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材料科学与工程导论Introductiontomaterialscienceandengineering河南理工大学矿物加工专业绪论材料的定义与分类材料的地位和作用材料科学与工程的形成和发展材料的定义•材料是人类用于制造机器、构件和产品的物质,是人类赖以生存和发展的物质基础。挑战者1983首航1986第十次一个O形环失效升空后73秒时，爆炸解体坠毁。机上的7名宇航员RMSTitanic冰山撞击了船体，导致船底的铆钉承受不了撞击因而毁坏，当初制造时也有考虑铆钉的材质使用较脆弱，而在铆钉制造过程中加入了矿渣，但矿渣分布过密，因而使铆钉变得脆弱无法承受撞击冰海沉没材料的分类分类一：按物理化学属性划分•无机非金属材料•金属材料•高分子材料•复合材料材料的分类分类二：按用途分电子信息材料航空航天材料核材料建筑材料生物医用材料能源材料13523196309图13中科院金属所研制的纳米碳纤维储氢材料材料的分类分类三：按性能分•结构材料：力学性能为基础，制造受力构件所需的材料。•功能材料：利用物质独特的物理化学性质或生物功能而形成的材料。材料的分类•分类三：按性能分功能材料智能材料材料的分类•分类四：按应用与发展分•传统材料•新材料材料是人类文明的里程碑公元前10万年石器时代公元前3000年青铜时代公元前1000年铁器时代公元0年水泥时代公元1800年钢时代公元1950年硅时代20世纪初高分子材料21世纪先进复合材料人类使用不同材料的开始时间材料是社会现代化的物质基础与先导•第一次工业革命（18世纪）：蒸汽机、煤、铁、钢四个主要因素，theageofmachine。•钢铁材料的进步是其主要物质基础•第二次工业革命（20世纪中叶以来）：单晶硅材料对电子技术的发明和应用起了核心作用。材料强度密度比在不同年代里的进展(由图中可以看出,现代先进材料的强度已比原始材料提高了约50倍)024681016001700180019002000年份强度/密度（ln×10）铝木材石料青铜铸铁钢复合材料碳纤维芳香族酰胺纤维6现代涡轮喷气发动机３０年代气冷式航空发动机蒸汽机19501960197019801990200020102020900110015001300材料的表面温度(℃)1700单晶合金普通铸件定向凝固超级合金共晶合金弥散强化超级合金隔热涂层陶瓷复合材料碳-碳在发动机上应用的年份叶片材料的发展历程纤维增强超级合金1490C3150C6490C10930C16490C发动机温度一次大战水冷式30年代空冷式风扇喷气发动机蜗轮喷气发动机超音速燃烧冲压式喷气发动机温度（0C）+175+390+595金属玻璃纤维KavlarC/C复合材料Km导弹射程火箭壳体材料与导弹射程alight,strongpara-aramidsyntheticfiber芳族聚酰胺合成纤维5timesstrongerthansteelonanequalweightbasisKavlar苯二胺对苯二酰ENIACElectronicNumericalIntegratorAndComputer电子管1941-1946美国vacuumtubecomputers170平方米，30吨，150千瓦，48万美元17,468电子管10,000电容器，1500继电器，6000多个开关，“绝招”----—1秒5000次加法和500次乘法，继电器计算机快1000多倍，手工计算20万倍。TRADIC-TransistorizedAirborneDigitalComputer美国贝尔实验室1954晶体管（transistors）800Itcouldperformamillionlogicaloperationseverysecond,stillnotquiteasfastasthevacuumtubecomputersoftheday,butprettyclose.Andbestofall,itoperatedonlessthan100wattsofpoweranditwasmuchmorereliablethanitsvacuumtubepredecessors.•IBM360集成电路计算机1964•Itwasthefirstfamilyofcomputersdesignedtocoverthecompleterangeofapplications,fromsmalltolarge,bothcommercialandscientific.•1970stensofthousandsoftransistorsperchip•LSIMillion•VLSI1989Million2005billiontransistor2007tensbilliontransistor•IBM515019818088微处理器ImacG42002•CompaqLTE386laptop1989Intel8086processor小结•上述事例雄辩的表明，新材料•在人类社会进步、产业革命和提高•人类生活品质中具有特别重要的基•础和先导作用，其发展对提高国家•的综合国力具有巨大的推动作用和•深远影响。21世纪重点发展的高技术领域的材料选择信息科学技术信息材料新能源科学技术新能源材料生物科学技术生物医用材料空间科学技术空间技术用材料生态环境科学技术生态环境材料用高技术改造、更新现有材料，发展材料科学技术•信息科学技术正在发生结构性变革，仍然是经济持续增长的主导力量•通信网络技术为信息产业注入强大活力•3G时代3rd-generation•半导体技术进入纳米时代纳米芯片机器人•计算机智能技术日新月异高锟光纤之父高锟教授在一九六六年发表光通讯九十年代n1.481.46LED激光光敏元件2亿m/s3亿单模多模反射光子晶体衍射生物技术正经历着一场前所未有的技术革命，一个庞大的生物产业正在孕育和形成基因组学、蛋白质科学、干细胞及再生医学的研究成为生命科学的前沿与热点干细胞及再生医学的研究及应用为人类健康开辟了新道路生物芯片在医疗和科研领域转基因技术•航天技术快速发展，不断开辟人类探索的新空间•太空探索带动太空探索技术加速发展•研制多种用途的新一代航天飞行器成未来趋势•小卫星技术日趋成熟并将广泛应用•太空攻防技术成为未来航天技术发展的重要领域•能源材料•煤炭的高效清洁利用成为化石能源技术研发热点•核能技术氢能储氢材料•新能源和可再生能源技术展现良好前景南非沙索技术转让10亿新材料技术出现群体性突破，将对21世纪基础科学和几乎所有工业领域产生革命性影响纳米技术是前沿技术中最具前瞻性和带动性的领域之一光电子材料、光子材料将成为发展最快和最有前途的电子信息材料。新型功能材料（超导材料、智能材料、生物医用材料）新型结构材料（高温合金、难熔金属、金属间化合物、金属基复合材料、高分子材料、钛合金、镁合金）21世纪材料生产模式•材料的单项循环：材料产业：资源能源消耗大户环境污染的主要来源单项模式的灾难材料循环•材料双向循环模式废物在不同生产过程中循环多产品共生的工业模式三废综合利用•矿物加工矿产原材料工业废料粉煤灰废旧电子产品等双向循环模式双向循环模式材料科学与工程的定义材料科学：研究材料的组织结构与性质之间的关系。材料工程：是研究材料在制备、处理加工过程中的工艺和各种工程问题。材料科学与工程：是指出研究有关材料的组成、结构、制备工艺流程与材料性能和用途关系的知识和它的应用。材料科学与工程的特点基础科学研究结构性能使用特性社会需求和经验科学知识经验积累MSE工艺材料科学与工程的特点一是多学科交叉。它是物理学、化学、冶金学、金属学、陶瓷学、高分子化学及计算科学相互融合和交叉的结果；二是一种与实际使用结合非常紧密的科学。发展材料科学的目的在于开发新材料，提高材料的性能和质量，合理使用材料，同时降低材料成本和减少污染；三是材料科学是一个正在发展中的科学。不像物理学、化学已有很成熟的体系，它将随着各有关学科的发展而得到充实和发展。材料科学与工程的内涵组成要素：成分结构合成加工使用效能材料科学与工程的形成和发展材料科学与工程学科的形成与发展，反映了学科发展从细分到整合的基本规律。材料科学与工程的由来为了满足经济和社会的需求,人们早已大量使用材料,并推动材料的不断发展。但20世纪之前的材料进步往往大量依靠人们的经验、技巧、继承和积累,发展的速度还是缓慢的,其原因在于人们还没有对材料在科学上有深刻的认识和理解。直到20世纪60年代才提出“材料科学”的概念，“材料科学”的形成实际上也是科学技术发展的结果。是各学科综合发展的必然结果固体物理、无机有机化学、物理化学物质结构和性质冶金学、金属学陶瓷学、高分子学材料的制备结构与性能金属材料、高分子材料与陶瓷材料之间的共性规律材料科学从社会经济需求的牵引、科学技术发展的推动以及不同材料的诸多共性来看，有必要形成一门材料科学。材料科学一般认为研究材料的组织、结构和性质的关系，探索自然规律，属于基础研究；但实际上，研究和发展材料的目的在于应用。材料又是一门应用科学，研究材料必须通过合理工艺流程才能制备出具有实际价值的材料来，即材料工程问题。美国MIT1865∼1879地质与采矿工程1879∼1884采矿工程1884∼1888采矿工程（地质、采矿、冶金）1888∼1890采矿与冶金1890∼1927采矿工程与冶金1927∼1937采矿与冶金1937∼1966冶金1966∼1975冶金与材料科学1975∼现在材料科学与工程高校材料系的发展历史Thanksforyourattention第二部分材料科学与工程的四要素•MSE四要素–使用性能–材料的性质–结构与成分–合成与加工•两个重要内容–仪器与设备–分析与建模54材料性质：是功能特性和效用的描述符，是材料对电.磁.光.热.机械载荷的反应。55材料性质描述力学性质物理性质化学性质•强度•硬度•刚度•塑性•韧性•电学性质•磁学性质•光学性质•热学性质•催化性质•腐蚀性•氧化性56材料的结构键合结构晶体结构组织结构57材料的结构----键合结构离子建共价键金属键•化学键氢键分子键•物理键结合能陶瓷材料高分子材料金属材料冰（H20）卤族晶体注：1.有些陶瓷材料属共价键化合物，如SiC陶瓷；2.分子键又称范德瓦尔斯力3.实际晶体并非只有一种键合结构，如冰晶（共价键、氢键）58晶体：原子排列长程有序，有周期材料的结构----晶体结构非晶体：原子排列短程有序，无周期准晶体：原子排列长程有序，无周期59定义：组成材料的不同物质表示出的某种形态特征材料的结构----组织结构匀晶型组织共晶型组织包晶型组织相图特征结构特征马氏体组织奥氏体组织贝氏体组织…...组合特征单相组织两相组织多相组织…...60材料力学性能在外加载荷或与环境因素联合作用下表现出的各种行为。61结构材料性质的表征----材料力学性质强度：材料抵抗外应力的能力。塑性：外力作用下，材料发生不可逆的永久性变形而不破坏的能力。硬度：材料在表面上的小体积内抵抗变形或破裂的能力。刚度：外应力作用下材料抵抗弹性变形能力。62结构材料性质的表征----材料力学性质疲劳强度：材料抵抗交变应力作用下断裂破坏的能力。抗蠕变性：材料在恒定应力（或恒定载荷）作用下抵抗变形的能力。韧性：材料从塑性变形到断裂全过程中吸收能量的能力。63强度范畴刚度范畴塑性范畴韧性范畴应力应变642.强度表征：弹性极限屈服强度抗拉强度断裂强度……强度1.强度定义：抵抗变形和断裂的能力强度指标的意义弹性极限：发生弹性形变中的最大应力。弹性结束塑性变形的开始。理论值。σ0.01残留塑性变形0.01应力。65弹性变形是物体卸载后就完全消失的那种变形,而塑性变形则是指卸载后不能消失而残留下来的那部分变形又称残余变形。强度指标及意义屈服强度：屈服现象开始发生时的应力，是材料发生明显塑性变形的抗力。屈服：试样继续拉长载荷却不增加。条件屈服强度：一定残余伸长对应的应力。σ0.01σ0.2应