1、IntroductiontoEngineeringMaterials1PPT课件课程性质：课程性质： 面向全校机械专业开设的材料学通识教育选课面向全校机械专业开设的材料学通识教育选课开设目的及内容：开设目的及内容：建立材料科学与工程的基本概念，了解其在经济社会发展中的作用；建立材料科学与工程的基本概念，了解其在经济社会发展中的作用；了解材料的共性规律与特点，建立从材料设计、组织控制、制备加工到了解材料的共性规律与特点，建立从材料设计、组织控制、制备加工到性能评价与工程应用的概念体系；性能评价与工程应用的概念体系；基本掌握工程材料的基本分类方法及常用工程材料的性能和用途；基本掌握工程材料的基本分
2、类方法及常用工程材料的性能和用途；2PPT课件材料的定义与分类材料的定义与分类材料的地位和作用材料的地位和作用材料科学与工程的形成和发展材料科学与工程的形成和发展材料的发展趋势材料的发展趋势3PPT课件 材料的定义与分类材料的定义与分类定义：定义：宇宙间可用于制造有用物品的固态物质统称为宇宙间可用于制造有用物品的固态物质统称为1资源资源2能源能源3环保环保4质量质量5经济经济 有用的、并能用来制造物品（件）的物质有用的、并能用来制造物品（件）的物质 一般指固态的，可用于工程上的物质一般指固态的，可用于工程上的物质 作为材料科学研究对象的材料则主要是那些制造器件作为材料科学研究对象的材料则主要是
3、那些制造器件或物品的人造物质或物品的人造物质4PPT课件 材料的定义与分类材料的定义与分类材料无处不在材料无处不在人类已经发现的材料：人类已经发现的材料：“800800 ” ”万种万种每年新增：每年新增：“2525 ” ”万种万种具有实际工业价值的有：具有实际工业价值的有：“8 8 ” ”万种万种5PPT课件 材料的定义与分类材料的定义与分类6PPT课件材料分类(Classification of Materials)7PPT课件氯2334223342金属材料（Metallic Materials):钢铁、铝、铜、钛合金金属材料（Metallic Materials):钢铁、铝、铜、钛合金陶瓷
4、材料（Ceramics）：Al O 、SiC、Si N 、SiO 、TiN陶瓷材料（Ceramics）：Al O 、SiC、Si N 、SiO 、TiN或无机非金属材料（Inorganic Materials)或无机非金属材料（Inorganic Materials)高分子材料（High Polymers)：纤维、蛋白质、聚乙烯、聚乙烯高分子材料（High Polymers)：纤维、蛋白质、聚乙烯、聚乙烯Matel- MatrixMatel- Matrix复合材料（Composites)：Composites复合材料（Composites)：CompositesPolymer- MatrixP
5、olymer- Matrix金属材料金属学金属材料金属学陶瓷材料陶瓷学材料科学基础 突出材料共性教学陶瓷材料陶瓷学材料科学基础 突出材料共性教学高分子材料高分子物理高分子材料高分子物理1、按性能特点分：结构材料、功能材料2、按化学组成分：8PPT课件(1)(1)金属材料金属材料金属材料是最重要的工程材料，包括金属和以金属为基的合金。最简单的金属材料是纯金属。工程应用的金属材料，原子间的结合键基本上为金属键，为金属晶体材料。工业上把金属和其合金分为两大部分（1）黑色金属 铁和以铁为基的合金(钢、铸铁和铁合金)；（2）有色金属 黑色金属以外的所有金属及其合金。9PPT课件(2)高分子材料高分子材料
6、高分子材料为有机合成材料，亦称聚合物。它具有较高的强度，良好的塑性，较强的耐腐蚀性能，很好的绝缘性，以及重量轻等优良性能，在工程上是发展最快的一类新型结构材料。高分子材料由大量相对分子质量特别大的大分子化合物组成，每个大分子皆包含有大量结构相同、相互连接的链节。有机物质主要以碳元素(通常还有氢)为其结构组成，在大多数情况下它构成大分子的主链。大分子内的原子之间由很强的共价键结合，而大分子与大分子之间的结合力为较弱的范特瓦尔斯力。工程上通常根据机械性能和使用状态将其分为四大类：塑料、合塑料、合成纤维、橡胶、胶粘剂成纤维、橡胶、胶粘剂10PPT课件(3)陶瓷材料陶瓷材料陶瓷是一种或多种金属元素同一
7、种非金属元素(通常为氧)的化合物。非金属元素原子同金属原子化合时形成很强的离子键，同时也存在有一定成分的共价键。例如MgO晶体中, 离子键占84%, 共价键占16%。也有一些特殊陶瓷以共价键为主。陶瓷的硬度很高，但脆性很大。陶瓷材料属于无机非金属材料，主要为金属氧化物和金属氧化合物。由于大部分无机非金属材料含有硅和其它元素的化合物，所以又叫做硅酸盐材料。它一般包括无机玻璃(硅酸盐玻璃)、玻璃陶瓷(或称微晶玻璃)和陶瓷等三类11PPT课件(4)复合材料复合材料复合材料就是两种或两种以上不同材料的组合材料，其性能优于它的组成材料。复合材料可以由各种不同种类的材料复合组成，所以它的结合键非常复杂。它
8、在强度、刚度和耐蚀性方面比单纯的金属、陶瓷和聚合物都优越。具有广阔的发展前景。12PPT课件 材料科学是研究材料的成分、组织结构与材料科学是研究材料的成分、组织结构与性能之间关系性能之间关系非金属材料、复合材料非金属材料、复合材料：材料学：金属材料、：材料学：金属材料、变形与再结晶变形与再结晶：材料变形学：材料的：材料变形学：材料的相图、热处理相图、热处理：材料相变学：凝固、：材料相变学：凝固、晶体缺陷晶体缺陷构与键合、固体结构、构与键合、固体结构、：材料结构学：原子结：材料结构学：原子结VIIII II I13PPT课件矿业及农业科技矿业及农业科技与工程范畴与工程范畴材料科学材料科学与工程范
9、畴与工程范畴 材料的地位和作用材料的地位和作用14PPT课件工工农农业业生生产产国国防防科科学学技技术术人人民民生生活活材料品种材料品种数量国家现代化程度标志之一数量国家现代化程度标志之一质量质量材料材料能源 现代技术的三大支柱能源 现代技术的三大支柱信息信息材料无处不在，无处不有15PPT课件u铁器时代铁器时代u信息时代信息时代（新材料时代）u石器时代石器时代（石器、陶器 、瓷器)u青铜器时代青铜器时代 材料的地位和作用材料的地位和作用16PPT课件 材料的地位和作用材料的地位和作用 石器时代石器时代青铜时代青铜时代新材料时代新材料时代铁器时代铁器时代钢铁时代钢铁时代17PPT课件材料的历史
10、进程(Historical perspective) 漫长而又曲折的历程漫长而又曲折的历程：（Stone Age）（Stone Age） 石器时代：石器时代： 石斧、凿、刀、铲、箭头、石斧、凿、刀、铲、箭头、 纺轮、钵等（西安半坡遗址）纺轮、钵等（西安半坡遗址）石斧18PPT课件石器的制造和使用石器的制造和使用 在人类的发展史上，最先使用的工具是石器。 中华民族的祖先用坚硬的容易纵裂成薄片的燧石和石英石等天然材料制成石刀、石斧、石锄。19PPT课件陶器与瓷器的发明和使用陶器与瓷器的发明和使用瓷器瓷器中国文化的象征中国文化的象征新石器时代(公元前6000年公元前5000年)，中华民族的先人们用粘
11、土(主要成分为SiO2，Al2O3)烧制成陶器。马家窑(甘肃)文化时期的陶器表面彩绘有条带纹、波纹和舞蹈纹等，制品有炊具、食具、盛储器皿等。中国是最早生产瓷器的国家中国是最早生产瓷器的国家。东汉时期发明了瓷器。瓷器于9世纪传到非洲东部和阿拉伯国家，世纪传到日本，十五世纪传到欧洲。瓷器成为中国文化的象征，对世界文明产生了极大的影响。中国瓷器畅销全球，名誉四海。20PPT课件我国劳动人民创造了灿烂的青铜文化我国劳动人民创造了灿烂的青铜文化夏朝(公元前2140年始)以前我国就开始青铜的冶炼。殷、西周时期已发展到很高的水平。青铜主要用于制造各种工具、食器、兵器。从河南安阳晚商遗址出土的司母戊鼎。从湖北
12、隋县出土的战国青铜编钟世界上最古老的关于青铜合金成分的文字记载：周礼考工记21PPT课件中国古代铁器的金相组织湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄ron Age（I）铁时 器代器代22PPT课件铁器的生产和应用铁器的生产和应用青秋战国时期青秋战国时期(公元前770年公元前221年)开始大量使用铁器。西汉时期西汉时期 炼铁技术有很大的提高，采用煤作为炼铁的燃料，比欧洲早1700多年我国古代我国古代创造了三种炼钢方法创造了三种炼钢方法从矿石中直接炼出自然钢。西汉时期经过“百次”冶炼锻打的百炼钢南北朝时期生产的灌钢。钢的热处理技术达到相当高的水平钢的热处理技术达到相当高的水平23PPT课件丝绸丝绸天然高分子材
13、料天然高分子材料丝绸是一种天然高分子材料，在我国有着悠久的历史，我国丝绸质地柔软，色彩鲜艳，美观华丽，光彩夺目。于十一世纪传到波斯、阿拉伯、埃及，于1470年传到意大利的威尼斯，进入欧洲。24PPT课件古代科技名著：古代科技名著：“考工记考工记”（先秦）、（先秦）、“梦溪笔谈梦溪笔谈”（宋代沈（宋代沈 括）、括）、“天工开物天工开物”（明代宋应星）（明代宋应星）明代后：封建统治、帝国主义侵略束缚了材料的发展明代后：封建统治、帝国主义侵略束缚了材料的发展 停滞状态停滞状态解放后：材料科学受到重视和发展，被列为现代技术三大支柱之一。解放后：材料科学受到重视和发展，被列为现代技术三大支柱之一。 一整
14、套材料体系一整套材料体系 门类全齐门类全齐 数量数量 质量质量 钢铁突破钢铁突破2 2亿吨大关亿吨大关 世界第一世界第一 原子弹、氢弹、人造卫星、火箭原子弹、氢弹、人造卫星、火箭长征三号运载火箭在发射架上的图片长征三号运载火箭在发射架上的图片宝钢高炉宝钢高炉25PPT课件第一次工业革命（第一次工业革命（1818世纪）世纪）制钢工业制钢工业的发展为蒸汽机的发明和应用奠定了物质基础的发展为蒸汽机的发明和应用奠定了物质基础以以蒸汽机蒸汽机和和纺织机纺织机的发明和使用为主要标志的发明和使用为主要标志工业革命使工厂制代替了手工工场，用工业革命使工厂制代替了手工工场，用机器机器代替了手工代替了手工劳动劳动
15、26PPT课件 以以电力电力和和内燃机内燃机的发明和使用为主要标志的发明和使用为主要标志, ,以石油开发和新以石油开发和新能源为突破口，大力推进了汽车、飞机等其他工业。能源为突破口，大力推进了汽车、飞机等其他工业。第二次工业革命（第二次工业革命（1919世纪中叶到世纪中叶到2020世纪中叶）世纪中叶）莫尔斯电报机发报27PPT课件第三次工业革命（第三次工业革命（2020世纪世纪4040年代起）年代起） 以以核能核能、电子计算机电子计算机、空间技术空间技术和和生物工程生物工程的发明和的发明和使用为主要标志，涉及信息技术、新能源技术、新材料技使用为主要标志，涉及信息技术、新能源技术、新材料技术、生
16、物技术、空间技术和海洋技术等诸多领域的一场术、生物技术、空间技术和海洋技术等诸多领域的一场信信息控制技术革命息控制技术革命。28PPT课件 材料的地位和作用材料的地位和作用发发电电机机1820年年蒸蒸气气机机1763年年计计算算机机1946年年第一次工业革命第一次工业革命 制钢工业制钢工业的发展为蒸汽机的发明的发展为蒸汽机的发明和应用奠定了物质基础和应用奠定了物质基础第二次工业革命第二次工业革命 合金钢、铝合金及其他非金属材合金钢、铝合金及其他非金属材料料的发展是此次工业革命的支撑的发展是此次工业革命的支撑第三次工业革命第三次工业革命 航空材料不断进步；航空材料不断进步；塑料、合成塑料、合成橡
17、胶、合成纤维橡胶、合成纤维的相继问世；的相继问世；单晶单晶硅硅材料对电子技术的发明和应用起材料对电子技术的发明和应用起到了核心的作用到了核心的作用29PPT课件 材料的地位和作用材料的地位和作用30PPT课件 材料的地位和作用材料的地位和作用图图 例例所用材料所用材料特特 点点 世界杯 足球赛 指定用球用32片复合泡沫材料缝制而成反弹力大，球速快而稳定，耐磨。 大屏幕 液晶投 影电视面板用晶体硅制成。 对比度和清晰度高， 显示速度快，体积小。DVD录像机用DVDRW盘片存储节目体积小，重量轻。仿真手臂用高强度碳纤维复合材料作手臂骨骼，陶瓷作感知元件碳纤维复合材料强度高，重量轻，可旋转的腕和手指
18、以及微电机等安装在它上面。31PPT课件 材料的地位和作用材料的地位和作用32PPT课件 材料的地位和作用材料的地位和作用种种 类类使用的使用的主要材料主要材料存储存储容量容量特特 点点 软盘软盘氧化铁氧化铁磁性材料磁性材料 1.44 Mb容量小，主要是文本文件的存储。 CDRW多元合金和以多元合金和以ZnS等等为主的陶瓷材料为主的陶瓷材料 650 Mb驱动器兼容CD光盘，光盘价低，用量高速增长。 MO (磁光盘磁光盘)TbFeCo合金磁光材合金磁光材料料 650Mb 1.3G需用专用驱动器，价格高，局限在广告、图形用户。 VDRW多元合金和以多元合金和以ZnS等等为主的陶瓷材料为主的陶瓷材料
19、单面单层为单面单层为4.7 Gb驱动器兼容CDRW和CD光盘集成芯片集成芯片1G、16G、32G小巧便于携带、存储容量大、价格便宜、性能可靠。几种可反复读写的移动存储器的比较几种可反复读写的移动存储器的比较U盘盘33PPT课件 材料的地位和作用材料的地位和作用实 例材 料强度范围 MPa比强度 MPa 压气机 叶片铝合金15045055160 钛合金 压气机 机匣钛合金350110080245 飞机 尾翼碳纤维复合材料10001200（顺纤维方向） 625750 硼纤维 铝合金 板和管硼纤维增强铝合金1500（顺纤维方向）570几种航空材料的比强度几种航空材料的比强度34PPT课件 材料的地位
20、和作用材料的地位和作用不同时期航空发动机的工作温度不同时期航空发动机的工作温度35PPT课件 在美国卡拉维纳尔角航天基地待升空的航天飞机（穿梭机）。它是人类高技术的结晶。它应用了成千上万种材料成千上万种材料，特别是一些高技术的新型材料 材料的地位和作用材料的地位和作用36PPT课件37PPT课件材料是现代文明的基石材料是现代文明的基石 材料的地位和作用材料的地位和作用38PPT课件一、材料科学与工程一、材料科学与工程（MSEMSE）的定义的定义研究各种材料的成分、结构、制备加工研究各种材料的成分、结构、制备加工 工艺与性能之间的关系工艺与性能之间的关系研究材料在制备、处理加工过程中的研究材料在
21、制备、处理加工过程中的 工艺和各种工程问题工艺和各种工程问题 材料科学与工程的形成和发展材料科学与工程的形成和发展39PPT课件一、材料科学与材料工程的关系一、材料科学与材料工程的关系 材料科学与工程的形成和发展材料科学与工程的形成和发展40PPT课件 材料科学与工程的形成和发展材料科学与工程的形成和发展二、材料科学与工程二、材料科学与工程（MSEMSE）的兴起的兴起41PPT课件1 1、需求牵引、需求牵引利用新材料和材料改进利用新材料和材料改进飞机飞机汽车汽车减轻减轻自重自重节约能源节约能源保护环境保护环境汽车用高强钢，可减重汽车用高强钢，可减重24%，强度增加，强度增加34%42PPT课件
22、1 1、需求牵引、需求牵引43PPT课件1 1、需求牵引、需求牵引长征火箭壳体：长征火箭壳体： 铝合金铝合金744Kg744Kg；碳纤维；碳纤维401Kg401Kg；两者相比两者相比: : 碳纤维减重碳纤维减重343343KgKg；射程增加；射程增加14761476KmKm各种材料在波音各种材料在波音787787飞机上的应用飞机上的应用44PPT课件2 2、科学驱动、科学驱动固体物理、无机化学固体物理、无机化学有机化学、物理化学有机化学、物理化学材料本身的研究材料本身的研究大大加强大大加强材料科学冶金学、金属学、陶瓷冶金学、金属学、陶瓷学、高分子学等学、高分子学等物资结构和物性物资结构和物性金
23、属材料、高分子材料、陶瓷材料亦自成体系；金属材料、高分子材料、陶瓷材料亦自成体系；复合材料的学科体系正在形成复合材料的学科体系正在形成各类材料的研究设备与生产手段有颇多共同之处各类材料的研究设备与生产手段有颇多共同之处许多不同类型的材料可以相互代替和补充；许多不同类型的材料可以相互代替和补充；复合材料在多数情况下是不同类型材料的组合复合材料在多数情况下是不同类型材料的组合45PPT课件 材料科学与工程的形成和发展材料科学与工程的形成和发展三、材料科学与工程三、材料科学与工程（MSEMSE）的特点的特点n是多学科交叉，包括物理学、化学、冶金学、金属是多学科交叉，包括物理学、化学、冶金学、金属学、
24、学、 陶瓷学、高分子化学及计算科学等陶瓷学、高分子化学及计算科学等n是一种与实际使用结合非常紧密的科学是一种与实际使用结合非常紧密的科学n是一个正在发展中的科学是一个正在发展中的科学46PPT课件 材料科学与工程的形成和发展材料科学与工程的形成和发展四、材料科学与工程的组成要素四、材料科学与工程的组成要素合成合成/ /制备制备结构结构/ /成分成分性质（性能）性质（性能）使用性能（效能）使用性能（效能）47PPT课件 材料的发展趋势材料的发展趋势“9.11”“9.11”事件与材料事件与材料纽约世贸大厦纽约世贸大厦1973年竣工，110层、411m主体钢架结构(用钢7.8万吨)墙面由铝板和玻璃砖
25、组成n塔楼坍塌原因塔楼坍塌原因: :高温下材料强度迅速降低高温下材料强度迅速降低n9.119.11之后大楼怎么建材结实？之后大楼怎么建材结实？采用高强、轻质材料采用高强、轻质材料n如何对付有毒烟雾？如何对付有毒烟雾？用环保防火材料用环保防火材料n如何有利逃生？如何有利逃生？用自发光材料用自发光材料蓄光型自发光夜光粉48PPT课件可以连续可以连续12年自发光的材料年自发光的材料自发光楼梯扶手 材料的发展趋势材料的发展趋势自已会发亮的灯自已会发亮的灯49PPT课件 材料的发展趋势材料的发展趋势现代战争武器与材料之一现代战争武器与材料之一B-2隐形战略轰炸机隐身性能源于：隐身性能源于： 特殊的结构设
26、计特殊的结构设计 隐身材料的充分利用隐身材料的充分利用B-2B-2使用的主要材料：使用的主要材料： 主梁和发动机舱主梁和发动机舱轻金属、复合材料轻金属、复合材料 其他部分其他部分碳纤维和石墨纤维的复合材料碳纤维和石墨纤维的复合材料机翼前缘机翼前缘包覆吸波材料包覆吸波材料整个机体整个机体喷涂吸波油漆喷涂吸波油漆（XKuP-4）吸波材料50PPT课件 材料的发展趋势材料的发展趋势现代战争武器与材料之二现代战争武器与材料之二航天飞机美国“战斧”式巡航导弹神州飞船51PPT课件99式坦克式坦克具备优异的防弹外型，其炮塔和车体均采用复合装甲，抗弹能力成倍提高99式坦克式坦克 材料的发展趋势材料的发展趋势
27、现代战争武器与材料之三现代战争武器与材料之三装甲材料的变迁：装甲材料的变迁：厚厚钢钢板板合合金金钢钢复复合合装装甲甲英国英国“挑战者挑战者”坦克坦克战车全重62.54吨，最大速度56千米时，车体和炮塔采用“ 乔巴姆”复合装甲英国英国“挑战者挑战者”坦克坦克52PPT课件 材料的发展趋势材料的发展趋势金属、陶瓷、聚合物和复合材料将平分秋色金属、陶瓷、聚合物和复合材料将平分秋色新材料技术出现群体性突破新材料技术出现群体性突破纳米技术是前沿技术中最具前瞻性和带动性的领域之一纳米技术是前沿技术中最具前瞻性和带动性的领域之一光电子材料、光子材料将成为发展最快和最有前途的电子光电子材料、光子材料将成为发展
28、最快和最有前途的电子信息材料信息材料新型功能材料（超导材料、智能材料、生物医用材料）及新型功能材料（超导材料、智能材料、生物医用材料）及其应用技术面临新的突破其应用技术面临新的突破新型结构材料（高温合金、难熔金属、金属间化合物、金新型结构材料（高温合金、难熔金属、金属间化合物、金属基复合材料、高分子材料、钛合金、镁合金）发展前景乐属基复合材料、高分子材料、钛合金、镁合金）发展前景乐观观53PPT课件 材料的发展趋势材料的发展趋势n材料的可持续发展战略：材料的可持续发展战略： 建立生态工业园区建立生态工业园区 研究与开发生态环境材料研究与开发生态环境材料n金属材料资源危机，传统材料面临挑战金属材料资源危机，传统材料面临挑战 节约原材料节约原材料 探索代用品探索代用品 政策导向政策导向 以质补量以质补量54PPT课件55PPT课件学习方法： 培养能力为主，学习知识为辅 要掌握正确的思维方式，不要死记硬背 认真记好笔记，课后短时复习 抓住主线条，不钻牛角尖 考试前及早复习，不要临阵磨枪56PPT课件
