材料导论之 材料科学与工程研究对象
材料物理 材料科学与工程
材料物理材料科学与工程
材料物理和材料科学与工程都是与材料研究相关的重要领域。
材料物理主要关注材料的物理性质和现象，以及它们与材料结构和成分之间的关系。
这包括对材料的电子、光学、磁性、热学等性质的研究，以及对材料的微观结构和相变的理解。
材料物理的研究旨在揭示材料的基本物理原理，并为材料的设计和应用提供理论基础。
材料科学与工程则是一个更广泛的领域，它结合了材料的物理、化学和工程方面的知识。
材料科学与工程不仅关注材料的性质，还涉及材料的合成、制备、加工、性能测试和应用等方面。
它涵盖了从新材料的开发到材料在各个领域中的实际应用的整个过程。
材料科学与工程的目标是通过对材料的研究和创新，开发出具有特定性能和功能的材料，以满足各种技术和工程需求。
这可能包括高性能金属材料、先进复合材料、功能陶瓷材料、半导体材料、纳米材料等。
总体而言，材料物理和材料科学与工程相互关联和补充。
材料物理为材料科学与工程提供了理论支持，而材料科学与工程则将理论知识应用于实际材料的开发和应用中。
这两个领域的研究对于许多现代技术和产业的发展都至关重要，如电子、能源、航空航天、汽车、医疗等。
它们的进展有助于推动科技进步和创新，为解决现实世界中的各种挑战提供材料解决方案。
如果你对材料物理或材料科学与工程的某个具体方面感兴趣，比如某种特定材料的研究或者某项应用的开发，我可以提供更具体的信息和讨论 你是对这两个领域感兴趣吗？还是在学习相关课程呢？。
材料科学与工程导论
材料科学与工程导论
材料科学与工程是一门研究材料的性能、结构、制备和应用的学科，它涉及到各种材料，包括金属、陶瓷、高分子材料和复合材料等。
材料科学与工程的发展对于现代工业、能源、医疗、环境等领域都具有重要意义。
首先，材料科学与工程的研究对象是各种材料的性能和结构。
通过对材料的组成、微观结构和宏观性能进行研究，可以揭示材料的内在规律，为材料的设计、制备和应用提供科学依据。
其次，材料科学与工程的研究内容包括材料的制备和加工技术。
材料的制备和加工技术直接影响到材料的性能和应用范围，因此对于材料的制备和加工技术的研究具有重要意义。
另外，材料科学与工程还涉及到材料的应用和性能调控。
通过对材料的应用和性能进行研究，可以开发出具有特定功能和性能的材料，满足不同领域的需求。
总的来说，材料科学与工程是一门重要的交叉学科，它涉及到多个领域，对于现代社会的发展具有重要意义。
随着科学技术的不断发展，材料科学与工程也在不断取得新的进展，为人类社会的发展做出了重要贡献。
在材料科学与工程领域，我们需要不断深化对材料的认识，推动材料科学与工程的发展，为人类社会的可持续发展做出更大的贡献。
希望通过我们的努力，能够推动材料科学与工程领域的发展，为人类社会的进步做出更大的贡献。
材料科学与工程专业知识
材料科学与工程专业知识
材料科学与工程专业知识涵盖了多个领域，主要包括：
1. 材料科学基础理论：这是材料科学与工程的核心，包括材料的结构、性质、相变和缺陷等。
2. 材料制备与加工技术：这涉及到材料的合成、加工和成型等工艺技术，是实现材料科学与工程应用的重要环节。
3. 材料性能测试与表征：这涉及到对材料的各种性能进行测试、分析和表征的方法和技术，是评估材料科学与工程产品质量的重要手段。
4. 材料应用：这涉及到材料在不同领域的应用，如航空航天、汽车、能源、电子、生物医学等。
5. 环境友好材料：这涉及到材料的可持续发展和环保，包括绿色材料、可降解材料等。
6. 新材料技术：这涉及到新型材料的研发和应用，如纳米材料、超导材料、智能材料等。
7. 计算材料学：这涉及到利用计算机模拟和计算的方法来研究材料的性质和应用。
8. 材料科学与工程的交叉学科：这涉及到材料科学与工程与其他学科的交叉，如物理学、化学、生物学等。
总之，材料科学与工程专业知识涉及的领域非常广泛，是一个综合性和应用性都非常强的学科。
材料科学与工程导论第六版william
材料科学与工程导论第六版william摘要：一、材料科学与工程的概述1.材料科学与工程的定义2.材料科学与工程的学科体系二、材料科学与工程的历史发展1.古代材料的使用2.现代材料科学的发展3.我国材料科学与工程的发展三、材料的基本性能与分类1.材料的力学性能2.材料的物理性能3.材料的化学性能4.材料的分类四、材料制备与加工技术1.材料制备的基本过程2.常见材料加工技术五、材料的性能与应用1.结构材料2.功能材料3.复合材料4.超导材料六、材料科学与工程的展望1.新型材料的研发2.可持续发展与环保材料3.材料科学与工程的跨学科发展正文：材料科学与工程专业是一门研究材料的制备、性能、加工以及应用的基础理论与实践相结合的学科。
材料科学与工程专业涵盖了金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料等领域。
材料科学与工程专业有着悠久的历史，可以追溯到古代。
随着人类社会的发展，对材料的需求不断增加，推动了材料科学的发展。
在我国，材料科学与工程的发展始于上世纪50 年代，经过几十年的发展，已经在很多领域取得了显著的成果。
材料的基本性能主要包括力学性能、物理性能和化学性能。
力学性能主要包括强度、硬度、韧性等；物理性能主要包括导电性、导热性、磁性等；化学性能主要包括耐腐蚀性、抗氧化性等。
根据这些性能，材料可分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料等。
材料制备与加工技术是实现材料性能与应用的关键环节。
材料制备的基本过程包括原料选择、制备方法、成型与加工等。
常见的材料加工技术有冶炼、铸造、锻造、轧制、拉拔、焊接、切削等。
材料科学与工程专业的研究领域广泛，涉及结构材料、功能材料、复合材料和超导材料等。
结构材料主要包括金属材料、陶瓷材料和塑料等，用于承载和传递力的部件；功能材料主要包括磁性材料、导电材料、光学材料等，用于实现特定功能的部件；复合材料是由两种或多种材料组合而成，兼具各种材料的优点；超导材料是指在低温下具有超导性的材料，具有很高的科研价值和应用前景。
材料科学与工程学导论
复合材料的基本理论
复合原理
1。纤维增强复合材料的复合原理
外载荷与纤维方向垂直
σc= σf = σm。 εc = εfVf＋εmVm。 1/Ec = Vf/Ef＋Vm/Em。
材料科学与工程学导论
复合材料的基本理论
复合原理
2。颗粒增强复合材料的复合原理 ρc = ρpVp＋ρmVm。
复合材料的基本理论
复合原理
1。纤维增强复合材料的复合原理
外载荷与纤维方向一致
Fc=σcAc = σfAf ＋σmAm。
σc = σfVf＋σmVm。
Ec = EfVf＋EmVm。
条件是复合材料中基体是连续的、均匀的，纤维的性质和 直径都是均匀的，且平行连续排列，同时纤维与基体间的 结合为理想结合，在界面上不产生滑移。
材料科学与工程学导论
复合材料的基本理论
颗粒增强复合材料的机理：
弥散分布在金属或合金中基体中的硬颗粒可以有效地阻止 位错运动，产生显著的强化作用。这种复合强化机制类似 与合金的析出强化机理，基体乃是承受载荷的主体。 不同的是，这些细小弥散的硬颗粒并非借助于相变产生的 硬颗粒，他们在温度升高时仍保持其原有尺寸，因而，增 强效果可在高温下持续较长时间，使复合材料的抗蠕变性 能明显优于金属或合金基体。
复合材料的基本理论
增强机理
颗粒增强
颗粒增强复合材料是指由高强度、高弹性模量的脆性颗粒 作增强体与韧性基体或脆性基体经一定工艺复合而成的多 相材料。 颗粒增强复合材料的种类： 纳米微细硬颗粒弥散增强，微米颗粒增强。
材料科学与工程学导论
复合材料的基本理论
弥散强化复合材料中弥散颗粒种类 金属氧化物 碳化物 硼化物
4。由被动复合向主动复合材料发展
材料科学与工程导论及总结
材料科学与工程导论及总结内容：学习材料学的基本知识；主要涉及到各种材料的组成、结构、性能、应用以及它们之间的关系。
目的：材料类专业的入门课及专业基础课之一。
了解材料的基本知识，逐步扩大材料的专业知识面，培养分析和解决有关材料问题的初步能力。
1、材料的定义与分类材料是人类用来制造有用的构件、器件或物品的物质。
材料与物质的区别：①对材料而言，可采用“好”或“不好”等字眼加以评价，对物质则不能这样；②材料总是和一定的用途相的；③材料可由一种物质或若干种物质构成；④同一种物质，由于制备方法或加工方法的不同，可成为用途各异的不同类型的材料。
按化学组成和结构特点：金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料按材料性能：结构材料、功能材料按使用领域：建筑材料、电子材料、耐火材料、医用材料……2、材料的地位和作用材料是人类社会发展的基础和先导，是人类社会进步的里程碑和划时代的标志。
材料、能源、信息被称为人类社会的“三大支柱”。
纵观人类利用材料的历史，可以清楚地看到，每一种重要新材料的发现和应用，都把人类支配自然的能力提高到一个新的水平。
材料科学技术的每一次重大突破都会引起生产技术的重大变革，甚至引起一次世界性的技术革命，大大地加速社会发展的进程，从而把人类物质文明推向前进。
人类文明的发展史就是材料的发展史材料的发展史就是人类文明的发展史石器时代、青铜器时代、铁器时代、• • •、半导体时代新材料是高技术发展的基础，是工业革命和产业发展的先导3、材料的性质材料性质：是材料的功能特性和效应的描述，是材料对电.磁.光.热.机械载荷的反应。
材料性质描述：力学性质：强度、硬度、刚度、塑性、韧性材料在力的作用下所表现出的特性即为材料的力学性质。
（1）弹性模量弹性模量是指材料在弹性极限范围内，应力与应变（即与应力相对应的单位变形量）的比值，用E表示，即：（2）强度在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力称为强度。
(有多种强度类型）材料在外力作用下发生塑性变形的最小应力叫屈服强度，用σs表示。
什么是材料科学与工程
什么是材料科学与工程
材料科学与工程是一门研究材料的结构、性能、制备、加工和应用的学科。
材
料是构成一切物质的基础，包括金属、陶瓷、高分子材料、半导体材料等。
材料科学与工程的研究对象是各种材料的结构、性能和制备加工技术，旨在开发新材料、改进现有材料的性能，以满足人类对材料的需求。
材料科学与工程的研究内容非常广泛，涉及材料的物理、化学、力学、工程学
等多个学科领域。
它的研究内容包括材料的基本性质、结构与性能的关系、材料的制备加工技术、材料的表面改性和功能化等方面。
在材料科学与工程领域，研究人员通过对材料的微观结构和宏观性能进行研究，以期望能够开发出更加优异的新材料，同时改进现有材料的性能，以满足不同领域的需求。
材料科学与工程的研究领域包括金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料、半导体材料等。
在这些领域中，研究人员致力于研究材料的结构特性、性能表征、制备加工技术等方面的问题。
通过对材料的研究，人们可以更好地理解材料的性能特点，从而为材料的应用提供更为可靠的依据。
材料科学与工程在现代工业生产和科技发展中起着至关重要的作用。
材料是现
代工业生产的基础，几乎所有的产品都离不开材料。
因此，研究和开发新型材料、改进现有材料的性能对于提高产品质量、推动科技进步、促进经济发展具有重要意义。
总的来说，材料科学与工程是一门关乎材料的结构、性能、制备、加工和应用
的综合学科。
通过对材料的研究，可以不断开发新材料、改进现有材料的性能，以满足人类对材料的不断增长的需求。
材料科学与工程在现代工业生产和科技发展中具有重要作用，对于推动科技进步、促进经济发展具有不可替代的作用。
材料导论第十章 材料科学与工程的四个基本要素
电负性与元素周期表
电负性与键性的关系
• 电负性小的原子结合形成金属键； • 电负性大的原子结合形成共价键； • 电负性相差大的原子结合形成离子键； • 电负性相差小的原子结合形成共价键和离子键的
混合键。
2.2.2 材料中的化学键
• 金属键－金属离子与自由电子相互吸引所形成的结合力 特征： 1. 电子属于所有原子，可在晶格之间自由活动 2. 无方向性和饱和性 3. 强度高(稍低于共价键或离子键，25-200 kcal/mol) 4. 在低电负性的原子之间形成
还结合N、S、P、Cl、F、Si等 聚合度300－2500，分子量2－16万
材料的相组成
• 金属：单相材料
• 普通陶瓷：晶相＋玻璃相＋气孔 多相材料。
• 水泥：C2S、C3S、C3A、C4AF • 玻璃：单相材料
多相材料。
• 高分子：单相材料
• 复合材料：多相材料
2.2 材料的结构
• 材料的结构是指材料的组元及其排列和运动方式。 包含形貌、化学成分、相组成、晶体结构和缺陷、 官能团结构等内涵。
• 已知矿物约有2000－3000种，最常见的有100多 种。
• 金属、玻璃、陶瓷、高分子材料的原料大多数来自 矿物。 在118种元素中，惰性元素7种 非金属元素 17 种 金属元素 94 种
地壳中的矿物组成：
单质矿物：90多种，占地壳总重的0.1％。Cu、Ag 、Au、 Pt、Bi、Sb、C、S
材料原子间结合能与热膨胀系数之间的关系
• 材料的热膨胀系数（CTE）定义为 =(1/L)(dL/dT), 即材料在给定方向上的尺度L 随温度T 的升高而增加，其反映了材料尺寸随温度的变化。该宏观性质也与材料原 子间的键强有关。
• 材料中原子间结合能和原子间距的曲线形状反映了化学键的强度，进而反映了材料 热膨胀系数的大小。曲线越陡峭，最小值越低，其线性热膨胀系数越小。
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1.1 HISTORICAL PERSPECTIVE 材料发展简史
人类发展的历史证明，材料是社会进步的物质基础 和先导，是人类进步的里程碑。可分为以下几个时代：
石器时代 Stone Age
青铜时代 Bronze Age
铁器时代 Iron Age
材料发展的现代史： 金属材料 无机非金属材料 高分子材料 新材料时代（1990年）
探索智力
高技术体 系示意图
探索物质结构
新材料科 学技术
空间科学技术
探索海洋奥秘
环境科学技术
探索宇宙空间
新材料技术是高科技技术发展的基础
新材料的特点、趋势
特点:1.特殊性（超强度、超塑性、超导性等）
2.制备和生产和新技术、新工艺紧密相关
3.更新换代快，式样多变
4.发展和理论的关系比传统材料更密切
趋势： 1.从均质材料
1700 1500
陶瓷复合材料 碳-碳
隔热涂层
材料的表面温度(℃)
1300
1100 普通铸件
900 1950 1960
纤维增强超级合金 弥散强化超级合金 共晶合金 单晶合金 定向凝固超级合金
1970 1980 1990 2000 2010 2020
叶片材料的发展历程
30年代教练机 二次大战战斗机
发展最快和最有前途的电子信息材料。 ➢ 新型功能材料及其应用技术面临新的突破（超导材料、智能
新材料技术是工业革命和产业发展的先导
第一次工业革命（18世纪）：制钢工业的发展 为蒸汽机的发明和应用奠定了物质基础。
第二次工业革命（20世纪中叶以来）：单晶硅 材料对电子技术的发明和应用起了核心作用。
10 68
现代先进材料的强度密 度比已比原始材料提高 了约50倍
芳香族酰胺纤维
碳纤维
强度/密度（ln×10 ）
6
比 强
4
复合材料
2
木材
钢
石料 青铜 铸铁
铝
度
0
1600
1700
1800
1900
年份
2000
1400 1200
现代涡轮喷气发动机
发动机工作温度（℃）
1000
800
年代气冷 式航空发动机
0
1900 1920 1940 1960 1980 2000
年份
19世纪内现代材料使发动机工作温度急剧上升， 因而发动机的理论效率大大提高
1.1.4 iron age —铁器时代
铁器的使用，导致了世界上一些民族从原始社会发 展到奴隶社会，也推动了一些民族脱离了奴隶制的枷 锁而进入了封建社会。
长沙战国凹形铁锄
湖北当阳宋代铁塔
沧州铁狮
1.2 STATUS AND INFLUENCE OF MATERAIS
材料是人类社会发展的基础和先 导，是人类社会进步的里程碑和划 时代的标志。材料和能源、信息被 称为人类社会的“三大支柱”。
复合材料
2.由结构材料
功能材料,多功能材料并重
3.材料结构的尺度向越来越小的方向发展
4.由被动性材料
具有主动性的智能材料
5.通过仿生途径来发展新材料
新材料技术出现群体性突破，将对21世纪基础科 学和几乎所有工业领域产生革命性影响
➢ 纳米技术是前沿技术中最具前瞻性和带动性的重点领域之一 ➢ 电子信息材料技术进展迅速，光电子材料、光子材料将成为
旧石器时代—早在100万年以前，人类开始以石头做工具
1.1.1 stone age 石器时代
新石器时代—1万年前，人类对石头进行加工
金坛三星村新石 器时代遗址
孟津妯娌新石器 时代聚落遗址
1.1.2 pottery age—陶器时代
新石器后期，人类发明了用粘土成型，再火烧固 化而制成陶器，从而进入陶器时代 。 亚洲: （公元前8000年左右）
釉陶
1.1.3 bronze age —青铜时代
烧制陶器过程中还原出金属铜和锡，创造了炼铜技 术，生产出各种青铜器物，进入了青铜时代。古希腊 大约在公元前3000年以前，埃及是公元前2500年前， 中国是夏代（公元前2000年左右），欧洲是公元前 1800年前后进入青铜器时代。这是人类大量利用金属 的开始，是人类文明发展的重要里程碑。
江西省万年县大源乡仙人洞 日本最早的绳纹陶； 欧洲：（公元前6000至5000年） 希腊半岛 美洲：公元前6000年前左右。
1.1.2 pottery age—陶器时代
陶器时代是人类文明史上的重要飞跃，陶器的发 明不仅成为这一阶段的最重要的物质文明的创造，同 时也成为这一时期最重要的生产工具。
彩陶
lg[切削速度 （m/min.）]
3
2.8
多晶金刚石
2.6
立方氮化硼
2.4
陶瓷
2.2
金属陶瓷
2
1.8
烧结碳化钨
1.6
钨钴铬硬质合金
1.4
1.2 碳素工具钢
高速钢
1 1750
1800
1850
1900
1950
2000
年份
探索生命本质
六大 技术 群体
新能源与再生能源
生物科学技术 信息科学技术 人
海洋科学技术
主要讲述内容
1.1 Historical perspective （材料发展简史） 1.2 Status and influence of materials
（材料的地位与作用） 1.3 Objectives of materials science and
engineering （材料科学与工程研究内容） 1.4 Classification of materials （材料的分类）
80年代截击机 航天飞机
东方快车号
490C 不同类型的飞行器蒙皮温度 93.30C 4270C 10930C 16490C
538
1093 1649
温度（0C）
+595 +390 +175
导弹射程
金属
Km 玻璃纤维 KavlarC/C复合材料
火箭壳体材料与导弹射程
各种切削刀具材料的切削速度的发展趋势
材料是人类社会进步的里程碑
人类使用材料的七个时代的开始时间
公元前 10 万年 公元前 3000 年 公元前 1000 年
公元 0 年 公元 1800 年 公元 1950 年 公元 1990 年
石器时代
青铜时代
铁器时代
水泥时代
钢时代
新
硅时代
材
料
先进材料时代
时
代
1.1.1 stone age 石器时代
1.1.4 iron age —铁器时代
人们开始使用铁来制造工具和武器的时代。
炼铜技术
冶炼铁的技术
世界上最早小亚细亚的赫梯人在公元前1400年左右
古希腊和古罗马开始普遍使用在公元前1000年
中国最早在春秋战国－晋国（大致公元前700年）
铁器的广泛使用，使人类的工具制造进入了一个全 新的领域，生产力得到极大的提高。