度高和比重小的材料，重視材料的比強(qiáng)度，即強(qiáng)度/比重之比。因此，航空和航天器中鋁、鎂合金用量大。隨著航空技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，輕質(zhì)和高比強(qiáng)度的鈦合金、碳纖維高分子復(fù)合材料、硼纖維金屬復(fù)合材料等得到愈來愈多的采用。待升空的航天飛機(jī)材料和生活用品鈦結(jié)構(gòu)自行車：“自行車發(fā)燒友”選擇鈦合金制自行車。鈦合金的應(yīng)用場合很特殊。通常用于需要抗腐蝕，耐疲勞，高彈性的場合生命科學(xué)材料

原來使用專用的汞合金，為防止金屬合金的分解已經(jīng)開發(fā)出一種可以滿足口腔中特殊的物理及化學(xué)環(huán)境的新型陶瓷。具體來講，它需要滿足下列要求：耐口腔中的酸；低熱導(dǎo)率（這對你吃冷飲有好處）；盡得住數(shù)年的咀嚼力；耐驟冷驟熱；當(dāng)然還要口感舒適。復(fù)合科學(xué)材料

碳、硼纖維及環(huán)氧化合物復(fù)合材料非常輕，可以在某特定方向上增加強(qiáng)度（用于特殊目的）。

超級鋼

近來，鋼鐵工業(yè)已經(jīng)開發(fā)出一種汽車用鋼，比原先的輕24%，而強(qiáng)度高34%，稱為超級鋼。其優(yōu)點(diǎn)是：高撞擊能量吸收率；高強(qiáng)度-質(zhì)量比；實(shí)用新型制造工藝；可以有多種不同性能(壽命、防銹等）。四、學(xué)習(xí)料料科學(xué)基礎(chǔ)的意義（一）材料科學(xué)的內(nèi)涵材料科學(xué)是一個(gè)跨物理、化學(xué)等的學(xué)科。材料科學(xué)的核心問題是材料的組織結(jié)構(gòu)和性能以及它們之間的關(guān)系。①化學(xué)成分(成分)：組成材料各元素在材料中的濃度。②組織：用肉眼或借助于不同放大倍數(shù)的顯微鏡所觀察到的金屬內(nèi)部的情景。③結(jié)構(gòu)：材料中各原子的具體組合狀態(tài)。一般通過X-射線衍射或透射電鏡研究。Al的高分辨透射電鏡象舉例1金剛石（鉆石）和石墨，都是由碳原子組成，但前者是自然界中最堅(jiān)硬的固體，而后者卻很軟（因晶體結(jié)構(gòu)不同，見下圖）舉例2同樣長的一段鐵絲和鋼絲，經(jīng)彎曲后發(fā)現(xiàn)鐵絲易彎曲，而鋼絲不易彎曲，即塑性不同（因兩者成分不同）。

舉例3兩根鋸條，同時(shí)加熱（800℃），然后一根水冷，一根空冷，用手折時(shí)，發(fā)現(xiàn)前者很脆，后者很韌（因組織不同，見下圖）

材料結(jié)構(gòu)關(guān)系結(jié)構(gòu)的三個(gè)層次（原子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、顯微組織）

（二）材料科學(xué)與材料工程的關(guān)系材料科學(xué)的形成：“材料”早存在，“材料科學(xué)”提出于20世紀(jì)60年代，1957年蘇聯(lián)衛(wèi)星上天，美國震動很大，在大學(xué)相繼建立十余個(gè)材料科學(xué)研究中心，自此開始，“材料科學(xué)”一詞廣泛應(yīng)用。一般來講，科學(xué)是研究“為什么”的學(xué)問，而工程是解決“怎么做”的學(xué)問。材料科學(xué)的基礎(chǔ)理論，為材料工程指明方向，為更好地選擇、使用材料，發(fā)揮現(xiàn)有材料的潛力、發(fā)展新材料提供理論基礎(chǔ)。

材料工程：是工程的一個(gè)領(lǐng)域，其目的在于經(jīng)濟(jì)地，而又為社會所能接受地控制材料的結(jié)構(gòu)、性能和形狀。它包括下面的五個(gè)環(huán)節(jié)。材料科學(xué)：是一門科學(xué)，它從事與材料本質(zhì)的發(fā)現(xiàn)、分析和了解方面的研究，其目的在于提供材料結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一描繪或模型，以及解釋這種結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。它包括下面的三個(gè)環(huán)節(jié)，核心是結(jié)構(gòu)和性能。材料科學(xué)和材料工程之間的區(qū)別主要在于著眼點(diǎn)的不同或者說各自強(qiáng)調(diào)的中心不同，它們之間并沒有一條明確的界線，因此，后來人們常常將二者放在一起，采用一個(gè)復(fù)合名詞－材料科學(xué)與工程◆材料科學(xué)與工程：是關(guān)于材料成分、組織結(jié)構(gòu)、工藝與它們性能和用途之間的有關(guān)知識的開發(fā)和應(yīng)用的科學(xué)?！攸c(diǎn)研究材料的性能——改性

材料成型與控制工程：人類的生產(chǎn)過程即將原材料加工成成品——材料成型。一、成形——以獲得幾何形狀為目的。二、改性——以獲得性能要求為目的。成分—組織結(jié)構(gòu)—工藝—性能及應(yīng)用例如齒輪的生產(chǎn)工藝過程下料——熱處理——粗加工——熱處理——精加工——熱處理——成品（三）材料的性能及影響因素

材料的性能指的是材料受到外界作用時(shí)的行為，材料的組織結(jié)構(gòu)決定了材料的性能。如在受力時(shí)體現(xiàn)強(qiáng)度、受電壓作用時(shí)體現(xiàn)導(dǎo)電能力大小。使用性能：材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能。

力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能工藝性能：材料在加工過程中所表現(xiàn)的性能。

鑄造、鍛壓、焊接、熱處理和切削性能等五、材料科學(xué)的研究方法

材料科學(xué)研究方法分為理論研究方法和實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)研究的手段包括材料性能測試和微觀性能測試。材料性能測試設(shè)備包括材料的力學(xué)性能、光學(xué)性能等各種測試手段。材料的微觀測試手段包括掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、X-射線衍射儀，電子探針等。

透射電子顯微鏡

電子探針

掃描電鏡

材料拉伸疲勞試驗(yàn)儀及其控制柜

X-射線儀六、本課程的特點(diǎn)及學(xué)習(xí)方法該課程屬于工程技術(shù)科學(xué)，