金屬材料發(fā)展歷史與展望

1、1金屬 材料學(xué)2 主講教師 張靜通訊地址：西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院-公字樓309郵 編：710072聯(lián)系電話：-mail：課程表周一周二周三周四周五110級，XA301，4-11周2309級，XA301，4-10周4509級，XA301，4-10周09級，XA301，4-9周6710級，XA301，4-11周10級，XA301，4-11周834我們將學(xué)習(xí)：金屬材料的地位與作用, 歷史與發(fā)展。金屬材料的組織、結(jié)構(gòu)、工藝、性能及應(yīng)用。主要金屬的基本原理金屬與合金: 鋁、鈦、銅、鎂、稀土、高溫合金等,合金化原理, 性質(zhì)與應(yīng)用, 熱處理工藝, 典型合金。探討成分、結(jié)構(gòu),組織與性能

2、之間的內(nèi)在規(guī)律。新材料: 介紹目前世界上出現(xiàn)的新型金屬材料5課程特點(diǎn)和要求特點(diǎn)綜合性 、應(yīng)用性、經(jīng)驗(yàn)性要求掌握合金化理論的基本知識，了解材料成分設(shè)計(jì)的基本依據(jù)，熟悉生產(chǎn)中常用的材料及其熱處理工藝、組織、性能之間的關(guān)系，根據(jù)零件技術(shù)要求，能正確地選擇材料和制訂工藝。思路主線：材料成分-工藝-組織-性能-應(yīng)用 之間的有機(jī)關(guān)系 核心：合金化原理6第一章金屬材料的進(jìn)展7本章框架發(fā)展戰(zhàn)略發(fā)展史與現(xiàn)狀未來問題與趨勢 作用與地位展望回顧8第一節(jié) 發(fā)展史與現(xiàn)狀 9材料科學(xué)與工程材料學(xué)材料加工陶瓷高分子材料復(fù)合材料金屬材料課程簡介10一、材料的發(fā)展史，就是人類社會(huì)的發(fā)展史。 人類歷史的劃分 現(xiàn)代社會(huì) 三大支柱能

3、源、信息和材料生物工程，信息技術(shù)和新材料石器時(shí)代陶器時(shí)代青銅器時(shí)代鐵器時(shí)代。11鐵器時(shí)代青銅時(shí)代多元材料時(shí)代石器時(shí)代1213四要素及其交互作用性質(zhì)、服役行為與壽命、結(jié)構(gòu)與成分、合成與加工認(rèn)識論和方法論材料科學(xué)與工程技術(shù)的相互關(guān)系和影響材料科學(xué)與工程的內(nèi)在本質(zhì)與外部環(huán)境的相關(guān)性和統(tǒng)一性材料科學(xué)與工程界統(tǒng)一認(rèn)識和行為的共用準(zhǔn)則，達(dá)成世界性共識。14合成與制備：獲取材料的手段，工藝技術(shù)進(jìn)步為標(biāo)志成分與結(jié)構(gòu)：材料的本質(zhì)，認(rèn)識材料的理論基礎(chǔ)；材料特性：選用材料的依據(jù)；服役行為與壽命：材料的加工和服役條件結(jié)合，考察材料的使用壽命，成為 MSE 的最終目標(biāo)。 合成與制備材料特性成分與結(jié)構(gòu)服役行為與壽命 材料

4、科學(xué)與工程MSE的四要素四面體關(guān)系15四要素與五要素效能（使用性能）（氣氛 溫度 受力狀態(tài)）16核心關(guān)系 核心關(guān)系17材料的結(jié)構(gòu) 18材料的性能 19二、材料的發(fā)展史，就是人類科技的發(fā)展史。信息、材料、能源、生物技術(shù) 現(xiàn)代高科技材料人類社會(huì)發(fā)展的里程碑！新材料現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)和支柱！社會(huì)文明支柱，科技創(chuàng)新的重要標(biāo)志！20金屬材料發(fā)展的四個(gè)階段一 原始鋼鐵生產(chǎn)4300B.C. 金、銅、鐵， 鑄造、鍛打中國的寶劍、西歐的大馬士革刀，日本武士劍二 金屬材料學(xué)科的基礎(chǔ)1778，第一座鐵橋；1818，鐵船下水；1825，鐵路；鐵構(gòu)成金屬材料學(xué)科的基礎(chǔ)2119世紀(jì)，金屬學(xué)、金相學(xué)、相變理論的發(fā)

5、展1803，道爾頓的原子學(xué)說，阿伏加德羅分子論1830，Hessel 的32種晶體類型1839，Miller指數(shù)的普及1891，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)理論的創(chuàng)立1864，Sorby，第一張金相組織照片，9倍1827-1888，F(xiàn)e3C的分離(Karsten)和認(rèn)知(Abel)十九世紀(jì)中后，鋼的金相學(xué)發(fā)展：Willard Gibbs的相律推導(dǎo)，Robert-Austen奧氏體固溶特性，Roozeboom的Fe-Fe3C相圖建立221669, N. Steno, 晶面角守恒定律 1885, A. Bravais, 晶體空間點(diǎn)陣學(xué)說 1912, M. Laue*, 晶體的X射線衍射 1915, W. H. Bra

6、gg and W. L. Bragg*X射線晶體結(jié)構(gòu)分析方法 電子顯微鏡（SEM、TEM）掃描探針顯微術(shù)*（STM、AFM）三 微觀組織理論大發(fā)展合金相圖、X射線，位錯(cuò)理論23Reaumur (1722) Hill (1748) 在放大鏡下觀察出晶粒Sorbit 發(fā)現(xiàn)并描述了細(xì)珠光體Young(1807)提出材料彈性模量概念Barlow(1826)關(guān)于材料強(qiáng)度的測定Tehernoff(1861)發(fā)表了鋼臨界點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告Wshery(1860-1870)關(guān)于拉伸、扭轉(zhuǎn)、變曲應(yīng)力的工作及得出的第一條S-N曲線，開辟了材料、組織與性能間關(guān)系的科學(xué)研究24四 微觀理論的深入研究原子擴(kuò)散、馬氏體相變、沉

7、淀相、位錯(cuò)滑移電子顯微鏡、掃描透射電鏡（SYEM）、掃描隧道顯微鏡（STM）、原子顯微鏡（AFM）等新儀器的發(fā)明為微觀研究進(jìn)一步發(fā)展提供可能，隨之產(chǎn)生了表面和界面科學(xué)25三、現(xiàn)代金屬材料1.先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料特點(diǎn)：高比強(qiáng)度、高比剛度、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損途徑：細(xì)化、均勻化組織，合金化，改進(jìn)加工技術(shù)代表：鋁鎂合金、合金鋼，復(fù)合材料2.高溫合金材料特點(diǎn)：高比強(qiáng)度、高比剛度，提高高溫工作效率途徑：顆?；蚨汤w維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料用于：航空發(fā)動(dòng)機(jī)，渦輪代表：Ti、Ti-Al合金263.復(fù)合材料特點(diǎn)：高強(qiáng)度、高模量代表：鋁、鎂、鈦等金屬基體復(fù)合4.超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料最誘人的應(yīng)用是發(fā)電、輸電和儲(chǔ)能5.能源材料能源

8、材料主要有太陽能電池材料、儲(chǔ)氫材料、固體氧化物電池材料等。6. 智能材料形狀記憶合金、壓電材料、磁致伸縮材料277.磁性材料軟磁材料和硬磁材料軟磁材料：易于磁化并可反復(fù)磁化的材料，代表：鐵硅合金、鐵鎳合金、非晶金屬硬磁材料：永磁材料經(jīng)磁化后，去除外磁場仍保留磁性。代表：鐵氧體和金屬永磁材料8.納米材料納米金屬：如納米鐵材料，是由6納米的鐵晶體壓制而成的，較之普通鐵強(qiáng)度提高12倍，硬度提高23個(gè)數(shù)量級。對于高熔點(diǎn)難成形的金屬，只要將其加工成納米粉末，即可在較低的溫度下將其熔化，制成耐高溫的元件，用于研制新一代高速發(fā)動(dòng)機(jī)中承受超高溫的材料。28第二節(jié) 作用和地位29美國國家知識評估大綱 近幾年來，

9、由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，世界運(yùn)動(dòng)方式發(fā)生了根本變化。 長途通訊價(jià)格下降，計(jì)算機(jī)的普及，全球網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，以及生物技術(shù)、材料科學(xué)和電子工程等領(lǐng)域的發(fā)展，創(chuàng)造出10年前根本不可能想象的新產(chǎn)品、新服務(wù)系統(tǒng)、新興行業(yè)和新的就業(yè)機(jī)會(huì)，這就是人們所說的知識革命。30 材料是國民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)進(jìn)步和國家安全 的物質(zhì)基礎(chǔ)與先導(dǎo) 先進(jìn)材料具有強(qiáng)烈的基礎(chǔ)性、支撐性、 技術(shù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值和迫切戰(zhàn)略需求材料的基礎(chǔ)、先導(dǎo)、戰(zhàn)略作用31高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金，新型耐蝕、耐磨、高散熱性等銅合金、高純銅等。輕質(zhì)高性能鎂材，特別是鎂基壓鑄材料。 典型先進(jìn)金屬材料高強(qiáng)可焊鋁鋰合金，超高強(qiáng)鋁合金，新型耐熱、耐磨、高比強(qiáng)、高比模、高韌性鋁合金，纖維增強(qiáng)和顆

10、粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料等。 32典型先進(jìn)金屬材料高強(qiáng)高韌鈦合金、熱強(qiáng)鈦合金、新型阻燃耐蝕功能鈦合金、高性能鋯合金、功能重材料鉭鎢合金、高精度鈹材等。 鉍系超導(dǎo)帶材，釔系超導(dǎo)塊材中。稀土永磁材料燒結(jié)NdFeB，第四代稀土永磁材料Sm2Fel7Nx。新型高性能稀土儲(chǔ)氫材料，在鎳氫電池中得到重要應(yīng)用。33導(dǎo)彈與火箭的構(gòu)件基本上采用鋁合金、鈦合金、鎳基高溫合金、鎂合金和部分難熔金屬合金。鈦、鋁及其合金成為艦船耐壓殼體、核動(dòng)力系統(tǒng)、武備系統(tǒng)、聲納系統(tǒng)等的主要材料。一、國防支撐材料鋁材是飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料，占重量比的5080，民用飛機(jī)鋁材料用量在70以上。鈦及其合金在新型飛機(jī)上用作結(jié)構(gòu)材料，飛機(jī)越先進(jìn)，鈦用量

11、就越大。34 航空航天的物質(zhì)基礎(chǔ)b(MPa) 0.2(MPa) (%)382 310 6488 478 12360 280 4482 472 9330 250 2440 290 6縱向橫向高鍛鋁2014（LD10）的力學(xué)性能衛(wèi)星發(fā)射，節(jié)省1公斤重量將降低費(fèi)用$20000。一次發(fā)射節(jié)約費(fèi)用20%。鋁的理論強(qiáng)度4700MPa，當(dāng)今高強(qiáng)鋁合金強(qiáng)度沒超過1000MPa。35“核時(shí)代金屬”鈹，在核武器中對增大爆炸威力起關(guān)鍵作用。鈹?shù)谋葎偠却?，在?dǎo)航系統(tǒng)中用作制造精密陀螺儀，對增加射程、提高命中精度起關(guān)鍵作用。 國防支撐材料“原子時(shí)代第一金屬”的鋯，是核動(dòng)力潛艇不可替代材料，80的鋯材用作核動(dòng)力堆的燃料包

12、殼、容器管、壓力管、格架、端塞和其它堆芯結(jié)構(gòu)材料。 鈾、鈹、鉭、鎢、鉑族金屬、鍺，被許多國家儲(chǔ)存作為戰(zhàn)略物資。美國對鎢以鎢精礦形式，鉭和鈹以純金屬形式進(jìn)行儲(chǔ)備，鉑和鈀被列為特殊戰(zhàn)略金屬。 3621世紀(jì)中葉聚變能和太陽能將成為主要能源，可控核聚變反應(yīng)堆工程需要大量鋰、鉬、鋯、鈦等。 二、高技術(shù)關(guān)鍵材料 鈮、鈦、錫、鉍、釔等都是制取超導(dǎo)材料的基本組元，NbTi、Nb3Sn實(shí)用低溫超導(dǎo)材料已商品化。表面工程和技術(shù),有相當(dāng)部分是稀有金屬薄膜、半導(dǎo)體材料薄膜和貴金屬薄膜。 37高技術(shù)關(guān)鍵材料 稀土元素的特殊電子層結(jié)構(gòu)使其在光、電、磁、化學(xué)上表現(xiàn)出奇異性能，已出現(xiàn)的一大批功能材料，如稀土磁性材料、稀土發(fā)光

13、材料、稀土尾氣凈化材料、稀土儲(chǔ)氫材料、高溫超導(dǎo)材料等，2l世紀(jì)稀土將在功能材料中處于主體地位。美國公布的22種金屬高科技材料中，稀土金屬被列為第三位。 38車輛中以鋁代鋼，減重50，增加運(yùn)載量10，節(jié)能9.612.5，日常檢修工時(shí)減少45。 三、國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)材料 電線、電纜占銅材總消耗量的50，鋁材總消耗量的33,沒有材料可替代?！靶铍姵亟饘佟便U的6070消費(fèi)在蓄電池中。鎳是制造鎳氫電池、鎳鎘電池的原材料。 39國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)材料 鈦的極好耐蝕性在化工、海洋工程、冶金、能源等部門的應(yīng)用，我國氯堿行業(yè)在5 000多臺電解槽上使用鈦陽極代替石墨陽極，年節(jié)電4億多度。 鉭的高純化使鉭電容器向輕、薄

14、、小型化、可靠化方向發(fā)展。稀有金屬的碳化物、氮化物成為廣泛使用的切削刀具、鉆頭、耐磨工件、模具和耐磨涂層。 40國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)材料 電冰箱、電視機(jī)、錄相機(jī)、洗衣機(jī)等對有色金屬提出了更高要求。鋁材已進(jìn)入建筑行業(yè)，約占鋁耗量的20以上，在我國占30。鋁用于制造剛性、柔性包裝，復(fù)合材料容器和密封片蓋等，美國包裝用鋁約占鋁消耗總量的20，我國占812。 41國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)材料 在世界金和鉑的需求量中，90以上的金和3639的鉑消費(fèi)在飾品方面，我國是世界鉑首飾第二大消費(fèi)國。 鋁合金管是農(nóng)業(yè)噴灌地面、地下管網(wǎng)的材料，鋁制糧倉與鋼筋混凝土糧倉相比，建設(shè)勞動(dòng)強(qiáng)度下降90左右，基建投資減少5060。 42第三節(jié)

15、 發(fā)展趨勢 43世界科學(xué)技術(shù)發(fā)展的優(yōu)先領(lǐng)域信息科學(xué)和技術(shù)生命科學(xué)和生物技術(shù)能源科學(xué)和技術(shù)環(huán)境科學(xué)和技術(shù)材料科學(xué)和技術(shù)高密度存儲(chǔ)材料生態(tài)材料生物材料碳材料 高性能結(jié)構(gòu)材料 要加快發(fā)展電子信息、生物工程和新材料等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，形成工業(yè)發(fā)展新的增長點(diǎn)。十五屆五中全會(huì)6. 納米科學(xué)和技術(shù)7. 先進(jìn)制造技術(shù)44新世紀(jì)對材料提出新的要求資源豐富環(huán)境保護(hù)節(jié)約能源 新材料45當(dāng) 前 的 材 料從使用要求：多樣化、復(fù)合化、智能化、高性能從 應(yīng)用：結(jié)構(gòu)材料功能材料結(jié)構(gòu)/功能一體化材料從材料：金屬（合金）-金屬間化合物金屬/非金屬化合物金屬/非金屬復(fù)合材料非金屬復(fù)合材料從組織結(jié)構(gòu)：多晶單晶微晶納米晶非晶從形態(tài)尺度：

16、塊體薄膜線材（一維）46當(dāng)代材料研究與制備的共性發(fā)展趨勢結(jié)構(gòu)材料復(fù)合化、輕量化、功能化功能材料小型化、多功能化和智能化先進(jìn)制備技術(shù)材料科學(xué)設(shè)計(jì)47未來材料發(fā)展趨勢未來的材料材料設(shè)計(jì)分子設(shè)計(jì)和材料設(shè)計(jì), 指導(dǎo)合成和制備具有預(yù)期性能和使用效能的材料智能化、 仿生化、 復(fù)合化、 納米化、 輕量化、 高功能化4821世紀(jì)初的材料科學(xué)技術(shù) 隨著資源的枯竭，環(huán)境的惡化，環(huán)境材料將日益受到重視 納米材料科學(xué)技術(shù)將成為21世紀(jì)初最為活躍的領(lǐng)域 21世紀(jì)將逐漸實(shí)現(xiàn)按需設(shè)計(jì)材料 4921世紀(jì)將逐漸實(shí)現(xiàn)按需設(shè)計(jì)材料材料 材料設(shè)計(jì)是一個(gè)很復(fù)雜的過程，如: 材料的制備與存在狀態(tài)往往屬于非平衡熱力學(xué)； 有些結(jié)構(gòu)敏感性質(zhì)，

17、可變因素多，一個(gè)微小缺陷都會(huì)產(chǎn)生很大影響； 表面與內(nèi)部結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的不一致性，以及復(fù)雜的環(huán)境因素等等。 要建立完整的精確的數(shù)據(jù)庫；建立正確的物理模型；大容量計(jì)算機(jī)；不同學(xué)科科學(xué)家與工程技術(shù)人員的通力合作。 50不同類型材料的發(fā)展前景 金屬在結(jié)構(gòu)材料中仍占主要位置，鋼鐵在今后幾十年內(nèi)的產(chǎn)量不會(huì)下降,目前全世界產(chǎn)量78億噸。 銅、鉛、鋅的資源接近枯竭，代用品成為當(dāng)務(wù)之急，加速開發(fā)低品位礦的提煉方法。 鎂和鈦將得到更廣泛的應(yīng)用。51不同類型材料的發(fā)展前景 稀有金屬、稀散金屬與稀土金屬的用途將不斷擴(kuò)大。 功能陶瓷將會(huì)有更大發(fā)展，工程陶瓷的性能將進(jìn)一步提高。 水泥的生產(chǎn)將大量采用礦渣、爐渣等廢料，提高水泥

18、標(biāo)號，改進(jìn)增強(qiáng)組元，減少水泥產(chǎn)量。 玻璃將走向智能化達(dá)到節(jié)能的目的。52不同類型材料的發(fā)展前景 功能高分子材料，包括導(dǎo)電高分子、鐵磁高分子、光學(xué)高分子，半導(dǎo)體及超導(dǎo)體以及存儲(chǔ)和顯示材料都已顯示有發(fā)展前景，但有穩(wěn)定性和老化問題。 樹脂基復(fù)合材料得到較為廣泛的應(yīng)用，金屬基與陶瓷基復(fù)合材料成本過高而未打開局面。53不同類型材料的發(fā)展前景 碳素材料資源豐富，碳的同素多形體而成為多用途的材料，碳纖維強(qiáng)度高而價(jià)廉； 金剛石至今仍是最硬的材料，又是高溫半導(dǎo)體的候選材料之一；納米碳管應(yīng)用前景廣闊，將成為21世紀(jì)研究與開發(fā)的熱點(diǎn)。 54高性能結(jié)構(gòu)材料的研究與開發(fā)是永恒的主題 高性能結(jié)構(gòu)材料是高比強(qiáng)、高比剛、耐高

19、溫、耐腐蝕、抗磨損的結(jié)構(gòu)材料。動(dòng)力機(jī)械工作溫度愈高，比強(qiáng)度和比剛度愈高，效率愈高飛機(jī)及航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的改進(jìn)，分別為23和12靠材料性能提高。衛(wèi)星和飛船能減重1公斤就能帶來極高的效益。汽車節(jié)油有37靠材料的輕量化，40靠發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)，而絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)（不需水冷）主要靠材料性能的提高。552002高技術(shù)發(fā)展報(bào)告我國未來20年材料技術(shù)領(lǐng)域15項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù) 開發(fā)出實(shí)用的高溫超導(dǎo)材料并將其應(yīng)用到若干領(lǐng)域；轉(zhuǎn)換效率在20以上的太陽能電池進(jìn)入實(shí)用階段；納米材料制備技術(shù)及納米材料、納米器件在若干領(lǐng)域的應(yīng)用；開發(fā)出汽車動(dòng)力用燃料電池；可在350高溫下持續(xù)工作的聚合物基復(fù)合材料進(jìn)入實(shí)用階段；開發(fā)出與人骨基本相同的磷灰石

20、基復(fù)合材料；開發(fā)出金屬間化合物基高溫結(jié)構(gòu)材料；開發(fā)出適用于汽車及其他民用工業(yè)的鈦合金；562002高技術(shù)發(fā)展報(bào)告我國未來20年材料技術(shù)領(lǐng)域15項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù) 汽車等交通工具的低成本、高強(qiáng)度鋁、鎂合金；開發(fā)出實(shí)用的全光開關(guān)材料和技術(shù)；開發(fā)出單電子存儲(chǔ)器元件；新一代鋼鐵材料（即“超級鋼”）進(jìn)入實(shí)用階段；開發(fā)出適用的塑料再生、循環(huán)利用技術(shù)；開發(fā)出高能量、高密度、持久耐用的充電電池；開發(fā)出實(shí)用的太陽能分解水制造氫的技術(shù)。57先 進(jìn) 結(jié) 構(gòu) 材 料 發(fā) 展的 趨 勢材料的復(fù)合化結(jié)構(gòu)材料的功能和多功能化傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的高性能化低成本技術(shù)簡化材料體系,一材多用先進(jìn)制備和加工技術(shù)提前安排重要新結(jié)構(gòu)材料的研制新材料的

21、環(huán)境影響加工制造58(1)合成與加工技術(shù)合成技術(shù)向純化、細(xì)化、強(qiáng)韌化、均質(zhì)化和復(fù)合化的“五化”發(fā)展；加工技術(shù)向特細(xì)、特薄、特精、特異和特大的“五特”發(fā)展；生產(chǎn)技術(shù)向高速化、連續(xù)化、自動(dòng)化、緊湊化和近終形化的高效、節(jié)能、低耗和低成本發(fā)展。 59(2)結(jié)構(gòu)材料高性能化結(jié)構(gòu)材料的塑性、韌性、強(qiáng)度和硬度等達(dá)到以分子、原子水平預(yù)測和控制的階段。新型高強(qiáng)高導(dǎo)框架材料銅合金、彌散強(qiáng)化無氧銅以及同步齒環(huán)材料用新型耐磨銅合金等60(2)結(jié)構(gòu)材料高性能化高溫結(jié)構(gòu)鈦合金不斷提高使用溫度，高強(qiáng)鈦合金轉(zhuǎn)向使用高溫高韌合金。耐蝕鈦合金成本、強(qiáng)度和耐蝕性等可與鎳基合金競爭。反應(yīng)堆、核武器、慣性導(dǎo)航儀系統(tǒng)以及空間飛行器的鈹結(jié)

22、構(gòu)材料性能更高，鈹鋁合金可用于3馬赫飛機(jī)腹翼。 61(3)功能材料精細(xì)化、微型化和高功能化交流用超細(xì)芯NbTi多線超導(dǎo)材料的芯絲直徑到0.1m以下。鉭電容器體積微型化，高比容鉭粉愈來愈細(xì)，超細(xì)鉭絲的精加工。NdFeB永磁材料的磁能積愈來愈高。高性能貴金屬精密合金和精細(xì)復(fù)合材料是精細(xì)化、微型化和高功能化的典型代表。 62(4)能源材料向高效、低耗、少污染方向發(fā)展非晶硅、多晶硅、單晶硅、GaAs提高轉(zhuǎn)換效率、降低成本稀土鎳化合物、鎂系化合物和鈦系化合物貯氫材料。低溫超導(dǎo)材料在質(zhì)子對撞機(jī)、核聚變裝置、超導(dǎo)貯能系統(tǒng)、磁浮列車、超導(dǎo)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)以及醫(yī)用核磁共振成像儀等方面得到應(yīng)用；高溫超導(dǎo)電纜倍受重視

23、。63(4)能源材料向高效、低耗、少污染方向發(fā)展核反應(yīng)堆對包殼材料鋯合金提出了高燃耗、長周期、高可靠和低成本的要求。聚核反應(yīng)堆要求鉬、鉭、鈮、鈦、釩和高溫結(jié)構(gòu)陶瓷，鈹、鋯、Zr5Pb3，中子倍增材料。 64(5)高新技術(shù)在合成與加工中相互滲透 “五化”和“五特”等合成與加工新技術(shù)，以及在高溫、高壓、高真空、低溫和急冷等極端條件下的特種加工、特種熔煉、快速凝固、定向結(jié)晶、單晶控制、材料復(fù)合、表面改性、納米技術(shù)、高能加工、薄膜制備、近終形技術(shù)、機(jī)械合金化、噴射成型和注射成形等新工藝、新技術(shù)、新裝備。 65(6)材料設(shè)計(jì)與建模微觀層次，從原子、分子出發(fā)，利用分子動(dòng)力學(xué)、Monte Carlo、第一性

24、原理等方法進(jìn)行計(jì)算模擬。介觀層次材料設(shè)計(jì)，重點(diǎn)在材料顯微組織結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)，利用相圖計(jì)算。 設(shè)計(jì)、模擬與制備具有新型材料，成為材料科學(xué)發(fā)展的重要方向。66美國 6070年代 阿波羅登月 7080年代 星球大戰(zhàn) 8090年代 信息高速公路 90 納米科技 俄羅斯 21世紀(jì)9項(xiàng)優(yōu)先發(fā)展的科學(xué)、工藝、技術(shù)中“新材料和化學(xué)”排在第三先進(jìn)材料科技的國際發(fā)展趨勢 建立先進(jìn)材料科技體系67第四節(jié) 我國材料業(yè)的問題和發(fā)展戰(zhàn)略 68世界銀行：中國與知識經(jīng)濟(jì)：把握21世紀(jì)2001年 在過去兩千年中的很長一段，中國是世界上最大和最先進(jìn)的國家，直到18世紀(jì)末，中國的國內(nèi)生產(chǎn)總值約占全球25%，1820年為33%。 中

25、國的人均收入在12世紀(jì)前一直領(lǐng)先于西歐，在18世紀(jì)前一直領(lǐng)先于世界平均水平。 后來，它錯(cuò)過了工業(yè)革命，經(jīng)濟(jì)出現(xiàn)停滯，1949年GDP僅占世界5%。 69 2003年全國產(chǎn)鋼22012萬噸，占全球鋼產(chǎn)量的23，超過美國和日本之和，全球第一個(gè)年鋼產(chǎn)量突破2億噸的國家，2007年鋼產(chǎn)量達(dá)到5億噸,12年鋼產(chǎn)量世界第一。2007年十種有色金屬總產(chǎn)量繼續(xù)保持世界第一。基礎(chǔ)材料躍居世界前列關(guān)鍵要點(diǎn)：基礎(chǔ)材料產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展：節(jié)能、降耗、環(huán)境友好70材料產(chǎn)業(yè)名稱生產(chǎn)量（萬噸）世界排名 鋼鐵27246第一位 有色金屬 1430第一位 水泥(2003)86208第一位 平板玻璃（2003）27702（萬重量箱）

26、第一位 陶瓷(2003) 96.2 億件第一位 合成樹脂1950第二位 合成橡膠139第三位 合成纖維 1310 第一位2004年中國各種材料總產(chǎn)量及世界排名71能耗高 2002年每噸鋼鐵消耗標(biāo)準(zhǔn)煤0.715噸；日本為0.655噸。 每噸鋁錠綜合能耗標(biāo)準(zhǔn)煤6.318噸，比發(fā)達(dá)國家高2倍。72廢氣： 每噸鋼鐵排放CO2 2430kg，遠(yuǎn) 高于發(fā)達(dá)國家排放指標(biāo)（芬蘭：800kg)。廢渣 : 2002年，黑色金屬冶煉業(yè)、有色金屬礦采選業(yè)、黑色金屬礦選業(yè)的固體廢物排放量分別占工業(yè)固體廢物排放總量16.7%、14.6%、8.6% 。廢水：2002年，黑色金屬冶煉業(yè)屬于全國4個(gè)重點(diǎn)廢水排放行業(yè)之一，排放量

27、占重點(diǎn)統(tǒng)計(jì)企業(yè)廢水排放量10.3。環(huán)境污染嚴(yán)重7374我國113個(gè)大中型有色金屬礦山，資源枯竭型礦山占56.6，資源危機(jī)型礦山占28.9，后備資源有保證的礦山僅占19.5。長期出口粗級鎢產(chǎn)品，我國由鎢資源大國變成了鎢資源缺乏的國家， 20個(gè)黑鎢礦僅剩2個(gè)。材料鋼材銅鋁鉛鋅單位GNP的資源消耗率3.63.72.42.72.2世界平均水平11111我國幾種原材料的單位GNP資源消耗率與世界平均水平的比較資源消耗大，資源危機(jī)：75我國先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料與先進(jìn)國家的差距未形成自己的體系仍處于仿制階段,創(chuàng)新能力不足,自主開發(fā)的新材料很少。先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料綜合性能較低，生產(chǎn)技術(shù)和裝備落后，通用性差，軍用和民用材料兩

28、張皮。缺少先進(jìn)材料的研究開發(fā)平臺。對材料的制備技術(shù)重視不夠。76加強(qiáng)基礎(chǔ)與戰(zhàn)略性的材料研究 ，促進(jìn)成果轉(zhuǎn)化材料的復(fù)合與組裝材料智能化及結(jié)構(gòu)功能一體化材料與環(huán)境、資源的“協(xié)調(diào)與融合”材料制備和表征技術(shù)經(jīng)濟(jì)可承受性和可持續(xù)發(fā)展軍民結(jié)合、寓軍于民我國新材料技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略77對先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料的需求航空航天的需求 能源工業(yè)的需求交通運(yùn)輸業(yè)的需求 武器系統(tǒng)的需求 建筑業(yè)的需求機(jī)械設(shè)備制造業(yè)的需求環(huán)境保護(hù)的需求國家重大工程的需求78先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料研究發(fā)展重點(diǎn)先進(jìn)復(fù)合材料 高溫結(jié)構(gòu)材料 輕合金材料高強(qiáng)、高韌、耐蝕鋼鐵材料極端條件下使用的合金材料智能材料與結(jié)構(gòu) 前瞻性先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的高性能化和綠色化材料先進(jìn)

29、制備工藝技術(shù)材料的表征、壽命預(yù)測和安全評估79第二章 基礎(chǔ)知識80本章框架新理念分類學(xué)科常識冶煉資源新材料學(xué)科前沿81第一節(jié) 分類82 材料的分類 用途：結(jié)構(gòu)材料（受力，承載）功能材料（半導(dǎo)體，超導(dǎo)體，以及光、電、聲、磁、應(yīng)力轉(zhuǎn)換，等）物理形態(tài)：晶體材料、非晶態(tài)材料和納米材料 屬性：金屬材料、無機(jī)非金屬材料和有機(jī)高分子材料 幾何形態(tài)：三維材料、二維材料、一維材料和零維材料 發(fā)展：傳統(tǒng)材料（鋼鐵，銅，鋁，水泥，塑料，陶瓷，. ）新材料（金屬間化合物，高溫超導(dǎo)，非晶態(tài)合金，納米材料, .）83 材料的分類 材料按化學(xué)組成（或基本組成）分類材料按服役的領(lǐng)域來分類根據(jù)材料的性能分類材料按結(jié)晶狀態(tài)分類:

30、變形（壓力加工用合金）、鑄造合金、軸承合金、印刷合金、硬質(zhì)合金、焊料、中間合金、金屬粉未等。 材料按材料的尺寸分類:板、條、帶、箔、管、棒、線、型等品種。 84 材料的分類 按物理性質(zhì)可分為：導(dǎo)電材料、絕緣材料、半導(dǎo)體材料、磁性材料、透光材料、高強(qiáng)度材料、高溫材料、超硬材料等。按物理效應(yīng)分為：壓電材料、熱電材料、鐵電材料、非線性光學(xué)材料、磁光材料、電光材料、聲光材料、激光材料等。按用途分為：電子材料、電工材料、光學(xué)材料、感光材料、耐酸材料、研磨材料、耐火材料、建筑材料、結(jié)構(gòu)材料、包裝材料等。鋼的分類用途建筑及工程用結(jié)構(gòu)鋼：一般用途的普碳鋼、專用普碳鋼機(jī)械制造用結(jié)構(gòu)鋼：優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼

31、工具鋼：碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼特殊鋼：不銹耐酸鋼、高電阻合金、耐磨鋼，磁鋼專業(yè)用鋼:農(nóng)機(jī)用鋼、機(jī)床用鋼、鍋爐用鋼化學(xué)成分碳素鋼合金鋼低碳鋼:Wc0.25%工業(yè)純鐵:Wc0.04%中碳鋼:0.25%0.6%高碳鋼:Wc0.6%低合金鋼:M%5%合金元素種類中合金鋼:5%10%高合金鋼:M%10%普通碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼工具碳素鋼三元合金鋼四元合金鋼多元合金鋼有色金屬分類按生產(chǎn)方法和用途有色冶煉產(chǎn)品：工業(yè)純度、高純度；純鋁、鎳、錫有色加工產(chǎn)品：管、棒、線、型、板、箔、條、帶鑄造有色合金：鑄造銅合金、鋁合金、鎂合金、鋅合金軸承合金：Ni基、鉛基、銅基、硬質(zhì)合金：以TiC、WC為基體，添加

32、Fe、Co、Ni，粉末冶金焊料：軟焊料、硬焊料、銀焊料金屬粉末:如，鎂粉、鋁粉、銅粉有色金屬分類銅合金壓力加工/鑄造：Cu-Zn、Al黃銅等壓力加工/鑄造：錫青銅、硅青銅等壓力加工：普通Cu-Ni、特殊Mn白銅制造業(yè)常用金屬鎂合金鎳合金:壓力加工用，Ni-Si、Ni-Mn、Ni-Cr、Ni-Cu鉛合金：壓力加工，Pb-Sb軸承合金：Pb基、Sn基、Cu基、Al基硬質(zhì)合金：W-Co、W-Ti-Ta(Nb)-Co、碳化鈦鎳鉬合金鋅合金:壓力加工，Zn-Cu、Zn-Al；/鑄造用，Zn-Al壓力加工用：Mg-Al、Mg-Mn、Mg-Zn鑄造用：Mg-Al、Mg-Zn、鎂稀土合金鈦合金壓力加工用鑄造用

33、：Ti-Al、Ti-Mo等鋁合金壓力加工用：Ti-Al、Ti-Mo鑄造用： Al-Si、Al-Cu、Al-Mg、Al-Zn、Al-Re青銅黃銅白銅不可熱處理強(qiáng)化鋁合金：防銹鋁不可熱處理強(qiáng)化鋁合金：硬鋁、鍛鋁88按化學(xué)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)材料的鍵合方式 離子鍵 ( Ion bond )結(jié)合能比較高沒有方向性。共價(jià)鍵 ( covalent bond )結(jié)合能的差別甚大 具有方向性 金屬鍵（Metallic bond）正離子浸浴在負(fù)電子氣中，金屬鍵沒有方向性。在外加電壓作用下，金屬內(nèi)的電子容易移動(dòng)。在外加應(yīng)力作用下，金屬內(nèi)的原子容易移動(dòng)。分類準(zhǔn)則89What? 各類材料的性能特點(diǎn)金屬材料主要為金屬鍵。熱和電的良

34、導(dǎo)體具有良好的強(qiáng)度與延展性以及金屬光澤陶瓷材料通常為離子鍵或共價(jià)鍵。絕緣體而且比較耐熱。高分子材料通常為共價(jià)鍵、分子鍵和氫鍵，以共價(jià)鍵為主。分子結(jié)構(gòu)都非常巨大通常密度較低，在高溫下不穩(wěn)定。復(fù)合材料由多種材料復(fù)合而成。90說明：著色愈淺表示金屬鍵特性愈強(qiáng). 發(fā)展結(jié)構(gòu)金屬間化合物難熔合金-、-化合物氧化物晶體結(jié)構(gòu)功能陶瓷超導(dǎo)合金金屬陶瓷非晶合金復(fù)雜分子化合物高溫氧化物超導(dǎo)有機(jī)/無機(jī)復(fù)合材料鋼鐵銅輕合金Si 半Ge導(dǎo)體Fe高溫Ni 合金Co聚合物混合鍵（金屬/離子/共價(jià)/分子） 金屬鍵材料與鍵合特性由金屬鍵向混合鍵，簡單立方晶體結(jié)構(gòu)向復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)及復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)演進(jìn)，從而決定或影響了材料的制備/加工、

35、組織、力學(xué)和功能性能。91四大類工程材料21 世紀(jì)形成四大類工程材料平分秋色 金屬高分子復(fù)合材料陶瓷92金屬材料與磁性材料約為4億其他各類材料約為1至2億金屬材料占預(yù)算約1/4其他材料約占3/4既要重視金屬材料的研發(fā)更要重視非金屬材料的研發(fā)90年代美國各類材料研究與發(fā)展(R&D)的預(yù)算93 美英材料學(xué)家把材料分為十類，以金屬、高分子與陶瓷為基礎(chǔ)提供各類材料領(lǐng)域。材料間有密切聯(lián)系和共性基礎(chǔ)。金屬、高分子、陶瓷為基礎(chǔ)的十類材料94金屬結(jié)構(gòu)材料陶瓷結(jié)構(gòu)材料碳/碳結(jié)構(gòu)材料高分子結(jié)構(gòu)材料超導(dǎo)材料生物材料磁性材料光/聲材料電子材料催化材料機(jī)電材料冶 金化工材料 金屬材料制備加工的冶金過程及其相關(guān)有機(jī)、無機(jī)

36、材料制備、合成的化學(xué)過程及其相關(guān) 材料加工、制備、合成、測試、表征、總體 材料、冶金、化工的關(guān)聯(lián)95 自然界中元素114 種，天然 90 多種，人工合成 20 多種。10種元素在地殼中的分布占99% O Si Al Fe Ca Na K Mg H Ti 質(zhì)量分?jǐn)?shù)% 48.6 26.3 7.73 4.75 3.45 2.74 2.47 2.00 0.76 0.42 原子分?jǐn)?shù)% 53.8 18.2 5.55 1. 64 1. 67 2.26 0.80 1.60 13.5 0.16 我國Zn、Sb、Li、B居世界第一；Sn、Pb、Hg、Fe、Mn、Cu、Ni、Ti、S、P 等儲(chǔ)量居世界前列。稀土元素

37、儲(chǔ)藏量占世界的40%。 W(？)元素在地殼中的分布96金屬資源還能開采多久？51 147 Ti 112 775 Cr 41.0 14 0.2 Ag 36 5.4 Mo 21.2 18 123 Zn 40.9 24 308 Cu 16.9 35 1170 Al 31.7 109 1106 Fe 再生率(%) 可用年數(shù) 儲(chǔ)量（106t） 金屬資源日漸減少，如何解決這一難題呢？97 長周期表的右側(cè)，B向右下方畫線延伸到砹（ At ）的斜線，將元素分為金屬和非金屬兩部分，斜線的右上方大部分是非金屬，斜線左下方為金屬，斜線附近為準(zhǔn)金屬。金屬 已知的元素109種，22種非金屬，87種為金屬。在22種非金屬

38、中，有5種準(zhǔn)金屬（B、Si、As、Se、Te），在金屬中Ge、Sb、Po也是準(zhǔn)金屬，嚴(yán)格說，金屬有84種。98金屬材料金屬材料是由化學(xué)元素周期表中的金屬元素組成的材料。可分為由一種金屬元素構(gòu)成的單質(zhì)（純金屬）；由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素構(gòu)成的合金。合金又可分為固溶體和金屬間化合物。99金屬黑色金屬（鐵、鉻、錳）有色金屬(除黑色金屬外的金屬）輕金屬重金屬稀有金屬貴金屬金屬通常分為兩大類 非鐵金屬 Non-ferrous Metals具有獨(dú)特的性能和功能，如半導(dǎo)體功能、形狀記憶功能、介電功能、光，磁、熱、化學(xué)和核功能等。 100輕金屬 4.5g/cm3如Al、Mg、K、Na、Ca

39、等。重金屬 4.5g/cm3如Cu、Zn、Ni、Sn、Pb、Co等。貴金屬 Au、Ag、Pt、Rh（銠）、Cd（鎘）等。稀有金屬 相對稀少或產(chǎn)量較少Ti、W、V、Nb、Mo等。放射性金屬 如鐳（Ra）、鈾（U）、釷（Th）等。半金屬 介于金屬與非金屬之間的元素，如硅、鍺、硼有色金屬的分類101 1 輕有色金屬指密度 4.5g/Cm-3 的有色金屬 包括：Cu、Ni、Sn、Pb、Cd、Hg、Co、Bi等，大多數(shù)易形成配合物 。1033 貴金屬包括：金、銀和鉑族- 鋨、銥、鉑釕、銠、鈀。特點(diǎn)：（1）化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；（2）密度大：10.4 - 22.4 g / Cm-3（3）熔點(diǎn)高： 1200 - 3

40、3000K 由于它們在地殼中含量少，開采和提取比較困難，價(jià)格貴，稱為貴金屬 。 104 4 準(zhǔn)金屬 指性質(zhì)介于金屬與非金屬間的元素。包括：B、Si、Se、Te( 碲 )、As、Ge、Sb、Po 。它們在周期表中B At（砹）這條斜線附近，常稱為對角線。 105在自然界含量少或分布稀散、發(fā)現(xiàn)晚，難提取或制備應(yīng)用較晚的金屬 。 包括：鋰、銣、銫、鈹、鎢、鉬；釩、鈮；鈦、 鉿；鎵、銦、鉈、鍺和稀土元素（即周期表中第三副族中的鈧、釔和鑭系元素共17種）以及人造超鈾元素等 。 5 稀有金屬 106第二節(jié) 資源107鐵礦資源的分布北方108有色金屬分布南方109我國的礦產(chǎn)資源分布北方煤、鐵、石油多南方有色

41、金屬多我國礦產(chǎn)資源相對集中，有利于規(guī)模開采，也造成資源的流通運(yùn)輸負(fù)擔(dān)重。110鞍山本溪遼寧遷安武安河北馬鞍山安微大冶湖北白云鄂博內(nèi)蒙古鏡鐵山甘肅攀枝花四川石碌海南鐵礦資源分布111白云鄂博內(nèi)蒙古招遠(yuǎn)山東金金昌甘肅鎳稀土攀枝花四川釩鈦個(gè)舊云南錫銅仁平果水口山大余德興錫礦山貴州湖南江西廣西鋁土汞銻鉛鋅銅鎢有色金屬分布鎢、銻、鈦、釩、稀土等儲(chǔ)量居世界首位。112三大伴生礦分布鐵礦伴生稀土白云鄂博內(nèi)蒙古甘肅金昌鎳礦伴生多種金屬攀枝花四川鐵礦伴生釩、鈦113自然原因人為原因貧礦多，富礦少，加重開采運(yùn)輸負(fù)擔(dān)和分選冶煉困難。亂采濫挖，破壞環(huán)境，浪費(fèi)嚴(yán)重。對策合理利用礦產(chǎn)資源，提高礦產(chǎn)資源的經(jīng)濟(jì)效益。利用礦產(chǎn)資源存在的主要問題研究、利用新材料，代替金屬礦產(chǎn)材料。114金屬基本知識的介紹第三節(jié)、金屬的性質(zhì)115金