材料科學(xué)與工程專業(yè)概論-在線瀏覽
2025-01-24 21:00本頁面
【正文】 料科學(xué)與工程研究的主要發(fā)展趨勢。任何一種材料都有其特征的性能和應(yīng)用。它也具有延性，可以加工成導(dǎo) 線 或受力用線材 。陶瓷有很高的熔點(diǎn)、高的強(qiáng) 度 和化學(xué)惰性，可用作高溫發(fā)動(dòng)機(jī)和金屬切削刀具等 。利用金剛石的耀度和透明性，可制成光燦奪目的寶石和性能光學(xué)涂層 。高 分 子材料以其各種獨(dú)特的性能使其在各種不同的產(chǎn)品上發(fā)揮作用 。材料的組成基元一般為原子、離子和分子等，材料的 排列方式在很大程度上受組元間結(jié)合類型的影響，如金屬鍵、離子鍵、共價(jià)鍵、分子鍵等。描述材料的結(jié)構(gòu)可以有不同層次，包括原子結(jié)構(gòu)、原子的排列、相結(jié)構(gòu)、顯微結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)缺陷等，每個(gè)層次的結(jié)構(gòu)特征都以不同的方式?jīng)Q定著材料的性能。組成材料的原子結(jié)構(gòu)，電子圍繞著原子核的運(yùn)動(dòng)情況對材料的物理性能有重要影響，尤其是電子結(jié)構(gòu)會(huì)影響原子的鍵合，使材料表現(xiàn)出金屬、無機(jī)非金屬或高分子的固有屬性。理論及材料與工藝設(shè)計(jì)位于多面體的中心，它直接和其它 5 個(gè)要素相連，表明它在材料科學(xué)中的特殊地位。因此，建立使用性能與材料基本性能相關(guān)聯(lián)的模型，了解失效模式，發(fā)展合理的仿真試驗(yàn)程序，開展可靠性、耐用性、預(yù)測壽命的研究，以最低代價(jià)延長使用期，對先進(jìn)材料研制、設(shè)計(jì)和工藝是至關(guān)重要的。 組織 與結(jié)構(gòu) 每個(gè)特定的材料都含有一個(gè)以原子和電子尺度到宏觀尺度的結(jié)構(gòu)體系，對于大多數(shù)材料，所有這些結(jié)構(gòu)尺度上化學(xué)成分和分布是立體變化的，這是制造該種特定材料所采用的合成和加工的結(jié)果。因此，在各種尺度上對結(jié)構(gòu)與成分的深人了解是材料科學(xué)與工程的一個(gè)主要方面。為了深入理解和有效控制性能和結(jié)構(gòu)，人們 常常需要了解各種過程的現(xiàn)象，如屈服過程、斷裂過程、導(dǎo)電過程、磁化過程、相變過程等。因此可以說，過程是理解性能和結(jié)構(gòu)的重要環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)是深入理解性能的核心，外界條件控制著結(jié)構(gòu)的形成和過程的進(jìn)行。晶體結(jié)構(gòu)會(huì)影響到材料的諸多物理性能，如強(qiáng)度、塑性、韌性等。當(dāng)材料處于非晶態(tài)時(shí)，與晶體材料相比，性能差別也很大，如玻璃態(tài)的聚乙烯是透明的，而晶態(tài)的聚乙烯是半透明的。此外，在晶體材料中存在的某些排列的不完整性，即存在結(jié)構(gòu)缺陷，也對材料性能產(chǎn)生重要影響。具有高強(qiáng)度特征的一維材料的有機(jī)纖維、光導(dǎo)纖維，作為二維材料的金剛石薄膜、超導(dǎo)薄膜等都具有特殊的物理性能。合成常常是指原子和分子組合在一起制造新材料所采用的物理和化學(xué)方法。合成的作用包括合成新材料、用新技術(shù)合成已知的材料或?qū)⒁阎牧虾铣蔀樾碌男问?、將已知材料按特殊用途的要求來合?3 個(gè)方面。對企業(yè)來說，材料的合成和加工是獲得高質(zhì)量和低成本產(chǎn)品的關(guān)鍵，把各種材料加工成整體材料、元器件、結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的方法都將關(guān)系到工作的成敗，材料加工能力對于把新材料轉(zhuǎn)變成有用制品或改進(jìn)現(xiàn)有材料制品都是十分重要的。一個(gè)國家保持強(qiáng)有力的材料加工技術(shù)研究能力，對各個(gè)工業(yè)部門實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率是至關(guān)重要的。一般地說，科學(xué)是屬于研究 “為什么” 的范疇。并可以節(jié)省時(shí)間、提高可靠性、提高質(zhì)量、降低成本和能耗、減少對環(huán)境的污染等。其目的在于經(jīng)濟(jì)地而又能為社會(huì)所接受地控制材料的結(jié)構(gòu)、性能和形狀。材料工程為材料科學(xué)提出了豐富的研究課題，材料工程技術(shù)也為材料科學(xué)的 發(fā)展提供了客觀物質(zhì)基礎(chǔ)。因此，人們常常將二者放在一起，稱為“材料科學(xué)與工程”。人們對材料本質(zhì)的認(rèn)識(shí)是表面的、膚淺的。后來，隨著經(jīng)驗(yàn)的積累出現(xiàn)了“材料工藝學(xué)”，這比工匠的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)了一大步，但它只記錄了一些制造過程和規(guī)律，一 般還是知其然不知其所以然。 五、金屬材料 ? 定義 金屬材料一般是指工業(yè)應(yīng)用中的純金屬或合金。而合金常指兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬結(jié)合而成 ,且具有金屬特性的材料。銅和鋅所形成的合金為黃銅等。 ? 分類 金屬材料通常分為黑色金屬和有色金屬兩類 。鋼按照化學(xué)成分分為碳素鋼和合金鋼；按照品質(zhì)又分為普通鋼、優(yōu)質(zhì)鋼和高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼；按照冶煉方法可分為平爐鋼、轉(zhuǎn)爐鋼、電爐鋼和奧氏體鋼；按照用途又分為建筑及工程用鋼、結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊鋼及專用鋼。鋼鐵是現(xiàn)代工業(yè)中的主要金屬材料，在機(jī)械產(chǎn)品中占整個(gè)用材消耗的一半以上。工程上最重要的有色金屬是A Cu、 Zn、 Sn、 Pb、 Mg、 Ni、 Ti 及其合金。 ? 材料性能 ： 金屬材料的性能決定著材料的適用范圍及應(yīng)用的合理性。 機(jī)械性能 金屬在一定溫度條件下承受外力（載荷）作用時(shí)，抵抗變形和斷裂的能力稱為金屬材料的機(jī)械性能（也稱為力學(xué)性能）。 金屬材料的 機(jī)械性能 是零件的設(shè)計(jì)和選材時(shí)的主要依據(jù)。 常用的機(jī)械性能包括： 強(qiáng)度 、 塑性 、 硬度 、 沖擊韌性 、多次沖擊抗力和疲勞極限 等。由于 載荷的作用方式有拉伸、壓縮、彎曲、剪切等形式，所以強(qiáng)度也分為 抗拉強(qiáng)度 、 抗壓強(qiáng)度 、 抗彎強(qiáng)度 、 抗剪強(qiáng)度 等。 2) 塑性 是指金屬材料在載荷作用下，產(chǎn)生塑性變形 (永久變形 )而不破壞的能力。目前生產(chǎn)中測定硬度方法最常用的是壓入硬度法，它是用一定幾何形狀的壓頭在一定載荷下壓入被測試的金屬材料表面，根據(jù)被壓入程度來測定其硬度值。 4) 疲勞 前面所討論的強(qiáng)度、塑性、硬度都是金屬在 靜載荷 作用下的機(jī)械性能指針。 5) 沖擊韌性 以很大速度作用于機(jī)件上的載荷稱為 沖擊載荷 ，金屬在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力叫做沖擊韌性。在實(shí)際應(yīng)用中主要考慮金屬的抗蝕性、 抗氧化性 （又稱作氧化抗力，這是特別指金屬在高溫時(shí)對氧化作用的抵抗能力或者說穩(wěn)定性），以及不同金 屬之間、金屬與 非金屬 之間形成的 化合物 對機(jī)械性能的影響等等。 物理性能 金屬的物理性能主要考慮 1)密度 （比重）：ρ =P/V單位克 /立方厘米或噸 /立方米，式中 P 為重量， V為 體積 。 2)熔點(diǎn) ：金屬由固態(tài)轉(zhuǎn)變成液態(tài)時(shí)的溫度，對金屬材料的熔煉、 熱加工 有直接影響，并與材料的高溫性能有很大關(guān)系。熱膨脹性與材料的比熱有關(guān)。 4)磁性能吸引 鐵磁性 物體的性質(zhì)即為磁性，它反映在導(dǎo)磁率、磁滯損耗、剩余 磁感應(yīng)強(qiáng)度 、矯頑磁力等參數(shù)上，從而可以把金屬材 料分成順磁與逆磁、軟磁與 硬磁材料 。 工藝性能 金屬對各種加工工藝方法所表現(xiàn)出來的適應(yīng)性稱為工藝性能 ，主要有以下四個(gè)方面： 1)切削加工性能 ：反映用切削工具（例如車削
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