材料概论第一章材料与材料科学

第1章材料概论1.能量：可为人类经济利用的成为能源。

知识：需要利用和传播的叫做信息。

物质：可用于制造有用物品的叫做材料。

20世纪70年代，信息、材料和能源称为当代文明的三大支柱；20世纪80年代，新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志；20世纪90年代，材料、信息、能源和生物技术作为国民经济发展的四大支柱产业。

2.材料的定义:为人类社会所接受地、经济地制造有用器件的物质叫做材料。

材料的判据：①资源判据②能源判据③环保判据④质量判据⑤经济判据3.新材料一般具有的特点：①具有一些优异性能或特定功能。

②新材料的发展与材料科学理论的关系比传统材料更为密切。

③新材料的制备生产往往与新技术和新工艺紧密相关。

④更新换代快，样式多变。

⑤新材料大多是知识密集、技术密集、附加值高的高技术材料，传统材料通常为资源型或劳动集约型材料。

4.材料结构的基本概念组元：组成材料最基本、独立的物质，可以是纯元素，也可以是稳定的化合物。

相：材料中同一化学成分并且结构和性能相同的均匀连续部分称。

组织：材料内部的微观形貌。

5.（大题）固溶体：合金由液态结晶为固态时，一组元的晶格中溶入另一种或多种其他组元而形成的均匀相称为固溶体。

保留晶格的组元称为溶剂，溶入晶格的组元称为溶质。

6.硅酸盐结构分类a 岛状硅酸盐：含有限Si-O团的硅酸盐，包括含孤立Si-O团和含成对或环状Si-O团两类。

b 链状硅酸盐：Si-O团共顶连接成一维结构，又含单链和双链两类。

c 层状硅酸盐：Si-O团底面共顶连接成二维结构。

d 骨架状硅酸盐：Si-O团共顶连接成三维结构。

7.高分子材料化学稳定性好的原因：1.分子链上各原子是由共价键结合而成的，键能较高结合牢固;2.高分子的特殊形态，使得大分子链上能够参加化学反应的集团在与化学反应介质的接触上比较困难; 3.高聚物大都是绝缘体，不会产生电化学腐蚀。

8.高分子材料的老化：1.由于大分子链之间产生交联，使其从线型结构或支链结构变为体型结构，变脆，失去弹性。

重点内容第一章：1、掌握材料的概念及其分类；2、了解材料是人类进步的里程碑；先进材料是高新技术发展和社会现代化的基础和先导；3、了解材料科学与工程的形成与内涵；4、掌握材料的组成、结构、性能与使用效能之间的关系及材料的发展与应用第二章：1、重点了解材料的常见性能指标，包括力学性能、物理性能和化学性能；2、了解金属材料中的钢铁、铜和铜合金、铝和铝合金的性能特点及其应用场合。

3、了解钛和钛合金、陶瓷材料、高聚物材料的性能特点及其应用场合。

第三章：掌握导体、半导体和绝缘体材料、超导材料、铁电、热释电、压电和介电材料的结构、性能特点及其应用场合。

第四章：1、掌握磁性的概念、物质磁性分类、磁性材料的分类；•2、重点了解几种新型磁性材料及其应用途径。

•第五章：1、记住基本概念：零电阻现象、迈斯纳效应、约瑟夫森效应；2、理解产生超导的原因和超导体的临界条件；3、了解一、二类超导体之间的区别与联系、超导材料的发展前景；4、、知道超导氧化物的种类及其性能特点。

第六章：1、了解光纤材料的发展史。

2、掌握光纤材料的分类、特点及其应用；3、理解光色材料。

4、掌握红外材料的分类、性能、应用。

第七章：1、了解新能源材料在我国国民经济发展中的重要地位和未来发展的核心作用；2、掌握新型二次电池的种类、原理、性能及其应用；3、掌握燃料电池的构造、原理、特点和应用前景。

第八章：1、了解生物材料的发展、特点和应用前景；2、掌握硬组织相容材料、软组织相容材料、血液相容性材料、生物降解材料的分类、性能特点及其应用场合。

第九章：1、了解环境材料的发展概况、对我国国民经济发展的影响；2、明确环境材料的提出、定义和研究内容；3、掌握环境协调性评价的涵义、应用标准和注意事项；4、掌握材料的生态设计、材料的环境友好加工以及传统材料的友好加工；5、懂得天然材料的加工和应用、绿色包装材料、绿色建材、环境净化、替代和修复材料、环境降解材料的特点与应用前景。

材料科学与工程概论第一章绪论第一节元素、物质、材料第二节材料对人类文明进步的意义2.1 材料与人类的日常生活2.2 材料与新技术革命2.3 材料与国防现代化第三节怎样得到新材料第四节材料科学与工程基本要素第二章材料的微观世界第一节固体原子间相互作用和材料分类1.1 元素周期表及电负性1.2 原子结合能与结合力1.3 化学键1.4 材料分类第二节固体中原子的排列2.1 晶体结构2.2 准晶、非晶、液晶结构2.3 晶体缺陷第三节相与组织3.1 相与组织3.2 相的分类3.3 相图3.4 Fe-C 二元相图第四节固体中的电子4.1 单个原子的电子分布4.2 晶体中的电子4.3 导体、半导体和绝缘体第三章材料的组织结构与性能的关系第一节结构材料1.1 材料在承载时发生的变化1.2 金属材料1.3 无机非金属材料1.4 有机高分子材料1.5 复合材料第二节功能材料2.1 功能材料性能简介2.2 电性能与微观结构的关系2.3 光性能与微观结构的关系2.4 磁性能与微观结构的关系1.1 材料工艺的重要第四章材料工艺第一节材料工艺的重要性1.2 材料工艺的创新途径1.1 材料工艺的重要1.3 材料工艺的经济性、稳定性和环境兼容性第二节生产工艺2.1 金属材料2.2 陶瓷材料2.3 高分子材料2.4 单晶材料第三节加工工艺3.1 金属加工工艺3.2 塑料和橡胶的加工工艺3.3 复合材料的加工工艺第四节材料工艺性能的表征4.1 直接实验法4.2 相关法第五节新工艺新技术5.1 表面改性5.2 金属雾化喷射沉积5.3 金属半固态加工5.4 自蔓延合成技术第五章零件失效分析与选材原则第一节产品、工程的质量与材料第二节失效分析及其重要性第三节选材原则与方法3.2 选材方法第四节零件失效分析4.1 失效过程和产生失效原因的特点4.2 失效分析的正确思路4.3 断裂失效4.4 磨损失效4.5 环境介质作用下的失效4.6 金属失效的预防3.1 选材原则。

材料科学基础第零章材料概论该课程以金属材料、陶瓷材料、高分子材料及复合材料为对象，从材料的电子、原子尺度入手，介绍了材料科学理论及纳观、微观尺度组织、细观尺度断裂机制及宏观性能。

核心是介绍材料的成分、微观结构、制备工艺及性能之间的关系。

主要内容包括：材料的原子排列、晶体结构与缺陷、相结构和相图、晶体及非晶体的凝固、扩散与固态相变、塑性变形及强韧化、材料概论、复合材料及界面，并简要介绍材料科学理论新发展及高性能材料研究新成果。

材料是指：能够满足指定工作条件下使用要求的，就有一定形态和物理化学性状的物质。

按基本组成分为：金属、陶瓷、高分子、复合材料金属材料是由金属元素或以金属元素为主，通过冶炼方法制成的一类晶体材料，如Fe、Cu、Ni等。

原子之间的键合方式是金属键。

陶瓷材料是由非金属元素或金属元素与非金属元素组成的、经烧结或合成而制成的一类无机非金属材料。

它可以是晶体、非晶体或混合晶体。

原子之间的键合方式是离子键，共价键。

聚合物是用聚合工艺合成的、原子之间以共价键连接的、由长分子链组成的髙分子材料。

它主要是非晶体或晶体与非晶体的混合物。

原子的键合方式通常是共价键。

复合材料是由二种或二种以上不同的材料组成的、通过特殊加工工艺制成的一类面向应用的新材料。

其原子间的键合方式是混合键。

密度弹性模量:材料抵抗变形的能力强度:是指零件承受载荷后抵抗发生破坏的能力。

韧性：表征材料阻止裂纹扩展的能力功能成本结构(Structure)性质(Properties)加工(Processing)使用性能(Performance)在四要素中，基本的是结构和性能的关系，而“材料科学”这门课的主要任务就是研究材料的结构、性能及二者之间的关系。

宏观结构←显微镜下的结构←晶体结构←原子、电子结构重点讨论材料中原子的排列方式（晶体结构）和显微镜下的微观结构（显微组织）的关系。

以及有哪些主要因素能够影响和改变结构，实现控制结构和性能的目的。

第一章1.材料的四要素：性质和现象、使用性能、结构和成分、合成和加工2.材料的分类按材料组成、结构特点分：金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料复合材料定义：用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相、三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。

3.金属材料纯金属及其合金。

合金是由两种或两种以上元素组成，其中至少有一种为金属元素组成具有金属性的材料。

金属性的关键特征是具有正的电阻温度系数，这是由于它的导电是自由电子的运动所决定的。

1）.金属材料分类：○1黑色金属（钢和铸铁）钢：碳素钢和合金钢（按成分）；普通钢、优质钢和高级优质钢（按品质）；平炉钢、转炉钢、电炉钢和奥氏体钢（按冶炼法）；结构钢、工具钢、特殊钢及专用钢（按用途）。

铸铁：灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和特殊性能铸铁等。

○2有色金属(非铁材料)轻金属(密度﹤5)、重金属(密度﹥5)、贵金属、类金属和稀有金属，如A1、Cu、Zn、Sn、Pb、Mg、Ni、Ti及其合金。

在工程上占有重要地位。

4.无机非金属材料主要包括晶体、陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等按性能和用途：传统陶瓷和特种陶瓷1).陶瓷的基本特性:①化学键主要是离子键、共价键以及它们的混合键;②硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感;③熔点较高，具有优良的耐高温、抗氧化性能;④自由电子数目少，导热性和导电性较小;⑤耐化学腐蚀;⑥耐磨损;⑦成型方式为粉末制坯、烧结成型.5.高分子材料以C、H、N、O元素为基础，由大量结构相同的小单元聚合组成，分子量大，并在某一范围内变化。

1)塑料是重要的高分子材料，分为通用塑料和工程塑料。

通用塑料包括：聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、。

工程塑料（高强、高模、耐高温）：ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚砜、聚酰亚胺。

2).高分子材料的基本属性①结合健主要为共价健，部分范德华键；②分子量大，无明显的熔点，有玻璃化转变温度、粘流温度；③力学状态有玻璃态、高弹态和粘流态；④强度较高；⑤质量轻；⑥良好的绝缘性；⑦优越的化学稳定性。

材料科学导论作业第一章材料科学概论1.氧化铝既牢固又坚硬而且耐磨，为什么不用来制造榔头？[答]因为Al2O3的耐震性不佳，且脆性较高，不适合做榔头的材料。

2.将下列材料按金属、陶瓷、聚合物或复合材料进行分类：黄铜、氯化钠、环氧树脂、混凝土、镁合金、玻璃钢、沥青、碳化硅、铅-锡焊料、橡胶、纸杯[答]金属有黄铜、铅-锡焊料、镁合金。

陶瓷有氯化钠、碳化硅。

聚合物有环氧树脂、橡胶、沥青、纸杯。

复合材料有混凝土、玻璃钢。

3.下列用品选材时，哪些力学性能和物理性能具有特别重要性：汽车曲柄轴、电灯泡灯丝、剪刀、汽车挡风玻璃、电视机荧光屏[答]汽车曲柄轴的疲劳寿命最为重要。

电灯泡灯丝的熔点需高，其发光性能要强。

剪刀的刀刃的硬度要强。

汽车挡风玻璃的光的穿透性要强。

电视机荧光屏光学的颜色及其他穿透性各种光学特性极重要。

4. 什么是纳米材料？纳米材料有哪些效应？请举例说明。

[答] 通常把粒子尺寸小于0.1μm（10nm）的颗粒称为纳米材料纳米材料有以下效应：⑴小尺寸效应⑵表面效应⑶量子尺寸效应⑷宏观量子隧道效应举例略第二章原子结构1.原子序数为12的Mg有三个同位素：78.70%的Mg原子有12个中子，10.13%的Mg原子有13个中子，11.17%的Mg原子有14个中子，计算Mg的原子量。

[答]M = 0.7870×(12+12)+0.1013×(12+13)+0.1117×(12+14) = 24.3247 g/mol2.试计算原子N壳层内的最大电子数，若K、L、M和N壳层中所有的能级都被填满，试确定该原子的原子序数。

[答]N壳层内最大电子数为2×42= 32。

但考虑能级交错：N壳层内刚刚达到最大电子数时的电子排布为：1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f14，该原子的原子数为70。

(本题目书上原解：N壳层中电子最多有2+6+10+14 = 32个，K、L、M、N壳层中电子共有2+8+18+32 = 60个，故原子序数为60。

材料科學概論(一)第一章作業名詞解釋(1)PTFE 聚四氟乙烯、鐵氟龍化學式是一種使用了氟取代聚乙烯中所有氫原子的人工合成高分子材料。

聚四氟乙烯廣泛應用於各種需要抗酸鹼和有機溶劑的場合，並被用來製作不粘鍋以及乾式變壓器。

聚四氟乙烯很軟，因此經常用於塗層。

(2)PVC 聚氯乙烯、化學式-(CH2CHCl)-n是一種使用一個氯原子取代聚乙烯中的一個氫原子的高分子材料。

由於其防火耐熱作用，聚氯乙烯被廣泛用於各行各業各式各樣產品。

(3)PS 聚苯乙烯、化學式是一種無色透明的熱塑性塑料。

具有高於攝氏100度的玻璃轉化溫度聚苯乙烯的化學穩定性比較差，溫度超過75到95°C會釋放出苯乙烯。

易被強酸強鹼腐蝕(如未經稀釋的橙汁），但可以被多種有機溶劑溶解，如丙酮、乙酸乙酯。

不抗油脂，受到紫外光照射後易變色。

聚苯乙烯質地硬而脆，無色透明，可以和多種染料混合產生不同的顏色。

發泡聚苯乙烯（俗稱保麗龍）也被用於建築材料，具吸音、隔音、隔熱等效果。

(4)PE 聚乙烯、化學式- (CH2-CH2) n -是日常生活中最常用的高分子材料之一，大量用於製造塑料袋聚乙烯抗多種有機溶劑，抗多種酸鹼腐蝕，但是不抗氧化性酸，例如硝酸。

在氧化性環境中聚乙烯會被氧化。

(5)GFRP 玻璃纖維增強塑膠（Glassfiber Reinforced Plastic,俗稱玻璃鋼）,是一種有機非金屬跟無機非金屬複合的塑膠基複合材料,包含機體和增強體兩部分。

GFRP具有良好的電絕緣性能和粘結性能,較高的機械強度和耐熱性,可塑性極強,成型收縮率小,體積較輕,施工方便。

(6)CFRP 碳纖維增強複合材料CFRP被廣泛運用於工程中，如橋樑加固、維修。

工程中結構因時間積累，產生結構破壞。

採用碳纖維結構加固、維修的方法是現代工程技術常用的方法。

CFRP還被廣泛應用在軍事，航空，體育用品，賽車等領域。

(7)PC 聚碳酸酯化學式是一種無色透明的無定性熱塑性材料，耐酸、耐油。

《材料科学导论》“Introduction to Materials Science”小时))课程类型：专业平台课(54(54小时主讲人：杨振国室407室办公室：先进材料楼407电话：65642523话: zgyang@ 电子信箱:电子信箱电子信箱::本课程主要教学参考书课教参考1. W. F. Smith & J. Hasgemi, Foundations of Materials Science and Engineering (4ed)McGraw Hill and Engineering (4th ed) , McGraw Hill , ed) , McGraw Hill , 20062006 2. 石德珂主编，材料科学基础材料科学基础，机械工业出版社，，机械工业出版社，2003 3. R.W. Cahn, The Coming of Materials Science, Elsevier, 2001化学工业出版社2001注:（中译本)《走进材料科学走进材料科学》》，化学工业出版社, 2001 4. 冯端、师昌绪、刘治国，材料科学导论，化学工业出版社, 20025潘金生仝建民田民波材料科学基础5. 潘金生、仝建民、田民波，材料科学基础，清华大学出版社，2000.46. 胡赓祥、蔡珣主编，材料科学基础，上海交通大学出版社，2000.11课教参考本课程主要教学参考书7. 顾家琳编著，材料科学与工程概论，清华大学出版社，20058. J. P. Schaffer，The Science and Design of EngineeringMcGraw--Hill Companies Inc., 1999Materials，McGraw注:《工程材料科学与设计工程材料科学与设计》》(中译本) ，机械工业出版社，20039. D. R. AskelandAskeland，The Science and Engineering of Materials’9. D. R.9D R The Science and Engineering of Materials’(5th), Nelson , Division of Thomson Limited, 200610. W. D. CallisterCallister，Materials Science and Engineering: an 10. W. D.Introduction, John Wiley & Songs Inc.，200711. Y.W. Chuang，Introduction to Materials Science andEngineering, Taylor & Francis Group, 2007本课程网址：http://10.108.0.74/s/255/t/550/main.jspy第一章材料科学概论材料与物质1.1 材料与物质材料的分类1.2 材料的分类会1.3 材料与社会发展1.4 材料科学与工程1.5 材料科学在工程中的作用1.6 材料科学技术的发展重点1.1 材料与物质●材料是人类赖以生存和发展的物质基础, 也是一切科学技术的基础。

《材料概论》部分章节内容第一章绪论材料科学与工程的概念；材料发展简史；材料的分类；材料的基本结构与性能；材料类专业的培养目标、毕业要求、课程体系以及就业与发展。

第二章无机非金属材料陶瓷材料的定义、结构特点；日用陶瓷和先进陶瓷的成分差异、性质差异；陶瓷键作用和其性质之间的联系；日用陶瓷和先进陶瓷的生产工艺；日用陶瓷和先进陶瓷制备原材料、制备方法上的差异性；陶瓷在航空、信息、电子等领域的最新发展。

玻璃的成分、定义和分类方法；晶态、无定形结构形式的区分；形成体、修改体的作用；退火的作用和机理；玻璃的化学性质的特点和外来侵蚀作用的主要机理；现代平板玻璃的生产工艺；玻璃在光电领域、通讯领域的应用。

水泥混凝土材料的基本技术性质和生产方法；水化反应过程、水化产物的成分、硬化浆体水泥的微观结构；新型特种混凝土简介：自密实混凝土、装饰混凝土、轻质混凝土、超高性能混凝土、大体积混凝土、聚合物混凝土和清水混凝土。

第三章金属材料金属的分类方法和结构特点；黑色金属的成分特点；铁和钢的基本区别；合金钢的基本类型和合金元素对其性质的影响、铸铁和钢的生产方法；有色金属的基本类型；镁及其合金、铝及其合金、铜及其合金的特点；典型金属与合金的物理、力学性能，稀有金属及其特点；金属晶体结构和性能之间的联系；常用的金属防腐处理方法；新型金属材料的设计与性能。

第四章高分子材料高分子材料的定义、结构；高分子材料和小分子材料的差异；结构和性质之间的联系；连锁聚合反应机理；逐步聚合反应机理；聚合方法：本体聚合、溶液聚合、乳液聚合和悬浮聚合；高分子材料生产过程和质量控制；功能高分子材料简介；高分子材料在生物、军事、医学上的最新发展。

第五章复合材料复合材料的定义；复合材料的主要成分和设计原则；复合材料的基本体系、典型物理、力学性质，及其优点；增强材料处理的基本方法和途径；复合材料结构对力学性质的影响；复合材料的制备和生产；复合材料在军事、结构上的应用；新型复合材料的发展趋势。