工程材料学课件.ppt

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1、《工程材料学》第1章序论第1节概述一、工程材料什么是工程材料？印象中工程材料是哪类材料？是否联想到：建筑工程、桥梁、企业建设所用到的材料？实际上工程材料的含义远非如此，凡与工程有关的材料均谓之工程材料。如机器零件（轴承、弹簧等部件）、工模具、量具、工业加热炉内的构件、飞机发动机涡轮叶片、高分子材料中的粘结剂、防宇宙射线的宇航服（芳香族聚酰胺纤维）、镍氢电池中的储氢合金…………工程材料按其性能特点分为结构材料和功能材料两大类。结构材料以力学性能为主,兼有一定的物理、化学性能。功能材料以特殊的物理、化学性能为主,如那些要求有电、光、声、磁、热等功能和效应的材料。总之，工程材料包括了与工农业、国防

2、尖端技术等各行各业有关的所有材料。按照其基本成分分类见图1－1。二、新材料发展趋势1．继续重视高性能的新型金属材料指具有高强度、高韧性、耐高温、耐低温、抗腐蚀、抗辐射等性能的材料。这种材料与发展空间技术、核能、海洋开发等工业有着极其密切的关系。新材料是依靠新技术和新工艺发展的。例如，合金成分的物理冶金设计，微量元素的加入与控制，特殊组织结构的控制等，可大幅度提高材料的性能。面向21世纪，金属材料仍占主导地位。2．结构材料趋向于复合化尽管金属材料采用了一系列强韧化措施及发展了非金属材料，如高分子材料和陶瓷材料,但由于单一材料存在难以克服的某些缺点，如脆性、弹性模量低、比强度不足等。所以把不同的

3、材料进行复合以得到优于原组分性能的新材料，就成为结构材料发展的一个重要趋势。如玻璃树脂基的第一代复合材料，碳纤维增强树脂基的第二代复合材料，第三代复合材料则是正在发展的金属基、陶瓷基及碳基复合材料。复合材料在航空、航天工业和汽车工业中获得了广泛的应用，在化工设备和其它方面也有较多的应用。3．低维材料正在扩大应用包括零维(超微粒)、一维(纤维)和二维薄膜材料，可用于作结构材料和功能材料。通过化学反应、气相沉积等方法，可制出亚微米级和纳米级(1-100mm)的金属或陶瓷粉末。有很大的比表面积和比表面能，熔点低，扩散速度快，烧结温度下降，强度高而塑性好，具有良好的综合性能。某些超微粒功能材料，可成

4、为高效吸波材料。一维材料最突出的是光导纤维，可用于作通信工程材料。纤维结构材料是复合材料中的主要增强组分，它决定了复合材料的关键性能；纤维中的晶须，其强度和刚度可接近理论强度值；碳纤维、有机高分子纤维和陶瓷纤维均有广阔的应用前景。二维的薄膜材料发展迅速，金刚石薄膜和有机高分子薄膜十分诱人，高温超导薄膜也尤为突出。金刚石薄膜可用于高速电子计算机的微芯片；高分子分离膜已在水处理、化工生产、高纯物质制备等方面获得了应用；高温超导薄膜将开辟超导技术的新领域。4．非晶(亚稳态)材料日益受到重视70年代通过快冷技术(106℃／s)而获得非晶态或亚稳态合金材料。由于骤冷，金属中的合金元素偏析程度降低，没有

5、晶界，从而可提高合金化程度，而不致产生脆性相。非晶态合金具有高强度、耐腐蚀等特点，某些非晶态铁基合金具有很好的磁学性能，用作变压器比硅钢片的铁损低2／3。在工程应用中，通过激光束表面处理可在工件表面获得非晶态，具有高耐磨性和耐蚀性。另外，非晶态的硅太阳能电池，光电转换率可达15％，有很大进一步实用化研究价值。5．功能材料迅速发展功能材料是当代新技术中能源技术、空间技术、信息技术和计算机技术的物质基础。功能材料是90年代材料研究与生产中最活跃的领域。例如，由于超大容量信息通信网络和超高计算机的发展，对集成电路的要求越来越高，促进集成度逐年增加。从材料看，除了硅半导体外，化合物半导体受到越来越多

6、的重视。又如有关磁记录和磁光记录材料、高温超导材料、光电转换材料等都将有进一步的发展。近年来功能梯度材料发展很快，其性能是原来的均质材料和一般复合材料所不具备的，梯度功能材料将有巨大的应用潜力。一般复合材料中分散相是均匀分布的，但在有些情况下，常常希望同一件材料两侧具有不同的功能，又希望两侧结合得完美，从而不至于在苛刻条件下因性能不匹配而发生破坏。航天飞机推进系统中超音速燃烧冲压式发动机，燃烧气体温度超过2000℃；燃烧室壁另一侧又要经受作为燃料的液氢的冷却作用，温度为－200℃。一般材料显然满足不了这一要求。于是，人们想到将金属和陶瓷联合起来使用，用陶瓷去对付高温，用金属来对付低温。但是，

7、用传统的技术将金属和陶瓷结合起来时，由于二者的界面热力学特性匹配不好，在极大的热应力下还是会遭到破坏。在陶瓷和金属之间通过连续地控制内部组成和微细结构的变化，使两种材料之间不出现界面，从而使整体材料具有耐热应力强度和机械强度也较好的新功能。6．特殊条件下应用的材料在低温、高压、高真空、高温以及辐射条件下，材料的结构和组织将会转变，并由此引起性能变化。研究这些变化规律，将有利于改善材料性能和开发新材料。例如，在