工程材料概論

工程材料概論第一頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日課程性質(zhì)：面向全校非機(jī)械專業(yè)本科生開設(shè)的通識教育選修課開設(shè)目的及內(nèi)容：建立材料科學(xué)與工程的基本概念，了解其在經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中的作用；了解材料的共性規(guī)律與特點，建立從材料設(shè)計、組織控制、制備加工到性能評價與工程應(yīng)用的概念體系；基本掌握工程材料的基本分類方法及常用工程材料的性能和用途；進(jìn)度與安排：共16學(xué)時（1——8周）課程簡介第二頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日第一講材料科學(xué)與材料世界材料的定義與分類材料的地位和作用材料科學(xué)與工程的形成和發(fā)展材料的發(fā)展趨勢第三頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日材料的定義與分類定義：宇宙間可用于制造有用物品的固態(tài)物質(zhì)統(tǒng)稱為材料物質(zhì)≠材料材料的判據(jù)1資源2能源3環(huán)保4質(zhì)量5經(jīng)濟(jì)有用的、并能用來制造物品（件）的物質(zhì)一般指固態(tài)的，可用于工程上的物質(zhì)——工程材料作為材料科學(xué)研究對象的材料則主要是那些制造器件或物品的人造物質(zhì)第四頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日礦業(yè)及農(nóng)業(yè)科技與工程范疇材料科學(xué)與工程范疇

材料的地位和作用第五頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日材料的定義與分類定義：宇宙間可用于制造有用物品的固態(tài)物質(zhì)統(tǒng)稱為材料物質(zhì)≠材料材料的判據(jù)1資源2能源3環(huán)保4質(zhì)量5經(jīng)濟(jì)有用的、并能用來制造物品（件）的物質(zhì)一般指固態(tài)的，可用于工程上的物質(zhì)——工程材料作為材料科學(xué)研究對象的材料則主要是那些制造器件或物品的人造物質(zhì)第六頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日材料的定義與分類材料無處不在人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的材料：“800”萬種每年新增：“25”萬種具有實際工業(yè)價值的有：“8”萬種第七頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日材料的定義與分類第八頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日鐵器時代信息時代（新材料時代）石器時代（石器、陶器、瓷器)青銅器時代

材料的地位和作用第九頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日

材料的地位和作用石器時代青銅時代新材料時代鐵器時代鋼鐵時代人類利用材料的歷史，就是一部人類進(jìn)化和進(jìn)步的歷史第十頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日第一次工業(yè)革命（18世紀(jì)）制鋼工業(yè)的發(fā)展為蒸汽機(jī)的發(fā)明和應(yīng)用奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)以蒸汽機(jī)和紡織機(jī)的發(fā)明和使用為主要標(biāo)志工業(yè)革命使工廠制代替了手工工場，用機(jī)器代替了手工勞動人類社會從農(nóng)業(yè)文明轉(zhuǎn)向工業(yè)文明第十一頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日以電力和內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明和使用為主要標(biāo)志,以石油開發(fā)和新能源為突破口，大力推進(jìn)了汽車、飛機(jī)等其他工業(yè)。第二次工業(yè)革命（19世紀(jì)中葉到20世紀(jì)中葉）世界由“蒸汽時代”進(jìn)入“電氣時代”莫爾斯電報機(jī)發(fā)報第十二頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日第三次工業(yè)革命（20世紀(jì)40年代起）以核能、電子計算機(jī)、空間技術(shù)和生物工程的發(fā)明和使用為主要標(biāo)志，涉及信息技術(shù)、新能源技術(shù)、新材料技術(shù)、生物技術(shù)、空間技術(shù)和海洋技術(shù)等諸多領(lǐng)域的一場信息控制技術(shù)革命。是迄今為止人類歷史上規(guī)模最大、影響最為深遠(yuǎn)的一次科技革命第十三頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日

材料的地位和作用發(fā)電機(jī)1820年蒸氣機(jī)1763年計算機(jī)1946年第一次工業(yè)革命制鋼工業(yè)的發(fā)展為蒸汽機(jī)的發(fā)明和應(yīng)用奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)第二次工業(yè)革命合金鋼、鋁合金及其他非金屬材料的發(fā)展是此次工業(yè)革命的支撐第三次工業(yè)革命航空材料不斷進(jìn)步；塑料、合成橡膠、合成纖維的相繼問世；單晶硅材料對電子技術(shù)的發(fā)明和應(yīng)用起到了核心的作用第十四頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日

材料的地位和作用縱觀人類利用材料的歷史可以清楚地看到，每一種重要新材料的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，都把人類支配自然的能力提高到一個新的水平。材料科學(xué)技術(shù)的每一次重大突破都會引起生產(chǎn)技術(shù)的重大變革，甚至引起一次世界性的技術(shù)革命，大大地加速社會發(fā)展的進(jìn)程，給社會生產(chǎn)力和人類生活帶來巨大變革，把人類物質(zhì)文明推向前進(jìn)。第十五頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日

材料的地位和作用圖例所用材料特點

世界杯足球賽指定用球用32片復(fù)合泡沫材料縫制而成反彈力大，球速快而穩(wěn)定，耐磨。

大屏幕液晶投影電視面板用晶體硅制成。

對比度和清晰度高，顯示速度快，體積小。

DVD錄像機(jī)用DVD－RW盤片存儲節(jié)目體積小，重量輕。

仿真手臂用高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料作手臂骨骼，陶瓷作感知元件碳纖維復(fù)合材料強(qiáng)度高，重量輕，可旋轉(zhuǎn)的腕和手指以及微電機(jī)等安裝在它上面。第十六頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日

材料的地位和作用第十七頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日

材料的地位和作用種類使用的主要材料存儲容量特點軟盤氧化鐵磁性材料1.44Mb容量小，主要是文本文件的存儲。CD－RW多元合金和以ZnS等為主的陶瓷材料650Mb驅(qū)動器兼容CD光盤，光盤價低，用量高速增長。

MO(磁光盤)TbFeCo合金磁光材料650Mb1.3G需用專用驅(qū)動器，價格高，局限在廣告、圖形用戶。VD－RW多元合金和以ZnS等為主的陶瓷材料單面單層為4.7Gb驅(qū)動器兼容CD－RW和CD光盤集成芯片1G、…16G、32G…小巧便于攜帶、存儲容量大、價格便宜、性能可靠。幾種可反復(fù)讀寫的移動存儲器的比較U盤第十八頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日

材料的地位和作用實例材料強(qiáng)度范圍

MPa比強(qiáng)度

MPa

壓氣機(jī)葉片鋁合金150~45055~160

鈦合金壓氣機(jī)機(jī)匣鈦合金350~110080~245

飛機(jī)尾翼碳纖維復(fù)合材料1000~1200（順纖維方向）625~750

硼纖維鋁合金板和管硼纖維增強(qiáng)鋁合金1500（順纖維方向）570幾種航空材料的比強(qiáng)度第十九頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日

材料的地位和作用不同時期航空發(fā)動機(jī)的工作溫度第二十頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日在美國卡拉維納爾角航天基地待升空的航天飛機(jī)（穿梭機(jī)）。它是人類高技術(shù)的結(jié)晶。它應(yīng)用了成千上萬種材料，特別是一些高技術(shù)的新型材料

材料的地位和作用第二十一頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日挑戰(zhàn)者號失事失事原因右側(cè)固體火箭助推器連接處因設(shè)計上的缺陷和氣溫過低、密封墊圈失效引起的。第二十二頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日材料是現(xiàn)代文明的基石

材料的地位和作用第二十三頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日一、材料科學(xué)與工程（MSE）的定義材料科學(xué)：研究各種材料的成分、結(jié)構(gòu)、制備加工工藝與性能之間的關(guān)系材料工程：研究材料在制備、處理加工過程中的工藝和各種工程問題材料科學(xué)與工程的形成和發(fā)展第二十四頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日一、材料科學(xué)與材料工程的關(guān)系材料科學(xué)與工程的形成和發(fā)展第二十五頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日材料科學(xué)與工程的形成和發(fā)展二、材料科學(xué)與工程（MSE）的興起第二十六頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日1、需求牽引利用新材料和材料改進(jìn)飛機(jī)汽車減輕自重節(jié)約能源保護(hù)環(huán)境汽車用高強(qiáng)鋼，可減重24%，強(qiáng)度增加34%第二十七頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日1、需求牽引第二十八頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日1、需求牽引長征火箭殼體：

鋁合金744Kg；碳纖維401Kg；兩者相比:

碳纖維減重343Kg；射程增加1476Km各種材料在波音787飛機(jī)上的應(yīng)用第二十九頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日2、科學(xué)驅(qū)動固體物理、無機(jī)化學(xué)有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)材料本身的研究大大加強(qiáng)材料科學(xué)冶金學(xué)、金屬學(xué)、陶瓷學(xué)、高分子學(xué)等物資結(jié)構(gòu)和物性金屬材料、高分子材料、陶瓷材料亦自成體系；復(fù)合材料的學(xué)科體系正在形成各類材料的研究設(shè)備與生產(chǎn)手段有頗多共同之處許多不同類型的材料可以相互代替和補(bǔ)充；復(fù)合材料在多數(shù)情況下是不同類型材料的組合第三十頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日材料科學(xué)與工程的形成和發(fā)展三、材料科學(xué)與工程（MSE）的特點是多學(xué)科交叉，包括物理學(xué)、化學(xué)、冶金學(xué)、金屬學(xué)、陶瓷學(xué)、高分子化學(xué)及計算科學(xué)等是一種與實際使用結(jié)合非常緊密的科學(xué)是一個正在發(fā)展中的科學(xué)第三十一頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日材料科學(xué)與工程的形成和發(fā)展四、材料科學(xué)與工程的組成要素合成/制備結(jié)構(gòu)/成分性質(zhì)（性能）使用性能（效能）第三十二頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日材料的發(fā)展趨勢“9.11”事件與材料紐約世貿(mào)大廈1973年竣工，110層、411m主體鋼架結(jié)構(gòu)(用鋼7.8萬噸)墻面由鋁板和玻璃磚組成塔樓坍塌原因:高溫下材料強(qiáng)度迅速降低9.11之后大樓怎么建材結(jié)實？采用高強(qiáng)、輕質(zhì)材料如何對付有毒煙霧？用環(huán)保防火材料如何有利逃生？用自發(fā)光材料蓄光型自發(fā)光夜光粉第三十三頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日可以連續(xù)12年自發(fā)光的材料自發(fā)光樓梯扶手材料的發(fā)展趨勢自已會發(fā)亮的燈第三十四頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日材料的發(fā)展趨勢現(xiàn)代戰(zhàn)爭武器與材料之一B-2隱形戰(zhàn)略轟炸機(jī)隱身性能源于：特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計隱身材料的充分利用B-2使用的主要材料：主梁和發(fā)動機(jī)艙——輕金屬、復(fù)合材料其他部分——碳纖維和石墨纖維的復(fù)合材料機(jī)翼前緣——包覆吸波材料整個機(jī)體——噴涂吸波油漆（XKuP-4）吸波材料第三十五頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日材料的發(fā)展趨勢現(xiàn)代戰(zhàn)爭武器與材料之二航天飛機(jī)美國“戰(zhàn)斧”式巡航導(dǎo)彈燒蝕防熱材料為航天器提供隔熱屏障神州飛船第三十六頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日99式坦克——具備優(yōu)異的防彈外型，其炮塔和車體均采用復(fù)合裝甲，抗彈能力成倍提高99式坦克材料的發(fā)展趨勢現(xiàn)代戰(zhàn)爭武器與材料之三裝甲材料的變遷：厚鋼板合金鋼復(fù)合裝甲英國“挑戰(zhàn)者”坦克——戰(zhàn)車全重62.54噸，最大速度56千米／時，車體和炮塔采用“喬巴姆”復(fù)合裝甲英國“挑戰(zhàn)者”坦克第三十七頁，共四十頁，編輯于2023年，星期日材料的發(fā)展趨勢金屬、陶瓷、聚合物和復(fù)合材料將平分秋色新材料技術(shù)出現(xiàn)群體性突破納米技術(shù)是前沿技術(shù)中最具前瞻性和帶動性的領(lǐng)域之一光電子材