本書的特點就是簡易通俗。本書主要按照金屬材料、有機高分子材料、無機非金屬材料、復(fù)合材料的分類系統(tǒng)進行編排撰寫,對各類新材料作集中扼要介紹。在編排體例上,分為上下兩編。上編以材料歷史和發(fā)展為主線,結(jié)合材料在人類文明發(fā)展和生產(chǎn)生活中的作用,使人們對材料有縱向的了解,同時概述了“材料學(xué)”“材料科學(xué)與工程”的基本內(nèi)容,并對高校中的“材料專業(yè)”進行了簡單介紹。目的是使學(xué)生對“材料”有一基本了解。下編圍繞使學(xué)生進一步了解和認(rèn)識材料的目的,以材料的性能、生產(chǎn)及應(yīng)用為主線,分別介紹金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料、復(fù)合材料,以及各類新材料。目的是使學(xué)生掌握生產(chǎn)生活中常用材料的基本知識。上下兩編基本相互獨立,根據(jù)教學(xué)需要,可以兩編都講,也可以只講其中的任意一編。
作者以全新的角度撰寫了這部簡明易懂的《材料概論》教材,不但適于課堂教學(xué),同時適于科普自學(xué)。教材不去追求理論的深度和邏輯的連續(xù),以日常生活中的基本知識為主線,將散見的材料方面知識集中起來并進行適當(dāng)提升和深化,以此展現(xiàn)給學(xué)生,再加上專業(yè)老師的臨場發(fā)揮,學(xué)生容易接受,更易實現(xiàn)本課程的教學(xué)目標(biāo),并能對后續(xù)課程的學(xué)習(xí)起到引領(lǐng)作用。
“材料概論”這門課程雖然看似簡單,但學(xué)生普遍反映接受困難。多年來我們一直在尋找一本比較適用的《材料概論》教材,就是對學(xué)生來講容易接受且能夠消化吸收更多材料信息的教材,這個目的沒有達到,學(xué)生總是反映“材料概論”課程概念多、不易懂、有些內(nèi)容專業(yè)性太強、記不住、難以掌握。為什么看起來非常簡單的課程,學(xué)生反而掌握不了其基本內(nèi)容呢?后來我們發(fā)現(xiàn),原因還是出在教材上。
現(xiàn)有的《材料概論》教材,編著者大多是一些資深的學(xué)者、教授或有多年教學(xué)經(jīng)驗和理論知識的教師,他們編寫的教材不能說不系統(tǒng)、不全面,但往往忽視了一個問題,就是授課對象問題!安牧细耪摗钡氖谡n對象固然主要是材料專業(yè)的學(xué)生,但更值得注意的應(yīng)該是低年級的學(xué)生。我們的觀點,授課對象應(yīng)該是大學(xué)一年級的學(xué)生,好是剛?cè)胄5膶W(xué)生,而材料專業(yè)高年級開設(shè)“材料概論”,其啟蒙意義已經(jīng)大打折扣(對于非材料專業(yè)的學(xué)生,各年級開課均可,以高年級開設(shè)作為知識拓展的課程為佳)。
盡早開設(shè)“材料概論”課程,有利有弊!袄痹谟趯W(xué)生可以盡早接觸專業(yè),以便了解自己的專業(yè),強化專業(yè)意識,更好地規(guī)劃自己的大學(xué)生活,不至于入學(xué)伊始就松松垮垮。尤其是當(dāng)今大學(xué)生,進入大學(xué)生活后容易產(chǎn)生迷惘和懈怠,若再對自己的專業(yè)缺乏認(rèn)識和及時的了解,就更容易失去目標(biāo)而松懈下來。盡早開設(shè)“材料概論”課程,還提供了使學(xué)生盡早接觸專業(yè)老師的機會,事實證明,專業(yè)老師盡早參與學(xué)生教學(xué)工作,對學(xué)生的教育作用往往非常重要,特別是低年級學(xué)生更是如此(從這個意義上講,還應(yīng)提倡專業(yè)老師適當(dāng)參與學(xué)生管理和指導(dǎo)等)。較早開設(shè)“材料概論”課程,也有不利的方面,低年級有大量的基礎(chǔ)課需要學(xué)習(xí)以備后續(xù)課程之用,“材料概論”的介入可能加劇課程擁擠;低年級學(xué)生對材料知識了解甚少,突然給他們呈現(xiàn)如此密集的專業(yè)概念,尤其是對他們來說這些概念基本都是全新的概念,因此接受起來比較困難,這也是學(xué)生反映“材料概論”課程比較難學(xué)的主要原因。高年級學(xué)生經(jīng)過幾年的耳聞目染,潛移默化地接觸了一些專業(yè)知識,學(xué)起該課程來就要容易些。
綜合考察,我們認(rèn)為,盡早開設(shè)“材料概論”課程,收益遠遠大于不足,而且開設(shè)越早,收益越大。
目前的《材料概論》教材,之所以不太適合教學(xué)要求,尤其不適合低年級學(xué)生,原因就在于編著者大多是把《材料概論》當(dāng)作一部學(xué)術(shù)著作來編寫,或者揉入了太多的理論成分,求全求深求透。殊不知,這與教學(xué)要求是不吻合的,與學(xué)生尤其是低年級學(xué)生的接受能力是不匹配的。理論性很深而實踐性不強,往往把那些基本的、初學(xué)者或普通人關(guān)心的、應(yīng)該掌握和了解的材料知識忽略了,甚至只顧追求高精深,而使一些基本的知識出現(xiàn)一些舛誤,說到底,就是“不接地氣”。其實,研究工作開展到較高層次并要解決實際問題時,人們才發(fā)現(xiàn),我們?nèi)狈Φ倪是那些基本的東西。
編教材難,編著好的教材更難。關(guān)鍵要把握的一點,還是以學(xué)生為本,充分考慮授課對象(當(dāng)然,某些教材需要照顧到較寬廣的讀者群)。我們認(rèn)為,由于材料科學(xué)的復(fù)雜性和涵蓋的廣泛性,對于《材料概論》教材,不應(yīng)將其作為一部學(xué)術(shù)著作編寫,甚或不可一味將其作為專業(yè)教材編寫,應(yīng)該將其作為一部科普著作編寫,這樣學(xué)生才能更易接受,我們的教學(xué)目的才能達到。基于這種考慮,我們不避鄙陋,以全新的角度撰寫了這部簡明易懂的《材料概論》,不但適于課堂教學(xué),同時適于科普自學(xué)。教材不去追求理論的深度和邏輯的連續(xù),而是以日常生活中的基本知識為主線,將散見的材料方面知識集中起來并進行適當(dāng)提升和深化,以此展現(xiàn)給學(xué)生,再加上專業(yè)老師的臨場發(fā)揮,學(xué)生容易接受,更易實現(xiàn)本課程的教學(xué)目標(biāo),并能對后續(xù)課程的學(xué)習(xí)起到引領(lǐng)作用,這便是我們的初衷。
本書編寫的目的是為了做好普及工作,即基礎(chǔ)工作。而實際上普及工作是不好做的,一方面要具有深入淺出的功夫,另一方面當(dāng)前大部分做理論研究或深入研究工作的學(xué)者,往往對基礎(chǔ)的工作比較忽視,所以,雖然研究工作做得有聲有色,但普及工作卻做不來,或沒有精力去做,而做好普及工作必須具備深厚的理論功底,同時要下大功夫。要寫一本深入淺出的教材殊非易事,必須把各種知識吃得很透,尤其是《材料概論》,涉及材料種類繁多,更需要做很多深入細(xì)致的工作。本書在“深入淺出”上并不一定做得很好,但至少是一次有益的嘗試。
材料學(xué)科涵蓋極廣,門類愈分愈細(xì),各類材料之間雖有聯(lián)系但差距甚大,諸如金屬、有機高分子、無機非金屬等材料,從結(jié)構(gòu)、性能到原理、工藝等差別很大,以一人之力而講授多種材料,恐難發(fā)揮到。建議在有條件的情況下,“材料概論”課程可由不同材料方向的多名教師授課,一是可更好地展現(xiàn)材料之美,二是讓學(xué)生在時間接觸更多的專業(yè)老師,讓更多的專業(yè)老師參與到低年級學(xué)生的培養(yǎng)教育中,三是專業(yè)老師還可以藉此更好地開展教研活動和學(xué)術(shù)交流。一般“材料概論”課程的課時量較少,多名教師參與授課時,也可采取講座形式,而以教材作參照。
本書主要按照金屬材料、有機高分子材料、無機非金屬材料、復(fù)合材料的分類系統(tǒng)進行編排撰寫,對各類新材料做集中扼要介紹。在編排體例上,分為上下兩編。上編以材料歷史和發(fā)展為主線,結(jié)合材料在人類文明發(fā)展和生產(chǎn)生活中的作用,使讀者對材料有縱向的了解,同時概述了“材料學(xué)”和“材料科學(xué)與工程”的基本內(nèi)容,并對高校中的“材料專業(yè)”進行了簡單介紹。目的是使學(xué)生對“材料”有一個基本了解。下編圍繞使學(xué)生進一步了解和認(rèn)識材料的目的,以材料的性能、生產(chǎn)及應(yīng)用為主線,分別介紹金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料、復(fù)合材料以及各類新材料。目的是使學(xué)生掌握生產(chǎn)生活中常用材料的基本知識。上下兩編基本相互獨立,根據(jù)教學(xué)需要,可以兩編都講,也可以只講其中的任意一編。
本書主要適用于高等學(xué)校各類材料專業(yè),也可適用于使用材料生產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)品的專業(yè)、使用材料進行相關(guān)工程建設(shè)的專業(yè)等。本教材不求理論深度,而以科普形式撰寫,因此不單適用于材料專業(yè)教學(xué),同樣會受到相關(guān)專業(yè)的歡迎。
我們希望達到這樣的目的,為高等學(xué)校材料類專業(yè)的學(xué)生,提供一本比較容易接受的、能夠消化吸收多信息的材料知識普及教材。作者學(xué)力不逮,斗膽惶恐,雖有力不勝任之感,然為教學(xué)所需,故勉力為之。因?qū)W識有限,書中不當(dāng)之處在所難免,作為拋磚引玉之作,一方面希冀業(yè)內(nèi)同行不吝賜教,另一方面也希望有更多更好更簡明適用的《材料概論》方面的著作問世。
本書由山東交通學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院張金升教授、山東大學(xué)陳敏博士、中國石油大學(xué)(華東)甄玉花博士、山東交通學(xué)院魏長寶老師負(fù)責(zé)撰寫,從立意到撰寫完成歷時3年多,撰寫過程中參閱了大量國內(nèi)外技術(shù)資料和成果,并得到許多專家教授的熱心幫助和指導(dǎo),在這里謹(jǐn)向書中提及和未提及的專家學(xué)者表示衷心的感謝。
編著者謹(jǐn)識
2016年4月
上編材料總論
第一章材料概念及其范疇3
第一節(jié)構(gòu)造(原)材料3
一、材料定義3
二、材料定義的內(nèi)涵4
三、材料與物質(zhì)4
第二節(jié)成品(具體應(yīng)用)材料5
第三節(jié)物質(zhì)材料6
第四節(jié)材料判據(jù)6
一、資源判據(jù)7
二、能源判據(jù)7
三、環(huán)保判據(jù)7
四、質(zhì)量判據(jù)8
五、經(jīng)濟判據(jù)8
第五節(jié)材料科學(xué)四要素8
一、材料科學(xué)四面體8
二、材料的晶體結(jié)構(gòu)9
三、材料的結(jié)合鍵、成分與結(jié)構(gòu)10
四、材料的組織結(jié)構(gòu)(微觀結(jié)構(gòu))11
五、材料的成分和組織結(jié)構(gòu)的檢測12
第二章材料分類13
第一節(jié)按化學(xué)鍵類型及結(jié)構(gòu)特征分類13
一、金屬材料13
二、無機非金屬材料15
三、有機高分子材料18
四、復(fù)合材料19
五、半導(dǎo)體材料20
六、化學(xué)建材21
第二節(jié)按材料發(fā)展進程分類——傳統(tǒng)材料和新型材料21
第三節(jié)按工程應(yīng)用和材料性能分類22
第四節(jié)根據(jù)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的門類歸屬分類23
第五節(jié)其他分類方法23
一、按用途或服役領(lǐng)域分類23
二、按來源分類23
三、按材料的物理狀態(tài)分類24
四、按化學(xué)成分分類24
五、按原子、分子的排列方式或結(jié)晶狀態(tài)分類24
六、按材料的物理性能分類24
七、按材料發(fā)生的物理效應(yīng)分類24
八、按材料的某種特殊用途(功能)分類24
九、按生命特征分類24
十、按是否具有金屬特征分類24
十一、固體材料中按結(jié)構(gòu)狀態(tài)分類25
十二、按材料的可見維度分類25
第三章材料發(fā)展史26
第一節(jié)總論26
一、材料發(fā)展與人類文明息息相關(guān)26
二、材料發(fā)展與文明時代的劃分27
第二節(jié)無機非金屬材料發(fā)展簡史32
一、陶瓷材料的發(fā)展歷史32
二、水泥材料發(fā)展簡史37
三、玻璃材料發(fā)展簡史45
第三節(jié)金屬材料發(fā)展簡史52
一、青銅器時代53
二、鐵器時代53
三、鋼鐵的發(fā)展53
四、現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)的開端——貝塞麥把我們帶入鋼鐵時代54
五、錳鋼的誕生54
六、不銹鋼與超級不銹鋼的誕生55
七、切削工具材料的發(fā)展55
八、其他金屬材料的發(fā)展56
九、航空時代的驕子——鈦及鈦合金57
十、活的金屬——形狀記憶合金58
第四節(jié)有機高分子材料發(fā)展簡史58
一、人類開發(fā)和利用天然高分子的歷史59
二、現(xiàn)代高分子材料的發(fā)展59
三、我國高分子材料的發(fā)展61
四、高分子材料的發(fā)展趨勢與應(yīng)用62
五、高分子材料改性概況63
六、醫(yī)用高分子材料發(fā)展史簡介64
第五節(jié)復(fù)合材料發(fā)展簡史65
一、古代復(fù)合材料發(fā)展歷史簡介65
二、現(xiàn)代復(fù)合材料67
三、先進復(fù)合材料68
四、中國先進復(fù)合材料發(fā)展?fàn)顩r69
五、復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展展望71
第四章材料與人類文明73
第一節(jié)材料是人類文明發(fā)展的肇始者73
第二節(jié)傳統(tǒng)材料的發(fā)展與人類文明74
一、以使用材料的特征命名歷史考古時代——可靠的歷史時期見證75
二、傳統(tǒng)材料的發(fā)展與歷史的進步75
三、傳統(tǒng)材料的新生80
第三節(jié)高技術(shù)材料與現(xiàn)代文明80
一、高新技術(shù)的先導(dǎo)80
二、材料在技術(shù)發(fā)達社會中的作用82
第四節(jié)材料發(fā)展與環(huán)境協(xié)調(diào)性84
一、材料的開發(fā)和使用必須考慮環(huán)境協(xié)調(diào)性和可持續(xù)發(fā)展 84
二、材料循環(huán)85
三、材料的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略與生態(tài)環(huán)境材料87
第五節(jié)未來材料89
一、未來材料發(fā)展的特點——材料設(shè)計和分子設(shè)計89
二、材料展望90
三、材料發(fā)展的重要方向——材料的復(fù)合化、多功能化、納米化94
第五章材料科學(xué)與工程95
第一節(jié)材料科學(xué)的發(fā)展階段95
一、材料的發(fā)展階段95
二、材料學(xué)的發(fā)展階段96
三、材料學(xué)的發(fā)展進程99
第二節(jié)材料科學(xué)與工程學(xué)科的興起100
第三節(jié)材料科學(xué)與工程及其內(nèi)涵和特點101
一、研究內(nèi)容和定義101
二、材料科學(xué)與工程的內(nèi)涵102
三、材料科學(xué)與工程的特點103
第四節(jié)材料科學(xué)與工程研究的重點103
一、新工藝、新技術(shù)和新合成方法的探索103
二、組成、結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系104
三、重視高精度儀器設(shè)備的發(fā)展104
四、運用計算機開展研究104
五、交叉學(xué)科和復(fù)合材料104
六、納米技術(shù)的應(yīng)用104
七、界面工程和晶界工程105
八、材料設(shè)計和分子設(shè)計105
第五節(jié)材料科學(xué)與工程專業(yè)培養(yǎng)105
一、專業(yè)范圍和基本要求105
二、業(yè)務(wù)培養(yǎng)目標(biāo)105
三、業(yè)務(wù)培養(yǎng)要求105
四、應(yīng)獲得的知識和能力105
五、本專業(yè)的相關(guān)學(xué)科106
六、學(xué)科結(jié)構(gòu)106
七、主干學(xué)科的方法論介紹107
下編材料各論
第六章金屬材料110
第一節(jié)金屬材料概述110
一、金屬及金屬材料學(xué)110
二、金屬元素在元素周期表中的排布及原子結(jié)構(gòu)特征110
三、合金的基本結(jié)構(gòu)類型111
四、金屬材料分類111
五、金屬通性112
第二節(jié)純鐵、滲碳體和工業(yè)純鐵113
一、純鐵113
二、滲碳體113
三、工業(yè)純鐵114
第三節(jié)鋼——碳鋼和合金鋼115
一、鐵碳合金的基本相115
二、碳鋼117
三、合金鋼的分類118
第四節(jié)工業(yè)用鋼119
一、工程構(gòu)件用鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼120
二、合金滲碳鋼120
三、滲氮鋼、碳氮共滲鋼和表面淬火用鋼121
四、合金調(diào)質(zhì)鋼121
五、彈簧鋼122
六、滾動軸承鋼122
七、合金刃具鋼122
八、合金模具鋼123
九、合金量具鋼123
十、不銹鋼124
十一、耐熱鋼和高溫合金124
十二、耐磨鋼125
十三、磁鋼(硅鋼)125
第五節(jié)鋼材的冶金過程125
一、鋼冶金過程熱力學(xué)125
二、煉鋼工藝和爐外精煉127
三、軋制工藝簡介131
第六節(jié)鋼材的熱處理131
一、退火132
二、正火133
三、淬火133
四、回火134
第七節(jié)鑄鐵136
一、鑄鐵概念和定義136
二、鑄鐵的組織、分類及應(yīng)用138
第八節(jié)非鐵金屬(有色金屬)及其合金141
一、鋁及鋁合金141
二、銅及銅合金142
三、鈦及鈦合金144
四、鎂及鎂合金145
五、軸承合金145
第七章無機非金屬材料148
第一節(jié)陶瓷材料148
一、陶瓷概念和定義148
二、陶瓷的種類和范疇149
三、傳統(tǒng)陶瓷品種及應(yīng)用153
四、傳統(tǒng)陶瓷基本制備方法和技術(shù)160
五、陶瓷基本性質(zhì)165
六、陶瓷生產(chǎn)主要技術(shù)裝備169
第二節(jié)水泥及膠凝材料170
一、水泥與膠凝材料概述170
二、水泥的分類和范疇175
三、常見的水泥品種及應(yīng)用176
四、水泥基本生產(chǎn)工藝181
五、水泥熟料中的主要礦物及對水泥性能的影響185
六、水泥主要性能和標(biāo)準(zhǔn)要求187
七、水泥生產(chǎn)主要技術(shù)裝備190
第三節(jié)玻璃與非晶態(tài)材料190
一、玻璃、無定形態(tài)材料和非晶態(tài)材料的概念190
二、玻璃的分類和范疇192
三、玻璃的結(jié)構(gòu)194
四、常見玻璃品種及應(yīng)用195
五、玻璃的基本生產(chǎn)工藝199
六、玻璃的主要性能和標(biāo)準(zhǔn)203
七、玻璃生產(chǎn)主要技術(shù)裝備205
第四節(jié)混凝土208
一、混凝土的概念208
二、混凝土的分類和范疇209
三、混凝土常見品種和應(yīng)用210
四、混凝土基本生產(chǎn)工藝212
五、混凝土主要性能和要求214
六、混凝土生產(chǎn)主要技術(shù)裝備217
七、混凝土制品簡介218
第五節(jié)耐火材料219
一、耐火材料的概念219
二、耐火材料的分類和范疇、常見品種和應(yīng)用220
三、耐火材料基本生產(chǎn)工藝226
四、耐火材料主要性能227
五、耐火材料生產(chǎn)主要技術(shù)裝備228
第八章有機高分子材料229
第一節(jié)有機高分子材料概述231
一、高分子化合物的基本概念231
二、高分子化合物的命名232
三、高分子化合物的分類232
第二節(jié)高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能233
一、高分子化合物的基本鏈結(jié)構(gòu)概述233
二、高分子化合物 (非晶態(tài)) 的三種物理狀態(tài)235
第三節(jié)高分子化合物的反應(yīng)、合成和高分子材料的加工236
一、高分子化合物的反應(yīng)、合成236
二、高分子材料的加工概述237
第四節(jié)高分子各論238
一、塑料238
二、天然橡膠與合成橡膠242
三、纖維244
四、涂料247
五、膠黏劑248
六、功能高分子材料簡介251
第五節(jié)典型的高分子材料品種252
一、聚烯烴252
二、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物254
三、聚酰胺254
四、聚甲醛254
五、氟塑料255
六、聚砜255
七、聚甲基丙烯酸甲酯255
八、酚醛塑料255
九、環(huán)氧塑料256
十、飽和聚酯256
十一、聚酰亞胺及其他耐高溫高分子256
十二、聚苯醚256
十三、有機硅257
十四、其他257
第九章復(fù)合材料258
第一節(jié)概述258
一、復(fù)合材料的發(fā)展背景258
二、復(fù)合材料的含義258
三、復(fù)合材料的組成部分——增強體和增強相259
四、復(fù)合材料最顯著的優(yōu)勢特點262
五、復(fù)合材料分類262
第二節(jié)復(fù)合材料的性能特點263
第三節(jié)復(fù)合材料的復(fù)合理論和增強增韌機理266
一、復(fù)合原理266
二、增強機理267
三、增韌機理269
第四節(jié)復(fù)合材料的界面272
一、樹脂基復(fù)合材料的界面272
二、金屬基復(fù)合材料的界面273
三、陶瓷基復(fù)合材料的界面274
第五節(jié)樹脂基復(fù)合材料275
一、概述275
二、纖維增強樹脂基復(fù)合材料276
三、顆粒增強樹脂基復(fù)合材料279
四、樹脂基功能復(fù)合材料280
五、熱固性樹脂基復(fù)合材料281
六、熱塑性樹脂基復(fù)合材料282
第六節(jié)金屬基復(fù)合材料282
一、概述282
二、基體及增強體材料284
三、纖維增強金屬基復(fù)合材料284
四、顆粒增強金屬基復(fù)合材料287
五、原位復(fù)合材料289
六、片層疊合金屬基復(fù)合材料289
七、金屬基功能復(fù)合材料289
第七節(jié)陶瓷基復(fù)合材料290
一、陶瓷基復(fù)合材料特性290
二、陶瓷基復(fù)合材料類型291
三、陶瓷基復(fù)合材料各論292
第八節(jié)層疊復(fù)合材料和層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料297
一、層疊復(fù)合材料297
二、層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料299
第九節(jié)復(fù)合材料的制備301
一、纖維的制備301
二、樹脂基復(fù)合材料的制備303
三、金屬基復(fù)合材料的制造方法306
四、陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝308
五、共晶復(fù)合材料的制備312
第十章新材料綜述313
第一節(jié)新材料導(dǎo)言313
第二節(jié)新材料品種概要316
一、能源材料316
二、信息材料316
三、航空航天材料317
四、生物醫(yī)學(xué)材料317
五、環(huán)境材料317
六、納米材料318
七、富勒烯材料318
八、石墨烯318
九、壓電材料319
十、熱釋電材料320
十一、鐵電材料320
十二、儲氫材料321
十三、超導(dǎo)材料321
十四、金屬間化合物材料322
十五、非晶材料323
十六、高分子新材料323
十七、梯度功能材料324
十八、隱身材料324
十九、智能材料和機敏材料325
參考文獻328