材料科学与工程导论

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1、材料科学与工程导论1本课程的基本概念：材料科学虽然是一门基础科学，但是它涉及到诸如本课程的基本概念：表面物理学、表面化学、金属学、陶瓷学、高分子学、传热学、传质学等多个学科的理论；同时也与信息科学、生命科学、深海和深空科学等现代科学技术紧密相连。1.1材料与人类文明一、材料与人类文明发展（历史贡献）--石器时代、铜器时代、铁器时代、钢铁时代、合成材料时代、复合材料时代……陶器（china）1.陶器出現是人类跨入新石器时代的重要标志之一，2.据目前已知的考古资料，中国的陶器制作至少已8000年以上的历史。青铜：第一种合金1.青铜，古称金或吉金，

2、是红铜与其它化学元素（锡、镍、铅、磷等）的合金。2.史学上所称的“青铜时代”是指大量使用青铜工具及青铜礼器的时期。3.到春秋战国時期，齐国工匠总结科技经验写成的《考工记》一书中，提出了「金有六齐」，这是世界科技史上最早的冶铜经验总结。二、材料与人类现代文明－－材料是发展高科技的先导和基石（一）支撑人类现代文明大厦的四大支柱技术1.材料科学与技术2.生物科学与技术3.能源科学与技术4.信息科学与技术*其中材料是基础！材料的应用：计算机与材料；飞机和材料;复合科学材料能源。（二）新能源材料则是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的

3、关键材料。1.主要包括储氢电极合金材料为代表的镍氢电池材料；2.嵌锂碳负极和LiCoO2正极为代表的锂离子电池材料、燃料电池材料；3.Si半导体材料为代表的太阳能电池材料；4.铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料等。1.2材料科学概论化学成分不同的材料其性能也不相同。但对于同一成分的材料，通过不同的加工工艺也可以使其性能发生极大的变化。*可见，除化学成分外，材料内部的结构和组织状态也是决定材料性能的重要因素。*材料科学与工程（MSE）四要素:材料的合成与制备;成分与组织结构;材料特性;服役行为与使用寿命。*性能:工程材料的性能主要是指材料的使用性

4、能和工艺性能。一使用性能:材料的使用性能是指在服役条件下，能保证安全可靠工作所必备的性能，其中包括材料的力学性能、物理性能和化学性能。①力学性能:主要包括工程材料的强度、硬度、塑性、韧性、蠕变和疲劳性能。②物理性能:主要包括工程材料的熔点、密度以及电、磁、光和热性能。③化学性能:是指工程材料在环境作用下的耐腐蚀和抗老化性能。（一）、力学性能——材料在外加载荷（外力或能量）作用下或载荷环境因素（温度、介质和加载速率）联合作用下表现出来的行为。－主要是指材料在力的作用下抵抗变形和开裂的性能。　机械设计中应首先考虑材料的力学性能。通俗地讲力学性能决

5、定了在多大和怎样形式的载荷条件下而不致于改变零件几何形状和尺寸的能力。指标:弹性、塑性、韧性、强度、硬度和疲劳强度等。1、材料的强度(strength)—材料所能承受的极限应力。物理意义:材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。公式：σ=P/Fo单位：单位：MPa(MN/mm2)（1）屈服强度σs（yieldstrength）和条件屈服强度σ0.02a:σs=Ps/Fo  （σs代表材料开始明显塑性变形的抗力,是设计和选材的主要依据之一。）Ps-试样屈服时的载荷(N)σs=(Mpa)F0-试样

6、原始横截面积(mm2)b:σ0.2条件屈服强度P0.2-试样产生0.2%残余塑性变形时的载荷(N)σ0.2=(Mpa)S0-试样原始横截面积(mm2)脆性材料：σb=σs灰口铸铁（2）．抗拉强度(tensilestrength)σb=Pb/Fo材料被拉断前所承受的最大应力值（材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值）。Pb-试样断裂前的最大载荷(N)σb=(Mpa)S0-试样原始横截面积(mm2)（3）疲劳强度σ-1(fatiguestrength)a:疲劳现象：承受载荷的大小和方同随时间作周期性变化，交变应力作用下，往往在远小于强度极限，甚至小于

7、屈服极限的应力下发生断裂。b:影响因素：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、表面状态、残余应力2、塑性(plasticity):－材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。*延伸率（specificelongation）：指试样拉断后的标距伸长量Lk-L0与原始标距L0之比。（二）物理性能1.热容：材料在温度升高1℃时所吸收的热量叫做热容。一克（g）物质的热容也叫比热容。2.电磁学性能（1）导电性R＝ρL／S（电阻率：ρ电导率：1/ρ）（2）磁性a：物质接磁性分类：抗磁性物质顺磁性物质铁磁性物质b：磁化强度M＝X·HX：磁化率（或

8、磁化系数）c：导磁率B＝μ·H（μ：介质导磁率）d：磁弹回线和矫顽。（三）化学性能二．工艺性能:材料的工艺性能是指材料的可加工性。利用材料的加工工艺可以将未经成型的