《工程材料教学》课件

工程材料教学欢迎参加工程材料教学课程本课程是材料科学与工程领域的基础课程，专为工程专业学生设计我们将深入探讨各种工程材料的性质、分类与应用，帮助你建立坚实的材料科学基础通过本课程，你将了解从传统金属材料到现代复合材料的全面知识体系，掌握材料选择、测试和应用的核心原理这些知识对于未来从事工程设计、制造和研发工作至关重要让我们一起开启这段探索材料世界的旅程，发现支撑现代工程技术的物质基础！课程大纲课程目标掌握工程材料基本理论和应用知识，培养材料选择和分析能力，为工程设计和创新提供基础推荐教材《工程材料学》第五版，刘建国主编，《材料科学基础》张联盟编著，以及课堂讲义和补充材料考核方式期中考试30%，期末考试50%，实验报告20%联系方式答疑时间每周

二、四下午2-4点，工程楼B305室；邮箱materials@university.edu.cn工程材料概述远古时代人类开始使用石器、青铜和铁器，材料的使用标志着文明发展的重要阶段工业革命钢铁大规模生产，材料科学作为独立学科开始发展现代时期原子和微观结构研究深入，复合材料、纳米材料等新型材料出现未来展望智能材料、仿生材料、可持续材料成为研究热点，为航空航天、生物医疗等领域提供关键支持工程材料是人类文明进步的重要基石，其发展历程反映了科技进步的轨迹材料科学与机械、电子、化工等工程学科紧密关联，提供了实现工程功能的物质基础材料的分类金属材料非金属材料包括铁基材料（钢、铸铁）和非铁金属陶瓷、玻璃、塑料、橡胶等（铝、铜、钛等）•绝缘性好•导电导热性好•耐高温、耐腐蚀•具有金属光泽•脆性大，加工难度高•良好的塑性和韧性新型功能材料半导体材料智能材料、纳米材料、生物材料等硅、锗、砷化镓等•具有特殊功能•导电性可控•高附加值•电子器件的基础•应用于前沿领域•精密加工要求高材料的结构原子结构与化学键决定材料基本性质的微观因素晶体结构与非晶态结构原子排列的空间秩序决定宏观性能晶格缺陷点缺陷、线缺陷、面缺陷影响材料性能材料的结构是从原子级到宏观尺度的多层次结构体系原子之间通过不同类型的化学键（离子键、共价键、金属键、分子键）结合在一起，形成不同的晶体结构或非晶态结构晶体结构具有长程有序性，而非晶态结构仅有短程有序性晶格缺陷是晶体中的不完整处，包括空位、间隙原子、位错和晶界等，它们对材料的力学、电学和光学性能有显著影响，也是材料强化和改性的关键因素金属晶体结构体心立方结构BCC面心立方结构FCC在立方晶胞的中心和八个顶点在立方晶胞的八个顶点和六个各有一个原子，配位数为8，面的中心各有一个原子，配位原子堆积系数为

0.68典型金数为12，原子堆积系数为属有铁α、钨、钼、铬等

0.74典型金属有铝、铜、具有较高的强度但塑性较低镍、铁γ等通常具有良好的塑性和韧性密排六方结构HCP晶胞为六方柱体，配位数为12，原子堆积系数为

0.74典型金属有镁、锌、钛α等由于滑移系较少，通常塑性较差，但强度较高金属的晶体结构决定了其基本物理和机械性能了解晶体结构对于理解金属的塑性变形、强化机制以及热处理原理至关重要晶体结构也是金属合金设计的基础，通过调控晶体结构可以获得具有特定性能的金属材料材料的性能指标机械性能•强度——承受载荷的能力•硬度——抵抗局部变形的能力•韧性——吸收能量的能力•疲劳性能——承受循环载荷的能力•蠕变性能——长期载荷下抵抗变形的能力物理性能•密度——单位体积的质量•熔点——固液相变温度•导热性——传递热量的能力•导电性——传导电流的能力•磁性——响应磁场的能力化学性能•耐腐蚀性——抵抗环境介质侵蚀的能力•耐氧化性——高温下抵抗氧化的能力•化学稳定性——保持化学组成的能力•耐辐照性——抵抗辐射损伤的能力工艺性能•铸造性——液态成形的适应性•焊接性——连接加工的适应性•切削性——机械加工的适应性•塑性加工性——变形加工的适应性材料的力学性能一强度与硬度塑性与韧性弹性与刚度强度是材料抵抗变形和断裂的能力，包塑性是材料在载荷作用下产生永久变形弹性是材料在载荷移除后恢复原始形状括抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等而不断裂的能力，通常用延伸率和断面的能力弹性模量是应力与应变的比材料的强度通常通过拉伸试验测定，以收缩率表示良好的塑性对于材料的成值，表示材料的刚度应力表示形加工至关重要刚度是材料抵抗弹性变形的能力，刚度硬度是材料抵抗局部变形的能力，常用韧性是材料吸收能量在断裂前变形的能高的材料在相同载荷下变形较小，对精布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等表力，是强度和塑性的综合体现韧性高密结构重要示硬度测试简便，常用于质量控制的材料在断裂前能吸收大量能量了解材料的力学性能对于工程设计和材料选择至关重要在实际应用中，需要根据工作条件和要求选择具有适当力学性能组合的材料材料的力学性能二疲劳性能在循环载荷作用下抵抗失效的能力蠕变性能在恒定载荷和高温下抵抗变形的能力冲击韧性承受冲击载荷而不断裂的能力磨损性能表面抵抗机械磨损的能力疲劳是工程结构中最常见的失效形式之一，约90%的机械失效与疲劳有关疲劳裂纹通常从表面缺陷处萌生，然后逐渐扩展直至完全断裂疲劳寿命通常用S-N曲线表示，描述应力幅值与循环次数的关系蠕变是材料在高温长期载荷作用下的缓慢变形过程，特别在工作温度超过材料熔点的

0.3倍时变得显著冲击韧性反映材料在动态载荷下的表现，对于承受冲击的零部件尤为重要磨损性能对于运动副和工具材料至关重要，直接影响使用寿命材料的物理性能密度与比重密度是单位体积的质量，影响材料的重量和强重比轻质高强材料如铝合金、钛合金和复合材料在航空航天等领域有广泛应用比重是材料密度与水密度的比值，是一个无量纲数热学性能热导率表示材料传导热量的能力；热膨胀系数反映温度变化引起尺寸变化的程度，影响热应力和配合精度；比热容是单位质量材料温度升高1℃所需的热量，与热稳定性相关电学性能电导率表示材料导电能力；介电强度是材料在电场作用下抵抗击穿的能力；介电常数反映材料存储电荷的能力这些性能对电子电气工程材料选择至关重要磁学性能磁导率表示材料被磁化的难易程度；矫顽力反映改变磁化方向的难易程度；磁滞回线面积与铁损相关软磁材料用于变压器和电机，硬磁材料用于永磁体材料的化学性能耐腐蚀性耐氧化性抵抗电化学和化学侵蚀的能力高温环境中抵抗氧化的能力环境适应性耐辐射性在特殊环境中保持功能的能力在辐射环境中保持性能稳定的能力材料的化学性能直接关系到其使用寿命和可靠性腐蚀是材料与环境介质发生化学或电化学反应导致性能下降的过程，每年全球因腐蚀造成的经济损失约占GDP的3-4%常见的腐蚀形式包括均匀腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀开裂等耐氧化性对于高温工作的金属材料尤为重要，如涡轮叶片、高温热交换器等耐辐射性在核能和航天领域至关重要，材料在辐照下可能发生辐照硬化、辐照肿胀和辐照蠕变等现象提高材料的化学稳定性是材料科学的重要研究方向材料测试方法一拉伸测试压缩测试弯曲测试最基本的材料力学性能测试评估材料在压缩载荷下的力测定材料的抗弯强度和弯曲方法，用于测定材料的抗拉学行为，特别适用于脆性材模量，常用于陶瓷等脆性材强度、屈服强度、延伸率和料、粉末冶金制品和蜂窝结料通常采用三点或四点弯弹性模量等参数试样在单构等测试结果包括抗压强曲方式，通过支点反力使试轴拉伸载荷下逐渐变形直至度、压缩模量和压缩变形样产生弯曲变形断裂，记录力与位移的关量系硬度测试评估材料抵抗局部变形的能力，常见的有布氏、洛氏、维氏和显微硬度等测试方法硬度测试简便快捷，可用于材料质量控制材料测试方法二冲击测试评估材料在动态载荷下的韧性，常用的有夏比和落锤冲击试验测试过程中记录吸收的能量或材料的断裂形态冲击韧性与温度有密切关系，许多材料在低温下表现出脆性转变疲劳测试测定材料在循环载荷作用下的寿命通过控制应力或应变幅值，记录材料失效前的循环次数，绘制S-N曲线或ε-N曲线疲劳测试时间长，但对长期服役的结构件至关重要蠕变测试评估材料在恒定载荷和高温下的长期变形行为测试记录应变随时间的变化，通常包括瞬时弹性变形、一次蠕变、二次蠕变和三次蠕变阶段非破坏性测试在不损伤试样的情况下检测材料内部缺陷或结构完整性常用的有超声波检测、X射线检测、磁粉检测和渗透检测等方法在工程结构安全监测中广泛应用金属材料基础75%1083°C工业用材料中的比例纯铜熔点金属材料在工业领域的应用比例，表明其重要典型金属材料的熔点范围地位2700°C钨熔点金属中最高熔点，用于高温应用金属是一类具有金属键结合的材料，通常具有良好的导电导热性、金属光泽和可塑性金属原子通过金属键形成正离子点阵，外层电子形成共用的电子云，赋予金属独特的性能根据化学成分，金属可分为纯金属和合金；按主要成分可分为铁基、铝基、铜基等金属的主要特点包括良好的导电导热性、较高的强度和韧性、良好的塑性、热膨胀系数适中、抗磨性好等这些特性使金属在结构件、传热元件、电气设备、机械零部件等领域有广泛应用了解金属材料的基础知识是工程设计和材料选择的重要前提钢铁材料一钢铁材料二合金钢不锈钢与耐热钢通过添加锰、硅、铬、镍、钼、钒等含铬量≥12%的钢称为不锈钢，表面形合金元素改善钢的性能合金元素可成致密的氧化铬保护膜提供耐腐蚀以提高钢的强度、硬度、耐磨性、耐性按组织可分为铁素体、奥氏体、腐蚀性和高温性能等根据合金元素马氏体和双相不锈钢耐热钢能在高含量可分为低合金钢5%和高合金温下长期工作而不发生显著氧化或蠕钢5%常见的有结构钢、弹簧钢变，常含有铬、镍、钼等元素和轴承钢等工具钢与轴承钢工具钢用于制造切削、成形和测量工具，具有高硬度、高耐磨性和高热稳定性常见有碳素工具钢、合金工具钢和高速工具钢轴承钢要求具有高硬度、高耐磨性和高接触疲劳强度，主要有GCr

15、GCr15SiMn等特种钢材是为特定工作条件设计的钢种，如电工硅钢、无磁钢、超高强度钢等随着材料科学的发展，特种钢材在航空航天、能源、国防等领域有着不可替代的应用合理选择钢材种类和热处理工艺，可以满足不同工程领域的需求铸铁材料灰铸铁含碳量

2.5-

4.0%，多余的碳以片状石墨形式析出具有良好的铸造性、减震性和切削加工性，但强度和韧性较低常用于制造机床床身、汽缸体等不承受冲击的零件白铸铁碳以Fe₃C形式存在，断口呈银白色硬度高、耐磨性好，但脆性大、切削加工困难主要用于耐磨零件或作为可锻铸铁的原料通过控制冷却速度可获得半白口铸铁球墨铸铁通过球化处理（加入镁、稀土等）使石墨呈球状分布兼具灰铸铁的铸造性和钢的机械性能，强度和韧性显著提高广泛用于曲轴、连杆、齿轮等重要构件可锻铸铁是通过白口铸铁回火处理获得的，其中碳以团絮状石墨形式存在具有较好的韧性和塑性，适用于薄壁复杂形状的零件铸铁材料凭借其良好的铸造性、较低的成本和特定的性能优势，在机械制造、工程建设和日常用品中有广泛应用有色金属一铝及铝合金铜及铜合金镁及镁合金铝是地壳中含量最丰富的金属元素之铜具有优异的导电导热性、良好的耐腐镁是最轻的工程金属，密度仅为一，密度低

2.7g/cm³，具有良好的导电蚀性和加工性能铜合金主要包括黄铜

1.74g/cm³，比强度高纯镁强度低，通导热性、耐腐蚀性和加工性能纯铝强Cu-Zn、青铜Cu-Sn、白铜Cu-Ni和铍过添加铝、锌、锰等元素形成合金，提度低，通过合金化可显著提高强度铜等高机械性能常见铝合金有Al-Cu系硬铝、Al-Mg-Si黄铜价格低廉，易于加工；青铜耐磨性镁合金的缺点是耐腐蚀性差、高温性能系、Al-Zn-Mg系超硬铝等根据加工方好，常用于轴承；白铜电阻率高，用于低、阻燃性差主要应用于航空航天、式可分为变形铝合金和铸造铝合金主电阻元件；铍铜强度高，用于弹性元汽车轻量化、电子产品外壳等领域随要应用于航空航天、交通运输、建筑和件铜合金广泛应用于电气工程、机械着表面处理技术发展，镁合金应用范围包装等领域制造、船舶和建筑等领域不断扩大有色金属二钛及钛合金钛密度约

4.5g/cm³，比强度高，耐腐蚀性和生物相容性优异根据组织可分为α钛合金、β钛合金和α+β钛合金主要应用于航空航天、化工设备、生物医疗植入物等领域镍及镍合金镍具有良好的耐腐蚀性和高温性能镍基高温合金能在高温下保持良好的强度和抗氧化性，是航空发动机涡轮叶片等关键部件的首选材料常见的有Inconel、Hastelloy系列等贵金属材料主要包括金、银、铂、钯等，具有优异的化学稳定性、导电性和催化性能除了传统的货币、首饰用途外，在电子、化工催化、医疗设备等领域有重要应用难熔金属主要指熔点高于1800℃的金属，如钨、钼、铌、钽等具有高熔点、高温强度好、热膨胀系数低等特点，用于高温结构材料、电子管材料、硬质合金等热处理工艺基础加热将材料加热到特定温度，使其发生相变或组织变化保温在特定温度下保持一段时间，确保组织转变完全冷却以不同速率冷却，获得预期的组织和性能热处理是通过加热和冷却改变材料内部组织结构，从而改变材料性能的工艺过程主要热处理工艺包括退火——加热后缓慢冷却，消除内应力，软化材料，提高塑性；正火——加热后空冷，细化晶粒，提高强度和韧性的平衡；淬火——快速冷却形成马氏体，提高硬度和强度；回火——淬火后再次加热，降低脆性，获得所需性能平衡表面热处理包括表面淬火、渗碳、渗氮、渗硼等，这些工艺在保持材料核心韧性的同时提高表面硬度和耐磨性合理选择热处理工艺可以大幅提高材料性能，满足各种工程需求，是材料加工的关键环节金属材料的强化机制沉淀强化第二相粒子阻碍位错运动形变强化塑性变形增加位错密度细晶强化减小晶粒尺寸增加晶界面积固溶强化溶质原子扭曲晶格阻碍位错固溶强化是通过将溶质原子引入基体晶格，造成晶格畸变，阻碍位错运动而提高强度溶质原子与基体原子尺寸差异越大，强化效果越明显常见的固溶强化元素有碳、氮、硅、锰等细晶强化基于Hall-Petch关系，即材料的屈服强度与晶粒尺寸的平方根成反比细晶强化既提高强度又不显著降低韧性，是最理想的强化方法之一形变强化通过塑性加工增加位错密度，位错之间相互缠结阻碍运动，提高材料强度，但会降低塑性沉淀强化是通过热处理控制第二相粒子的析出，有效阻碍位错运动，显著提高材料强度，是铝合金和高强度钢的重要强化手段金属的腐蚀与防护腐蚀环境腐蚀形式酸碱溶液、海水、工业大气等均匀腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀监测评估防护措施定期检查、寿命预测、失效分析表面处理、电化学保护、材料选择腐蚀是金属材料在环境介质作用下发生的破坏过程，主要机理包括化学腐蚀和电化学腐蚀电化学腐蚀是最常见的腐蚀形式，涉及电子转移和离子溶解，形成微电池影响腐蚀的因素有材料成分、环境介质、温度、应力状态等应力腐蚀开裂是应力和腐蚀环境共同作用的结果，危害性极大防腐蚀技术主要包括合理选材（如使用耐腐蚀合金）；表面涂层保护（如油漆、镀锌、钝化处理）；电化学保护（如阴极保护、阳极保护）；加入缓蚀剂；改变环境条件（如除氧、pH值调节）等防腐蚀设计是工程设计的重要环节，对延长设备寿命和确保安全运行至关重要高分子材料基础高分子的结构特点•由大量重复结构单元通过共价键连接形成大分子•分子量通常在10⁴~10⁶之间•聚合度（重复单元数）决定物理性能•分子链可呈线型、支链型或网状结构高分子材料的分类•按来源天然高分子、合成高分子•按热性能热塑性材料、热固性材料•按用途塑料、橡胶、纤维、粘合剂、涂料•按性能通用型、工程型、特种高分子高分子的性能特征•密度低，比强度高•耐腐蚀性好，电绝缘性好•成型加工性能优良•温度敏感性强，机械性能随温度变化大工程应用优势•轻量化设计，节约能源•防腐蚀，降低维护成本•加工容易，可设计复杂形状•功能多样，可调控性强工程塑料橡胶材料天然橡胶NR合成橡胶橡胶加工与应用从橡胶树胶乳中提取，主要成分为聚异通过化学合成的高分子弹性体，种类多橡胶加工主要包括混炼、成型和硫化三戊二烯具有优异的弹性、耐磨性和粘样，可满足不同应用需求主要类型包个步骤混炼是将生胶与配合剂混合；接性，抗撕裂性好，但耐油、耐热、耐括丁苯橡胶SBR、丁腈橡胶NBR、成型包括压延、挤出、压制等工艺；硫老化性差广泛用于轮胎、减震器、胶氯丁橡胶CR、丁基橡胶IIR、乙丙橡胶化是通过交联反应使橡胶从塑性态转变管、传送带等EPDM、硅橡胶、氟橡胶等为弹性态的过程•弹性和回弹性优异•SBR耐磨性好，用于轮胎橡胶在工程中主要用于弹性元件、密封件、减震部件、输送和传动部件等选•耐磨性好•NBR耐油性好，用于油封择适当的橡胶种类和配方对于满足特定•抗撕裂强度高•EPDM耐候性好，用于建筑密封应用需求至关重要•耐油性和耐化学性差•硅橡胶耐高低温，用于医疗和电子领域陶瓷材料基础陶瓷的结构特点工程陶瓷的分类陶瓷是由金属元素和非金属元素通过离子键或共价键结合形成的无机按化学成分可分为氧化物陶瓷（如Al₂O₃、ZrO₂）、非氧化物陶瓷非金属材料具有原子间键合力强、晶体结构复杂、微观组织多相不（如SiC、Si₃N₄、B₄C）和复相陶瓷；按用途可分为结构陶瓷和功均匀等特点陶瓷通常由结晶相、玻璃相和气孔组成，结构缺陷对性能陶瓷传统陶瓷主要包括瓷器、砖瓦、水泥等，先进陶瓷具有特殊能有显著影响功能和优异性能陶瓷的性能与特性陶瓷的制备工艺陶瓷具有高硬度、高耐磨性、高耐热性、高耐腐蚀性和良好的电绝缘传统陶瓷工艺包括原料处理、成型、干燥和烧结；先进陶瓷制备工艺性等优点，但脆性大、抗冲击能力弱陶瓷材料的机械性能受微观结有干压成型、等静压成型、注射成型、胶体成型和增材制造等烧结构、气孔率和表面缺陷的显著影响通过组成和工艺控制可显著改善是陶瓷制造的关键步骤，通过高温热处理使颗粒结合形成致密体陶瓷性能功能陶瓷电子陶瓷是利用陶瓷材料的电学、磁学、光学特性制造的功能陶瓷包括绝缘陶瓷、半导体陶瓷、介电陶瓷、压电陶瓷、铁电陶瓷等广泛应用于电子元件、传感器、执行器等领域常见材料有BaTiO₃、PZT、Al₂O₃等生物陶瓷是用于人体组织修复和替代的陶瓷材料，具有良好的生物相容性按照与活体组织的相互作用可分为生物惰性陶瓷（如Al₂O₃）、生物活性陶瓷（如生物玻璃）和可降解生物陶瓷（如磷酸钙）主要用于人工关节、牙科修复、骨缺损填充等压电陶瓷能在机械应力作用下产生电荷，或在电场作用下产生机械变形广泛用于传感器、执行器、换能器等其他功能陶瓷还包括超导陶瓷、透明陶瓷、热电陶瓷等，在各自领域发挥着不可替代的作用功能陶瓷的应用体现了材料科学与工程技术的紧密结合玻璃与玻璃陶瓷玻璃结构工程用玻璃玻璃陶瓷光学材料玻璃是非晶态固体，具有短硅酸盐玻璃是最常见的工程玻璃陶瓷是通过控制玻璃的光学玻璃用于透镜、棱镜等程有序性但缺乏长程有序玻璃，包括钠钙玻璃（平板结晶过程制得的微晶材料，光学元件，要求具有高透光性网络形成体（如玻璃、容器玻璃）、硼硅酸兼具玻璃的成形性和陶瓷的率、均匀性和可控的折射SiO₂）构成三维网络结盐玻璃（耐热玻璃）和铅玻优良性能制备过程包括玻率光纤是用于光通信的特构，网络修饰体（如璃（水晶玻璃）等特种玻璃熔制、成形和热处理诱导殊光学玻璃，其核心和包层Na₂O、CaO）打断网络连璃包括钢化玻璃、夹层玻结晶Li₂O-Al₂O₃-SiO₂的折射率差控制光的传输续性，改变玻璃性能玻璃璃、低辐射玻璃和自洁净玻系玻璃陶瓷具有近零热膨胀激光玻璃是掺杂稀土元素的转变温度是玻璃从固态转变璃等，满足特定应用需求系数，用于天文望远镜反射特种玻璃，用于高功率激光为黏流态的特征温度镜等系统复合材料基础定义与分类增强机理由两种或多种不同性质的材料组成的多相材料增强相传递载荷，基体相传递应力性能优势界面特性高比强度、高比模量、可设计性强决定应力传递效率和能量吸收能力复合材料通常由增强相和基体相组成，增强相可以是颗粒、纤维或片状，基体相可以是金属、陶瓷或高分子按基体材料分类，复合材料包括金属基复合材料MMC、陶瓷基复合材料CMC和高分子基复合材料PMC按增强相形态可分为颗粒增强、纤维增强和层状复合材料复合材料的性能取决于增强相和基体相的性质、增强相的含量和取向、界面结合状态等因素复合材料具有重量轻、强度高、刚度大、抗疲劳性好、耐环境性强等优点，可通过设计获得各向同性或各向异性性能界面是复合材料性能的关键，界面设计旨在优化应力传递效率和能量吸收能力，提高复合材料的力学性能和可靠性纤维增强复合材料

7.570%碳纤维强度倍数重量减轻比例相比同等质量钢材的强度比用复合材料替代金属结构可减轻的重量30%全球年增长率先进复合材料市场年均增长速度玻璃纤维复合材料是应用最广泛的复合材料，使用E玻璃、S玻璃等作为增强相具有价格低廉、比强度高、绝缘性好等优点，但模量较低广泛用于交通工具、建筑、体育用品、电气绝缘等领域常见的有玻璃纤维增强塑料GFRP、玻璃纤维增强混凝土GRC等碳纤维复合材料使用碳纤维作为增强相，碳纤维具有高强度、高模量、低密度、导电性好、耐疲劳等优点，但价格较高主要用于航空航天、高级体育器材、高性能汽车等领域芳纶纤维复合材料使用芳香族聚酰胺纤维如Kevlar作为增强相，具有高韧性、高抗冲击强度、低密度等特点，主要用于防弹产品、防护装备等领域纤维增强复合材料的制备方法包括手糊成型、模压成型、拉挤成型、缠绕成型、树脂传递模塑RTM、预浸料铺层等选择合适的工艺对于获得高质量复合材料制品至关重要先进复合材料碳碳复合材料陶瓷基复合材料•碳纤维增强碳基体复合材料•用纤维增强克服陶瓷脆性•耐高温2000℃，高温强度高•耐高温，耐腐蚀，硬度高•热膨胀系数低，抗热震性好•裂纹偏转和桥接提高韧性•用于航天器热防护系统、制动盘•用于发动机热端部件、切削工具•制备工艺复杂，成本高•界面设计是关键技术金属基复合材料•金属增强以提高强度和模量•比金属具有更高的比强度和比刚度•保持金属的韧性和加工性•典型如铝基复合材料、钛基复合材料•用于航空结构件、汽车零部件先进复合材料通过特殊设计和制备工艺，实现常规材料难以达到的性能组合碳碳复合材料通过多次碳化和致密化处理制备，是目前最耐高温的结构材料之一陶瓷基复合材料通过纤维增强提高韧性，解决了传统陶瓷脆性大的问题金属基复合材料通过在金属中引入增强相，提高比强度和比刚度，同时保持良好的韧性和导热性半导体材料硅Si砷化镓GaAs宽禁带半导体最重要的半导体材料，占电子市场90%以上份典型的III-V族化合物半导体，具有直接带隙包括碳化硅SiC、氮化镓GaN等，带隙宽额具有丰富的资源、稳定的性能、成熟的加

1.43eV、高电子迁移率和良好的光电性能2eV，具有高击穿场强、高热导率和化学稳工工艺和适中的带隙

1.12eV主要用于集成主要用于高频器件、激光器、LED和高效太阳定性好等特点适用于高温、高频、高功率电电路、分立器件、太阳能电池等能电池等但资源稀缺，加工工艺复杂，成本子器件，是电力电子和射频器件的重要材料高半导体的能带理论是理解半导体性能的基础半导体具有带隙适中的能带结构，价带与导带之间的能量差称为带隙，决定了半导体的光电特性本征半导体是纯净的半导体材料，导电性较差；杂质半导体通过掺杂形成，分为N型掺入施主杂质和P型掺入受主杂质，是大多数半导体器件的基础磁性材料磁性材料基本特性软磁材料与硬磁材料新型磁性材料磁性材料在磁场作用下可被磁化，其基软磁材料易于磁化和去磁化，矫顽力非晶态和纳米晶磁性材料具有优异的软本特性包括磁化强度、磁导率、矫顽小，磁滞损耗低主要包括硅钢片、坡磁性能，低的矫顽力和高的饱和磁感应力、剩磁、磁能积等磁性材料的性能莫合金、铁镍合金、软磁铁氧体等广强度，用于高效变压器和电感器磁致通常用磁滞回线表示，反映了材料在交泛用于变压器、电机、电感器等领域伸缩材料在磁场作用下产生形变，用于变磁场中的磁化特性传感器和执行器硬磁材料永磁材料难以去磁化，矫顽力磁性来源于电子自旋和轨道运动根据大，剩磁高主要包括铝镍钴合金、铁磁记录材料用于信息存储，包括磁带、磁性强弱和特点，材料可分为抗磁性、氧体永磁、钐钴永磁、钕铁硼永磁等磁盘等巨磁阻材料和隧道磁阻材料是顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性用于电机、扬声器、磁选设备等领域新型磁电子学材料，用于高灵敏度磁传等类型铁磁性材料是最重要的磁性材钕铁硼永磁是目前性能最强的永磁材感器和磁记录读取头料料电子封装材料基板材料支撑和互连电子元件的平台连接材料实现电气和机械连接封装材料保护芯片免受环境影响热管理材料散热和控制温度分布电子封装是保护芯片并提供电气互连的技术，封装材料的性能直接影响电子产品的可靠性和寿命基板材料主要包括有机基板FR-4环氧玻璃纤维板、聚酰亚胺柔性板和无机基板氧化铝陶瓷、氮化铝、低温共烧陶瓷LTCC基板材料要求具有良好的电绝缘性、机械强度和热稳定性连接材料包括焊料锡铅合金、无铅焊料、导电胶和导电膜等，实现芯片与基板或基板与电路板之间的电气连接随着环保要求的提高，无铅焊料如Sn-Ag-Cu合金已广泛应用封装树脂主要是环氧树脂，添加填料以改善热膨胀系数和散热性能热管理材料包括导热硅胶、相变材料和热界面材料等，对于高功率密度电子设备至关重要功能薄膜材料光学薄膜通过控制薄膜厚度和折射率，实现特定的光学功能，如反射、透射、吸收和滤波等包括反射膜、防反射膜、滤光膜、偏振膜等应用于光学镜片、显示屏、太阳能电池、建筑节能玻璃等领域导电薄膜兼具导电性和其他功能的薄层材料透明导电薄膜如ITO、FTO兼具可见光透明性和导电性，广泛用于触摸屏、液晶显示器、太阳能电池金属薄膜和碳基薄膜如石墨烯用于电子电路、传感器等保护薄膜提供物理或化学保护功能的薄层材料包括耐腐蚀薄膜如氧化铝、氮化铬、耐磨薄膜如金刚石类碳膜DLC、防水疏油薄膜等这些薄膜可延长材料使用寿命，改善表面性能，广泛应用于机械零件、光学元件和电子产品薄膜材料的制备方法主要包括物理气相沉积PVD、化学气相沉积CVD、电化学沉积、溶液法等PVD包括真空蒸发、磁控溅射、离子镀等；CVD包括热CVD、等离子体增强CVD、原子层沉积ALD等不同制备方法适用于不同材料体系和应用需求，影响薄膜的结构和性能薄膜技术是现代材料科学的重要分支，对电子、光学、能源等领域的发展具有重要意义生物医用材料生物相容性材料与人体组织和系统相互作用的能力界面行为材料与细胞、组织的相互作用长期稳定性材料在体内长期服役的可靠性功能性能满足特定医疗需求的功能表现生物医用材料是用于诊断、治疗、修复或替代人体组织、器官或功能的材料按照与生物体的相互作用可分为生物惰性材料如不锈钢、聚甲基丙烯酸甲酯、生物活性材料如羟基磷灰石、生物玻璃和可降解材料如聚乳酸、胶原蛋白生物相容性是生物医用材料最基本的要求，包括血液相容性、组织相容性和不诱发炎症或免疫反应等植入材料包括骨科植入物如人工关节、骨板、骨钉、心血管植入物如人工心脏瓣膜、血管支架、口腔植入物如牙种植体等常用材料有金属材料如钛合金、不锈钢、陶瓷材料如氧化锆、氧化铝、高分子材料如超高分子量聚乙烯和复合材料组织工程材料是为组织再生提供支架的材料，要求具有三维多孔结构、适当的机械性能和可控的降解速率能源材料太阳能材料电池材料将光能转换为电能或热能用于电化学能量存储和转换•锂离子电池正极LiCoO₂,LiFePO₄，•晶体硅、非晶硅、多晶硅太阳能电池负极石墨,Si•薄膜太阳能电池CIGS,CdTe等•燃料电池电极、电解质、催化剂•钙钛矿太阳能电池、有机太阳能电池•钠离子、钾离子、固态电池等新型电池•光热材料、选择性吸收涂层能量转换材料储能材料实现不同形式能量的高效转换高效存储和释放能量•热电材料Bi₂Te₃,PbTe,SiGe•氢储能材料金属氢化物、MOFs•压电材料PZT,AlN•相变储热材料无机盐、有机相变材料•热光伏材料、光电催化材料•超级电容器材料活性炭、石墨烯•形状记忆合金、电磁材料•压缩空气和机械储能材料环境友好材料低碳环保材料绿色包装材料生产和使用过程中能耗低、排放少的可降解材料具有环保特性的包装材料，包括可堆材料，如地聚物水泥减少CO₂排放可再生材料在特定条件下能被微生物分解为水、肥薄膜、纸基复合材料、淀粉基发泡70%、木结构建材碳汇作用、纳米纤源自可再生资源的材料，如生物基塑二氧化碳和生物质的材料包括生物材料等这些材料在保证包装功能的维素材料等这类材料通过清洁生产料PLA、PHA、天然纤维麻、竹、秸降解塑料如PLA、PBS、PCL、水溶同时，减少环境负担包装材料的绿工艺、利用工业副产品或废弃物、提秆、木质素基材料等这些材料减少性材料如PVA、光降解材料等降解色设计包括减量化、可回收性、无毒高资源利用效率等方式实现环境友对石油资源的依赖，降低碳排放生过程可通过调整材料结构和添加剂控性和生态效益等方面好物基聚合物可以通过微生物发酵或植制，满足不同应用需求的使用期限物提取获得，性能可通过共聚、共混、复合等方法改善纳米材料纳米材料的特性纳米材料是至少在一个维度上尺寸在1-100nm范围内的材料由于尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应，纳米材料表现出与传统材料显著不同的性能这些特性包括增强的机械强度、改变的熔点、独特的光学性质、优异的催化活性和特殊的电磁性质等纳米材料的制备方法纳米材料的制备方法可分为自上而下法和自下而上法自上而下法通过物理方法将宏观材料细分为纳米尺度，如机械研磨、激光烧蚀、电弧放电等；自下而上法通过化学反应或物理过程从原子或分子层面构建纳米结构，如化学气相沉积、溶胶-凝胶法、水热/溶剂热合成等纳米复合材料纳米复合材料是在传统材料中引入纳米尺度组分如纳米粒子、纳米管、纳米纤维形成的新型复合材料纳米填料体积分数很小时，即可显著改善材料性能常见的有聚合物/纳米粒子复合材料、金属/碳纳米管复合材料、陶瓷/纳米纤维复合材料等，应用于结构增强、功能改性等领域纳米技术的应用前景纳米技术在多个领域展现出巨大潜力在能源领域用于高效太阳能电池、燃料电池和储能设备；在医疗领域用于靶向药物输送、生物传感和组织工程；在环境领域用于水处理、空气净化和污染物降解；在电子领域用于高集成度芯片、柔性电子和量子器件等材料表征技术一光学显微镜利用可见光成像，分辨率限制在

0.2μm左右用于观察材料微观组织、相分布、晶粒大小和缺陷等适用于大多数材料，样品制备简单，操作方便，是最基础的材料表征手段常用的有明场、暗场、偏光和干涉显微镜扫描电子显微镜SEM利用电子束与样品相互作用产生的二次电子或背散射电子成像，分辨率可达1-10nm具有高分辨率、大景深和元素分析能力通过配备EDS或WDS主要用于表面形貌观察、断口分析和元素分布测定等透射电子显微镜TEM利用电子束穿过超薄样品形成像，分辨率可达

0.1nm能够观察材料的原子排列、晶体结构、相界面和缺陷等高分辨TEM可直接观察晶格结构，电子衍射可分析晶体结构样品制备复杂，要求样品厚度100nm原子力显微镜AFM利用探针与样品表面原子间的作用力进行成像，分辨率可达原子级别不需要导电样品，可在空气或液体中工作，能提供三维表面形貌信息除了形貌观察外，还可测量表面力学、电学和磁学性能这些显微技术为理解材料微观结构与性能关系提供了强大工具材料表征技术二材料加工技术铸造成型塑性加工粉末冶金与增材制造将液态金属或合金浇注到铸型中，冷却利用材料的塑性，通过外力使其产生塑粉末冶金是将金属或陶瓷粉末压制成形凝固后获得特定形状零件的工艺包括性变形，获得所需形状和性能的加工方并烧结致密化的工艺，适用于难熔金砂型铸造、金属型铸造、压力铸造、精法主要包括轧制、锻造、挤压、拉伸属、复杂形状零件和复合材料工艺步密铸造、离心铸造和连续铸造等方法和冲压等塑性加工可改善材料的力学骤包括粉末制备、混合、成形和烧结铸造适用于形状复杂、内腔多的零件，性能，细化晶粒，降低气孔率，提高致优点是材料利用率高、精度好，可加工生产效率高，但可能存在缺陷如气孔、密度难以用传统方法加工的材料缩孔冷加工和热加工是两种基本的塑性加工增材制造3D打印是一种逐层构建三维铸造工艺的关键参数包括浇注温度、冷方式冷加工可提高强度和硬度，但降物体的技术，包括选区激光烧结SLS、却速率和铸型设计，这些参数影响铸件低塑性；热加工可在获得复杂形状的同选区激光熔化SLM、光固化SLA和熔的微观组织和性能先进铸造技术如真时保持良好的塑性塑性加工广泛应用融沉积成型FDM等这项技术可实现复空铸造和半固态成形可提高铸件质量于金属材料的生产和加工杂结构的直接制造，减少材料浪费，适用于原型制作和小批量生产材料连接技术焊接技术•电弧焊MIG、TIG、埋弧焊•电阻焊点焊、缝焊、对焊•高能束焊激光焊、电子束焊•固态焊摩擦焊、压力焊、扩散焊•特种焊超声波焊、爆炸焊、钎焊粘接技术•结构胶环氧、聚氨酯、丙烯酸•弹性胶硅胶、聚硫、改性硅烷•热固性胶酚醛、三聚氰胺•特种胶导电胶、导热胶、光固化胶•表面处理物理、化学、等离子机械连接•螺纹连接螺栓、螺钉、螺母•铆接实心铆、空心铆、自穿铆•卡扣连接卡簧、挡圈、卡槽•压接压花、胀接、卷边•嵌入件螺纹嵌件、埋入件特种连接工艺•异种材料连接金属-陶瓷、金属-塑料•微纳连接微焊、微胶接、微机械连接•可拆卸连接磁性连接、快换连接•柔性连接软连接、弹性连接•智能连接形状记忆合金、响应性材料材料表面工程表面预处理清洁、除油、除锈、活化等，为后续处理创造良好条件表面改性改变表面成分、组织和性能，如渗碳、渗氮、离子注入等表面涂层在基材表面沉积保护层或功能层，如电镀、喷涂、PVD、CVD等表面检测评估表面处理效果，如厚度、结合力、耐腐蚀性、硬度等表面处理的目的是改善材料表面性能，包括增强耐腐蚀性、提高耐磨性、改变电学和光学性能等表面改性技术通过改变表面成分和组织结构实现性能提升，如热处理（表面淬火、激光热处理）、热化学处理（渗碳、渗氮、渗硼）、机械表面强化（喷丸、滚压）和离子注入等表面涂层技术是在基材表面形成具有特定功能的覆盖层，包括电化学方法（电镀、阳极氧化）、热喷涂（火焰、等离子体、高速火焰）、物理气相沉积（蒸发、溅射、离子镀）、化学气相沉积和溶胶-凝胶法等表面强化技术如激光熔覆、等离子体表面处理和爆炸强化，可显著提高表面硬度和耐磨性选择适当的表面处理工艺需考虑基材特性、使用环境、技术可行性和经济性等因素材料失效分析失效信息收集调查使用历史、环境条件和应力状态宏观检查观察外观、断口和变形特征微观分析微观组织、裂纹路径和断口形貌分析失效机理确定推断失效原因并提出改进建议断裂力学是研究含裂纹材料的断裂行为的学科，为材料失效分析提供理论基础关键参数包括应力强度因子K、J积分和裂纹扩展力G等根据断裂行为，材料可分为脆性断裂和韧性断裂线弹性断裂力学LEFM适用于小范围屈服情况，弹塑性断裂力学适用于大塑性变形情况常见的失效模式包括疲劳失效——在循环载荷作用下的逐渐损伤，表现为疲劳条带和贝壳状断口；腐蚀失效——化学或电化学作用导致的材料损伤，常见的有均匀腐蚀、点蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀开裂等；磨损失效——相对运动表面的材料损失，包括磨粒磨损、粘着磨损和腐蚀磨损等；过载失效——载荷超过材料强度导致的突然断裂失效分析是预防类似事故和改进材料设计的重要手段材料选择方法性能筛选需求分析根据关键性能参数初选材料确定功能、约束和目标综合评价考虑多因素进行优化选择最终决策详细评估确定最佳材料并形成文档深入分析候选材料的适用性材料选择的基本原则包括功能性原则——满足工作条件和性能要求；可靠性原则——确保长期安全使用；经济性原则——考虑材料成本、加工成本和生命周期成本；可获得性原则——材料供应稳定，加工工艺成熟；环境友好原则——符合环保要求，便于回收利用材料性能指数法是一种系统的材料选择方法，通过建立与设计目标相关的性能指数进行材料排序例如，轻质高强结构的性能指数为σ/ρ强度/密度，轻质高刚度结构的性能指数为E^1/2/ρ弹性模量的平方根/密度材料选择软件和数据库如CES EduPack、MatWeb、GRANTA可提供丰富的材料数据和强大的筛选功能，辅助工程师进行有效的材料选择多准则决策方法如加权评分法和模糊综合评价法可用于复杂材料选择问题航空航天材料航空航天结构材料需满足高比强度、高比刚度、良好的疲劳性能和损伤容限性能轻质合金如铝锂合金、钛合金被广泛应用于机身和结构件先进复合材料特别是碳纤维增强复合材料在航空结构中的应用比例不断提高，波音787和空客A350的复合材料用量已超过50%，大幅减轻了结构重量高温合金是航空发动机热端部件的关键材料，能在1000℃以上高温环境下长期工作主要包括镍基、铁基和钴基高温合金，具有优异的高温强度、抗蠕变性和抗氧化性单晶高温合金通过消除晶界进一步提高了高温性能陶瓷基复合材料和耐高温涂层在提高发动机效率方面发挥重要作用航天领域对极端环境下材料性能提出了更高要求碳碳复合材料用于热防护系统，能承受3000℃的高温低膨胀合金和复合材料用于精密结构件，确保尺寸稳定性航空航天材料的发展趋势包括更高的使用温度、更轻的结构重量、更长的使用寿命和多功能一体化设计汽车工业材料40%5-8%75%车重减轻潜力燃油经济性提升零部件回收率先进材料应用可减轻的整车质量比例车重每减轻10%带来的燃油经济性改善欧盟要求汽车材料的最低回收利用率汽车车身材料经历了从木材到钢材再到多材料的演变传统钢材仍是主要车身材料，但高强度钢HSS、超高强度钢UHSS和先进高强度钢AHSS的应用比例不断提高，可在保证安全性的同时减轻重量铝合金在发动机缸体、缸盖、车轮、车身面板等部件应用广泛镁合金是最轻的结构金属，用于仪表盘支架、转向柱和座椅框架等轻量化是汽车材料发展的主要方向，采用高强度材料、轻质材料和优化结构设计，在保证安全性和成本可接受的前提下减轻整车重量碳纤维复合材料在高端车型中应用增多，但成本仍是限制大规模应用的主要因素多材料设计将不同材料应用于最适合的部位，结合创新的连接技术，实现整车的最优性能新能源汽车对材料提出了新需求，如电池材料、电机材料、轻量化材料等环保型材料包括生物基材料、可回收材料和低VOC材料等，满足日益严格的环保法规智能材料在传感器、执行器和自修复系统中有广阔应用前景材料与可持续发展材料生命周期管理从摇篮到摇篮的全周期考量资源高效利用减少能耗和物料消耗回收与再利用闭环设计和材料循环绿色材料设计无毒无害和环境友好材料生命周期评价LCA是评估材料环境影响的系统方法，考虑从原材料获取、生产加工、使用到最终处置的全过程环境负担LCA分析包括目标与范围定义、清单分析、影响评价和结果解释四个步骤，帮助识别材料全生命周期中的环境热点材料回收与再利用是降低资源消耗和环境负担的关键策略金属材料回收率较高，但需分类以维持合金成分；高分子材料回收面临降解和混合问题，机械回收、化学回收和能量回收是主要方式；复合材料回收技术仍在发展中通过设计for循环DfC原则，考虑材料的可分离性、可识别性和可回收性，提高产品的可回收性节能减排与材料选择密切相关选择低能耗生产的材料、轻量化设计、提高材料利用率和延长使用寿命都有助于减少能源消耗和碳排放绿色材料设计理念包括使用可再生资源、减少有害物质、考虑生物降解性和设计可拆卸结构等，符合循环经济和可持续发展要求工程材料的未来发展材料科学前沿研究人工智能与材料设计工程材料的挑战与机遇材料科学正迈向原子级设计和精计算材料科学和人工智能正深刻材料领域面临能源危机、资源短准调控的新时代量子材料、超改变材料研发模式材料基因组缺、环境污染和气候变化等全球导材料、拓扑绝缘体等新型功能计划加速了新材料从概念到应用性挑战同时，医疗健康、空间材料展现出革命性潜力二维材的过程机器学习算法能从大量探索、量子计算等领域为材料创料如石墨烯、MXene、高熵合材料数据中发现规律，预测材料新提供巨大机遇开发高效能源金、仿生材料等前沿领域研究活性能，辅助设计新材料计算模材料、环境友好材料、极端环境跃，为材料科学注入新活力拟可在原子、介观和宏观尺度上服役材料是重要方向预测材料行为工程材料教育革新材料教育需要适应交叉融合趋势，培养具有多学科背景的创新型人才引入计算方法、数字化工具和创新思维是材料教育现代化的关键产学研结合的教学模式有助于培养学生的实践能力和创新意识未来工程材料发展呈现出多元化、智能化、绿色化的趋势多功能一体化材料将同时具备结构功能和感知、自修复、能量收集等特性材料的设计将更加精准，从试错法转向按需设计跨尺度、多层次的材料设计方法将成为主流，基于人工智能的材料研发将大幅缩短新材料开发周期综上所述，工程材料作为现代工程技术的物质基础，其发展水平直接影响着工程技术的进步通过本课程的学习，希望同学们掌握工程材料的基础知识和选择应用原则，培养材料科学思维，为今后的工程实践和科学研究奠定坚实基础让我们携手迎接材料科学的美好未来！。