工程材料-绪论

工程材料个人信息李大永，教授研究所：机动学院精密成形与知识工程所办公室：机械大楼A楼705室电话：34206313E-mail：[e-mail]《工程材料》，崔占全等，机械工业出版社《工程材料》，朱张校等清华大学出版社MaterialsScienceandEngineering:AnIntroduction,W.D.Callister,Jr.,8thedition,JohnWileyandSons,Inc参考书目教学计划周次教学内容1绪论、材料力学性能2纯金属晶体结构、晶面和晶向3晶体缺陷、合金结构，纯金属结晶4二元合金的结晶5铁碳合金的结晶6习题课，期中考试7金属塑性成形，热处理基本理论8普通热处理，表面热处理9金属材料（含钢和铸铁），金相实验10高分子材料11陶瓷材料，复合材料12功能材料、纳米材料13材料选材与失效，期末考试上课时间：1-13周周二：3-4节周四：3-4节上课地点：东中院2-402答疑时间：周五下午1:30-2:30考核成绩•平时成绩30%作业、出勤•期中考试30%•期末考试40%绪论一、材料科学的重要地位与作用二、工程材料的分类三、工程材料的发展与应用四、本课程的任务和内容1、材料的定义定义：材料是人类用于制造各种有用物件的物质。材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料。如燃料和化学原料、工业化学品、食物和药物，一般不算是材料。有用的、并能用来制造物品（件）的物质一般指固态的，可用于工程上的物质——工程材料作为材料科学研究对象的材料则主要是那些制造器件或物品的物质物质≠材料2、材料的地位与作用由于材料的重要性，历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。材料是人类文明的里程碑石器时代(石器、陶器、瓷器)材料是人类文明的里程碑旧石器时代（100万年前）：石头做工具新石器时代（约1万年前）：加工石头成器皿、工具陶器时代（8000-9000年前）：陶器用于器皿、装饰青铜器时代(约5000年前)材料是人类文明的里程碑在烧制陶器过程中，偶然发现金属铜和锡，实际上是在高温下碳还原了铜、锡的氧化物，进而又生产出色泽鲜艳、又能浇注成型的青铜，从而人类开始进入青铜时代铁器时代(约3000年前)材料是人类文明的里程碑生铁炒熟铁图信息时代（新材料时代）材料是人类文明的里程碑蒸气机发电机1820年1763年计算机1946年第一次工业革命制钢工业的发展为蒸汽机的发明和应用奠定了物质基础􀂋第二次工业革命合金钢、铝合金及其他非金属材料的发展是此次工业革命的支撑第三次工业革命航空材料不断进步；塑料、合成橡胶、合成纤维相继问世；单晶硅材料对电子技术的发明和应用起到了核心的作用􀂋材料是经济和社会发展的先导材料是经济和社会发展的先导现代文明生物技术信息技术能源技术新材料技术材料是现代文明的基石•二十一世纪支柱产业：新材料、新能源、信息工程、生物工程。•材料品种、数量和质量是衡量国家现代化程度的重要标志。材料科学四面体结构固有特性制作方法性能使用性能3、材料科学与工程什么是材料科学与工程研究有关材料的组织、结构、制备工艺、流程与材料性能和用途的关系，以及其知识的产生和应用的学科。世界制造技术趋势－材料制造一体化材料制造一体化即产品设计、材料制备与成形制造的一体化，是通过材料科学与制造科学的交叉融合，实现“控形”与“控性”的统一，成为成形制造技术的发展趋势。脱离材料制备的成形制造使大量产品“形似而神不似”脱离成形制造的材料制备使大量高性能新材料“无用武之地”材料-制造一体化：ICME集成计算材料工程（ICME)实际零部件晶粒枝晶析出相原子研究手段：多尺度模拟——立足于定量描述材料微观组织信息、加工工艺和产品性能之间的关系19•2008年，美国国家研究委员会首次指出ICME对制造技术发展的重要性•2009年，美国TMS学会提出ICME是促进新材料与先进制造发展的新方向•2011年，美国总统奥巴马将ICME技术列入“先进制造业伙伴关系”计划，并建议大力推动ICME的发展进程•密西根大学计划投资3千万美元建立ICME工程中心•康涅狄格州及州立大学计划投资1.7亿美元用于ICME相关研究和教育集成计算材料工程（ICME)20绪论一、材料科学的重要地位与作用二、工程材料的分类三、工程材料的发展与应用四、本课程的任务和内容二、工程材料的分类材料的结合键原子、离子或分子之间的结合力称为结合键。一般可把结合键分为离子键、共价健、金属键和分子键四种。(1).离子键定义：正离子和负离子由静电引力相互吸引；同时当它们十分接近时发生排斥，引力和斥力相等即形成稳定的离子键。特点：结合力大；难以产生自由运动的电子；外层电子束缚牢固，不吸收可见光晶体特点：硬度高、强度大、热膨胀系数小、脆性大；绝缘性能好；无色透明代表晶体：NaCl、CaO、Al2O3二、工程材料的分类材料的结合键(2).共价键定义：由共用价电子对产生的结合键叫共价键。特点：共价键的结合力很大晶体特点：共价晶体强度高、硬度高、脆性大、熔点高、沸点高和挥发性低。代表晶体：金刚石、SiC、Si3N4、BN定义：正离子和电子气之间产生强烈的静电吸引力，使全部离子结合起来。这种结合力叫做金属键。特点：存在大量自由电子；自由电子吸收并辐射光能；无方向性、饱和性晶体特点：导电、导热性好；电阻温度系数为正；不透明，金属光泽；塑性好、强韧性好(3).金属键金属键的特性1.良好的导电性和导热性。2.正的电阻温度系数。绝大多数金属具有超导性，即在温度接近于绝对零度时电阻突然下降，趋近于零。3.良好的塑性变形能力，金属材料的强韧性好。金属键没有方向性，原子间也没有选择性，所以在受外力作用而发生原子位置的相对移动时，结合键不会遭到破坏4.不透明并呈现特有的金属光泽。金属中的自由电子能吸收并随后辐射出大部分投射到表面的光能。定义：原子或分子之间是靠范特瓦尔斯力结合起来，这种结合键叫分子键。特点：结合力小；不存在自由电子晶体特点：由分子键结合的固体材料熔点低、硬度也很低;无自由电子，因此材料有良好的绝缘性。代表晶体：惰性气体(4).分子键二、工程材料的分类工程材料是指具有一定性能，在特定条件下能够承担某种功能、被用来制取零件和元件的材料。工程材料的分类按成分金属材料无机非金属材料有机高分子材料复合材料按来源天然材料人工材料按用途结构材料功能材料按使用领域信息材料能源材料建筑材料航空航天材料电子材料生物医学材料………1.按材料的化学组成分类（1）金属材料（2）无机非金属材料（3）高分子材料（4）复合材料金属高分子陶瓷复合材料二、材料的分类二、材料的分类以金属键结合为主良好的导电性、导热性、延展性和金属光泽用量最大、应用最广泛(1)金属材料黑色金属有色金属—轻金属,重金属,贵金属,稀有金属以分子键和共价键为主塑性、耐蚀性、电绝缘性、减振性好，密度小包括塑料、橡胶及合成纤维等(2)高分子材料二、材料的分类以共价键和离子键为主包括水泥、玻璃、耐火材料，和陶瓷等。主要原料是硅酸盐矿物，又称硅酸盐材料。陶瓷材料：熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大(3)无机非金属材料陶瓷发动机二、材料的分类(4)复合材料包括：金属基复合材料陶瓷基复合材料高分子复合材料是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。玻璃纤维增强高分子复合材料二、材料的分类2.按材料的使用性能分类（1）结构材料以强度、刚度、塑性、韧性等力学性能为指标，用来制造承受载荷、传递动力的零件和构件的材料。二、材料的分类2.按材料的使用性能分类（2）功能材料是以光、声、电、磁、热等物理性能为指标，用来制造特殊性能的元件的材料。二、材料的分类绪论一、材料科学的重要地位与作用二、工程材料的分类三、工程材料的发展与应用四、本课程的任务和内容透射电子显微镜扫描电子显微镜金相光学显微镜光镜下电镜下三、工程材料的发展与应用在当代科学技术迅猛发展基础上朝精细化、超高性能化、高功能化、复杂化、生态环境化和智能化的方向发展。当前的材料从使用要求：多样化、复合化、智能化、高性能从应用：结构材料—功能材料—结构/功能一体化材料从材料：金属（合金）--金属间化合物—金属/非金属化合物—金属/非金属复合材料—非金属复合材料从组织结构：多晶—单晶—微晶—纳米晶—非晶从形态尺度：块体—薄膜—线材（一维）现材料已发展到成千上万种，涉及社会经济生活的几乎所有方面。三、工程材料的发展与应用三、工程材料的发展与应用神舟飞船蛟龙号深海潜水器高速列车航空母舰国家的重大战略需求易焊接新一代钢铁材料高强度高韧性长寿命可循环三、工程材料的发展与应用国民经济建设洁净化安全化轻量化舒适化信息化汽车材料三、工程材料的发展与应用高强度钢板在车身上应用三、工程材料的发展与应用•材料和结构轻量化是汽车节能减排的有效途径。•汽车重量每减少10%，油耗降低8%，排放下降4%。三、工程材料的发展与应用三、工程材料的发展与应用铝合金车身结构采用全铝骨架车身结构，刚度提高60%，焊点减少40%，比采用传统钢材料车身减轻了40%。三、工程材料的发展与应用镁合金方向盘镁合金汽车仪表板支架镁合金在汽车上的应用三、工程材料的发展与应用镁合金覆盖件超级跑车车身大量应用碳纤维复合材料车身塑料件三、工程材料的发展与应用NaturalFiber-HempFilledNylon(EngineValveCover)Corn-basedPLA-PolyLacticAcid(FloorMats,Labels,TrunkLiner)Soy-basedPolyurethaneFoam三、工程材料的发展与应用Bio-basedmaterials碳纤维/环氧树脂碳纤维/芳纶/环氧树脂玻璃纤维增强塑料芳纶/杜邦聚酰胺芳纶/泡沫芯板碳纤维/杜邦聚酰胺三、工程材料的发展与应用飞机上用的复合材料飞机上用的复合材料增韧石墨石墨混杂复合材料玻璃纤维GLARE蒙皮用于A380飞机的上机身蒙皮中国自研大飞机面临发动机与复合材料两大难题大推力、高涵道比涡扇发动机大量运用了复合材料或钛合金空心宽弦叶片、整体叶盘。B-2隐形轰炸机除主体结构是钛复合材料外，其它部分均由碳纤维和石墨等复合材料构成，不易反射。全复合材料机身：轻型机的价格，中型机的宽敞客舱，客舱内站立高度为1.65米。目前商用飞机上复合材料占全机重量的50%，而某些直升机早已达到90%荷兰计划研发新型绿色环保飞机外形将酷似飞碟,另一个设想就是使用复合材料，如纤维增强塑料。这种复合材料强度可与金属媲美，而重量却比金属轻得多，因此可以节省燃油。碳纤维/树脂复合材料生物医学制品和体育运动三、工程材料的发展与应用有机高分子材料人工骨人工心脏瓣膜绪论一、材料科学的重要地位与作用二、工程材料的分类三、工程材料的发展与应用四、本课程的任务和内容课程内容（1）工程材料的基本理论即材料的结构与性能、金属材料的组织与性能控制(纯金属凝固、金属塑变与再结晶、钢的热处理、钢的合金化)（2）常用工程材料金属材料(工业用钢、铸铁、有色金属及合金)、高分子材料、无机非金属材料、复合材料、功能材料、纳米材料。（3）机械零件的失效、强化、选材及工程材料的应用四、本课程的任务和内容对材料科学中的普遍现象、行为有深入而广泛的了解和正确的评价。掌握基本概念，对化学成分、组织结构、加工工艺与性能之间的关系有充分的理解。了解常用材料的用途和加工工艺。初步具备合理选材、正确确定加工方法、妥善安排工艺路线的能力。基本概念多，与实际联系紧密，是一门应用科学。要求四、本课程的任务和内容三、工程材料的发展与应用有机高分子材料