工程材料基础(清华大学)-1.绪论课件

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1、工程材料基础1.绪论本章内容1.1材料发展概要1.2材料应用现状与新材料的发展趋势1.3材料科学与工程1.4材料的分类1.5材料加工工程1.6课程主要内容及要求1.1材料发展概要材料:人类用来制造各种产品的物质，是人类生产和生活的物质基础。人类早期历史划分为石器时代、青铜器时代和铁器时代,现已进入人工合成材料的新时代。材料和能源、信息一起成为现代科学技术的三大支柱之一。1．1．1石器时代石器是人类最先使用的工具。还出现了玉器、陶器和瓷器。我国是玉器的故乡。烧制的陶器包括红陶、黑陶、白陶和釉陶。我国是最早生产瓷器的国家。瓷器成为中国文化的象征。图1-1瓷器1．1．2青铜器时代铜锡合金—青铜

2、是人类历史上发明的第一个合金。灿烂的青铜文化：“司母戊”；越王勾践的宝剑；战国青铜编钟，秦皇陵墓铜车马等。图1-2司母戊鼎1．1．3铁器时代从春秋战国时期(公元前770～221年)已开始大量使用铁器：铸铁刑鼎；铁丸、铁锸和铁鼎，比其他国家早许多个世纪。先炼铁后炼钢的两步炼钢技术比其它国家早1600多年。钢的热处理技术1．1．4钢铁工业和有色金属的发展15世纪以后，欧洲钢铁工业的发展。从20世纪50年代初至70年代末，全世界钢的年产量由2.1亿t增加到7.5亿吨。目前我国钢产量已跃居世界首位。有色金属也得到了发展。1．1．5非金属材料的发展丝绸人工合成高分子材料:从20世纪60年代到70

3、年代，有机合成材料每年以14％的速度增长而金属材料的年增长率仅为4％。20世纪90年代初，塑料产量已逾1亿t，按体积计，已超过钢铁产量。陶瓷材料:耐高温、耐腐蚀的氧化铝；将电信息转变为光信息的铌酸锂；用于切削刀具的氮化硅；具有高温超导性能的氧化钇等。1．1．6复合材料及新材料技术的发展宇航和航空工业中制造卫星壳体、宇宙飞行器外壳、飞机机身等；在交通运输工业中制造汽车车身、轻型船、艇等；在石油化工工业中制造耐酸、耐碱、耐油的容器、管道等。我国在新材料的研究和材料加工新工艺的研究工作中取得了卓有成效的重大成果。1.2材料应用现状与新材料的发展趋势1．2．1材料应用的现状用量最大的材料是钢铁材

4、料和铝合金、铜合金、钛合金和镍合金等有色金属。高分子材料、陶瓷材料和复合材料在不同工业部门也得到一定的应用，有些部门则大量使用这些材料。1．2．2新材料的发展趋势1．先进复合材料2．光电子信息材料3．低维材料4．新型金属材料5.高性能塑料6.先进陶瓷材料7．超导材料1.3材料科学与工程1．3．1材料科学与工程学科的形成材料科学与工程学科的形成是材料的发展和科学技术进步的结果，同时又为推动材料的发展和科技的进步创造了条件。1．3．2材料科学与工程的内容1．材料科学与工程的四要素四个要素，即制备与加工、组成与结构、性能和使用性能，它们之间的关系如图1-3所示。材料科学与工程的核心内容是结构与

5、性能的关系。图1-3材料科学与工程四要素的关系材料科学与工程的范围及其与基础科学和应用间的关系成分－结构－性能性能的表征与检测工艺流程制备科学与工艺工程材料基础科学（数、理、化、生、地）实际应用信息、能源、交通运输、机械制造2．材料的性能可分两类：力学性能和物理性能，如表1-2所示。力学性能强度弹性模量抗拉强度屈服强度塑性%延伸率%断面收缩率硬度抗划痕能力磨损率冲击吸收能量韧性转变温度蠕变蠕变速度应力—持久强度疲劳疲劳极限疲劳寿命续上表物理性能密度电学性能导电性介电性（绝缘性）铁电性压电性磁学性能铁氧体磁性铁磁性顺磁性光学性能吸收颜色衍射激光作用光导反射透射热学性能热容量导热性热膨胀3．

6、使用性能使用性能是材料在使用条件下表现出的行为，包括环境影响、受力状态、可靠性、耐用性、寿命预测及延寿措施、材料设计等内容。4．组成与结构一定的化学组成，这是决定材料结构和性能的内在因素。(a)工业纯铁，铁素体(b)含碳0.4%的碳钢,铁素体＋珠光体(c)含碳0.8%的碳钢，珠光体(d)含碳1.2%的碳钢,珠光体＋二次渗碳体图1-5四种不同碳质量分数的铁碳合金的室温平衡组织续上页图1-6材料内部四个不同层次的结构（a）原子结构(b)原子排列(c)铁的晶粒组织结构可分为四个层次，如图1-6所示，所有这些层次都会影响材料的性能。(d)白口铸铁中的多相组织5．制备与加工材料的制备与加工既包括传

7、统的冶炼、铸造、压力加工、焊接、热处理、烧结、表面技术、机械加工和对加工过程的模拟与仿真技术，也包括了新发展的高能束（激光束、电子束和离子束）表面改性技术、真空溅射、气相沉积、热喷涂、多种材料复合等新工艺。材料的制备与加工决定了材料的成分和组织结构，从而决定了材料的性能。1．3．3材料科学与工程的特点1.材料科学与工程是多学科交叉的新兴学科2.材料科学与工程技术有不可分割的关系3.科学与工程有很强的应用目的和明确的应用背景1.4材料