材料

绪论1.课程设置的意义和目的：材料的定义与分类材料的地位和作用材料科学与工程的形成和发展本课程设置和北工大材料科学与工程学科改革2.材料的定义：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。可为人类用于制造有用的物品。3料的分类：材料无机非金属材料高分子材料复合材料4.的地位和作用：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”。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。14材料科学与工程的内涵合成/制备效能结构/成分性质a理论及材料与工艺设计基本性能受环境影响（气氛温度受力状态）制备与加工效能(使用性能)组织结构成分b15材料科学与工程的纵向或横向分类方法材料科学与工程使用加工性能结构四要素陶瓷电子材料金属高分子材料材料科学与工程材料科学与工程的形成和发展材料科学与工程的形成和发展第一章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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。人类利用材料的历史，就是一部人类进化和进步的历史。1-2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；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。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)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。2信息科学技术正在发生结构性变革，仍然是经济持续增长的主导力量通信网络技术为信息产业注入强大活力宽带通信已成为国际上应用最广的通信技术半导体技术进入纳米时代计算机智能技术日新月异生物技术正经历着一场前所未有的技术革命，一个庞大的生物产业正在孕育和形成对生命现象本质和过程研究，进入了定量和系统整合阶段基因组学、蛋白质科学、干细胞及再生医学的研究成为生命科学的前沿与热点蛋白质科学正向深度和广度迅速发展干细胞及再生医学的研究及应用为人类健康开辟了新道路生物芯片在医疗和科研领域发挥巨大作用转基因技术及应用呈现出高速发展的态势航天技术快速发展，不断开辟人类探索的新空间太空探索带动太空探索技术加速发展研制多种用途的人货分离的新一代航天飞行器成未来趋势。小卫星技术日趋成熟并将广泛应用。太空攻防技术成为未来航天技术发展的重要领域能源技术将变革未来社会的动力基础，促进人类实现可持续发展煤炭的高效清洁利用成为化石能源技术研发热点。核能技术酝酿新的突破。氢能技术研发和商业应用加速新能源和可再生能源技术展现良好前景天然气水合物的开发受到重视用能技术发展前景广阔先进制造技术向绿色制造、高技术化、信息化、极端制造方向发展，成为提升产业竞争力的关键技术光机电一体化技术微电子光刻技术重大装备制造技术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1．信息科学技术信息材料2．新能源科学技术新能源材料3．生物科学技术生物材料4．空间科学技术空间技术用材料5．生态环境科学技术环保材料6．用高技术改造、更新现有材料，发展材料科学技术21世纪重点发展的高技术领域的材料选择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）计算机的核心部件是集成电路其容量和速度每年以50%发展，计算速度已大约每秒万亿次，2000年可达100万亿次。计算外设装置莫不决定于材料，如存储（光盘，磁盘等），显示（液晶、GaAs）。计算机的控制精度与灵敏度决定于敏感材料（传感器）的灵敏度、精度与稳定性。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。第二章材料科学与工程的四个基本要素四个要素：使用性能，材料的性质，结构与成分，合成与加工两个重要内容：仪器与设备，分析与建模§2.1性质与使用性能1.基础概念2.性质与性能的区别与关系3.材料的失效分析4.材料（产品）使用性能的设计5.材料性能数据库6.其它问题物理性质的交互性----材料应用的关键点现代功能材料不仅仅表现出单一的物理性质，更重要的是具备了特殊的物理交互性。例如电学----机械电致伸缩机械----电学压电特性磁学----机械磁致伸缩电学----磁学巨磁阻效应电学----光学电致发光使用性能：是指材料在最终使用状态（产品、元件）下表现出的行为可靠性、耐用度、寿命、性能价格比、安全性，及材料固化为产品后，表征产品优良程度的各种性能指标，如飞行速度.使用温度等。性能定义：在某种环境或条件作用下，为描述材料的行为或结果，按照特定的规范所获得的表征参量。材料力学性能：1.强度表征：弹性极限，屈服强度，比例极限2.塑性表征：延伸率δ断面收缩率φ冲杯深度h3.硬度表征：布氏硬度，洛氏硬度，维氏硬度4.刚度表征：弹性模量，杨氏模量，剪切模量5.疲劳强度表征：疲劳极限，疲劳寿命6.抗蠕变性表征：蠕变极限，持久强度三类主要的材料力学失效形式断裂磨损腐蚀材料的结构----晶体结构晶体：原子排列长程有序，有周期非晶体：原子排列短程有序，无周期准晶体：原子排列长程有序，无周期材料的强度：金属材料的尺寸减小到一定值时，材料的工程强度值不再恒定，而是迅速增大，原因有两点：1）按统计学原理计算单位面积上的位错缺陷数目，由于截面减小而不能满足大样本空间时，这个数值不再恒定；2）晶体结构越来越接近无缺陷理想晶体，强度值也就越接近于理论强度值-----结构是性能的原因。材料的强韧化：固溶强化，加工硬化，弥散强化，第二相强化，相变增韧5.成分、结构研究领域的新机遇准晶准晶的结构潜在的应用价值纳米材料纳米碳管C60(巴基球)，等界面科学超导体与基体的界面结构，功能复合材料的梯度界面，半导体材料与封装材料的界面，纤维增强体与基体的结合界面合成与加工的主要内容材料制备，材料加工，表面工程，材料复合一．材料的制备冶金过程，熔炼与凝固，粉末烧结，高分子聚合不同的材料制备方法，分别具有不同的材料科学基础内容，即：冶金过程（化学冶金目的：从原料中提取出金属内容：火法冶金，炼铁、炼铜，熔盐电冶金，电解铝、镁，湿法冶金，水溶液电解锌熔炼与凝固（物理冶金）目的:１．金属的精练提纯２．材料的“合金化”３．晶体的生长内容:1.平衡凝固4.区域熔炼2.快速凝固5.玻璃的熔炼3.定向凝固6.熔融法提拉单晶粉末烧结目的:１.粉末成型2.粉末颗粒的结合内容:1.粉末冶金技术2.现代陶瓷材料的制备高分子聚合目的:实现小分子发生化学反应，相互结合形成高分子。高分子聚合是人工合成三大类高分子材料：塑料、橡胶、合成纤维的基本过程。内容:1.本体聚合3.悬浮聚合2.乳液聚合4.溶液聚合二．材料的加工传统意义上，材料的加工范畴包括四个方面：材料的切削：车、铣、刨、磨、切、钻材料的成型：铸造、拉、拔、挤、压、锻材料的改性：合金化、热处理材料的联接：焊接、粘接材料的成型：１．液态成型２．塑变成型3.流变成型材料的联接：内容:1.焊接3.铆接2.粘接4.栓接三．材料表面工程表面改性，表面防护，薄膜技术从工艺机理上分析，表面改性同整体材料的改性是相同的，即：在表面实现材料的成分、组织与结构的变化，达到改变材料表面性能的目的。不同点就是采用了特殊的能量输入方式，使能量作用效果或成分变化仅发生在表面。腐蚀防护：大气腐蚀，海水腐蚀，工业介质腐蚀§3.4仪器与设备同传统复合材料的区别：复合材料不同的组成相复合杂化材料不同的组成原子（分子）复合同固溶体的区别：固溶体热力学平衡体系杂化材料热力学非平衡体系第二章金属材料按材料的作用分：金属结构材料金属功能材料结构与功能一体化材料Component(组元)：组成材料最基本的、独立的物质。组元可以是元素或化合物如Fe、C、O、SiO2等。材料可以由单一组元组成，如纯铁，石英SiO2等，也可以由多种组元组成，如碳钢(Fe、C二种组元)。材料的结构：键合结构晶体结构组织结构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。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。铸铁性能特点：石墨的形态对铸铁的力学性能影响较大。灰口铸铁的抗拉前强度和塑性较低，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。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。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。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。镁合金的特点低比重：工业用材料中最轻量材料（铝的2/3重），高比强度：优于钢和铝，震吸收性好：可将震动能吸收并转化成热放出易机械加工，耐冲击性好电磁屏蔽性好，可再生利用：有利于环境优化第四章：无机非金属材料什么是无机非金属材料：金属材料和有机高分子材料以外的固体材料通称为无机非金属材料。主要特性：熔点高、硬度高、化学稳定性好、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、耐氧化、弹性模量大、强度高。一般为脆性材料晶体相：晶体相是陶瓷材料最主要的组成相，主要是某些固溶体或化合物，其结构、形态、数量及分布决定了陶瓷材料的特性和应用。晶体相又分为主晶相、次晶相和第三相。陶瓷中晶体相主要有含氧酸盐（硅酸盐、钛酸盐等）、氧化物（MgO、Al2O3）、非氧化物（SiC，Si3N4）等。硅氧四面体是硅酸盐陶瓷中最基本的结构单元玻璃相：玻璃相是陶瓷材料中原子不规则排列的组成部分，其结构类似于玻璃。玻璃相的作用是：熔点低，将分散的晶体相粘结起来，填充晶体之