材料与人类学习.pptx

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1、Return法：埃菲尔铁塔第1页/共31页Return第2页/共31页Return第3页/共31页Return第4页/共31页Return美：北极星火箭第5页/共31页阿拉斯加的输油管道起重机电视塔机 床齿 轮螺 栓第6页/共31页二战期间，美、英等盟军诺曼底登陆。货轮（自由轮）横渡大西洋时船体断裂。1950年，美国北极星导弹的固体燃料发动机在试射时爆炸。第7页/共31页1986年1月28日，美国航天飞机“挑战号”发射升空后75秒即发生爆炸 挑战号全体人员合影2003年2月1日，美国使用次数最多的“哥伦比亚”号航天飞机失事哥伦比亚号全体人员合影第8页/共31页 飞机，船舶，埃菲尔铁塔 人类社会

2、的一切活动，都离不开材料;新世纪人类面临的五大问题（人口、粮食、资源、能源与环境）都与材料密不可分。材料是人类文明和科学进步的基础，它使人类社会环境紧密而有机地联系在一起。前 言第9页/共31页第一节：材料与人类文明及社会现代化一、材料与物质 物质（Substance)Substance):宇宙万物均是物质构成、包括水、空气、废弃物。材料（Materials)Materials):是人类用于制造生活和生 产用的机器、构件、器体和产品的物质，是人类 赖以生存和发展的物质基础。材料与物质的区别、联系：材料是 有用的、能用来制造物件、物品的物质；多指固体的、用于工程上的物质；主要是指人造物质。第10

3、页/共31页二、二、材料是人类文明的里程碑1.是人类历史阶段的标志 旧石器时代新石器时代青铜器时代铁器时代？思考题1 1:为何青铜器时代在前、铁器时代在后？思考题2 2：现在是什么历史阶段？2.导致城市的建立 例：芝加哥；嘉峪关、金昌3.推动经济发展 如几次工业革命；并参P2；无钢铁无铁道美国就不能开发西部不能 现代化；无金属材料无机械工业、无建筑业第11页/共31页 无高分子材料无家电、无轻工业 无功能材料无晶体管、集成电路、计算机、硅材 料等；无激光器（激光材料）和光纤通讯（光导纤 维）无高温合金、钛合金和高温结构陶瓷无航空航天 技术的发展 无现代材料无现代科技、文明及经济发展。4.材料、

4、信息、能源是人类文明的三大柱石，材料、信息、能源是人类文明的三大柱石，而材料又是后二者的物质基础。而材料又是后二者的物质基础。第12页/共31页三、材料是社会现代化的 物质基础与先导（自学）新世纪美国确定的经济发展重点三大产业：信息产业、生物工程产业、纳米产业两大支柱：材料、先进制造技术第13页/共31页第二节：材料循环（Materials Cycling）材料、能源与环境一、材料的单向循环模式（如图11）资源开采生产加工消费使用废物丢弃 与材料相关的产业既是资源消耗的大户，也是能源消耗的大户，又是环境污染的主要来源。第14页/共31页二、材料的双向循环模式 一个生产过程的输出变为另一个（生

5、产）过程的输入，一个过程的废物变成另一个过程的原料；如图12 清洁生产、无害循环。参P5思路：第15页/共31页三、材料的可持续发展战略与生态环境材料1、材料的可持续发展战略u 保证材料性能的同时，尽可能节约资源与减少环境污染，改变片面追求性能的旧观点；u 重视对材料及其产品整个寿命周期对环境协调性的评价；u 不但讲科学技术效益、经济效益，还要将社会效益，将材料科技与产业具体目标和各国、各地区可持续发展的大目标结合起来。第16页/共31页2、生态环境材料的研发u 20世纪90年代以来国际材料与工程的最新趋势。u 生态环境材料生态环境材料：同时具有优良使用性能和最佳环境协调性能的材料。其特征：资

6、源、能源消耗少，生态和环境污染小；再生利用率高或可降解化和可循环利用；在制造、使用、废弃直到再生利用的整个寿命周期 中均与环境协调共存。第17页/共31页u 途径：或开发新材料;或改进、改造传统材料（达到节约资料 并与环境协调）。u 4倍因子理论：半份消耗，倍数产出其结果4倍 产出（同样资源消耗水平）。u 两大主题：（2）LCALCA：Life Cycle Assessment Life Cycle Assessment 即材料的 环境协调性评价。（1）生态环境材料设计、研究与开发；第18页/共31页第三节：材料科学与工程（MSEMSE：Materials Science and Engine

7、eringMaterials Science and Engineering）一、材料科学的兴起（参见P78）相关基础学科对物质结构和物质性能的深入研究，促进对材料本质的了解；金属、陶瓷和高分子材料早已自成体系，相互借 鉴，促进材料科学的发展；各类材料的研究设备与生产手段相同、相近；（使用中）不同类型的材料可相互代替和补充，故 需相互贯通；复合材料更需对各类材料的全面了解、总体把握。第19页/共31页二、材料科学与工程（MSE）材料科学：是一门应用科学，研究材料的成分、组织、结构与性质之间的关系，了解材料的本质有关理论与描述。材料工程：是一个工程领域，处理材料制备、处理加工过程中的工艺和各种工

8、程问题，进行设计并在工程上实施与保证，产生预定的性能。MSE：具有鲜明的工程性(最终得到符合要求的工程 材料)。MSE：是知识开发和传输的一个完整体系。如图13第20页/共31页第四节 材料成分结构合成与加工 性能使用效能1.成分与结构成分与结构成分与结构成分与结构 (Composition/Structure(Composition/Structure)包括了决定材料性质和使用性能的原子类型和排列方式,内涵丰富，是具体材料合成制备和加工方法的结果。2.2.制备合成与加工制备合成与加工制备合成与加工制备合成与加工 (Synthesis/Processing)(Synthesis/Process

9、ing)制造材料(组合原子,分子成集聚体)与零件(成型,加工处理)。制备的作用包括合成新材料,用新技术合成一致的材料(获新的形式),按特殊用途来合成材料这三个方面。对金属材料:一般先合成制备(冶炼)再后续加工(如轧制,机械 加工)；对于其它材料:合成与加工的界限模糊,如高聚物的反映注射成型,陶瓷的烧结。（如（如图图3131）第21页/共31页3.材料的性质材料的性质材料的性质材料的性质 (性能性能性能性能,Property),Property)材料的性质材料的性质也即材料的固有性能，包括力学性能，物理性能 和化学性能。材料的性质材料的性质是材料的功能特性和效用的定量度量和描述。材料的性质材料的

10、性质也表示了材料对外界作用或刺激的反应或整体响应，并按其响应类型和大小表达出的一种品质或特性。4.4.使用性能使用性能 (Performance)(Performance)又称效能效能或服役性能服役性能。如速度，使用寿命，安全可靠性，成本使用性能使用性能与性能性能既相互联系，又相互区别。材料的性能是其使用性能的基础，一般而言，材料的性能多系实验室条件下的简单性能，而使用性能多系在实际使用环境或工况下元器件、零件或设备考核出的复杂性能，材料的性能在使用中会逐渐发生变化的。第22页/共31页核心与本质：核心与本质：结构决定性能；材料科学是MSE的基础、指导，是核心；MSE直接付诸于应用，反过来又促

11、进了材料科学的发展。关于材料的结构：关于材料的结构：材料是有结构的；结构是分层次的；结构是分层次的；材料的结构决定材料的性能；材料的结构决定材料的性能；材料的结构是可以改变的（通过改变成分、工艺及外界条件等）材料的结构是可以改变的（通过改变成分、工艺及外界条件等）二、二、材料加工工艺方法材料加工工艺方法（如表如表11 11）三、三、材料设计和选用材料材料设计和选用材料材料设计材料设计：根据理论和信息，设计出符合要求的成分和组织结构的新材料，提出其制备合成方案，预测其性能。这需多层次多尺度的材料设计.选用材料：选用材料：科学合理、经济地选择合乎工程应用的某种材料。第23页/共31页 本本 章章

12、小小 结结材料与人类密切相关，材料是人类物质文明的基础。材料、信息、能源是现代文明的三大支柱，而材料又是一切发展和进步的前提。人类进入21世纪后认真思考材料、能源和环境的密切关系，越来越重视材料的可持续发展与生态环境材料的研究，考虑MSE的发展思路，从单一循环方式向双向闭合循环过渡，向着无公害、零排放方向发展，全方位全过程再度规划未来材料及相关产业的发展。材料从各个分散的分支学科向统一的大材料观发展，这是材料科学发展的必然。材料科学和材料工程密不可分，统称为“材料科学与工程”。现代材料观最重要的思想就是把材料成分结构合成与加工性能使用效能作为材料材料科学与工程的五大要素来综合考虑，而且要特别重

13、视材料使用效能的作用。正确进行材料设计和从系统而全面的观点进行选材、用材是材料科学与工程工作者的主要任务之一。作业：1，3，5，7第24页/共31页表表1-1 1-1 1-1 1-1 典型的材料加工工艺金属材料典型的材料加工工艺金属材料金属材料金属材料 铸造：砂型、压铸、永久铸造：砂型、压铸、永久铸型、连续铸造铸型、连续铸造 成型：锻造、拉丝、深冲、成型：锻造、拉丝、深冲、弯曲弯曲 连接：气焊、接触焊、钎连接：气焊、接触焊、钎焊、氩弧焊、摩擦焊、扩散焊焊、氩弧焊、摩擦焊、扩散焊 机械加工：车、钻、磨、机械加工：车、钻、磨、切削切削 粉末冶金粉末冶金 将液态金属浇入或注入固体模中得到所要求将液态

14、金属浇入或注入固体模中得到所要求的形状。的形状。通常在热状态下用高压力将固体金属变形为通常在热状态下用高压力将固体金属变形为有用形状。有用形状。采用液态金属、变形或高压、高温将几块金采用液态金属、变形或高压、高温将几块金属连接在一起。属连接在一起。用切削加工去掉多余金属，获得成品件。用切削加工去掉多余金属，获得成品件。先在高温下将金属粉末压制成需要的形状，先在高温下将金属粉末压制成需要的形状，然后进行高温加热，然后进行高温加热，使微粒连结成整体。使微粒连结成整体。陶瓷材料陶瓷材料 铸造：包括涂泥釉铸造：包括涂泥釉 压制：挤压、压制、等静压制：挤压、压制、等静压成形压成形 烧结烧结 将液体陶瓷或

15、液体加固体的陶瓷泥浆浇注成将液体陶瓷或液体加固体的陶瓷泥浆浇注成所需形状。所需形状。将液体陶瓷或液体加固体的陶瓷泥浆压制成将液体陶瓷或液体加固体的陶瓷泥浆压制成有用形状。有用形状。将压制成的固体陶瓷进行高温加热，使之粘将压制成的固体陶瓷进行高温加热，使之粘连成块。连成块。第25页/共31页表 1-1 典型的材料加工工艺金属材料（续）聚合物聚合物 模制：注模法，转移注模模制：注模法，转移注模法法 成形：旋压、挤压、真空成形：旋压、挤压、真空成形成形 将热的甚至液态的聚合物压入模具中，其类似将热的甚至液态的聚合物压入模具中，其类似铸造。铸造。将受热的聚合物强迫通过模孔或包裹在模胎上，将受热的聚合物

16、强迫通过模孔或包裹在模胎上，以获得某种形状。以获得某种形状。复合材料复合材料 铸造（包括渗透铸造（包括渗透,成形）成形）连接：连接：胶粘剂粘结、爆胶粘剂粘结、爆炸连接、扩散连接炸连接、扩散连接 压制或烧结压制或烧结：液体组分包围着另一种组分，以获得完整的复液体组分包围着另一种组分，以获得完整的复合材料。合材料。用强力迫使一个软质用强力迫使一个软质 分围绕复合材料的第二个分围绕复合材料的第二个组分发生变形发生变形发生变形，通过胶接、组分发生变形发生变形发生变形，通过胶接、变形或高温变形或高温 过程将两种组分连接在一起。过程将两种组分连接在一起。将粉末状组分压制成形，然后加热使粉末连接将粉末状组分压制成形，然后加热使粉末连接在一起。在一起。第26页/共31页 图1-1 材料的单项循环模式第27页/共31页图1-2 材料的双向循环模式第28页/共31页图1-3 表示MSE的中心因素及其它科学和经验知识的对流关系第29页/共31页使用性能性能成分/结构合成/制备（a）四要素与四面体（b）五要素与六面体第30页/共31页感谢您的观看。第31页/共31页