1、 第一章：材料與人類第一章：材料與人類 Materials and Man第一節(jié)第一節(jié) 材料與人類文明及社會現(xiàn)代化材料與人類文明及社會現(xiàn)代化第二節(jié)第二節(jié) 材料循環(huán)（材料循環(huán)（Materials Cycling）第三節(jié)第三節(jié) 材料科學(xué)與工程材料科學(xué)與工程第四節(jié)第四節(jié) 材料成分材料成分結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)合成與加工合成與加工前前 言言Return法：埃菲爾鐵塔法：埃菲爾鐵塔ReturnReturnReturnReturn美：北極星火箭美：北極星火箭阿拉斯加的輸油管道阿拉斯加的輸油管道起重機(jī)起重機(jī)電視塔電視塔機(jī)機(jī) 床床齒齒 輪輪螺螺 栓栓二戰(zhàn)期間，美、英等盟軍諾曼底登陸。貨輪（自由輪輪）橫渡大西洋時船體斷裂。

2、1950年，美國北極星導(dǎo)彈的固體燃料發(fā)動機(jī)在試射時爆炸。1986年1月28日，美國航天飛機(jī)“挑戰(zhàn)號”發(fā)射升空后75秒即發(fā)生爆炸 挑戰(zhàn)號全體人員合影2003年2月1日，美國使用次數(shù)最多的“哥倫比亞”號航天飛機(jī)失事哥倫比亞號全體人員合影 飛機(jī)，船舶，埃菲爾鐵塔飛機(jī)，船舶，埃菲爾鐵塔 人類社會的一切活動，都離不開材料人類社會的一切活動，都離不開材料; 新世紀(jì)人類面臨的五大問題（人口、糧新世紀(jì)人類面臨的五大問題（人口、糧食、資源、能源與環(huán)境）都與材料密不可食、資源、能源與環(huán)境）都與材料密不可分。分。 材料是人類文明和科學(xué)進(jìn)步的基礎(chǔ)，它材料是人類文明和科學(xué)進(jìn)步的基礎(chǔ)，它使人類使人類社會社會環(huán)境緊密而有機(jī)

3、地聯(lián)環(huán)境緊密而有機(jī)地聯(lián)系在一起。系在一起。 前前 言言第一節(jié)：材料與人類文明及社會現(xiàn)代化第一節(jié)：材料與人類文明及社會現(xiàn)代化一一、材料與物質(zhì)材料與物質(zhì) 物質(zhì)（物質(zhì)（Substance)Substance):宇宙萬物均是物質(zhì)構(gòu)成、宇宙萬物均是物質(zhì)構(gòu)成、 包括水、空氣、廢棄物。包括水、空氣、廢棄物。 材料（材料（Materials)Materials):是人類用于制造生活和是人類用于制造生活和生生 產(chǎn)用的機(jī)器、構(gòu)件、器體和產(chǎn)品的物質(zhì)，是人類產(chǎn)用的機(jī)器、構(gòu)件、器體和產(chǎn)品的物質(zhì)，是人類 賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。 材料與材料與物質(zhì)物質(zhì)的區(qū)別、聯(lián)系：的區(qū)別、聯(lián)系： 材料是材料是

4、有用的、能用來制造物件、物品的物質(zhì)；有用的、能用來制造物件、物品的物質(zhì)； 多指固體的、用于工程上的物質(zhì)；多指固體的、用于工程上的物質(zhì)； 主要是指人造物質(zhì)。主要是指人造物質(zhì)。 二、二、材料是人類文明的里程碑材料是人類文明的里程碑1. 是人類歷史階段的標(biāo)志是人類歷史階段的標(biāo)志 舊石器時代舊石器時代新石器時代新石器時代青銅器時代青銅器時代鐵器時代鐵器時代 ？思考題思考題1 1: 為何青銅器時代在前、鐵器時代在后？為何青銅器時代在前、鐵器時代在后？思考題思考題2 2： 現(xiàn)在是什么歷史階段？現(xiàn)在是什么歷史階段？2. 導(dǎo)致城市的建立導(dǎo)致城市的建立 例：芝加哥；嘉峪關(guān)、金昌例：芝加哥；嘉峪關(guān)、金昌3. 推動

5、經(jīng)濟(jì)發(fā)展推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展 如幾次工業(yè)革命；并參如幾次工業(yè)革命；并參P2； 無鋼鐵無鋼鐵無鐵道無鐵道美國就不能開發(fā)西部美國就不能開發(fā)西部不能不能 現(xiàn)代化現(xiàn)代化； 無金屬材料無金屬材料無機(jī)械工業(yè)、無建筑業(yè)無機(jī)械工業(yè)、無建筑業(yè) 無高分子材料無高分子材料無家電、無輕工業(yè)無家電、無輕工業(yè) 無功能材料無功能材料無晶體管、集成電路、計算機(jī)、硅材無晶體管、集成電路、計算機(jī)、硅材 料等；無激光器（激光材料）和光纖通訊（光導(dǎo)纖料等；無激光器（激光材料）和光纖通訊（光導(dǎo)纖 維）維） 無高溫合金、鈦合金和高溫結(jié)構(gòu)陶瓷無高溫合金、鈦合金和高溫結(jié)構(gòu)陶瓷無航空航天無航空航天 技術(shù)的發(fā)展技術(shù)的發(fā)展 無現(xiàn)代材料無現(xiàn)代材料無現(xiàn)代科技

6、、文明及經(jīng)濟(jì)發(fā)展。無現(xiàn)代科技、文明及經(jīng)濟(jì)發(fā)展。4.材料、信息、能源是人類文明的三大柱石，材料、信息、能源是人類文明的三大柱石， 而材料又是后二者的物質(zhì)基礎(chǔ)。而材料又是后二者的物質(zhì)基礎(chǔ)。三、三、材料是社會現(xiàn)代化的材料是社會現(xiàn)代化的 物質(zhì)基礎(chǔ)與先導(dǎo)物質(zhì)基礎(chǔ)與先導(dǎo)（自學(xué)）（自學(xué)） 新世紀(jì)美國確定的經(jīng)濟(jì)發(fā)展重點新世紀(jì)美國確定的經(jīng)濟(jì)發(fā)展重點三大產(chǎn)業(yè)：信息產(chǎn)業(yè)、生物工程產(chǎn)業(yè)、納米產(chǎn)業(yè)三大產(chǎn)業(yè)：信息產(chǎn)業(yè)、生物工程產(chǎn)業(yè)、納米產(chǎn)業(yè)兩大支柱：材料、先進(jìn)制造技術(shù)兩大支柱：材料、先進(jìn)制造技術(shù)第二節(jié)：材料循環(huán)（第二節(jié)：材料循環(huán)（Materials Cycling） 材料、能源與環(huán)境材料、能源與環(huán)境一、一、材料的單向循環(huán)

7、模式材料的單向循環(huán)模式（如圖11） 資源開采資源開采生產(chǎn)加工生產(chǎn)加工消費使用消費使用廢物丟棄廢物丟棄 與材料相關(guān)的產(chǎn)業(yè)既是資源消耗的大戶，也與材料相關(guān)的產(chǎn)業(yè)既是資源消耗的大戶，也是能源消耗的大戶，又是環(huán)境污染的主要來源。是能源消耗的大戶，又是環(huán)境污染的主要來源。二、二、材料的雙向循環(huán)模式材料的雙向循環(huán)模式 一個生產(chǎn)過程的輸出變?yōu)榱硪粋€（生一個生產(chǎn)過程的輸出變?yōu)榱硪粋€（生 產(chǎn)）產(chǎn)） 過程的輸入，一個過程的廢物變成另過程的輸入，一個過程的廢物變成另一個過程的原料；一個過程的原料；如圖如圖12 清潔生產(chǎn)、無害循環(huán)。參清潔生產(chǎn)、無害循環(huán)。參P5思路：思路：三、三、 材料的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略與生態(tài)環(huán)境材料材

8、料的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略與生態(tài)環(huán)境材料1、材料的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略材料的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略u 保證材料性能的同時，盡可能節(jié)約資源與減保證材料性能的同時，盡可能節(jié)約資源與減少環(huán)境污染，改變片面追求性能的舊觀點；少環(huán)境污染，改變片面追求性能的舊觀點；u 重視對材料及其產(chǎn)品整個壽命周期對環(huán)境協(xié)重視對材料及其產(chǎn)品整個壽命周期對環(huán)境協(xié)調(diào)性的評價；調(diào)性的評價；u 不但講科學(xué)技術(shù)效益、經(jīng)濟(jì)效益，還要將社不但講科學(xué)技術(shù)效益、經(jīng)濟(jì)效益，還要將社會效益，將材料科技與產(chǎn)業(yè)具體目標(biāo)和各國、各地會效益，將材料科技與產(chǎn)業(yè)具體目標(biāo)和各國、各地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的大目標(biāo)結(jié)合起來。區(qū)可持續(xù)發(fā)展的大目標(biāo)結(jié)合起來。2、 生態(tài)環(huán)境材料的研發(fā)生態(tài)環(huán)境材料

9、的研發(fā)u 20世紀(jì)世紀(jì)90年代以來國際材料與工程的最新趨勢。年代以來國際材料與工程的最新趨勢。u 生態(tài)環(huán)境材料生態(tài)環(huán)境材料：同時具有優(yōu)良使用性能和最佳同時具有優(yōu)良使用性能和最佳環(huán)境協(xié)調(diào)性能的材料。其特征：環(huán)境協(xié)調(diào)性能的材料。其特征：資源、能源消耗少，生態(tài)和環(huán)境污染?。毁Y源、能源消耗少，生態(tài)和環(huán)境污染??；再生利用率高或可降解化和可循環(huán)利用；再生利用率高或可降解化和可循環(huán)利用； 在制造、使用、廢棄直到再生利用的整個壽命周期在制造、使用、廢棄直到再生利用的整個壽命周期 中均與環(huán)境協(xié)調(diào)共存。中均與環(huán)境協(xié)調(diào)共存。u 途徑途徑： 或開發(fā)新材料或開發(fā)新材料; 或改進(jìn)、改造傳統(tǒng)材料（達(dá)到節(jié)約資料或改進(jìn)、改造傳

10、統(tǒng)材料（達(dá)到節(jié)約資料 并與環(huán)境協(xié)調(diào)）。并與環(huán)境協(xié)調(diào)）。u 4倍因子理論倍因子理論：半份消耗，倍數(shù)產(chǎn)出半份消耗，倍數(shù)產(chǎn)出其結(jié)果其結(jié)果4倍倍 產(chǎn)出（同樣資源消耗水平）。產(chǎn)出（同樣資源消耗水平）。u 兩大主題：兩大主題： （2）LCALCA：Life Cycle Assessment Life Cycle Assessment 即即材料的材料的 環(huán)境協(xié)調(diào)環(huán)境協(xié)調(diào)性性評價。評價。（1）生態(tài)環(huán)境材料設(shè)計、研究與開發(fā)；）生態(tài)環(huán)境材料設(shè)計、研究與開發(fā)；第三節(jié)：材料科學(xué)與工程第三節(jié)：材料科學(xué)與工程（MSEMSE：MaterialMaterials s Science and Engineering Scien

11、ce and Engineering）一、一、材料科學(xué)的興起材料科學(xué)的興起（參見（參見P78） 相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科對物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物質(zhì)性能的深入研究，相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科對物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物質(zhì)性能的深入研究， 促進(jìn)對材料本質(zhì)的了解；促進(jìn)對材料本質(zhì)的了解； 金屬、陶瓷和高分子材料早已自成體系，相互借金屬、陶瓷和高分子材料早已自成體系，相互借 鑒，促進(jìn)材料科學(xué)的發(fā)展；鑒，促進(jìn)材料科學(xué)的發(fā)展； 各類材料的研究設(shè)備與生產(chǎn)手段相同、相近；各類材料的研究設(shè)備與生產(chǎn)手段相同、相近；（使用中）不同類型的材料可相互代替和補(bǔ)充，故（使用中）不同類型的材料可相互代替和補(bǔ)充，故 需相互貫通；需相互貫通； 復(fù)合材料更需對各類材料的全面了解、總

12、體把握。復(fù)合材料更需對各類材料的全面了解、總體把握。二、二、材料科學(xué)與工程（材料科學(xué)與工程（MSE）材料科學(xué)：是一門應(yīng)用科學(xué)，研究材料的成分、組材料科學(xué)：是一門應(yīng)用科學(xué)，研究材料的成分、組織、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系，了解材料的本質(zhì)有關(guān)理織、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系，了解材料的本質(zhì)有關(guān)理論與描述。論與描述。材料工程：是一個工程領(lǐng)域，處理材料制備、處理材料工程：是一個工程領(lǐng)域，處理材料制備、處理加工過程中的工藝和各種工程問題，進(jìn)行設(shè)計并在工加工過程中的工藝和各種工程問題，進(jìn)行設(shè)計并在工程上實施與保證，產(chǎn)生預(yù)定的性能。程上實施與保證，產(chǎn)生預(yù)定的性能。MSE：具有鮮明的工程性具有鮮明的工程性(最終得到符合要

13、求的工程最終得到符合要求的工程 材料材料)。MSE：是知識開發(fā)和傳輸?shù)囊粋€完整體系。是知識開發(fā)和傳輸?shù)囊粋€完整體系。如圖如圖13第四節(jié)第四節(jié) 材料成分材料成分結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)合成與加工合成與加工 性能性能使用效能使用效能 包括了決定材料性質(zhì)和使用性能的原子類型和排列方式包括了決定材料性質(zhì)和使用性能的原子類型和排列方式 ,內(nèi)涵豐富，是具體材料合成制備和加工方法的結(jié)果。內(nèi)涵豐富，是具體材料合成制備和加工方法的結(jié)果。制造材料制造材料(組合原子組合原子,分子成集聚體分子成集聚體)與零件與零件(成型成型,加工處理加工處理)。制備的作用包括合成新材料制備的作用包括合成新材料,用新技術(shù)合成一致的材料用新技術(shù)合成一致

14、的材料(獲獲新的形式新的形式),按特殊用途來合成材料這三個方面。按特殊用途來合成材料這三個方面。對金屬材料對金屬材料:一般先合成制備一般先合成制備(冶煉冶煉)再后續(xù)加工再后續(xù)加工(如軋制如軋制,機(jī)機(jī)械械 加工加工)； 對于其它材料對于其它材料:合成與加工的界限模糊合成與加工的界限模糊,如高聚物的反映注如高聚物的反映注射成型射成型,陶瓷的燒結(jié)。陶瓷的燒結(jié)。也即材料的固有性能，包括力學(xué)性能，物理性能也即材料的固有性能，包括力學(xué)性能，物理性能 和化學(xué)性能。和化學(xué)性能。 是材料的功能特性和效用的定量度量和描述。是材料的功能特性和效用的定量度量和描述。 也表示了材料對外界作用或刺激的反應(yīng)或整體也表示了材

15、料對外界作用或刺激的反應(yīng)或整體響應(yīng)，并按其響應(yīng)類型和大小表達(dá)出的一種品質(zhì)或特性。響應(yīng)，并按其響應(yīng)類型和大小表達(dá)出的一種品質(zhì)或特性。 又稱又稱或或。如速度，使用壽命，安全可靠性，成本。如速度，使用壽命，安全可靠性，成本與與既相互聯(lián)系，又相互區(qū)別。材料的性能是其既相互聯(lián)系，又相互區(qū)別。材料的性能是其使用性能的基礎(chǔ)，一般而言，材料的性能多系實驗室條件下的使用性能的基礎(chǔ)，一般而言，材料的性能多系實驗室條件下的簡單性能，而使用性能多系在實際使用環(huán)境或工況下元器件、簡單性能，而使用性能多系在實際使用環(huán)境或工況下元器件、零件或設(shè)備考核出的復(fù)雜性能，零件或設(shè)備考核出的復(fù)雜性能，材料的性能在使用中會逐漸發(fā)生變化

16、的。材料的性能在使用中會逐漸發(fā)生變化的。核心與本質(zhì)：核心與本質(zhì)：結(jié)構(gòu)決定性能；結(jié)構(gòu)決定性能；材料科學(xué)是材料科學(xué)是MSE的基礎(chǔ)、指導(dǎo)，是核心；的基礎(chǔ)、指導(dǎo)，是核心；MSE直接付諸于應(yīng)用，反過來又促進(jìn)了材料科學(xué)的發(fā)展。直接付諸于應(yīng)用，反過來又促進(jìn)了材料科學(xué)的發(fā)展。關(guān)于材料的結(jié)構(gòu)：關(guān)于材料的結(jié)構(gòu)： 材料是有結(jié)構(gòu)的；材料是有結(jié)構(gòu)的； 材料設(shè)計材料設(shè)計：根據(jù)理論和信息，設(shè)計出符合要求的成分和組織結(jié)根據(jù)理論和信息，設(shè)計出符合要求的成分和組織結(jié)構(gòu)的新材料，提出其制備合成方案，預(yù)測其性能。這需多層次多構(gòu)的新材料，提出其制備合成方案，預(yù)測其性能。這需多層次多尺度的材料設(shè)計尺度的材料設(shè)計. 選用材料：選用材料：科

17、學(xué)合理、經(jīng)濟(jì)地選擇合乎工程應(yīng)用的某種材料?？茖W(xué)合理、經(jīng)濟(jì)地選擇合乎工程應(yīng)用的某種材料。 本本 章章 小小 結(jié)結(jié)材料與人類密切相關(guān)，材料與人類密切相關(guān)，材料是人類物質(zhì)文明的基礎(chǔ)材料是人類物質(zhì)文明的基礎(chǔ)。材料、。材料、 信息、能源是信息、能源是現(xiàn)代文明的三大支柱現(xiàn)代文明的三大支柱，而，而材料又是一切發(fā)展和進(jìn)材料又是一切發(fā)展和進(jìn)步的前提。步的前提。人類進(jìn)入人類進(jìn)入21世紀(jì)后認(rèn)真思考世紀(jì)后認(rèn)真思考材料、能源和環(huán)境材料、能源和環(huán)境的的密切關(guān)系，越來越重視密切關(guān)系，越來越重視材料的可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境材料材料的可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境材料的的研究，考慮研究，考慮MSE的發(fā)展思路，從單一循環(huán)方式向的發(fā)展思路，從

18、單一循環(huán)方式向雙向閉合循雙向閉合循環(huán)環(huán)過渡，向著無公害、零排放方向發(fā)展，全方位全過程再度過渡，向著無公害、零排放方向發(fā)展，全方位全過程再度規(guī)劃未來材料及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。規(guī)劃未來材料及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。材料從各個分散的分支學(xué)科向統(tǒng)一的大材料觀發(fā)展，這是材料材料從各個分散的分支學(xué)科向統(tǒng)一的大材料觀發(fā)展，這是材料科學(xué)發(fā)展的必然?？茖W(xué)發(fā)展的必然。材料科學(xué)和材料工程密不可分材料科學(xué)和材料工程密不可分，統(tǒng)稱為，統(tǒng)稱為“材料科學(xué)與工程材料科學(xué)與工程”?，F(xiàn)代材料觀最重要的思想就是把?，F(xiàn)代材料觀最重要的思想就是把材料材料成分成分結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)合成與加工合成與加工性能性能使用效能使用效能作為材料作為材料材料科學(xué)與工程的材

19、料科學(xué)與工程的五大要素五大要素來綜合考慮，而且要特別重視材來綜合考慮，而且要特別重視材料使用效能的作用。正確進(jìn)行材料設(shè)計和從系統(tǒng)而全面的觀料使用效能的作用。正確進(jìn)行材料設(shè)計和從系統(tǒng)而全面的觀點進(jìn)行選材、用材是材料科學(xué)與工程工作者的主要任務(wù)之一。點進(jìn)行選材、用材是材料科學(xué)與工程工作者的主要任務(wù)之一。 作業(yè)作業(yè)：1，3，5，7金屬材料金屬材料 鑄造：砂型、壓鑄、永久鑄造：砂型、壓鑄、永久鑄型、連續(xù)鑄造鑄型、連續(xù)鑄造 成型：鍛造、拉絲、深沖成型：鍛造、拉絲、深沖、彎曲、彎曲 連接：氣焊、接觸焊、釬連接：氣焊、接觸焊、釬焊、氬弧焊、摩擦焊、擴(kuò)散焊焊、氬弧焊、摩擦焊、擴(kuò)散焊 機(jī)械加工：車、鉆、磨、機(jī)械加

20、工：車、鉆、磨、切削切削 粉末冶金粉末冶金 將液態(tài)金屬澆入或注入固體模中得到所要求將液態(tài)金屬澆入或注入固體模中得到所要求的形狀。的形狀。通常在熱狀態(tài)下用高壓力將固體金屬變形為通常在熱狀態(tài)下用高壓力將固體金屬變形為有用形狀。有用形狀。采用液態(tài)金屬、變形或高壓、高溫將幾塊金采用液態(tài)金屬、變形或高壓、高溫將幾塊金屬連接在一起。屬連接在一起。用切削加工去掉多余金屬，獲得成品件。用切削加工去掉多余金屬，獲得成品件。先在高溫下將金屬粉末壓制成需要的形狀，先在高溫下將金屬粉末壓制成需要的形狀，然后進(jìn)行高溫加熱，然后進(jìn)行高溫加熱， 使微粒連結(jié)成整體。使微粒連結(jié)成整體。 陶瓷材料陶瓷材料 鑄造：包括涂泥釉鑄造：包括涂泥釉 壓制：擠壓、壓制、等靜壓制：擠壓、壓制、等靜壓成形壓成形 燒結(jié)燒結(jié) 將液體陶瓷或液體加固體的陶瓷泥漿澆注成將液體陶瓷或液體加固體的陶瓷泥漿澆注成所需形狀。所需形狀。將液體陶瓷或液體加固體的陶瓷泥漿壓制成將液體陶瓷或液體加固體的陶瓷泥漿壓制成有用形狀