材料科学与工程基础 FUNDAMENTALS OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING

第一章 绪论 Chapter 1 Introduction 材料 材料科学与工程 金属材料 无机非金属材料 高分子材料 复合材料 What is Materials Classfication of Materials What is Materials Science What is Materials Engineering Importance of Materials on Progress of Human History and Modern Science and Technology Objective and Methods of Learning this Course

1-1 材料的定义和分类(Definition and Classfication) 1-1-1定义 1. 材料 Materials   1-1 材料的定义和分类(Definition and Classfication) 1-1-1定义 1. 材料 Materials Material：材料科学 （工科） 物质科学 （理科） Webster编者“New International Dictionary（1971年）”中关于材料（Materials）的定义为：材料是指用来制造某些有形物体（如：机械、工具、建材、织物等的整体或部分）的基本物质（如金属、木料、塑料、纤维等） 迈尔《新百科全书》中材料的含义：材料是从原材料中取得的，为生产半成品、工件、部件和成品的初始物料，如金属、石块、木料、皮革、塑料、纸、天然纤维和化学纤维等等。 材料是指具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质。

2. 原料与材料 原料（Raw Materials） 由原料到材料。 原料一般不是为获得产品，而是生产材料，往往伴随化学变化。 材料的特点往往是为获得产品，一般从材料到产品的转变过程不发生化学变化。 3. 材料与物质(Materials and Matter) 材料可由一种或多种物质组成。 同一物质由于制备方法或加工方法不同可以得到用途各异、类型不同的材料。

application 包装、耐火．．．．能源等等。 1-1-2类别 classfication 材料可以根据化学组成、状态、作用和使用领域分类。  金属材料 化学组成分类 无机非金属材料 components 有机高分子材料 气态 状态分类 液态 单晶 state 固态 多晶 非晶 复晶 作用分类 功能 function 结构（工程） 应用领域分类 建筑、仪表、电子、医用 application 包装、耐火．．．．能源等等。

钢 --- 金相组织或组织结构——珠光体、贝氏体、马氏体和奥氏体 1. 金属材料 metals (1) 黑色金属材料 化学成分——碳素钢、合金钢 品质——普通、优质、高级优质钢 钢 --- 金相组织或组织结构——珠光体、贝氏体、马氏体和奥氏体 Stell 用途——建筑工程、结构、工具、特殊性能、专业用钢 冶炼方法——平炉、转炉、电炉、沸腾炉钢   灰铸铁 可锻铸铁 铸铁 — 球墨铸铁 蠕墨铸铁 特殊性能铸铁

(2) 有色金属 五大类 轻金属 （<4.5g/cm2）铝、镁、纳、钙 重金属 (>4.58/cm2) 铜、镍、铅、锌 贵金属 金、银、铂、铑 类金属（半） 硅、硒、绅、硼 稀有金属 钛、锂、钨、钼、镭 常用的稀有金属材料有：Al、Cu 、Zn、 Sn、 Pb、 Mg、 Ni……

(3) 基本特性 Principal Properties b.  常温下固体熔点较高； c.  金属光泽； d.  纯金属范性大、展性、延性大； e.  强度较高； f.  导热、导电性好； g. 空气中移氧化，如钢、铁等生成氧化膜，合金可改性 抗氧化性。 (4) 用途 Application a.  结构材料:如机床,建筑机械设备、工程交通工具； b.  导体材料，电线芯（铜） c.  工具

2 无机非金属材料 Inorganic nonmetals (1) 分类（按成分，化学结构和用途分四大类） 混凝土（水泥） 玻璃 Glass 硅及耐火材料 Silane 陶瓷（器） Ceramics 传统陶瓷（天然硅酸盐矿）：各中粘土烧 制而成。(Silicate Ceramics) 特种陶瓷（人工化合物：氧化物、氮化物、硼化物、碳化物）。

(2) 基本特性，以陶瓷为例，其它有较大差别 a.  离子键、共价键及其混合键； b.  硬而脆； c.  熔点高、耐高温抗氧化 d.  导热、导电性差； e.  耐化学腐蚀性性好； f.  耐磨； g.  成型方式为粉末制坏、烧制成型 (3) 用途 建筑卫生陶瓷：瓷砖、浴缸。 工程陶瓷 工程结构陶瓷：反应釜（耐酸、耐腐蚀） 绝缘瓷瓶。 功能陶瓷：磁性、导电。

3. 高分子材料 polymers, Marcomolecules (1) 分类 碳链 –C–C–C 按主链结构 杂链 –C–N–C=O –C–O–C– backebone 元素 Si 、P、B   塑料 Plastics 通用塑料、工程塑料； 热塑性、热固性 橡胶 Ruber 天然、合成 按使用性质 纤维 Fiber 人造、合成 粘合剂 Adhesive 涂料 Coating

(2) 基本性质 (3) 用途 a. 共价键，部分范氏键 b. 分子量大，无明显容点，有玻璃化转变温度Tg和粘流温度Tf； c.  力学状态有三态 玻璃态、高弹态、粘流态 d.  比重小 e.  绝缘性好 f.  优越的化学稳定性 g.  成型方法多 (3) 用途 结构材料：电视机壳体、冰箱壳体、轴承、机械零件 绝缘材料：漆包线、电缆、绝缘版、电器零件 建筑材料：贴面板、地贴 包装材料：塑料袋、薄膜、泡沫塑料 涂装：涂料 粘合剂：粘合剂 日用：织物（衣服）胶鞋 运输：轮胎，传送带

4. 复合材料 composites 定义：由两种以上组分组成，并且具有与其组成不同的新的性能的材料 (1) 分类 按性能： 结构复合材料 按性能： 结构复合材料 功能复合材料 按增强剂形状及增强机理： 粒子增强 纤维增强 基体 Matrix 增强体 Reinforcement 金属 金属、无机非金 按复合方式 无机非金属 金属、无机非金属 高分子（塑料，橡胶） 金属、无机非金、高分子

(2) 基本性质 (3) 用途 a. 抗疲劳性能良好； b. 结构件减震性好； c. 比强度和比量高； d. 耐烧能性和耐高温性能好 e.  具有良好的减摩、耐摩和耐润滑性能 (3)  用途 无机--高分子 玻璃纤维增强塑料(玻璃钢)——汽车,游艇， 碳纤维增强塑料——飞机机翼、高尔夫 球棍、 撑杆跳杆 金属—陶瓷 飞机螺旋桨叶 综合金属韧性，陶瓷耐 高温性 高分子-高分子 橡胶增韧塑料 抗冲PS ABS树脂 减震材料

1-2 材料科学与工程概述 Brief Introduction 1-2-1材料的重要作用 Importance of Materials for the Develoment of Humen History and Science &Technology 材料是人类社会发展的巨大推动力，生产工具制造的物质基础是材料。 石器时代——陶器时代—— 青铜时代 ——铁期时代——复合材料 材料的使用和发展，与生产力和科学技术的水平密切相关 举例： (1) 1764年工业革命，第一部机器（手摇） 1769年       水力纺纱机 1782年 蒸汽机为动力的纺纱机，纺织业 （动力）

瓦特发动机、传动机、工作机——机器系列 机器制造   铁 —— 冶炼业 木炭——大量砍伐；水土流失—— 煤 采矿业 搅炼法（鼓风） 炼钢 交通运输业 1945年 电子管计算机 几间大屋 半导体——集成电路——小型芯片、液晶、分子器 件、计算机（PC） 手提电脑，掌上电脑

(2) 目前 纳米材料 材料品种几十万种（手册中） 科学技术发展的三大支柱： 80年代 能源、材料、信息 80年代 能源、材料、信息 90年代　　信息技术、新材料、生物技术　 　 高速民航客机使用的复合材料，高比强、代替金属、重量轻 耐摩擦、热氧稳定、力学性能 生物降解材料（环境保护） 计算机、液晶显示屏（低电压） 信息社会要术各种各样光、电、磁、声材料 (3) 各种材料相互替换、复合、共性、特性 纳米材料

举例： (1) 1764年工业革命，第一部机器（手摇） 1769年 水力纺纱机 1782年 蒸汽机为动力的纺纱机， 纺织业 （动力）

瓦特发动机、传动机、工作机——机器系列 机器制造   铁 —— 冶炼业 木炭——大量砍伐；水土流失—— 煤 采矿业 搅炼法（鼓风） 炼钢 交通运输业

举例： (2) 计算机 电子管（1945年，几间大屋） 半导体(晶体管） 集成电路（芯片） 液晶显示器、分子器件、计算机（PC） 手提电脑，掌上电脑

举例： （3） 航天飞机 “神六”返回舱 空天飞机 X-37B

学科建立 Establishment of Maerials Scienceand Engineering 1-2-2 材料科学与工程的范畴和任务 学科建立 Establishment of Maerials Scienceand Engineering 1960’s 金属材料——金相学——金属学 无机材料——无机化学——陶瓷学 高分子材料——高分子化学——高分子物理 (2) 内容和任务 Contents and Objective 材料科学：从理论上研究金属、无机非金属和有机高分子等材料的成分、结构、 加工工艺同材料性能及材料应用之间的相互关系。 材料科学与工程：关于材料组成、结构、制备工艺与其性能及使用过程间相互关系的知识开发及应用的科学 学科性质：是介于基础科学与应用科学之间的应用基础科学，（边缘学科）。

Performance Properties Synthesis and Processing Compositions and Structures

a. 从化学角度出发，研究材料的化学组成、键性、 研究内容： 科学性 a. 从化学角度出发，研究材料的化学组成、键性、 结构与性能的关系 b. 从物理角度，阐述材料的组成原子、分子及其运 动状态与各物性之间的关系 c. 材料的制备工艺 技术性 d. 材料的性能表征 e. 材料的应用 (3) 材料工程 Materials Engineering 对于工程技术人员：如何选择特定应用环境下需要的材料，来满足使用要求，如何按实际要求设计新材料，须弄清以下三个关系 （材质）——材料内部结构与性能 （内部形态）——加工工艺与性能 （使用环境，耐久性）——材料的性能与使用过程  

1-3本课程的内容和学习方法 1-3-1 内容 第一章 绪论 Introduction 材料的定义、分类 及基本内容 第二章 物质结构基础 Fundamentals of Material Structure 各类材料结构上的共性基础、原子分子、聚集 态、表面、转变 第三章 材料的组成及结构 Compositions and Structures of Materials 从材料的组成入手，阐述各种材料的聚集态结 构和宏观组织结构。

第四章 材料的性能 Properties of Materials 阐明在应力、热、光、电、声、化学介质等各种外界因素下，各类材料所表现的宏观性质、破坏形式及其内部结构的变化规律。 第五章 材料的制备和成型加工 Preparation and Manufacturing of Materials 从不同种类材料出发，阐明材料的制备原理和方法。

课堂讲授、课堂讨论和课外作业、课前预习相结合 通过物质结构与组成的基本理论的学习，掌握材料的结构——性能内在关系； 1-3-2 学习方法和要求 中文教材和英文教材相结合，电子课件上网，中英文习题 课堂讲授、课堂讨论和课外作业、课前预习相结合 通过物质结构与组成的基本理论的学习，掌握材料的结构——性能内在关系； 通过对比，了解高分子材料与金属和无机非金属材料在材料结构和性能特点上的主要异同点； 运用结构——性能关系的原理，了解主要材料品种的制备和应用的特点，具有一定材料设计的基础知识。

主要参考书 Fundamentals of Materials Science and Engineering（英文资料） 《材料科学与工程基础》 （美） L、H 范弗莱克 《材料科学与工程系列教材》 哈尔滨工业大学出版社（1999） 《材料科学基础》.谢希文，北京航空航天大学出版社，1999年。