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這是材料科學基礎ppt謝希文,包括了教學目的與要求,緒論部分主要介紹以下幾個方面的內(nèi)容,什么是材料和材料科學基礎等內(nèi)容,歡迎點擊下載。
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材料科學基礎Foundations of Materials Science
緒論部分主要介紹以下幾個方面的內(nèi)容:
一. 什么是材料和材料科學基礎?
二. 材料科學的地位和作用。
三. 材料的分類。
四. 為什么要學習《材料科學基礎》?
五.《材料科學基礎》課程的主要內(nèi)容。
六.《材料科學基礎》課程的特點、學習方法和安排。
請同學們能不能根據(jù)材料的發(fā)展來劃分歷史?如果能,是怎樣劃分的?
一.什么是材料和材料科學基礎?
材料(Materials)是指人類社會能接受地,經(jīng)濟地的制造有用物品的物質(zhì)。是具有滿足指定工作條件下使用要求的形態(tài)和物理性狀的物質(zhì)。
廣義的材料:包括人們的思想意識之外的所有物質(zhì)(substance)。材料是國民經(jīng)濟的物質(zhì)基礎。
材料包括:天然材料和人工材料。
材料無處不在,無處不有:工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、科學技術、人民生活。
材料、能源和信息是現(xiàn)代技術的三大支柱(1998)。
生物工程、信息技術和新材料是現(xiàn)代技術的三大支柱。
材料品種、數(shù)量和質(zhì)量是國家現(xiàn)代化程度標志之一。
材料科學(Materials Science)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。材料科學是當代科學技術發(fā)展的基礎、工業(yè)生產(chǎn)的支柱,是當今世界的帶頭學科之一。
材料科學基礎(Foundations of Materials Science)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、高分子材料等)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、材料的地位和性質(zhì)
每一種新材料的應用是人類進化和發(fā)展的里程碑。材料是人類社會發(fā)展的巨大推動力,生產(chǎn)工具制造的物質(zhì)基礎是材料
材料的發(fā)展史就是人類社會的發(fā)展史。
材料的發(fā)展史就是科學技術的發(fā)展史。
由于材料的重要性,歷史學家常常根據(jù)人類使用的材料來劃分人類社會發(fā)展的歷史階段。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,其中的有些時代持續(xù)了幾個世紀,各時代的開始時間:
舊、新石器時代(公元前10萬年)
陶器時代
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、特征是多種材料并存)
材料的歷史:300,000 BC—3,500 BC
燧石:神奇的石頭,這種容易制成工具的石頭,開始了制陶業(yè)的發(fā)展(300000BC)。
天然金與銅被用作工具與武器,開始了人類金屬的使用(5500 BC)
熔煉和錘擊改變了銅的性能-材料開始發(fā)展 (5000 BC)
金屬鑄造工藝-人們得到了他們需要的形狀 (4000BC、最早的模鑄件:一個銅制杖頭)
從礦石中提煉銅-冶金業(yè)的黎明 (3500BC、埃及古墓壁畫是人類冶金業(yè)的最早紀錄之一 )
青銅的使用-制造合金 ( 3000BC、青銅:第一種合金)
秦陵兵馬俑 銅馬車
乳釘紋爵
材料的歷史:3,000 BC——1,855 AD
鐵的發(fā)現(xiàn) (1450BC、鐵制車輪)
煉鐵的需要促使了鼓風機與熔爐的發(fā)明(1500AD、廉價的冶鐵業(yè))
Henry Bessemer(1813-1898)擁有鋼鐵冶煉的專利-當代鋼鐵冶煉的出現(xiàn)。他的方法是鋼鐵制品信能大大改觀而成本也降低不少。(1855AD)
材料的歷史:1,886 AD——NOW
電化學方法冶煉鋁:使鋁成為一種常用金屬 (1866)
尼龍的商業(yè)發(fā)展,高分子材料發(fā)展的關鍵時期 (1939、尼龍的發(fā)明)
高溫合金的發(fā)展:摻鎳合金促進了噴氣發(fā)動機的發(fā)展(1950’s)
鋼鐵冶煉新技術的發(fā)展:
制作越來越小的硅芯片 (1960’S、硅芯片變得更小了)
高溫超導體,高溫超導的革命時代 (1980’S、高溫超導體)
材料在人類社會現(xiàn)代化過程中發(fā)揮了關鍵作用。
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.計算機經(jīng)歷:電子管1906年→晶體管1948年→集成電路時代 1958年
2.個人電腦移動存儲器的比較。材料科學的發(fā)展是計算機飛速發(fā)展的基礎。
信息與材料:材料將人類社會帶入了信息時代 。
信息獲。▊鞲衅鳎夯衔铮畔鬟f(光纖:無機、有機材料)-信息貯存(金屬與合金)-信息顯示(用于液晶顯示的非晶硅、有機液晶材料)-信息處理(處理器芯片硅-鍺)。
航空、航天材料和材料
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。隨著航空技術的進一步發(fā)展,輕質(zhì)鋁、鎂合金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。
發(fā)動機(高溫合金,金屬基復合材料,陶瓷與陶瓷基復合材料)、汽輪機部件(纖維增強金屬基復合材料、陶瓷基復合材料)、火箭噴嘴(難熔金屬)等。
高溫材料的選用 :固定式或移動式發(fā)動機的熱效率都隨介質(zhì)工作溫度的提高而提高。30多年來,大型噴氣式飛機的發(fā)動機推力提高了5倍多,而發(fā)動機的重量只增加1-2倍,這主要靠高溫合金的采用。下圖是不同時期飛機發(fā)動機的工作溫度。
材料的主要性能取決于母體,加入合金元素成分將改善金屬的物理及機械性能——強度、耐力、使用壽命。在飛機發(fā)動機中一種摻鎳化合物制成稱作718合金被廣泛的用于制造波音777客機上的發(fā)動機的壓縮機、葉片及緊固件。
神州飛船及運載火箭
形狀記憶合金
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。
優(yōu)點:高撞擊能量吸收率;高強度-質(zhì)量比;實用新型制造工藝;可以有多種不同性能(壽命、防銹等)。
1990年美國總統(tǒng)的科學顧問Allany.Bromley明確指出:“材料科學在美國是最重要的學科”。
1986年《科學的美國人》雜志指出:“先進材料對未來的宇航、電子設備、汽車以及其他工業(yè)的發(fā)展是必要的,材料科學的進步?jīng)Q定了經(jīng)濟關鍵部門增長速率的極限范圍。”
材料科學家?guī)煵w院士:“發(fā)展高技術新材料要十分重視應用的開發(fā),從而促進材料的產(chǎn)業(yè)化。”
材料科學家徐祖耀院士:“科技創(chuàng)新推動材料科學進步。”
《功勛卓越的金屬材料》指出:“材料科學是何等的重要,它可以使飛機重返藍天,可以讓許多科技設想變成現(xiàn)實,它與國民經(jīng)濟、國防工業(yè)、人民生活密切相關,它必將為人類進步作出重要貢獻。”
不過現(xiàn)在無論是主要材料的種類還是性能都發(fā)展的越來越快,F(xiàn)在每月都有新概念產(chǎn)生,而不是每個年代或每個世紀。
新材料階段是一個由多種材料決定社會和經(jīng)濟發(fā)展的時代;
新材料以人造為特征,非自然界中現(xiàn)成有的;
新材料是根據(jù)我們對材料的物理和化學性能的了解,為了特定的需要設計和加工而成的;
這些新材料使新技術得以產(chǎn)生和應用,而新技術又促進了新工業(yè)的出現(xiàn)和發(fā)展,從而使國家財富和就業(yè)增加。
● 按物態(tài)劃分:氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。
● 按使用領域:建筑材料、電子材料、醫(yī)用材料、儀表材料、能源材料等。
● 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。
● 按組成和結合健性質(zhì)(屬性):金屬材料、陶瓷(無機非金屬)材料、有機高分子材料以及它們分別組合成的復合材料,還有半導體材料。
● 按物理形態(tài):晶體材料、非晶態(tài)材料和納米材料。
● 按幾何形態(tài):三維材料、二維材料、一維材料和零維材料。
● 按材料的發(fā)展:傳統(tǒng)材料(鋼鐵,銅,鋁,水泥,塑料,陶瓷,... )和新材料(金屬間化合物,高溫超導材料,非晶態(tài)合金,納米材料, ...)
本課程按金屬、陶瓷、高分子和它們的復合材料來組織教材的內(nèi)容的。
金屬材料:黑色金屬材料、有色金屬材料無機非金屬材料 (或陶瓷材料):氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷高分子材料:塑料、橡膠合成纖維復合材料:金屬基復合材料、陶瓷基復合材料、樹脂基復合材料功能材料:電子材料、光電子材料、超導材料
金屬材料 用量最大、應用最廣泛的材料!黑色金屬(鋼和鑄鐵 ) 鋼:碳素鋼和合金鋼(按成分);普通鋼、優(yōu)質(zhì)鋼和高級優(yōu)質(zhì)鋼(按品質(zhì));平爐鋼、轉(zhuǎn)爐鋼、電爐鋼和奧氏體鋼(按冶煉法);結構鋼、工具鋼、特殊鋼及專用鋼(按用途)。 鑄鐵:灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵和特殊性能鑄鐵等。 有色金屬(非鐵材料:輕金屬,重金屬,貴金屬,稀有金屬) 輕金屬(密度﹤5)、重金屬(密度﹥5)、貴金屬、類金屬和稀有金屬,如A1、Cu、Zn、Sn、Pb、Mg、Ni、Ti及其合金。在工程上占有重要地位。金屬材料的基本屬性 結合健為金屬健,熔點較高,具有金屬光澤,范性、展性、延性大,強度較高,結構中存在自由電子,導熱和導電性好,在空氣中易被氧化。
無機非金屬材料● 主要包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。主要原料是硅酸鹽礦物,又稱硅酸鹽材料。 ● 按性能和用途:傳統(tǒng)陶瓷和特種陶瓷。 特種陶瓷也稱精細陶瓷、高技術陶瓷、先進陶瓷。特種陶瓷是以人工合成化合物為原料制備,用于技術和工程領域,如電子信息、能源、生物、航天航空和其它高新技術領域。機非金屬材料的基本屬性 化學健主要是離于鍵、共價健以及它們的混合鍵; 硬而脆、韌性低、抗壓不抗拉、對缺陷敏感;熔點高,具有優(yōu)良的耐高溫和化學穩(wěn)定性;一般自由電子數(shù)目少、導熱性和導電性較;耐化學腐蝕性好;耐磨損。
高分子材料 ● 以C、H、N、O元素為基礎,由大量結構相同的小單元聚合組成,分子量大,并在某一范圍內(nèi)變化。高分子材料的基本屬性: 結合健主要為共價健,部分范德華鍵;分子量大,無明顯的熔點,有玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、粘流溫度;力學狀態(tài)有玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài);強度較高;質(zhì)量輕;良好的絕緣性;優(yōu)越的化學穩(wěn)定性。
高分子材料分類 ●按來源一般分為天然高分子材料(蛋白、淀粉、纖維素等)和人工合成高分子材料(合成塑料、合成橡膠、合成纖維)兩大類; ●按性能和使用性質(zhì):塑料、橡膠、纖維、粘合劑、涂料等; ●按鏈結構:碳鏈、雜鏈、元素高聚物; ●按熱性質(zhì):熱塑性、熱固性及熱穩(wěn)定性高聚物; ●按用途:結構材料、電絕緣材料、耐高溫材料、導電高分子、高分子建筑材料、生物醫(yī)用高分子材料、高分子催化劑、包裝材料等。 ●塑料是重要的高分子材料,分為通用塑料和工程塑料。 通用塑料包括:聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料和氨基塑料。工程塑料:ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚砜、聚苯硫醚、聚酰亞胺和氟塑料等。
復合材料
由基體材料增強材料復合而成。基體材料有金屬、陶瓷、塑料等,增強材料有各種纖維和無機化合物等。
功能材料 是以光、聲、電、磁、熱等物理性能為指標,用來制造特殊性能的元件的材料。有電子材料、光電子材料、超導材料。
四.為什么學習料料科學基礎
(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(Structure)和性能(Property)以及它們之間的關系。右圖為材料科學與工程四要素。所以,先要了解材料的結構是什么?
材料結構關系
(二)材料科學與材料工程的關系
材料科學的形成:“材料”一詞早存在,“材料科學”提出于20世紀60年代,1957年10月4日和11月3日蘇聯(lián)兩顆人造衛(wèi)星上天,分別重80千克和500千克。
美國震動很大,1958年1月31日美國發(fā)射“探測者1號”人造衛(wèi)星僅8千克。美國有關部門聯(lián)合向總統(tǒng)提出報告認為美國在先進材料的研究方面落后于蘇聯(lián)是關鍵。對此58年3月18日總統(tǒng)通過科學顧問委員會發(fā)布“全國材料規(guī)劃”,決定在大學相繼建立12材料科學研究中心(實驗室),自此開始,“材料科學與工程”一詞廣泛應用。
一般科學是研究“為什么 Why”的學問,而工程是解決“怎么做 How do”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(diào)的中心不同,它們之間并沒有一條明確的界線,因此,后來人們將二者放在一起形成復合名詞-材料科學與工程(Material Science and Engineering)
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。它包括五個環(huán)節(jié)。
材料科學 :是一門科學,它從事與材料本質(zhì)的發(fā)現(xiàn)、分析、認識、分析和控制方面的理論體系,其目的在于揭示材料的行為,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。
1. 基礎學科發(fā)展奠定材料科學的基礎● 量子力學、固體物理、無機化學、有機化學、物理化學等基礎學科的發(fā)展為材料科學奠定了重要基礎。● 現(xiàn)代分析技術和設備的更新,加深了對物質(zhì)結構和物理化學性質(zhì)的理解。● 冶金學、金屬學、陶瓷學、高分子科學等自身的發(fā)展也使對材料的本質(zhì)認識大大系統(tǒng)化(組成-制備-結構-性能的關系),為學科發(fā)展打下堅實的基礎。
3. 材料測試技術及工藝技術的交叉融合● 材料結構與性能的表征參數(shù)相通,如顯微鏡、電子顯微鏡、表面測試及物理性能測試等。● 材料制備與加工中,許多工藝相通,如擠壓對金屬材料用于成型或冷加工硬化;對高分子材料,通過擠壓成絲可使有機纖維的比強度和比剛度大幅度提高。● 粉末冶金和現(xiàn)代陶瓷制造已經(jīng)很難找出明顯的區(qū)別。● 溶膠—凝膠法應用于各種材料的制備,這是利用金屬有機化合物的水解而得到納米高純氧化物粒子的方法。
(四)材料科學的發(fā)展的動力(四個方面)1.應用需求牽引的推動力● 信息技術: 從電子信息處理到光電子信息處理,以至于光子信息處理,需要電子材料、光電子材料、非線性光學材料、波導纖維、薄膜與器件等。● 能源工程技術: 要求耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、高可靠以及壽命可預測的結構材料。2.多學科交叉的推動力● 材料科學具有多學科交叉滲透的特征,包含著豐富的內(nèi)涵。● 材料的組分設計與合成,涉及化學學科的各分支-高溫過程的熱力學、動力學以至在溫和條件下的仿生合成等。
3.基礎學科發(fā)展的推動力● 研究微觀結構與性能的關系,涉及物理學、凝聚態(tài)物理及非連續(xù)介質(zhì)微觀力學等。4.科技與經(jīng)濟發(fā)展的推動力● 信息功能材料、高溫結構材料、復合材料、生物材料、智能材料和納米材料等是新技術革命的先導材料。● 毫米時代發(fā)明了拖拉機,微米時代發(fā)明了計算機,納米時代,人類將會創(chuàng)造出更大的輝煌。● 21世紀的科技發(fā)展,將以先進材料技術、先進能源技術、信息技術和生物技術等四大學科為中心,通過其相互交叉發(fā)展,為人類創(chuàng)造出完全不同的生態(tài)環(huán)境。● 新型材料將是與生物和自然具有更好的適應性、相容性和環(huán)境友好的材料。
五.本課程的主要內(nèi)容
本課程的主要內(nèi)容:
1. 材料結構學:主要是材料的微觀結構,包括原子的排列方式(原子結構與鍵合),理想的完整結構(固體結構)、不完整結構(晶體缺陷)、固體中原子和分子的運動(擴散)。實際材料的狀態(tài),包括晶體、非晶體、亞穩(wěn)態(tài)。
2. 材料相變學:主要是材料組織結構的變化規(guī)律,包括凝固和相圖(單元系的相圖、二元合金系的相圖與凝固、三元合金系的相圖和凝固)、熱處理(固態(tài)相變)。
3. 材料變形學:材料的變形、回復與再結晶
4. 材料學:金屬材料、非金屬材料、復合材料等
實驗內(nèi)容:《材料科學與工程基礎》平臺實驗13個
六.本課程的特點、學習方法和安排
本課程特點:
概念術語多。相關學科多(物理、化學、熱力學、礦物學、金屬學、陶瓷學以及高分子學等),如:
金屬材料:金屬學
無機材料:陶瓷學
高分子材料:高分子物理
學習方法:
作為專業(yè)基礎理論課程,注重培養(yǎng)能力和學習知識。
基礎理論和基本概念要掌握,注意重點;抓住主線條,不鉆牛角尖。
掌握例題的解題方法;獨立完成作業(yè)。認真記好筆記,課后短時復習?荚嚽凹霸鐝土暎灰R陣磨槍。
在深入學習和牢固掌握基礎知識、基礎理論的同時,要思考、探索它的應用,要理論聯(lián)系實際;
掌握正確的思維方式,不要死記硬背,要學以致用,善于歸納總結規(guī)律。
教與學互動:
課堂演示實驗、提問、動畫制作、案例設計、材料與生活、專題討論。
金相檢驗能為火災起火原因的認定提供科學依據(jù)
課程安排:
課程性質(zhì):必修課,專業(yè)基礎課
課程學時:96學時
考核成績:閉卷考試成績、適當考慮平時成績和實驗成績
參考書目
Properties of Materials
1、力學性能(拉伸實驗)
1) 彈性(σe)—外力作用下變形,去除后能恢復原狀的能力。
2)剛度(E)—材料受力時能抵抗彈性變形的能力。
3)塑性(δ,ψ)
4)強度(σb、σs、σ0.2)
5) 硬度(HB、HRC、HV)
6)韌性(Ak)沖擊韌性
7)抗疲勞性(σ-1)
8)蠕變極限 持久強度
2. 物理性能
1)密度(ρ)
2)熔點(t熔)
3)熱膨脹系數(shù)(α)
4)磁性(μ=B/A)
μ>1 順磁 Cr、Mn、Ni、Nb
μ>>1鐵磁 Fe、Co
μ<1 逆磁 Cu、Pb、Sn、Zn
5)導熱性和導電性
3. 化學性能
抗腐蝕、氧化
二、 材料的工藝性能
1. 切削加工性
四方面:刀具壽命,切削抗力,表面光潔度,切屑排除
2. 可鍛性
指壓力加工(熱)過程中成型的難易程度。
3. 可鑄性
流動性、吸氣、冷收縮、鑄件制品質(zhì)量。
4. 可焊性
氧化、吸氣、導熱、熱脹性、裂紋、變形
5. 熱處理性能
鑄造方法
焊接方法
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