工程材料学　全套课件PPT资料.ppt

1、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、国防尖端技术等各行各业有关的所总之，工程材料包括了与工农业、国防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有材料。按照其基本成分分类见图 1 1 1 1。二、新材料发展趋势二、新材料发展趋势1 1 继续重视高性能的新型金属材料 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

2、料是依靠新技术和新工艺发展的。例如，合极其密切的关系。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。面向控制等，可大幅度提高材料的性能。面向 2121 世纪，金属材料仍占主世纪，金属材料仍占主导地位。导地位。2 2 结构材料趋向于复合化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但由于单一材料存在难以克服的某些缺点，如脆

3、性、弹性模量低、比强度不足等。所以把不同的材料进行复，如脆性、弹性模量低、比强度不足等。所以把不同的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

4、方面也有较多的应用。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低维材料正在扩大应用 包括零维包括零维（超微粒超微粒）、一维、一维（纤维纤维）和二维薄膜材料，可用于作结构和二维薄膜材料，可用于作结构材料和功能材料。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。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。某些超微度快，烧结温度下降，强度高而塑性好，具有良

5、好的综合性能。某些超微粒功能材料，可成为高效吸波材料。粒功能材料，可成为高效吸波材料。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。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，高的薄膜材料发展迅速，金刚石薄

6、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；高温超导薄膜也尤为突出。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。温超导薄膜将开辟超导技术的新领域。4 非晶非晶（亚稳态亚稳态）材料日益受到重视材料日益受到重视 70 年代通过快冷技术年代通过快冷技术（106 s）而获得非晶态或亚稳态合金材料。而获得非晶态或亚稳态合金材料。由于骤冷，金属中的合金元素由于骤冷，金属中的合金元素偏析程度降低，没有晶界，从而可提高合从而可提高合金化程度，而金化程度，而不致产生脆性相。非晶态合金具有高强度、耐腐蚀等特点。

7、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，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损低 2 3。在工程应用中，通过在工程应用中，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。，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是当代新技术中能源技术、空间技术、

8、信息技术和计算机技术的物质基础。功能材料是术的物质基础。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的重视。又如有关磁记录和磁光记录材料、高温物半导体受到越来越多的重视。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。近年来超导材料、光电转换材料等都将有进

9、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。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。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，燃烧气体温度超航天飞机推进系统中超音

10、速燃烧冲压式发动机，燃烧气体温度超过过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；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。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。联合起来使用，用陶瓷去对付高温，用金属来对付低温。但是，用传统的技术将金属和陶瓷结合起来时，由于二者的界面热但是，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力学特性匹配不好，在极大的热应力下还是会遭到破坏。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

11、组成和微细结构的变化，使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。好的新功能。又如又如 W-Cu 热沉材料。热沉材料。6 特殊条件下应用的材料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，在高压下的

12、结构材料，由于原子间善材料性能和开发新材料。例如，在高压下的结构材料，由于原子间距离缩短，材料将由绝缘体转变为导电体，距离缩短，材料将由绝缘体转变为导电体，N b3Sn、N b3Ce 和 N b3Si等超导体均在高压下合成。现正在开展高压力及冲击波对材料性能影等超导体均在高压下合成。现正在开展高压力及冲击波对材料性能影响的试验研究，理论上预测氢在几千万大气压下将转变为金属态，它响的试验研究，理论上预测氢在几千万大气压下将转变为金属态，它在室温时就具有超导性，它的实现还有待于高压条件的创建。另外，在室温时就具有超导性，它的实现还有待于高压条件的创建。另外，对太空、深海洋等工程技术所用的材料也将继

13、续深入研究。对太空、深海洋等工程技术所用的材料也将继续深入研究。7 材料的设计及选用计算机化材料的设计及选用计算机化 由于电子计算机及应用技术的高度发展，使得人们可以按照指定由于电子计算机及应用技术的高度发展，使得人们可以按照指定的性能进行材料设计正逐步成为现实。通过电子计算机的应用以及量的性能进行材料设计正逐步成为现实。通过电子计算机的应用以及量子力学、系统工程和统计学的运用，可以在微观与宏观相结合的基础子力学、系统工程和统计学的运用，可以在微观与宏观相结合的基础上进行材料设计和选用，使之最佳化。目前已建立起计算机化的各种上进行材料设计和选用，使之最佳化。目前已建立起计算机化的各种材料性能数

14、据库和计算机辅助选材系统，并进一步向智能化方向发展材料性能数据库和计算机辅助选材系统，并进一步向智能化方向发展,从而提高了工程技术的用材水平。从而提高了工程技术的用材水平。三、工程材料三、工程材料学学 不仅学习各种材料的分类、基本特性、制备方法、用途，而且学习不仅学习各种材料的分类、基本特性、制备方法、用途，而且学习材料材料性能与组成、组织结构、制备工艺之间的内在联系、作用机理。性能与组成、组织结构、制备工艺之间的内在联系、作用机理。以典型的工程材料为例以典型的工程材料为例，学习材料（重点是金属材料）所表现出的，学习材料（重点是金属材料）所表现出的宏观宏观性能的内在本质，为提高材料性能、开发新材料、材料选择、使用打基础性能的内在本质，为提高材料性能、开发新材料、材料选择、使用打基础。第第 2 节 工程材料失效分析节 工程材料失效分析一、概念与意义一、概念与意义 失效：工程上所使用的工件在使用过程中失去所规定的功能。：有些场合使用的零件失效不会造成很大的损失（弹簧）。但有有些场合使用的零件失效