材料科學概論-雷源源課件緒論2

材料科學概論貴州大學材料科學與冶金工程學院能源、信息、材料是２１世紀國民經(jīng)濟的三大支柱，其中材料是各行各業(yè)的基礎(chǔ)，可以說，沒有先進的材料，就沒有先進的工業(yè)、農(nóng)業(yè)和科學技術(shù)。材料科學是研究材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、制備工藝與材料性能及應(yīng)用之間相互關(guān)系的學科。

材料是人類一切生產(chǎn)和生活水平提高的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類進步的里程碑。由于某些新材料的出現(xiàn)，成功地推動了社會的進步，提高了人類的物質(zhì)文明。人類文明的發(fā)展史，就是一部如何更好地利用材料和創(chuàng)造材料的歷史。同時，材料的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，也極大地推動了社會經(jīng)濟的發(fā)展。因此材料科學與工程專業(yè)擔負著為國民經(jīng)濟建設(shè)培養(yǎng)新材料領(lǐng)域高級技術(shù)人才的使命。

石器時代公元前10萬年

新材料時代1990年

鋼時代1800年

水泥時代公元0年

鐵器時代公元前1000年

青銅器時代公元前3000年

硅時代1950年人類社會發(fā)展的歷史階段常常用當時主要使用的材料來劃分。從古代到現(xiàn)在人類使用材料的歷史共經(jīng)歷了七個時代：

在人類的發(fā)展史上，最先使用的工具是石器。我們的祖先用堅硬的容易縱裂成薄片的燧石和石英石等天然材料制成石刀、石斧、石鋤。

石器

早在新石器時代(公元前6000年～公元前5000年)，中華民族的先人們用粘土(主要成分為SiO2，Al2O3)燒制成陶器。馬家窯(甘肅)文化時期的陶器以砂質(zhì)和泥質(zhì)紅陶為主，表面彩繪有條帶紋、波紋和舞蹈紋等，制品有炊具、食具、盛儲器皿等。陶器

我國在東漢時期發(fā)明了瓷器，成為最早生產(chǎn)瓷器的國家。瓷器于9世紀傳到非洲東部和阿拉伯國家，13世紀傳到日本，十五世紀傳到歐洲。瓷器成為中國文化的象征，對世界文明產(chǎn)生了極大的影響。直到今天，中國瓷器仍暢銷全球，名譽四海。

瓷器圖01－01

秦代的兵馬俑圖01－02

宋代的汝、定、鈞、官、哥窯瓷圖01－03

景德鎮(zhèn)陶瓷圖01－04唐代的唐三彩

我國青銅的冶煉在夏朝(公元前2140年始)以前就開始了，到殷、西周時期已發(fā)展到很高的水平。青銅主要用于制造各種工具、食器、兵器。從河南安陽晚商遺址出土的司母戊鼎重達8750N,外型尺寸為1.33m×0.78m×1.10m,是迄今世界上最古老的大型青銅器。從湖北隋縣出土的戰(zhàn)國青銅編鐘是我國古代文化藝術(shù)高度發(fā)達的見證。青銅器

春秋戰(zhàn)國時期《周禮·考工記》中記載了鐘鼎、斧斤等六類青銅器中的錫含量，稱為“六齊(劑)”。書中寫道：“六分其金而錫居一，謂之鐘鼎之齊；五分其金而錫居一，謂之斧斤之齊；四分其金而錫居一，謂之戈戟之齊；三分其金而錫居一，謂之大刃之齊；五分其金而錫居二，謂之削殺矢之齊；金、錫半，謂之鑒燧之齊”。這是世界上最古老的關(guān)于青銅合金成分的文字記載。這表明我們的祖先已經(jīng)認識到了青銅的性能與成分之間的密切關(guān)系。我國從青秋戰(zhàn)國時期(公元前770年～公元前221年)已開始大量使用鐵器。

從興隆戰(zhàn)國鐵器遺址中發(fā)掘出了澆鑄農(nóng)具用的鐵模，說明冶鑄技術(shù)已由泥砂造型水平進入鐵模鑄造的高級階段。

到了西漢時期,煉鐵技術(shù)又有了很大的提高，采用煤作為煉鐵的燃料，這要比歐洲早1700多年。在河南鞏縣漢代冶鐵遺址中，發(fā)掘出20多座冶鐵爐和鍛爐。爐型龐大，結(jié)構(gòu)復雜，并有鼓風裝置和鑄造坑?？梢姰斈晟a(chǎn)規(guī)模之壯觀。

我國古代創(chuàng)造了三種煉鋼方法。第一種是從礦石中直接煉出自然鋼。用這種鋼作的劍在東方各國享有盛譽，東漢時傳入了歐洲；第二種是西漢時期的經(jīng)過“百次”冶煉鍛打的百煉鋼；第三種是南北朝時期生產(chǎn)的灌鋼。先煉鐵后煉鋼的兩步煉鋼技術(shù)我國要比其它國家早1600多年。鐵人黃河鎮(zhèn)河大鐵牛(唐開元12年鑄)鐵人黃河鎮(zhèn)河大鐵牛(唐開元12年鑄)鐵人黃河鎮(zhèn)河大鐵牛(唐開元12年鑄)鐵人黃河鎮(zhèn)河大鐵牛(唐開元12年鑄)

鋼的熱處理技術(shù)也達到了相當高的水平。西漢《史記·天官書》中有“水與火合為淬”一說，正確地說出了鋼鐵加熱、水冷的淬火熱處理工藝要點?！稘h書·王褒傳》中記載有“巧冶鑄干將之樸，清水淬其鋒”的制劍技術(shù)。明代科學家宋應(yīng)星在《天工開物》一書中對鋼鐵的退火、淬火、滲碳工藝作了詳細的論述。鋼鐵生產(chǎn)工具的發(fā)展，對社會進步起了巨大的推動作用。（四）材料的應(yīng)用讓我們回顧幾項有影響的事例，以便加深理解材料的發(fā)展在人類社會發(fā)展中起了舉足輕重的作用。

1、計算機經(jīng)歷：電子管→晶體管→集成電路時代

2、個人電腦移動存儲器的比較

材料科學的發(fā)展是計算機飛速發(fā)展的基礎(chǔ)。

種類使用的材料存儲容量特點軟盤氧化鐵1.44Mb容量小，文本文件存儲CD－RW以ZnS等為主的陶瓷材料650MbCD光盤，價低，用量大MO(磁光盤)TbFeCo合金磁光材料650Mb，1.3G需專用驅(qū)動器，價格高，局限在廣告圖形用戶DVD－RWZnS等為主的陶瓷材料單面單層為4.7GbCD－RW和CD光盤，用量大計算機與材料生命科學材料原來使用專用的汞合金，為防止金屬合金的分解已經(jīng)開發(fā)出一種可以滿足口腔中特殊的物理及化學環(huán)境的新型陶瓷。具體來講，它需要滿足下列要求：耐口腔中的酸；低熱導率（這對你吃冷飲有好處）；盡得住數(shù)年的咀嚼力；耐驟冷驟熱；當然還要口感舒適美國待升空的航天飛機新材料新工藝重大成果

在當代，科學技術(shù)和生產(chǎn)飛躍發(fā)展。材料、能源與信息作為現(xiàn)代社會和現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱，發(fā)展格外迅猛。

從20世紀60年代到70年代，高分子材料每年以14％的速度增長，而金屬材料的年增長率僅為4％。到70年代中期，全世界的高分子材料和鋼的體積產(chǎn)量已經(jīng)相等；除了用作結(jié)構(gòu)材料代替鋼鐵外，目前正在研究和開發(fā)具有良好導電性能和耐高溫的高分子材料。滌綸安全帶尼龍齒輪2. 熱塑性材料（聚丙烯PP）

聚丙烯由丙烯單體聚合而成。聚丙烯剛性大,其強度、硬度和彈性等機械性能均高于聚乙烯。聚丙烯的密度僅為0.90g/cm3～0.91g/cm3,是常用塑料中最輕的。聚丙烯的耐熱性良好,長期使用溫度為100℃～110℃。聚丙烯具有優(yōu)良的電絕緣性能和耐蝕性能，在常溫下能耐酸、堿,所以經(jīng)常制作成導線外皮。但聚丙烯的沖擊韌性差，耐低溫及抗老化性也差。聚丙烯可用于制作某些零部件，如法蘭、齒輪、風扇葉輪、泵葉輪、把手及殼體等，還可制作化工管道、容器、醫(yī)療器械等。聚丙烯制成電容器外皮聚丙烯管子二、熱固性塑料

1.酚醛塑料(PF)

由酚類和醛類在酸或堿催化劑作用下縮聚合成酚醛樹脂,再加入添加劑而制得的高聚物。一般為熱固性塑料。酚醛塑料具有一定的機械強度和硬度,耐磨性好，絕緣性良好,耐熱性較高，耐蝕性優(yōu)良。缺點是性脆，不耐堿。酚醛塑料廣泛用于制作插頭、開關(guān)、電話機、儀表盒、汽車剎車片、內(nèi)燃機曲軸皮帶輪、紡織機和儀表中的無聲齒輪、化工用耐酸泵日用用具等。酚醛塑料制品三、人工合成xianwei(腈綸)

化學名稱為聚丙烯腈纖維，商品名稱為腈綸或奧綸。它是丙烯腈的聚合物-聚丙烯腈樹脂經(jīng)濕紡或干紡制成。腈綸質(zhì)輕，密度為1.14g/cm3～1.17g/cm3。，柔軟，保暖性好，猶如羊毛。腈綸不發(fā)霉，不蟲蛀,彈性好,吸濕小，耐光性能特別好，多數(shù)用來制造毛線和膨體紗及室外用的帳蓬、幕布、船帆等織物，還可與羊毛混紡，織成各種衣料。腈綸的缺點是耐磨性差，彈性不如羊毛，摩擦后容易在表面產(chǎn)生許多小球，不易脫落，且因摩擦、靜電積聚小球容易吸收塵士使織物弄臟。腈綸毛衣4.3合成橡膠橡膠是一種具有極高彈性的高分子材料，其彈性變形量可達100％～1000％，而且回彈性好，回彈速度快。同時，橡膠還有一定的耐磨性，很好的絕緣性和不透氣、不透水性。它是常用的彈性材料、密封材料、減震防震材料和傳動材料。

橡膠制品圖01－06全塑汽車

陶瓷材料的發(fā)展同樣十分引人注目，它除了具有許多特殊性能作為重要的功能材料(例如可作光導纖維、激光晶體等)以外，其脆性和抗熱震性正在逐步獲得改善，是最有前途的高溫結(jié)構(gòu)材料。機器零件和工程結(jié)構(gòu)已不再只使用金屬材料制造了。絕緣陶瓷耐磨陶瓷氧化鋁熱電偶套管氧化鋁陶瓷密封環(huán)氧化鋁陶瓷噴咀氮化硅陶瓷刀具氮化硅陶瓷滾珠隨著航空、航天、電子、通訊等技術(shù)以及機械、化工、能源等工業(yè)的發(fā)展，對材料的性能提出越來越高、越來越多的要求。傳統(tǒng)的單一材料已不能滿足使用要求。復合材料的研究和應(yīng)用引起了人們的重視。如玻璃纖維樹脂復合材料(即玻璃鋼)、碳纖維樹脂復合材料已應(yīng)用于宇航和航空工業(yè)中制造衛(wèi)星殼體、宇宙飛行器外殼、飛機機身、螺旋槳等、發(fā)動機葉輪等；在交通運輸工業(yè)中制造汽車車身、輕型船艇等，在石油化工工業(yè)中制造耐酸、耐堿、耐油的容器、管道等。玻璃鋼賽車殼體玻璃鋼儲液罐NbTi超導棒YBaCUO高溫超導材料高溫超導磁體超導電流引線近年來超導材料、磁性材料、形狀記憶材料、信息材料等各種功能材料有很大的發(fā)展。圖1形狀記憶效應(yīng)簡易演示實驗(c)加熱后恢復

(a)原始形狀(b)拉直（a）原始形狀（b）折成球形裝入登月艙圖3月球上使用的形狀記憶合金天線

（c）太陽能加熱后（a）預壓縮

（b）受熱擴張后（c）植入腔道內(nèi)效果圖4醫(yī)用腔內(nèi)支架的應(yīng)用原理示意

光纜磁浮列車（時速430公里）我國在新材料新工藝的研究和應(yīng)用方面取得重大成果

研制成功性能優(yōu)越、用途廣泛的新型結(jié)構(gòu)鋼—貝氏體鋼；

研制出零電阻溫度為128.7K的Tl-Ca-Ba-Cu-O超導體(鉈系超導體)；

鎂鋁合金的開發(fā)和應(yīng)用研究取得重大成果。鎂鋁合金葉輪

鎂鋁合金手機殼鎂鋁合金葉輪鎂鋁合金手機殼材料快速成型技術(shù)和材料表面處理技術(shù)在我國得到迅速發(fā)展。

激光表面淬火、激光熔涂技術(shù)已在汽車發(fā)動機缸套、凸輪軸、石油抽油管、紡織用錠桿等零件的表面強化上得到應(yīng)用。

化學氣相沉積(CVD)可制造出高硬度、高耐磨性的金黃色TiN薄膜,用于耐磨零件和裝飾件的表面處理。分層實體快速成形減速機箱體原型熔融沉積快速成形葉輪原型

我國汽車工業(yè)發(fā)展迅猛，汽車材料需求迅速增加。新型轎車電動汽車航空、航天事業(yè)迅速崛起，帶動航空、航天材料的發(fā)展。

1970年我國成功發(fā)射人造衛(wèi)星；

1999年11月21日我國載人航天工程第一艘試驗飛船“神舟”一號飛