材料科学基础
材料科学与工程专业
主讲人：刘光葵
Tel,027-87544265
绪论
?关于材料
?材料的性能
?材料的分类
?研究内容及目的
第一节 材料
经过人类劳动取得的劳动对象。一般把来自采掘
工业和农业的劳动对象称为“原料”，把经过工业加
工的原料成为“材料”。
1,材料是 人类赖以生存与发展、征服及改造自然的物质基
础,是人类活动不可缺少的东西。
2,材料是社会生产力发展的标志，生产中使用的材料性质
反映了人类社会的文明水平。
3,现代一个国家的实力与水平主要取决于他的能源、材料、
信息的发展。
什么是材料
材料
工程技术人员学习材料科学知识的意义
评价 一个设备、部件、零件的优劣或质量：①必需
保证使用的基本性能 （力学、物理）,具有一定的寿命
（疲劳、磨损、腐蚀） ；②便于制造，即可以生产出来；
③可接受的成本。 这几点要求是相互矛盾的，但是必需利用
各项知识，从中找到一个合理的配合，可见其中材料起到相当重
要的决定性作用。
在机械产品的设计和维护中，不要单看材料仅仅是图纸标
题栏中诸多内容中的一项，用的得当可以代表一个设计的先进
性，达到价廉物美的效果；否则可能是一个落后的设计，或者
是闭门造车，根本生产制造不出来，甚至会隐藏祸根，导致在
使用时灾难。
第二节 材料的性能
材料的性能是指材料的性质和功能。性质是本身
所具有的特质或本性；功能是人们对材料的某种期待
与要求种可以承担功效，以及承担该功效下的表现或
能力。
1,力学性能
2,物理性能
3,化学性能
4,工艺性能。
材料的性能,
力学性能
材料的力学性能是指材料处于特定环境因素 (温
度、介质等 )时，在外力或能量以及作用下表现出来
的变形和破坏的特征。
材料的性能
通常把作用在材料上的外力或能量称为载荷或负
荷。材料的主要力学性能有,
? 弹性
? 强度
? 塑性
? 硬度
? 冲击韧性
? 疲劳特性
? 耐磨性
拉伸试验
过程,
力学性能
外力增加，试样伸长。得到 P－ ?L曲线，换算
为 ?－ ?曲线。材料表现为弹性变形、均匀塑性
变形、颈缩、断裂。
弹性与刚度
弹性变形,
力学性能
弹性模量与刚度,
在 OA’段为直线，即应力
与应变成正比，变化规律服
从虎克定律。并且在外力卸
载后试样恢复到原始长度。
可以达到的最大应力成为弹
性极限 (比例极限 )。
强度与塑性
屈服强度,σ s σ 0.2
力学性能
塑性,断裂前可发生永久
变形的能力。
抗拉强度,σ b
材料 开始发生塑性变
形的最小应力。
材料 发生断裂前能承
受的最大应力。
硬度
硬度 是衡量材料软硬程度的指标，反映材料抵抗局部
塑性变形的能力。
力学性能
莫氏硬度,
材料名称 硬度级别
滑石 1
石膏 2
萤石 4
钠长石 6
黄玉 8
刚玉 9
金刚石 10
布氏硬度,用直径 D钢球在
力 P的作用下压在试
样上一定时间,压痕
直径为 d。实用于较
软的塑性材料。
硬度
力学性能
洛氏强度,
用 120度圆锥金刚石压头,1470N
(150kgf)力压入材料，以压入材料表面
的深度来度量材料的硬度。用于硬度较
高的淬火钢件。
用对面夹角 136度四棱锥金刚石压头，
在力 P作用下压入材料，用压痕单位面积
上承受的力作为材料硬度的度量。力的大
小从 980N,490N,297N到 … 0.192N不等。
压痕小用显微镜来观察，用于测量表层或
微区。
维氏强度,
冲击韧性
冲击韧性 是材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的
能力。常用 一次弯曲冲击韧性 试验 ak值来表示。以
带缺口标准试样快速冲断时，单位横截面积吸收的
功。冲击韧性是材料强度和塑性综合作用的结果。
力学性能
试样尺寸 试验方法
断裂韧性
断裂韧性 是材料中存在缺陷时，材料抵抗脆性断裂的
能力。
力学性能
断裂韧性指标为 KIC，有专门的测定方法。工程应用
要求,
大型构件不可避免存在各种缺陷，在缺陷前端
有不同的应力作用，都存在应力集中，其中裂纹受
张开应力作用为最危险。
Y裂纹形状系数,a裂纹长度的一半。
疲劳强度
零件在低于屈服应力的交变应力的反复作用下，
而发生的断裂现象称为 疲劳断裂 。疲劳断裂是损伤的
积累过程，包括疲劳裂纹的产生、扩展、瞬间断裂三
各阶段。应力大小和循环次数有关。
力学性能
低周疲劳 又称条件疲劳极限，
参照零件工作周期可能作用
的次数下能承受的应力极限
值。 （可以有效发挥材料的作用）
高周疲劳 对称应力作用趋于水
平线的最大应力为 σ -1,作
为永久可用的疲劳强度极限。
实际大多以 107次未断裂的
应力来测定。
耐磨性
一个零件相对另一零件有摩擦运动而造成接触面
的尺寸变化、质量损失现象成为磨损。
力学性能
磨损的后果可能因零件尺寸变化，轻则降低传动质量，
影响部件的使用性能；重则因尺寸变小造成零件断裂。
磨损主要有磨粒磨损 (切削 )、粘着磨损 (分子作用力 )；
此外接触疲劳有人作为磨损，也有人算另一类损伤形式。
测定方法让两试样组成摩擦付，在设定条件 (力、
润滑剂 )进行一定时间的摩擦运动后，测定试样的尺
寸减小值 /质量的损失值 /摩擦表明外观形貌来比较
不同材料的耐磨性。
物理性能
材料的物理性能是指材料本身的具有各种物理
量 (热、电、光、磁等 )以及环境变化时他们的变化程
度。
材料的性能
密度与比容
导热性 ?
热膨胀系数 α
单位体积物质的质量 Kg/M3
单位质量的物质所占的体积 M3/Kg
物体内温度梯度为 1℃/M 时，在单位时间、单位
面积内传递的热量 W/(M.K)
温度上升 1℃ 时，单位长度的伸长量
mm/(℃,mm)或 ℃ -1
物理性能 材料的性能
电阻与电导
电阻温度系数
熔点
导磁率
物质由固态转变为液态的温度，反映固态下原子间结
合力。
电阻率 ?为单位长度和单位截面积导体的电阻。
单位是 ??M，其倒数称为电导率 S/M 西门子 /米
温度上升 1℃ 时,电阻率 ? 的变化系数，
单位 ℃ -1
电子导电的特点是温度升高，电阻率上升；离子导
电是热激活过程，温度升高，电阻率下降。
超导现象是材料在很低温度下，电阻突然从某个值
降为零的特征。每种材料有自己的转变温度，某些化合
物的转变温度达到 100K以上。
从铁合金、化合物 (铁氧体 )特有性能。
化学性能
反映材料与各种化学试剂发生化学反应的可能
性和反应速度大小的相关参数。
材料的性能
工程材料主要考虑其耐腐蚀性，电化学材料有的考察电极
电位、储能密度等。
材料由于周围环境介质侵蚀而造成的损伤和破坏
均称为腐蚀。
发生腐蚀的化学过程有化学腐蚀 (氧化 )、电化学
腐蚀和应力腐蚀等不同形式。腐蚀速度与材料、介质、
温度、应力、辐照 …… 因素有关。腐蚀不仅影响零件
表明质量，并且可以造成零件早期损坏，防腐设计应
考虑材料的选择和防腐措施相结合。
工艺性能
材料的工艺性能是材料力学、物理、化学性能
的综合表现。主要反映材料生产或零部件加工过程
的可能性或难易程度。
材料的性能
1,材料可生产性,得到材料可能性和制备方法。
2,铸造性,将材料加热得到熔体，注入较复杂的型腔后
冷却凝固，获得零件的方法。
流动性：充满型腔能力
收缩率：缩孔数量的多少和分布特征
偏析倾向：材料成分的均匀性
工艺性能 材料的性能
3,锻造性,材料进行压力加工 (锻造、压延、轧制、拉
拔、挤压等 )的可能性或难易程度的度量。
4,焊接性,利用部分熔体，将两块材料连接在一起。
塑性变形能力,材料不破坏的前提下的最大变形量。
塑性变形抗力,发生塑性变形所需要的最小外力。
连接能力,焊接头部位强度与母材的差别程度。
焊接缺陷,焊接处出现气孔、裂纹可能性的大小或母材
变形程度。
工艺性能 材料的性能
5,切削加工性,材料进行切削加工的难易程度。它与
材料的种类、成分、硬度、韧性、导热性等有关。
6,热处理性能,可以实施的热处理方法和材料在热处理
时性能改变的程度。
切削抗力
加工表面质量
排屑难易程度
切削刀具的使用寿命
随着科技进步的发展，对材料工艺性能的评价标准也在
不断发展和变化。
材料性能总结
决定材料性能实质,
构成材料原子的类型,材料的成分描述了组成材料的元
素种类以及各自占有的比例。
材料中原子的排列方式,原子的排列方式除了和元素
自身的性质有关以外，还和材料经历的生产加工过程有
密切的关系。
研究的意义,
1,性能决定了材料的用途。
2,性能决定了材料和零部件生产方法。
3,性能的变化规律为改变材料性能达到人们需求提供途径。
第三节 材料的分类
工程材料,主要利用其力学性能制作结构件。
建筑材料 结构材料 工具材料
按材料用途（性能）
功能材料,主要利用其物理、化学性能或效应制作
具有特定功效的器件。
半导体材料 磁性材料 激光材料
热电材料 光电材料 声电材料 等等
材料的分类
1,金属材料,纯金属及其合金。 合金是由两种或两种以
上元素组成，其中至少有一种为金属元素组成具有 金属性
的材料。金属性的关键特征是具有正的电阻温度系数，这
是由于它的导电是自由电子的运动所决定的。
钢铁材料 (黑色金属 )
按材料成分,
钢
铸铁
非铁金属材料 (有色金属 )
轻金属 Al Mg Ca Na … 重金属 Cu Ni Pb Sn Zn …
贵金属 Ag Au Pb Rb Ir 稀有金属 Zr Ti Nb …
稀土金属 Re(Y Nd … ) 放射性金属 Ra U Th …
材料的分类
2,高分子材料,有机聚合物。
热塑性塑料：尼龙 聚乙烯 聚氯乙稀 聚丙烯 ……
按材料成分,
瓷：原以氧化铝 陶,硅酸盐为主
广义 陶瓷 (特种陶瓷 )：金属与氧、碳、氮、硅等化合物
热固性塑料：树脂 聚氨酯 ……
弹性材料：天然橡胶 合成橡胶
3,陶瓷材料,一种或多种金属氧化物或其他化合物。
4,复合材料,两种或两种以上性质不同的材料组合
起来的一种固体材料。
第四节 学习内容与目的
组织, 人门用肉眼或借助工具（放大镜、光学显微镜、
电子显微镜等）看到的形貌。
材料科学研究对象
服役状态 性能要求 材料的组织 加工过程 成分
材料的成分、加工工艺与组织、性能之间的关
系及其相关规律。
1,了解和学会现有材料的使用方法
2,研究开辟现有材料的新工艺、新用途
3,研究和创建新材料
目的
课程内容
教与学
1,材料科学是研究各种材料的成分、制备加工工艺与
性能之间关系的科学 。
2,工程材料以金属材料为主要对象，扩展其他工程材
料，介绍材料组织和性能的变化规律和研究方法 。
3,常用工程材料的类型、特点和使用事项。
教学事项
教材 讲课 作业 实验 复习 辅导 考核
材料科学与工程专业
主讲人：刘光葵
Tel,027-87544265
绪论
?关于材料
?材料的性能
?材料的分类
?研究内容及目的
第一节 材料
经过人类劳动取得的劳动对象。一般把来自采掘
工业和农业的劳动对象称为“原料”，把经过工业加
工的原料成为“材料”。
1,材料是 人类赖以生存与发展、征服及改造自然的物质基
础,是人类活动不可缺少的东西。
2,材料是社会生产力发展的标志，生产中使用的材料性质
反映了人类社会的文明水平。
3,现代一个国家的实力与水平主要取决于他的能源、材料、
信息的发展。
什么是材料
材料
工程技术人员学习材料科学知识的意义
评价 一个设备、部件、零件的优劣或质量：①必需
保证使用的基本性能 （力学、物理）,具有一定的寿命
（疲劳、磨损、腐蚀） ；②便于制造，即可以生产出来；
③可接受的成本。 这几点要求是相互矛盾的，但是必需利用
各项知识，从中找到一个合理的配合，可见其中材料起到相当重
要的决定性作用。
在机械产品的设计和维护中，不要单看材料仅仅是图纸标
题栏中诸多内容中的一项，用的得当可以代表一个设计的先进
性，达到价廉物美的效果；否则可能是一个落后的设计，或者
是闭门造车，根本生产制造不出来，甚至会隐藏祸根，导致在
使用时灾难。
第二节 材料的性能
材料的性能是指材料的性质和功能。性质是本身
所具有的特质或本性；功能是人们对材料的某种期待
与要求种可以承担功效，以及承担该功效下的表现或
能力。
1,力学性能
2,物理性能
3,化学性能
4,工艺性能。
材料的性能,
力学性能
材料的力学性能是指材料处于特定环境因素 (温
度、介质等 )时，在外力或能量以及作用下表现出来
的变形和破坏的特征。
材料的性能
通常把作用在材料上的外力或能量称为载荷或负
荷。材料的主要力学性能有,
? 弹性
? 强度
? 塑性
? 硬度
? 冲击韧性
? 疲劳特性
? 耐磨性
拉伸试验
过程,
力学性能
外力增加，试样伸长。得到 P－ ?L曲线，换算
为 ?－ ?曲线。材料表现为弹性变形、均匀塑性
变形、颈缩、断裂。
弹性与刚度
弹性变形,
力学性能
弹性模量与刚度,
在 OA’段为直线，即应力
与应变成正比，变化规律服
从虎克定律。并且在外力卸
载后试样恢复到原始长度。
可以达到的最大应力成为弹
性极限 (比例极限 )。
强度与塑性
屈服强度,σ s σ 0.2
力学性能
塑性,断裂前可发生永久
变形的能力。
抗拉强度,σ b
材料 开始发生塑性变
形的最小应力。
材料 发生断裂前能承
受的最大应力。
硬度
硬度 是衡量材料软硬程度的指标，反映材料抵抗局部
塑性变形的能力。
力学性能
莫氏硬度,
材料名称 硬度级别
滑石 1
石膏 2
萤石 4
钠长石 6
黄玉 8
刚玉 9
金刚石 10
布氏硬度,用直径 D钢球在
力 P的作用下压在试
样上一定时间,压痕
直径为 d。实用于较
软的塑性材料。
硬度
力学性能
洛氏强度,
用 120度圆锥金刚石压头,1470N
(150kgf)力压入材料，以压入材料表面
的深度来度量材料的硬度。用于硬度较
高的淬火钢件。
用对面夹角 136度四棱锥金刚石压头，
在力 P作用下压入材料，用压痕单位面积
上承受的力作为材料硬度的度量。力的大
小从 980N,490N,297N到 … 0.192N不等。
压痕小用显微镜来观察，用于测量表层或
微区。
维氏强度,
冲击韧性
冲击韧性 是材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的
能力。常用 一次弯曲冲击韧性 试验 ak值来表示。以
带缺口标准试样快速冲断时，单位横截面积吸收的
功。冲击韧性是材料强度和塑性综合作用的结果。
力学性能
试样尺寸 试验方法
断裂韧性
断裂韧性 是材料中存在缺陷时，材料抵抗脆性断裂的
能力。
力学性能
断裂韧性指标为 KIC，有专门的测定方法。工程应用
要求,
大型构件不可避免存在各种缺陷，在缺陷前端
有不同的应力作用，都存在应力集中，其中裂纹受
张开应力作用为最危险。
Y裂纹形状系数,a裂纹长度的一半。
疲劳强度
零件在低于屈服应力的交变应力的反复作用下，
而发生的断裂现象称为 疲劳断裂 。疲劳断裂是损伤的
积累过程，包括疲劳裂纹的产生、扩展、瞬间断裂三
各阶段。应力大小和循环次数有关。
力学性能
低周疲劳 又称条件疲劳极限，
参照零件工作周期可能作用
的次数下能承受的应力极限
值。 （可以有效发挥材料的作用）
高周疲劳 对称应力作用趋于水
平线的最大应力为 σ -1,作
为永久可用的疲劳强度极限。
实际大多以 107次未断裂的
应力来测定。
耐磨性
一个零件相对另一零件有摩擦运动而造成接触面
的尺寸变化、质量损失现象成为磨损。
力学性能
磨损的后果可能因零件尺寸变化，轻则降低传动质量，
影响部件的使用性能；重则因尺寸变小造成零件断裂。
磨损主要有磨粒磨损 (切削 )、粘着磨损 (分子作用力 )；
此外接触疲劳有人作为磨损，也有人算另一类损伤形式。
测定方法让两试样组成摩擦付，在设定条件 (力、
润滑剂 )进行一定时间的摩擦运动后，测定试样的尺
寸减小值 /质量的损失值 /摩擦表明外观形貌来比较
不同材料的耐磨性。
物理性能
材料的物理性能是指材料本身的具有各种物理
量 (热、电、光、磁等 )以及环境变化时他们的变化程
度。
材料的性能
密度与比容
导热性 ?
热膨胀系数 α
单位体积物质的质量 Kg/M3
单位质量的物质所占的体积 M3/Kg
物体内温度梯度为 1℃/M 时，在单位时间、单位
面积内传递的热量 W/(M.K)
温度上升 1℃ 时，单位长度的伸长量
mm/(℃,mm)或 ℃ -1
物理性能 材料的性能
电阻与电导
电阻温度系数
熔点
导磁率
物质由固态转变为液态的温度，反映固态下原子间结
合力。
电阻率 ?为单位长度和单位截面积导体的电阻。
单位是 ??M，其倒数称为电导率 S/M 西门子 /米
温度上升 1℃ 时,电阻率 ? 的变化系数，
单位 ℃ -1
电子导电的特点是温度升高，电阻率上升；离子导
电是热激活过程，温度升高，电阻率下降。
超导现象是材料在很低温度下，电阻突然从某个值
降为零的特征。每种材料有自己的转变温度，某些化合
物的转变温度达到 100K以上。
从铁合金、化合物 (铁氧体 )特有性能。
化学性能
反映材料与各种化学试剂发生化学反应的可能
性和反应速度大小的相关参数。
材料的性能
工程材料主要考虑其耐腐蚀性，电化学材料有的考察电极
电位、储能密度等。
材料由于周围环境介质侵蚀而造成的损伤和破坏
均称为腐蚀。
发生腐蚀的化学过程有化学腐蚀 (氧化 )、电化学
腐蚀和应力腐蚀等不同形式。腐蚀速度与材料、介质、
温度、应力、辐照 …… 因素有关。腐蚀不仅影响零件
表明质量，并且可以造成零件早期损坏，防腐设计应
考虑材料的选择和防腐措施相结合。
工艺性能
材料的工艺性能是材料力学、物理、化学性能
的综合表现。主要反映材料生产或零部件加工过程
的可能性或难易程度。
材料的性能
1,材料可生产性,得到材料可能性和制备方法。
2,铸造性,将材料加热得到熔体，注入较复杂的型腔后
冷却凝固，获得零件的方法。
流动性：充满型腔能力
收缩率：缩孔数量的多少和分布特征
偏析倾向：材料成分的均匀性
工艺性能 材料的性能
3,锻造性,材料进行压力加工 (锻造、压延、轧制、拉
拔、挤压等 )的可能性或难易程度的度量。
4,焊接性,利用部分熔体，将两块材料连接在一起。
塑性变形能力,材料不破坏的前提下的最大变形量。
塑性变形抗力,发生塑性变形所需要的最小外力。
连接能力,焊接头部位强度与母材的差别程度。
焊接缺陷,焊接处出现气孔、裂纹可能性的大小或母材
变形程度。
工艺性能 材料的性能
5,切削加工性,材料进行切削加工的难易程度。它与
材料的种类、成分、硬度、韧性、导热性等有关。
6,热处理性能,可以实施的热处理方法和材料在热处理
时性能改变的程度。
切削抗力
加工表面质量
排屑难易程度
切削刀具的使用寿命
随着科技进步的发展，对材料工艺性能的评价标准也在
不断发展和变化。
材料性能总结
决定材料性能实质,
构成材料原子的类型,材料的成分描述了组成材料的元
素种类以及各自占有的比例。
材料中原子的排列方式,原子的排列方式除了和元素
自身的性质有关以外，还和材料经历的生产加工过程有
密切的关系。
研究的意义,
1,性能决定了材料的用途。
2,性能决定了材料和零部件生产方法。
3,性能的变化规律为改变材料性能达到人们需求提供途径。
第三节 材料的分类
工程材料,主要利用其力学性能制作结构件。
建筑材料 结构材料 工具材料
按材料用途（性能）
功能材料,主要利用其物理、化学性能或效应制作
具有特定功效的器件。
半导体材料 磁性材料 激光材料
热电材料 光电材料 声电材料 等等
材料的分类
1,金属材料,纯金属及其合金。 合金是由两种或两种以
上元素组成，其中至少有一种为金属元素组成具有 金属性
的材料。金属性的关键特征是具有正的电阻温度系数，这
是由于它的导电是自由电子的运动所决定的。
钢铁材料 (黑色金属 )
按材料成分,
钢
铸铁
非铁金属材料 (有色金属 )
轻金属 Al Mg Ca Na … 重金属 Cu Ni Pb Sn Zn …
贵金属 Ag Au Pb Rb Ir 稀有金属 Zr Ti Nb …
稀土金属 Re(Y Nd … ) 放射性金属 Ra U Th …
材料的分类
2,高分子材料,有机聚合物。
热塑性塑料：尼龙 聚乙烯 聚氯乙稀 聚丙烯 ……
按材料成分,
瓷：原以氧化铝 陶,硅酸盐为主
广义 陶瓷 (特种陶瓷 )：金属与氧、碳、氮、硅等化合物
热固性塑料：树脂 聚氨酯 ……
弹性材料：天然橡胶 合成橡胶
3,陶瓷材料,一种或多种金属氧化物或其他化合物。
4,复合材料,两种或两种以上性质不同的材料组合
起来的一种固体材料。
第四节 学习内容与目的
组织, 人门用肉眼或借助工具（放大镜、光学显微镜、
电子显微镜等）看到的形貌。
材料科学研究对象
服役状态 性能要求 材料的组织 加工过程 成分
材料的成分、加工工艺与组织、性能之间的关
系及其相关规律。
1,了解和学会现有材料的使用方法
2,研究开辟现有材料的新工艺、新用途
3,研究和创建新材料
目的
课程内容
教与学
1,材料科学是研究各种材料的成分、制备加工工艺与
性能之间关系的科学 。
2,工程材料以金属材料为主要对象，扩展其他工程材
料，介绍材料组织和性能的变化规律和研究方法 。
3,常用工程材料的类型、特点和使用事项。
教学事项
教材 讲课 作业 实验 复习 辅导 考核
