材料科學與工程基礎第一章第1頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一

第一章

緒論

Chapter1Introduction

WhatisMaterialsClassficationofMaterialsWhatisMaterialsScienceWhatisMaterialsEngineeringImportanceofMaterialsonProgressofHumenHistoryandModernScienceandTechnologyObjectiveandMethodsofLearningthisCourseChapter1第2頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一

1-1材料的定義和分類(DefinitionandClassfication)1-1-1定義

1.材料

MaterialsMaterial：材料科學（工科）物質科學（理科）Webster編者“NewInternationalDictionary（1971年）”中關于材料（Materials）的定義為：材料是指用來制造某些有形物體（如：機械、工具、建材、織物等的整體或部分）的基本物質（如金屬、木料、塑料、纖維等）邁爾《新百科全書》中材料的含義：材料是從原材料中取得的，為生產半成品、工件、部件和成品的初始物料，如金屬、石塊、木料、皮革、塑料、紙、天然纖維和化學纖維等等。材料是指具有滿足指定工作條件下使用要求的形態和物理性狀的物質。第3頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一2.原料與材料原料（RawMaterials）由原料到材料。原料一般不是為獲得產品，而是生產材料，往往伴隨化學變化。材料的特點往往是為獲得產品，一般從材料到產品的轉變過程不發生化學變化。

3.材料與物質(MaterialsandMatter)材料可由一種或多種物質組成。同一物質由于制備方法或加工方法不同可以得到用途各異、類型不同的材料。第4頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一

1-1-2類別classfication材料可以根據化學組成、狀態、作用和使用領域分類。

金屬材料

化學組成分類無機非金屬材料

components

有機高分子材料氣態

狀態分類液態單晶

state

固態多晶非晶復晶

作用分類功能

function

結構（工程）

應用領域分類建筑、儀表、電子、醫用

application

包裝、耐火．．．．能源等等。第5頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一1.金屬材料metals

(1)黑色金屬材料

化學成分——碳素鋼、合金鋼品質——普通、優質、高級優質鋼鋼

---金相組織或組織結構——珠光體、貝氏體、馬氏體和奧氏體Stell用途——建筑工程、結構、工具、特殊性能、專業用鋼冶煉方法——平爐、轉爐、電爐、沸騰爐鋼

灰鑄鐵可鍛鑄鐵鑄鐵

—球墨鑄鐵蠕墨鑄鐵特殊性能鑄鐵

第6頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一

(2)有色金屬五大類輕金屬（<4.5g/cm2）鋁、鎂、納、鈣重金屬(>4.58/cm2)銅、鎳、鉛、鋅貴金屬金、銀、鉑、銠類金屬（半）硅、硒、紳、硼稀有金屬鈦、鋰、鎢、鉬、鐳常用的稀有金屬材料有：Al、Cu、Zn、Sn、Pb、Mg、Ni……第7頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一(3)基本特性

PrincipalPropertiesa.

金屬鍵，常規法生產的為晶體結構；

b.

常溫下固體熔點較高；

c.

金屬光澤；

d.

純金屬范性大、展性、延性大；

e.

強度較高；

f.

導熱、導電性好；

g.

空氣中移氧化，如鋼、鐵等生成氧化膜，合金可改性抗氧化性。

(4)用途

Applicationa.

結構材料:如機床,建筑機械設備、工程交通工具；

b.

導體材料，電線芯（銅）

c.

工具第8頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一2無機非金屬材料

Inorganicnonmetals(1)分類（按成分，化學結構和用途分四大類）

混凝土（水泥）

玻璃

Glass

硅及耐火材料

Silane

陶瓷（器）

Ceramics

傳統陶瓷（天然硅酸鹽礦）：各中粘土燒制而成。(SilicateCeramics)

特種陶瓷（人工化合物：氧化物、氮化物、硼化物、碳化物）。

第9頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一(2)基本特性，以陶瓷為例，其它有較大差別

a.

離子鍵、共價鍵及其混合鍵；

b.

硬而脆；

c.

熔點高、耐高溫抗氧化

d.

導熱、導電性差；

e.

耐化學腐蝕性性好；

f.

耐磨；

g.

成型方式為粉末制壞、燒制成型

(3)用途建筑衛生陶瓷：瓷磚、浴缸。工程陶瓷工程結構陶瓷：反應釜（耐酸、耐腐蝕）絕緣瓷瓶。功能陶瓷：磁性、導電。第10頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一3.高分子材料

polymers,Marcomolecules

(1)分類碳鏈–C–C–C

按主鏈結構雜鏈–C–N–C=O–C–O–C–backebone元素Si、P、B

塑料Plastics通用塑料、工程塑料；熱塑性、熱固性橡膠Ruber天然、合成

按使用性質纖維Fiber人造、合成粘合劑Adhesive

涂料Coating第11頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一(2)基本性質

a.

共價鍵，部分范氏鍵

b.

分子量大，無明顯容點，有玻璃化轉變溫度Tg和粘流溫度Tf；

c.

力學狀態有三態玻璃態、高彈態、粘流態

d.

比重小

e.

絕緣性好

f.

優越的化學穩定性

g.

成型方法多

(3)用途結構材料：電視機殼體、冰箱殼體、軸承、機械零件絕緣材料：漆包線、電纜、絕緣版、電器零件建筑材料：貼面板、地貼包裝材料：塑料袋、薄膜、泡沫塑料涂裝：涂料粘合劑：粘合劑日用：織物（衣服）膠鞋運輸：輪胎，傳送帶第12頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一4.復合材料

composites

定義：由兩種以上組分組成，并且具有與其組成不同的新的性能的材料

(1)分類按性能：結構復合材料功能復合材料按增強劑形狀及增強機理：粒子增強纖維增強

基體Matrix增強體Reinforcement

金屬金屬、無機非金按復合方式無機非金屬金屬、無機非金屬高分子（塑料，橡膠）金屬、無機非金、高分子第13頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一(2)基本性質

a.

抗疲勞性能良好；

b.

結構件減震性好；

c.

比強度和比量高；

d.

耐燒能性和耐高溫性能好

e.

具有良好的減摩、耐摩和耐潤滑性能(3)

用途無機--高分子玻璃纖維增強塑料(玻璃鋼)——汽車,游艇，碳纖維增強塑料——飛機機翼、高爾夫球棍、撐桿跳桿金屬—陶瓷飛機螺旋槳葉綜合金屬韌性，陶瓷耐高溫性高分子-高分子橡膠增韌塑料抗沖PSABS樹脂減震材料第14頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一1-2材料科學與工程概述BriefIntroduction1-2-1材料的重要作用

ImportanceofMaterialsfortheDevelomentofHumenHistoryandScience&Technology材料是人類社會發展的巨大推動力，生產工具制造的物質基礎是材料。石器時代——陶器時代——青銅時代——鐵期時代——復合材料材料的使用和發展，與生產力和科學技術的水平密切相關舉例：

(1)1764年工業革命，第一部機器（手搖）

1769年

水力紡紗機

1782年蒸汽機為動力的紡紗機，紡織業（動力）

第15頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一瓦特發動機、傳動機、工作機——機器系列機器制造

鐵——冶煉業

木炭——大量砍伐；水土流失——煤采礦業

攪煉法（鼓風）

煉鋼交通運輸業1945年電子管計算機幾間大屋半導體——集成電路——小型芯片、液晶、分子器件、計算機（PC）手提電腦，掌上電腦第16頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一(2)目前材料品種幾十萬種（手冊中）科學技術發展的三大支柱：

80年代能源、材料、信息

90年代信息技術、新材料、生物技術高速民航客機使用的復合材料，高比強、代替金屬、重量輕耐摩擦、熱氧穩定、力學性能生物降解材料（環境保護）計算機、液晶顯示屏（低電壓）信息社會要術各種各樣光、電、磁、聲材料

(3)各種材料相互替換、復合、共性、特性納米材料第17頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一第18頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一第19頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一第20頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一第21頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一第22頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一第23頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一第24頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一1-2-2材料科學與工程的范疇和任務學科建立

EstablishmentofMaerialsScienceandEngineering1960’s

金屬材料——金相學——金屬學無機材料——無機化學——陶瓷學高分子材料——高分子化學——高分子物理

(2)內容和任務

ContentsandObjective

材料科學：從理論上研究金屬、無機非金屬和有機高分子等材料的成分、結構、加工工藝同材料性能及材料應用之間的相互關系。材料科學與工程：關于材料組成、結構、制備工藝與其性能及使用過程間相互關系的知識開發及應用的科學學科性質：是介于基礎科學與應用科學之間的應用基礎科學，（邊緣學科）。第25頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一PerformancePropertiesSynthesisandProcessingCompositionsandStructures第26頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一第27頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一研究內容：科學性

a.從化學角度出發，研究材料的化學組成、鍵性、結構與性能的關系

b.從物理角度，闡述材料的組成原子、分子及其運動狀態與各物性之間的關系

c.材料的制備工藝技術性

d.材料的性能表征

e.材料的應用(3)材料工程

MaterialsEngineering

對于工程技術人員：如何選擇特定應用環境下需要的材料，來滿足使用要求，如何按實際要求設計新材料，須弄清以下三個關系（材質）——材料內部結構與性能（內部形態）——加工工藝與性能（使用環境，耐久性）——材料的性能與使用過程

第28頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一1-3本課程的內容和學習方法

1-3-1內容第一章緒論

Introduction

材料的定義、分類及基本內容第二章物質結構基礎

FundamentalsofMaterialStructure

各類材料結構上的共性基礎、原子分子、聚集態、表面、轉變第三章材料的組成及結構