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合肥工业大学材料成形及控制工程09级03班Materialshavealwaysbeenimportanttotheadvanceofcivilization（文明）:entireeras（时代，时期）arenamedforthem.AfterevolvingfromtheStoneAgethrough,theBronzeandIronAges,nowinthemodemerawehavevastnumbersoftailoredmaterialstomakeuseof.WearereallylivingintheMaterialsAge.材料对文明进步一直是重要的：整个世纪用材料命名，从石器时代到青铜时代再到铁器时代，再到当今世纪，我们利用了大量的定制材料。我们的确活在材料时代。Workandstudyinthefieldofmaterialsscienceandengineeringisgrounded（较好的）inanunderstandingofwhymaterialsbehavethewaytheydo,andencompasses（围绕）howmaterialsaremadeandhownewonescanbedeveloped.Forexample,thewaymaterialsareprocessedisoftenimportant.PeopleintheIronAgediscoveredthiswhentheylearnedthatsoftironcouldbeheatedandthenquicklycooledtomakeamaterialhardenoughtoplow（耕，犁）theearth;andthesamestrategyisusedtodaytomakehigh-strengthaluminumalloysforjetaircraft（喷气式飞机）.Todaywedemandmorefromourmaterialsthanmechanicalstrength,ofcourse—electrical,optical（光学）,andmagneticproperties（磁性能）,forexample,arecrucial（至关重要的）formanyapplications.Asaresult,modernmaterialssciencefocusesonceramics,polymers,andsemiconductors,aswellasonmaterials,suchasmetalsandglasses,thathavealonghistoryofuse.在材料科学与工程领域的工作和研究是建立在对材料为什么能表现出这种行为、材料怎样被制造及材料如何被开发的理解的基础上。举个例子，材料加工方式很重要。生活在铁器时代的人们发现了通过对软铁加热，再快冷可以使材料足够硬以致于可以用来犁地。同样的方式在今天被用来制造喷气式飞机中的高强度铝合金。今天我们对材料的要求远不止力学性能，当然还有电流、磁方面的性能，这些性能对许多应用很重要。因此，现代材料科学致力于研究陶瓷、高分子、半导体，同样也研究像金属、玻璃之类具有悠久使用历史的材料。Materialscienceistheinvestigationoftherelationshipamongprocessing（加工）,structure,properties（性能）,andperformance（功能）ofmaterials.TherelationshipisdepictedwithatetrahedronofmaterialsscienceandengineeringasshowninFigure1.1.Thedisciplineofmaterialsscienceinvolvesinvestigatingtherelationshipsthatexistbetweenthestructuresandpropertiesofmaterials.Incontrast,materialsengineeringis,onthebasisofthesestructure-propertycorrelations,designingorengineeringthestructureofamaterialtoproduceapredetermined（预订的）setofproperties.Thestructureofamaterialusuallyrelatestothearrangementofitsinternalcomponents（内部组成）.Subatomic（亚原子）structureinvolveselectronswithintheindividualatomsandinteractionswiththeirnuclei.Onanatomiclevel,structureencompassestheorganizationofatomsormolecules（分子）relativetooneanother.Thenextlargerstructuralrealm（领域）,whichcontainslargegroupsofatomsthatarenormallyagglomerated（聚集）together,istermed―microscopic‖,meaningthatwhichissubjecttodirectobservationusingsometypeofmicroscope（显微镜）.Finally,structuralelementsthatmaybeviewedwiththenakedeye（肉眼）aretermedmacroscopic.Propertyisamaterialtrait（特性）intermsofthekindandmagnitudeofresponsetoaspecificimposedstimulus.Generally,definitionsofpropertiesaremadeindependentofmaterialshapeandsize.Virtually（实质上）allimportantpropertiesofsolidmaterialsmaybegroupedintosixdifferentcategories（类）:mechanical,electrical,thermal,magnetic,optical,anddeteriorative（劣化）.Foreachthereisacharacteristictypeofstimuluscapableofprovoking（诱发）differentresponses.Inadditiontostructureandproperties,twootherimportantcomponentsareinvolvedinthescienceandengineeringofmaterials.Theyareprocessingandperformance.Withregardtotherelationshipsofthesefourcomponents,thestructureofamaterialwilldependonhowitisprocessed.Furthermore,amaterial'sperformancewillbeafunctionofitsproperties.1.1材料科学和工程的含义材料科学是研究材料的加工组织性能和功能之间关系的科学。他们之间的关系用材料科学与工程的一个四合肥工业大学材料成形及控制工程09级03班面体形象表示，见图1.1.材料科学这门学科包括研究存在于材料组织和性能之间的关系。对比于材料科学，材料工程是在组织——性能关系的基础上，对材料的组织进行设计，以获得一系列预定的性能。材料的组织通常指的是它内部组元的排列。亚原子结构包括个体原子内的电子和原子核相互作用。从原子尺度看，组织包括原子或分子之间的组织排列。下一级尺寸大一些的组织称为“显微组织”，由聚集在一起的大量原子构成，使用某种类型的显微镜可直接观察。最后，组织元素可以用肉眼观察到的组织被称为“宏观组织”。材料的性质就是材料对某一具体的外加刺激的反映的形式和程度大小。通常，性质的定义和材料的形状、尺寸有关。实际上，固体材料的所有重要性质可以被分成六个不同种类：力学、电学、热学、磁学、光学和劣化。对于每一种性质，对应于某一特定刺激来诱发不同的反应。除了组织和性质，材料科学与工程还包括另外两种重要组元，它们是加工和功能。就这四个组元间的关系而言，材料的组织将决定它如何被加工。此外，材料的功能是它的性质的函数。Materialsareclassified（分为）intofivegroups:metals,ceramics（陶瓷）,polymers（聚合体）,semiconductors（半导体）,andcompositematerials（合成材料）.Materialsineachofthesegroupspossessdifferentstructuresandproperties.1.2材料分类材料被分为五种：金属、陶瓷、高分子、半导体、复合材料。各个组别的材料具有不同的结构和性能。MetalsMetalsandalloysgenerallyhavethecharacteristicsofgoodelectricalandthermalconductivity,relativelyhighstrength,highstiffness（刚度）,ductility（韧性）orformability（可锻性）,andshockresistance（抗冲击性）.Theyareparticularlyusefulforstructuralorload-bearingapplications.Althoughpuremetalsareoccasionallyused,combinationsofmetalscalledalloysprovideimprovementinaparticulardesirablepropertyofpermitbettercombinationsofproperties.金属金属和合金具有良好的导电性、导热性，较高的强度和刚度，好的塑性和成形性，较高的抗击性能。在结构和承击载荷应用中具有特殊的用途。偶尔才使用纯金属，而把金属组合起来可以获得更好的性能组织，可以使需要的某一特定性能获得提高，这种金属组合成为合金。CeramicsCeramicsarecompoundsbetweenmetallicandnonmetallicelements;theyaremostfrequentlyoxides（氧化物）,nitrides（氮化物）,andcarbide（碳化物）.Thewiderangeofmaterialsthatfallswithinthisclassificationincludesceramicsthatarecomposedofclayminerals（粘土）,cement（水泥）,andglass.Thesematerialshavepoorelectricalandthermalconductivity.Althoughceramicsmayhavegoodstrengthandhardness,theirductility,formability,andshockresistancearepoor.Consequently,ceramicsarelessoftenusedforstructuralorload-bearingapplicationsthanaremetals.However,manyceramicshaveexcellentresistancetohightemperaturesandcer