《材料科學(xué)與工程概論》課件第1章

第1章緒論1.1材料的定義與分類1.2材料的地位、作用與發(fā)展1.3材料科學(xué)與工程1.4材料類專業(yè)的歷史與現(xiàn)狀

1.1材料的定義與分類

1．材料的定義

從材料工作者的角度來看，材料的定義應(yīng)包含以下

幾點(diǎn)：

(1)具有一定的組成。

(2)具有加工性。

(3)具有一定的性質(zhì)和使用性能。

2．材料的分類

通常人們所說的材料是指固體材料。材料的種類很多，可按以下方法對(duì)其加以分類。

1)按材料的作用分

按照材料的作用(用途)分，可將其分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料。

2)按材料的使用領(lǐng)域分

按照材料的使用領(lǐng)域分，可將其分為電子材料、生物材料、航空航天材料、核材料、建筑材料、醫(yī)用材料、機(jī)械材料、能源材料等。

3)按材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)分

按照材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的不同，可將其分為晶體材料和非晶體材料。晶體材料又分為單晶體材料和多晶體材料。

4)按材料的發(fā)展程度、應(yīng)用范圍及使用量分

按照材料的發(fā)展程度、應(yīng)用范圍及使用量的不同，可將其分為傳統(tǒng)材料和新型材料。

5)按材料的組成、結(jié)構(gòu)特征或?qū)傩苑?/p>

按照材料的組成、結(jié)構(gòu)特征或?qū)傩缘牟煌?，可將其分為金屬材料、無機(jī)非金屬材料、高分子材料以及由這三大類材料復(fù)合而成的復(fù)合材料。

1.2材料的地位、作用與發(fā)展

1．材料是人類社會(huì)發(fā)展的里程碑

人類發(fā)展史可以說是一部材料和技術(shù)的演變史，材料發(fā)展史是人類進(jìn)化與文明的標(biāo)志。

2．材料是高新技術(shù)發(fā)展與社會(huì)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)和先導(dǎo)

材料，尤其是新材料的研究、開發(fā)與應(yīng)用反映著一個(gè)國(guó)家的科學(xué)技術(shù)與工業(yè)水平。

1.3材料科學(xué)與工程

1.3.1材料科學(xué)的形成

事實(shí)上，“材料科學(xué)”學(xué)科的形成也是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。

首先，基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展奠定了材料科學(xué)的基礎(chǔ)。

其次，材料科學(xué)范疇下不同材料應(yīng)用理論的交叉融合。

再次，材料測(cè)試技術(shù)及工藝技術(shù)的交叉融合。1.3.2材料科學(xué)與工程的定義

材料科學(xué)的核心內(nèi)容一方面是研究材料的組織結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，具有“研究為什么”的性質(zhì)；另一方面，材料又是面向?qū)嶋H、為經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)的。它是一門應(yīng)用學(xué)科，研究和發(fā)展材料的目的在于應(yīng)用，而人類又必須通過合理的工藝流程才能制備出具有實(shí)用價(jià)值的材料，通過批量生產(chǎn)才能使之成為工程材料。所以，在“材料科學(xué)”這個(gè)名詞出現(xiàn)后不久，就提出了“材料工程”和“材料科學(xué)與工程”。1.3.3材料科學(xué)與工程的特點(diǎn)

材料科學(xué)與工程具有物理學(xué)、化學(xué)、冶金學(xué)、陶瓷學(xué)、高分子學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等多學(xué)科相互融合與交叉的特點(diǎn)，并且與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合得非常密切，具有鮮明的工程性。1.3.4材料科學(xué)與工程的四要素

由于材料的品種及其應(yīng)用多種多樣，材料的問題涉及許多科學(xué)與工程學(xué)科，因此，人們更關(guān)心材料的統(tǒng)一性和相關(guān)性。材料科學(xué)與工程四個(gè)基本要素的提出，在貌似不相關(guān)的材料之間找到了共同點(diǎn)，即無論哪種材料都包括四個(gè)基本要素：結(jié)構(gòu)與成分、性能、使用性能、合成與加工。把四大要素連接在一起，可組成一個(gè)四面體，如圖1-1所示。圖1-1材料科學(xué)與工程的四個(gè)基本要求

1．結(jié)構(gòu)與成分

每個(gè)特定的材料都含有一個(gè)以原子和電子尺度到宏觀尺度的結(jié)構(gòu)關(guān)系，對(duì)于大多數(shù)材料，所有這些結(jié)構(gòu)尺度上的化學(xué)成分和分布是立體變化的，這是制造這種特定材料所采用的合成與加工的結(jié)果。

2．性質(zhì)或固有性能

材料在外界刺激下都有相應(yīng)的響應(yīng)，性質(zhì)就是這種功能特性和效用的定量描述。

3．使用性能或服役性能

使用性能是材料在使用條件下有用性的度量，或者說是材料在使用條件下的表現(xiàn)，如使用環(huán)境、受力狀態(tài)對(duì)材料性能與壽命的影響等。度量使用性能的指標(biāo)有：可靠性、有效壽命、安全性和成本等綜合因素，利用物理性能時(shí)還包括能量轉(zhuǎn)換率、靈敏度等。

4．(制備)合成與加工(工藝)

合成與加工是指建立原子、分子和分子聚集體的新排列，在原子尺度到宏觀尺度上對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制以及高效而有競(jìng)爭(zhēng)力地制造材料和零件的演變過程。1.3.5材料科學(xué)與工程研究的重要問題

1．新工藝、新技術(shù)和新合成方法的探索

每當(dāng)一種新工藝、新技術(shù)或新流程出現(xiàn)，材料的發(fā)展就可能發(fā)生一次飛躍，對(duì)此必須給以充分的重視。噴氣式飛機(jī)所用的高溫合金的發(fā)展就是一個(gè)明顯的例子。

2．成分、結(jié)構(gòu)與性能的研究

當(dāng)前，對(duì)許多有關(guān)材料的物理現(xiàn)象的了解比較深入，而對(duì)材料的力學(xué)性質(zhì)則仍停留于比較膚淺的階段。

3．分析與表征材料的儀器設(shè)備

事實(shí)說明，科研儀器每前進(jìn)一步，對(duì)事物的了解就會(huì)更深入一步。材料及其制品的合成與加工，必須通過設(shè)備和機(jī)械來實(shí)現(xiàn)，高效、控制精良的設(shè)備和機(jī)械是材料及其制品合成與加工的重要保障；結(jié)構(gòu)、成分和性質(zhì)的表征以及使用性能的分析，儀器是必不可少的探測(cè)工具。

4．分析與建模

隨著理論上對(duì)材料性質(zhì)的認(rèn)識(shí)和精確的數(shù)字仿真技術(shù)的提高，材料科學(xué)已發(fā)展成為一門真正的定量的科學(xué)。1.3.6材料科學(xué)與工程的發(fā)展趨勢(shì)

21世紀(jì)，以微型計(jì)算機(jī)、多媒體和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為代表的通信產(chǎn)業(yè)，以基因工程、克隆技術(shù)為代表的生物技術(shù)，以核能、風(fēng)能、太陽能、潮汐能等為代表的新能源技術(shù)，以探索太空為代表的宇航技術(shù)以及為人類持續(xù)發(fā)展所需的環(huán)境工程，都對(duì)材料提出了更新、更高的要求，復(fù)合化、功能化、智能化、低維化將成為材料開發(fā)的目標(biāo)。

1.4材料類專業(yè)的歷史與現(xiàn)狀

1.4.1歐美國(guó)家材料科學(xué)與工程學(xué)科辦學(xué)歷史演變

伴隨著蒸汽機(jī)的發(fā)明和改進(jìn)，人類迎來了工業(yè)革命。鋼鐵工業(yè)、紡織工業(yè)開始了大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)，采礦等工業(yè)也隨之發(fā)展了起來，工業(yè)的迅猛發(fā)展需要相應(yīng)的科學(xué)技術(shù)和專門人才，材料科學(xué)和工程學(xué)科亦隨之建立并發(fā)展起來。1.4.2中國(guó)材料科學(xué)與工程學(xué)科辦學(xué)歷史演變

與歐美國(guó)家相仿，中國(guó)的材料科學(xué)與工程教育始于部分高校的采礦系、礦冶系等，已有100多年歷史。專業(yè)設(shè)置經(jīng)歷了從寬廣到細(xì)分又從細(xì)分到綜合的變化過程，體現(xiàn)了社會(huì)需求與材料科學(xué)與工程學(xué)科專業(yè)結(jié)構(gòu)、人才素質(zhì)之間的相互作用關(guān)系，其形成和發(fā)展大體上可分為以下四個(gè)階段。

(1)??1949年以前在若干大學(xué)設(shè)置的礦冶學(xué)科，開創(chuàng)了我國(guó)現(xiàn)代材料教育的先河。

(2)??1949年至1966年間我國(guó)按蘇聯(lián)模式大規(guī)模進(jìn)行了院校調(diào)整。

(3)?1978年至1990年代初，中國(guó)改革開放逐步深入，在材料科學(xué)技術(shù)加速發(fā)展的同時(shí)，逐步了解歐美等國(guó)材料科學(xué)與工程教育改革