1、第一节 材料发展概述材料材料:人类用来制造各种产品的物质，是人类生产和人类用来制造各种产品的物质，是人类生产和 生活的物质基础。生活的物质基础。能源、信息和材料能源、信息和材料被称为现代科学技术的三大支柱。被称为现代科学技术的三大支柱。历史学家将人类早期历史划分为历史学家将人类早期历史划分为石器时代、陶器时代、石器时代、陶器时代、青铜时代和铁器时代青铜时代和铁器时代等等.现在人类已进入人工合成材料现在人类已进入人工合成材料的新时期。的新时期。石器石器是人类最先使用的工是人类最先使用的工具。在新石器时代，出现了具。在新石器时代，出现了玉玉器、陶器和瓷器器、陶器和瓷器。如金镂玉。如金镂玉衣，秦始皇
2、兵马俑等。衣，秦始皇兵马俑等。我国是生产瓷器最早的的我国是生产瓷器最早的的国家。国家。青铜青铜（铜锡合金）（铜锡合金）人类历史上发明的第一种合金。人类历史上发明的第一种合金。晚商和西周是我国青铜器时代的鼎盛时期。如晚商和西周是我国青铜器时代的鼎盛时期。如“司母戊司母戊”大方鼎，越王大方鼎，越王勾践的两把宝剑等。勾践的两把宝剑等。春秋战国时期春秋战国时期已开始大量使用铁器。已开始大量使用铁器。春秋晚期出土的铁器：江苏六合程桥楚墓的铁丸、长沙楚春秋晚期出土的铁器：江苏六合程桥楚墓的铁丸、长沙楚墓的铁鼎。墓的铁鼎。战国时期已有战国时期已有韧性铸铁生产工艺韧性铸铁生产工艺。在汉代冶铁遗址中，发掘出在汉
3、代冶铁遗址中，发掘出20多多座冶铁炉和锻炉，炉型庞大，结构复座冶铁炉和锻炉，炉型庞大，结构复杂，并有鼓风装置和铸造坑。杂，并有鼓风装置和铸造坑。铸铁铸铁用来制作农具、兵器用来制作农具、兵器等。瓦特发明蒸气机以后，实现工等。瓦特发明蒸气机以后，实现工业化生产。业化生产。炼钢技术炼钢技术是在蒸气机出现、能是在蒸气机出现、能够提供强大的鼓风和动力以后才发够提供强大的鼓风和动力以后才发展起来的。展起来的。目前我国的钢产量已跃居世界目前我国的钢产量已跃居世界首位。首位。丝绸丝绸是一种天然高分子材料。是一种天然高分子材料。有机合成材料有机合成材料每年以每年以14的速度增长，而金属材的速度增长，而金属材料的
4、年增长率仅为料的年增长率仅为4。陶瓷材料陶瓷材料在冶金、建筑、化工以及尖端技术领在冶金、建筑、化工以及尖端技术领域，已成为耐高温、耐腐蚀和各种功能材料的主要材域，已成为耐高温、耐腐蚀和各种功能材料的主要材料。料。传统的单一材料已不能满足使用要求，复合材料传统的单一材料已不能满足使用要求，复合材料和新材料的研究和应用引起了人们的重视。和新材料的研究和应用引起了人们的重视。是指那些对现代科学技术的进步和国民是指那些对现代科学技术的进步和国民经济的发展有重大推动作用的材料，这些材料具有传经济的发展有重大推动作用的材料，这些材料具有传统材料所没有的或无法比拟的优异性能，它的出现将统材料所没有的或无法比
5、拟的优异性能，它的出现将极大地促进生产力的提高，推动社会飞速发展。极大地促进生产力的提高，推动社会飞速发展。一、材料应用的现状一、材料应用的现状 目前，用量最大的材料是目前，用量最大的材料是钢铁材料钢铁材料和铝合金、铜合金、钛和铝合金、铜合金、钛合金及镍合金等合金及镍合金等有色金属有色金属。工程塑料工程塑料常用于计算机外壳、接线板、控制按钮、窗玻常用于计算机外壳、接线板、控制按钮、窗玻璃、容器等。璃、容器等。传统陶瓷传统陶瓷主要用于建筑行业，而先进陶瓷材料则在高新技主要用于建筑行业，而先进陶瓷材料则在高新技术领域得到应用。术领域得到应用。复合材料复合材料尤其是金属基复合材料在航空航天部门得到了
6、广尤其是金属基复合材料在航空航天部门得到了广泛应用。泛应用。二、新材料的发展趋势二、新材料的发展趋势 新材料的研制与开发应用和一个国家的工业实新材料的研制与开发应用和一个国家的工业实力及经济、军事力量的增长都有十分密切的关系。力及经济、军事力量的增长都有十分密切的关系。1.1.先进复合材料先进复合材料 金属基复合材料金属基复合材料是当前先进复合材料研究中引人是当前先进复合材料研究中引人注目的重点领域之一。如碳纤维增强铝，粉末颗粒增强注目的重点领域之一。如碳纤维增强铝，粉末颗粒增强铝、硼纤维增强铝等。铝、硼纤维增强铝等。陶瓷复合材料陶瓷复合材料尚处于研究试制开发阶段，研究的尚处于研究试制开发阶段
7、，研究的品种包括陶瓷纤维增强陶瓷和玻璃材料、金属纤维增强品种包括陶瓷纤维增强陶瓷和玻璃材料、金属纤维增强陶瓷和玻璃材料、晶须增强陶瓷和玻璃材料等。陶瓷和玻璃材料、晶须增强陶瓷和玻璃材料等。2.2.光电子信息材料光电子信息材料 基本材料基本材料的研究（如超高纯玻璃、新型的研究（如超高纯玻璃、新型半导体材料、先进薄膜材料等）。半导体材料、先进薄膜材料等）。3.3.低维材料低维材料 所谓所谓低维材料低维材料就是指超微粒子（零维）、纤维（一维）和薄膜就是指超微粒子（零维）、纤维（一维）和薄膜（二维）材料，这是近年来发展最快的材料领域。（二维）材料，这是近年来发展最快的材料领域。通过溶胶通过溶胶凝胶法、
8、多相沉积或激光等方法，可以制备出亚微凝胶法、多相沉积或激光等方法，可以制备出亚微米级的陶瓷或金属粉末，其大小只有几个原子到几百个原子，一般米级的陶瓷或金属粉末，其大小只有几个原子到几百个原子，一般称为纳米级超细微粉。纳米级金属颗粒是电的绝缘体及吸光的黑称为纳米级超细微粉。纳米级金属颗粒是电的绝缘体及吸光的黑体；以纳米颗粒制成的陶瓷具有较高的韧性和超塑性；纳米级金属体；以纳米颗粒制成的陶瓷具有较高的韧性和超塑性；纳米级金属铝的硬度是块状铝的铝的硬度是块状铝的8 8倍等。倍等。一维纤维一维纤维中最重要的是光导纤维，可用于通信工程材中最重要的是光导纤维，可用于通信工程材料。光导纤维的特点是其信息传输
9、量远比用铜、铅的同轴电缆料。光导纤维的特点是其信息传输量远比用铜、铅的同轴电缆大，而且光纤有很强的保密性。大，而且光纤有很强的保密性。二维材料二维材料（薄膜）的发展也很快，特别是电子技术的发（薄膜）的发展也很快，特别是电子技术的发展，需要各种类型的薄膜材料，当前发展最快的是金刚石薄展，需要各种类型的薄膜材料，当前发展最快的是金刚石薄膜、高温超导薄膜和半导体薄膜等。膜、高温超导薄膜和半导体薄膜等。4.4.新型金属材料新型金属材料 高性能金属新材料近期发展方向，主要是通过新技高性能金属新材料近期发展方向，主要是通过新技术、新工艺，提高合金化程度或改变组织，从而大幅度术、新工艺，提高合金化程度或改变
10、组织，从而大幅度提高材料的性能，开发出新的品种。例如，可以通过对提高材料的性能，开发出新的品种。例如，可以通过对合金成分的合理设计及微量元素的控制，研制出了高比合金成分的合理设计及微量元素的控制，研制出了高比强度与高比模量的强度与高比模量的ALLiALLi合金；通过快速冷却（合金；通过快速冷却（10104 4K/sK/s10105 5K/sK/s）可使某些合金成为非晶态，或可以得到微）可使某些合金成为非晶态，或可以得到微晶，提高合金化程度，从而使合金得到强化。晶，提高合金化程度，从而使合金得到强化。5.5.高性能塑料高性能塑料 新型的高性能高分子材料，强度可比金属更高，新型的高性能高分子材料，
11、强度可比金属更高，且更耐腐蚀，生产过程耗能低，成型加工工艺性能良且更耐腐蚀，生产过程耗能低，成型加工工艺性能良好，成本较低，所以发展较快。好，成本较低，所以发展较快。目前高性能塑料主要应用于家用器皿、建筑构件目前高性能塑料主要应用于家用器皿、建筑构件以及军用品，以及汽车及飞机工业上。以及军用品，以及汽车及飞机工业上。6.6.先进陶瓷材料先进陶瓷材料 先进陶瓷材料可分为结构陶瓷和功能陶瓷两大先进陶瓷材料可分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类。目前人们关注的是高温结构陶瓷在内燃机上的应类。目前人们关注的是高温结构陶瓷在内燃机上的应用研究，它将使热机效能大大提高，减少环境污染，用研究，它将使热机效能大大提高
12、，减少环境污染，扩大燃料使用范围。扩大燃料使用范围。7.7.超导材料超导材料 目前研制的重点是高温超导材料的研制。目前研制的重点是高温超导材料的研制。按使用性能分类按使用性能分类，可分为以力学性能为主的结，可分为以力学性能为主的结构材料和以物理、化学性能为主的功能材料。构材料和以物理、化学性能为主的功能材料。按用途分类按用途分类，可分为机械材料、信息材料、电，可分为机械材料、信息材料、电子材料、能源材料、生物材料、建筑材料、电工电子材料、能源材料、生物材料、建筑材料、电工电器材料、农用材料等。器材料、农用材料等。目前材料通常是按其组成和结构特点，分为金目前材料通常是按其组成和结构特点，分为金属
13、材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料四大属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料四大类。类。（见下表）（见下表）金金 属属材材 料料 高高 分分 子子 材材 料料 陶陶 瓷瓷 材材 料料复复 合合材材 料料铸铸 铁铁钢钢有色金有色金 属及其属及其 合合 金金碳碳 钢钢合金钢合金钢工工 程程塑塑 料料合合 成成橡橡 胶胶胶胶 粘粘剂剂普普 通通陶陶 瓷瓷特特 种种陶陶 瓷瓷金属基金属基复复 合合材材 料料 非金属非金属 基复合基复合 材料材料 合合 成成 纤纤 维维 工程材料的分类工程材料的分类金属材料：是以金属元素为基础的材料。金属材料：是以金属元素为基础的材料。合金：是在纯金属中，有意地加入一
14、种或多种其他元素，通过合金：是在纯金属中，有意地加入一种或多种其他元素，通过 冶金或粉末冶金方法制成的具有金属特性的材料。冶金或粉末冶金方法制成的具有金属特性的材料。金属材料可以分为两大部分：金属材料可以分为两大部分：黑色金属：铁和以铁为基的合金，包括钢、铸铁和铁合金。黑色金属：铁和以铁为基的合金，包括钢、铸铁和铁合金。有色金属：黑色金属金属以外的所有金属及其合金。有色金属：黑色金属金属以外的所有金属及其合金。高分子材料由大量相对分子质量特别大的大分子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
15、链节。互连接的链节。高分子化合物具有较高的强度，良好的塑性，较高分子化合物具有较高的强度，良好的塑性，较强的耐腐蚀性能，很好的绝缘性，以及重量轻等性强的耐腐蚀性能，很好的绝缘性，以及重量轻等性能，在工程上是发展最快的一类新型结构材料。能，在工程上是发展最快的一类新型结构材料。工程上通常根据机械性能和使用状态将高分子材工程上通常根据机械性能和使用状态将高分子材料分为四大类：料分为四大类：塑料：强度、韧性和耐磨性较好，可制造某些机器零件塑料：强度、韧性和耐磨性较好，可制造某些机器零件或构件的工程塑料，可分为热塑性塑料和热固性塑料。或构件的工程塑料，可分为热塑性塑料和热固性塑料。合成纤维：由单体聚合
16、而成的、强度很高的聚合物，通合成纤维：由单体聚合而成的、强度很高的聚合物，通过机械处理所获得的纤维材料。过机械处理所获得的纤维材料。橡胶：经硫华处理的、弹性特别优良的聚合物，有通用橡胶：经硫华处理的、弹性特别优良的聚合物，有通用橡胶和特种橡胶两种。橡胶和特种橡胶两种。胶粘剂：通过粘附作用，使同质或异质材料连接在一胶粘剂：通过粘附作用，使同质或异质材料连接在一起，并在胶接面上有一定强度的物质。又叫黏合剂或黏结剂。起，并在胶接面上有一定强度的物质。又叫黏合剂或黏结剂。陶瓷是一种或多种金属元素同一种非金属（通常为氧）的化陶瓷是一种或多种金属元素同一种非金属（通常为氧）的化合物，其中尺寸较大的氧原子为
17、陶瓷的基质，较小的金属（或半合物，其中尺寸较大的氧原子为陶瓷的基质，较小的金属（或半金属如硅等）原子处于氧原子之间的空隙中。金属如硅等）原子处于氧原子之间的空隙中。陶瓷的特点是强度高、硬度大、耐腐蚀。缺点是脆性大。陶瓷的特点是强度高、硬度大、耐腐蚀。缺点是脆性大。陶瓷材料属于无机非金属材料，由于大部分无机非金属材料陶瓷材料属于无机非金属材料，由于大部分无机非金属材料含有硅和其他元素的化合物，所以又叫做硅酸盐材料。它一般包含有硅和其他元素的化合物，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。
18、等三类。按照成分和用途，工业陶瓷材料可分为：按照成分和用途，工业陶瓷材料可分为：普通陶瓷：即传统陶瓷，主要为硅、铝氧化普通陶瓷：即传统陶瓷，主要为硅、铝氧化 物的硅酸盐材料。物的硅酸盐材料。特种陶瓷：又叫新型陶瓷，主要为高熔点的特种陶瓷：又叫新型陶瓷，主要为高熔点的 氧化物、碳化物、氮化物、硅化氧化物、碳化物、氮化物、硅化 物等的烧结材料。物等的烧结材料。金属陶瓷：主要指由金属和陶瓷性非金属组金属陶瓷：主要指由金属和陶瓷性非金属组 成的烧结材料。成的烧结材料。复合材料是由两种或两种以上不同材料组合的材复合材料是由两种或两种以上不同材料组合的材料，其性能优于它的组成材料。复合材料在强度、料，其性
19、能优于它的组成材料。复合材料在强度、刚度和耐腐蚀性方面比单纯的金属、陶瓷和聚合物刚度和耐腐蚀性方面比单纯的金属、陶瓷和聚合物都优越，是一类特殊的工程材料，具有广阔的发展都优越，是一类特殊的工程材料，具有广阔的发展前景。前景。氯化钠离子晶体结构氯化钠离子晶体结构金刚石共价晶体结构金刚石共价晶体结构铜的晶体结构铜的晶体结构Br2的晶体结构的晶体结构 晶晶 胞胞（a）面心立方）面心立方（b）体心立方）体心立方（c）密排六方）密排六方立方晶系中的重要晶面立方晶系中的重要晶面体心立方与面心立方晶体各 主要晶面的原子排列与密度体心立方与面心立方晶体各 主要晶向的原子排列与密度面心立方结构和密排六方结构中原
20、子堆垛方式FCC按（111）面的堆垛次序体心立方结构的间隙 面心立方结构的间隙面心立方结构的间隙（a）八面体间隙）八面体间隙 （b）四面体间隙）四面体间隙 密排六方结构的间隙密排六方结构的间隙（a）八面体间隙）八面体间隙 （b）四面体间隙）四面体间隙1.空位空位 空位：晶格上没有原子的节点称为空位。空位：晶格上没有原子的节点称为空位。空位产生的原因：晶体中的热运动。塑性变形以及高能离空位产生的原因：晶体中的热运动。塑性变形以及高能离子辐射等也能形成空位。子辐射等也能形成空位。2.间隙原子间隙原子 间隙原子：在晶格节点以外位置上的原子称为间隙原子。间隙原子：在晶格节点以外位置上的原子称为间隙原子
21、。间隙原子一般为原子半径小的异类原子（如间隙原子一般为原子半径小的异类原子（如C、N、O、B、H）等。）等。间隙原子产生的原因：金属中存在着空隙。间隙原子产生的原因：金属中存在着空隙。（a）空位）空位（b）置换原子）置换原子（c）间隙原子）间隙原子晶体的理论切变强度：2Gm一般金属：m=104105MPa实际金属单晶：110MPa线缺陷（位错）滑移面滑移台阶19341934年提出位错的概念年提出位错的概念位错滑移的比喻位错滑移的比喻刃型位错的滑移过程示意图位错线位错线负刃型位错螺型位错的滑移过程示意图混合位错示意图混合位错示意图刃型位错柏氏矢量的确定刃型位错柏氏矢量的确定(a)(a)有位错的晶
22、体有位错的晶体 (b)(b)完整晶体完整晶体 MNOPQMNOPQ柏氏矢量螺型位错柏氏矢量的确定螺型位错柏氏矢量的确定(a)(a)有位错的晶体有位错的晶体 (b)(b)完整晶体完整晶体 柏氏矢量螺位错的力学模型刃位错的力学模型 面面 缺缺 陷陷 晶晶 界界硬度种类硬度种类符号符号压头压头测量范围测量范围布氏硬度布氏硬度HB钢球钢球铸铁、有色金属、铸铁、有色金属、结构钢等结构钢等硬度不高材料硬度不高材料洛氏硬度洛氏硬度HRAHRBHRC锥角维锥角维120的金的金刚石圆锥或直径为刚石圆锥或直径为1.588mm的钢球的钢球淬火钢、有色金淬火钢、有色金属、工程塑料等属、工程塑料等维氏硬度维氏硬度HV金刚石正四棱锥金刚石正四棱锥可以测量各可以测量各种工程材料种工程材料肖氏硬度肖氏硬度HS金刚石金刚石大型试件大型试件
