河北工程大學機電學院材料成型教研室1《材料科學基礎》

《FoundationsofMaterialsScience》

緒論

一.《材料科學基礎》的基本概念

二.材料科學的發(fā)展史

三.材料的分類及其應用

四.學習《材料科學基礎》的意義

五.材料科學的研究方法

六.本課程的特點及學習方法一.《材料科學基礎》的基本概念材料是指人類用來制造有用物品的物質。材料科學是研究材料的成分、組織結構、制備工藝、加工工藝、材料的性能與材料應用之間的相互關系的科學。材料科學基礎是進行材料科學研究的基礎理論，它將各種材料（包括金屬、陶瓷、高分子材料）的微觀結構和宏觀結構規(guī)律建立在共同的理論基礎上，用于指導材料的研究、生產(chǎn)、應用和發(fā)展。它涵蓋了材料科學和材料工程的基礎理論。二、材料科學的發(fā)展史

材料往往作為劃分人類社會發(fā)展歷史階段的標志。從古代到現(xiàn)在人類使用材料的歷史共經(jīng)歷了七個時代，開始時間：

石器時代（公元前10萬年）

青銅器時代（公元前3000年）

鐵器時代（公元前1000年）

水泥時代（公元0年）

鋼時代（1800年）

硅時代（1950年）

新材料時代（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三.材料的分類及應用

（一）材料的分類

通常根據(jù)材料的結構和用途來分類。結構材料是以強度，剛度，韌性，耐勞性，硬度，疲勞強度等力學性能為特征的材料。功能材料是以聲，光，電，磁，熱等物理性能為特征的材料。

結構材料實際上是一種按結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合材料。1.金屬材料

特點以金屬鍵結合為主良好的導電性、導熱性、延展性和金屬光澤，熔點較高。用量最大、應用最廣泛黑色金屬—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12億噸，在機械產(chǎn)品中的用量已占整個用材的60%以上。

鳥巢4.2萬噸Q460鋼材

金屬材料制品2.無機非金屬材料特點：（以陶瓷為例）以共價鍵和離子鍵為主熔點高、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鍵為主分子量大，無明顯熔點，塑性、耐蝕性、電絕緣性、減振性好，密度小高分子材料在機械、電氣、紡織、汽車、飛機、輪船等制造工業(yè)和化學、交通運輸、航空航天等工業(yè)中被廣泛應用。

結構材料：電視機殼體、冰箱殼體、軸承、機械零件等絕緣材料：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

4.復合材料按基體材料可分為金屬基復合材料陶瓷基復合材料高分子復合材料

是把兩種或兩種以上不同性質或不同結構的材料以微觀或宏觀的形式組合在一起而形成的材料。玻璃纖維增強高分子復合材料

特點抗疲勞性能良好結構件減震性好比強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▲無機—高分子材料：玻璃纖維增強塑料(玻璃鋼)可用于汽車,游艇等；碳纖維增強塑料可用于飛機機翼、高爾夫球棍、撐桿跳桿等；▲金屬—陶瓷復合材料：可用于飛機螺旋槳葉等；▲高分子—高分子復合材料：橡膠增韌塑料可用于抗沖擊PSABS樹脂等減震材料。▲硼連續(xù)纖維增強的鋁基復合材料制成管材做航天飛機結構桁架。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、生物性能的材料。功能材料是能源、計算機、通訊、電子、激光等現(xiàn)代科學的基礎。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，結構保持不變。第二步：固溶體進一步與氫反應，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可逆過程。正的方向吸氫、放熱，逆向反應釋氫、吸熱。改變溫度和壓力條件，可使反應按正向、逆向反復進行。實現(xiàn)材料的稀釋氫功能。2梯度功能材料

例：熱防護梯度功能材料金屬表面陶瓷涂層材料或金屬與陶瓷復合材料，高溫環(huán)境中使用時，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)生較大的熱應力，導致出現(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，使其組分和結構呈連續(xù)變化可以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點，能有效的解決熱應力緩和問題。金屬及陶瓷構成的材料的特性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、助聽器、磁盤驅動器、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薄膜光學薄膜，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)調的材料，即從開采、產(chǎn)品制造到應用、廢棄或在循環(huán)利用以及廢物處理等整個生命周期中對生態(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功能。高性能金屬材料、超級鋼（強度韌性同時提高一倍）長壽命金屬材料：發(fā)電設備、化工設備、高溫下的發(fā)動機6納米金屬材料1nm=10－9m1納米大約3、4個原子的寬度，一根頭發(fā)絲直徑有7、8萬納米。7超導材料1、零電阻效應：當T<Tc，電阻R=02、邁斯納效應：磁感應強度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）材料的應用

讓我們回顧幾項有影響的事例，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。計算機與材料

1、個人電腦移動存儲器的比較

2、計算機經(jīng)歷：電子管→晶體管→集成電路時代

種類使用的材料存儲容量特點軟盤氧化鐵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，用量大實例壓氣機葉片壓氣機機匣飛機尾翼硼纖維鋁合金板和管材料鋁合金鈦合金碳纖維復合材料硼纖維增強鋁合金強度范圍MPa150－450350－11001000－1200（順纖維方向）1500（順纖維方向）比強度MPa55－16080－245625－750570飛機和材料

從萊特兄弟實現(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，就要采用強度高和比重小的材料，重視材料的比強度，即強度/比重之比。因此，航空和航天器中鋁、鎂合金用量大。隨著航空技術的進一步發(fā)展，輕質和高比強度的鈦合金、碳纖維高分子復合材料、硼纖維金屬復合材料等得到愈來愈多的采用。待升空的航天飛機材料和生活用品鈦結構自行車：“自行車發(fā)燒友”選擇鈦合金制自行車。鈦合金的應用場合很特殊。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；當然還要口感舒適。復合科學材料

碳、硼纖維及環(huán)氧化合物復合材料非常輕，可以在某特定方向上增加強度（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%，而強度高34%，稱為超級鋼。其優(yōu)點是：高撞擊能量吸收率；高強度-質量比；實用新型制造工藝；可以有多種不同性能(壽命、防銹等）。四、學習料料科學基礎的意義（一）材料科學的內(nèi)涵材料科學是一個跨物理、化學等的學科。材料科學的核心問題是材料的組織結構和性能以及它們之間的關系。①化學成分(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結構：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硬的固體，而后者卻很軟（因晶體結構不同，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，同時加熱（800℃），然后一根水冷，一根空冷，用手折時，發(fā)現(xiàn)前者很脆，后者很韌（因組織不同，見下圖）

材料結構關系結構的三個層次（原子結構、晶體結構、顯微組織）

（二）材料科學與材料工程的關系材料科學的形成：“材料”早存在，“材料科學”提出于20世紀60年代，1957年蘇聯(lián)衛(wèi)星上天，美國震動很大，在大學相繼建立十余個材料科學研究中心，自此開始，“材料科學”一詞廣泛應用。一般來講，科學是研究“為什么”的學問，而工程是解決“怎么做”的學問。材料科學的基礎理論，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。

材料工程：是工程的一個領域，其目的在于經(jīng)濟地，而又為社會所能接受地控制材料的結構、性能和形狀。它包括下面的五個環(huán)節(jié)。材料科學：是一門科學，它從事與材料本質的發(fā)現(xiàn)、分析和了解方面的研究，其目的在于提供材料結構的統(tǒng)一描繪或模型，以及解釋這種結構與性能之間的關系。它包括下面的三個環(huán)節(jié)，核心是結構和性能。材料科學和材料工程之間的區(qū)別主要在于著眼點的不同或者說各自強調的中心不同，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，采用一個復合名詞－材料科學與工程◆材料科學與工程：是關于材料成分、組織結構、工藝與它們性能和用途之間的有關知識的開發(fā)和應用的科學。——重點研究材料的性能——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—組織結構—工藝—性能及應用例如齒輪的生產(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的行為，材料的組織結構決定了材料的性能。如在受力時體現(xiàn)強度、受電壓作用時體現(xiàn)導電能力大小。使用性能：材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能。

力學性能、物理性能和化學性能工藝性能：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、材料科學的研究方法

材料科學研究方法分為理論研究方法和實驗研究。實驗研究的手段包括材料性能測試和微觀性能測試。材料性能測試設備包括材料的力學性能、光學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

材料拉伸疲勞試驗儀及其控制柜

X-射線儀六、本課程的特點及學習方法該課程屬于工程技術科學，