1、化工材料及化工设备 中国化工（集团）总公司 北京代理传统意义：通过化工技术生产的材料，主要包括高分子材料和无机材料，如：涂料、塑料、橡胶、陶瓷等。建造化工装置所需的工程材料本课程：针对化工专业学生的材料概论。材料与化工两者互为因果、相辅相成：材料是化工的物质基础化学工艺单元操作化工装置材料化工是材料的制备途径众多材料通过不同化工过程及单元操作生产。教材： 材料概论 徐晓虹 编 高等教育出版社参考书：材料概论 周达飞 编 化学工业出版社 材料导论 励杭泉 编 中国轻工业出版社材料概论 施惠生 编 同济大学出版社讲授内容一、绪论二、金属材料三、无机非金属材料四、高分子材料五、复合材料六、新材料第一章 绪论一、材料的发展史及分类二、材料的成分与组织结构三、结构材料的失效四、材料的主要性能指标及涵义五、星空体育登录常用化工设备材料第一节 材料的发展史及分类一、材料的定义材料是指人类社会可接受、能经济地制造有用器件或物品的固体物质。二、材料的发展史材料是人类社会进步的里程碑人类使用材料的七个时代1. 石器时代：公元前10万年2.青铜器时代：公元前3000年3. 铁器时代：公元前1500年4. 水泥时代：公元

　　2、元年5. 钢时代：1800年6. 硅时代：1950年7. 新材料时代：1990年1. 石器时代公元前10万年旧石器时代：工具制作粗糙，用途尚未分化新石器时代：对石料进行加工，得到不同用途的石器2.青铜器时代公元前3000年出现了添加锡、铅的铜合金熔点低，铸造性能良好用作武器、生活用具、生产工具等3. 铁器时代公元前1500年高温下用木炭还原铁矿石生产铁强度较高，可加工性能良好用作武器和器件4. 水泥时代粘土制作简单陶器在公元元年左右，高温烧制陶器而形成瓷器瓷器由于局部熔化而变得更加致密坚硬，克服了陶器多孔与透水的缺点。5. 钢时代1800年左右钢：含碳量0.2%-2.11%高温下具有高强度蒸汽机农业经济社会进入工业经济社会导致了大规模的机械化生产，引起了第一次产业革命，即工业革命6. 硅时代1950年爱迪生效应-二极管，三极管-电子管时代硅、锗半导体材料的出现-晶体管取代电子管-进入硅时代单晶硅生产集成电路-微型化7. 新材料时代1990年具有一般传统材料所不可比拟的优异性能和特定性能特征：由多种材料决定社会和经济发展以人造为主为了特定的需要设计和加工而成。三、材料工程与材料科学材料工

　　3、程：把基础知识应用于材料的研制、生产、改性和应用，以完成特定的社会任务。材料科学：通过材料本质的发现、分析和了解等方面研究，提供材料结构的统一描绘或模型，以及解释材料结构与性能之间关系的科学材料科学与工程：有关材料成分、结构、工艺和性能与用途之间有关知识和应用的科学。材料科学四要素：1) 成分/结构（Composition/Structure）：影响其性质的直接因素2) 合成/加工（Synthesis/Processing）：改变材料的组织结构而影响其性质3）性质（Properties）(性能)：力学性质、物料性质和化学性质4）效能（Performance）(使用性能或效果)：是指材料在使用条件下的表现，包括环境影响、受力状态、材料特性曲线，乃至寿命估计等。四、材料的分类1. 按化学成分、生产过程、结构及性能特点来分类1)金属材料：以金属元素为基础的材料优良的力学性能，特别是高强度和高韧性；优良的可加工性a.铁及铁基合金b.非铁金属及其合金2)高分子材料一类由一种或几种分子或分子团（结构单元或单体）以共价键结合成具有多个重复单元的单分子材料。特点：种类多、密度小，比强度大，电绝缘性、耐

　　4、腐蚀性好、加工容易，可符合多种、特种用途的要求。3）无机非金属材料除金属材料、高分子材料以外的几乎所有材料特点：耐高温、高硬度、抗腐蚀，以及优良的介电、压电、光学、电磁性能及其功能转换性能等。4）复合材料由高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的材料。(1)按基体可分为金属基、高分子基、无机非金属基复合材料。(2)按用途可分为结构复合材料和功能复合材料2.按使用性能分类1）结构材料：以力学性能为主的材料的统称2）功能材料：以特殊物理性能或化学性能为主的材料的统称3.按结构分类晶态材料、非晶态材料、准晶态材料4.按物理性质分类导电材料、高强度材料、半导体材料、磁性材料、绝缘材料、超导材料、高温材料、透光材料5.按物理效应分类光电材料、声光材料、压电材料、智能材料、激光材料、磁光材料、热电材料、非线.按用途分类电子材料、建筑材料、研磨材料、感光材料、电工材料、耐酸材料、光学材料、包装材料。第二节 材料的成分与组织结构一、材料的成分与结构材料的成分：指组成材料的元素种类及其含量通常用质量分数（）或粒子数分数（x）来表示材料的结构指材料中原子（离子或分子等）排列

　　5、方式材料原子、离子和分子间的结合键决定材料的性质晶体晶体：由许多质点（包括原子、离子或分子）在三维空间作有规律的周期性重复排列而形成的固体。近程有序、远程有序非晶体非晶体：质点在三维空间不呈周期性的规则排列近程有序、远程无序晶体与非晶体的区别质点是否在三维空间作有规则的周期性重复排列（晶体具有自范性）晶体熔化时具有固定的熔点，而非晶体无明显熔点，只存在一个软化温度范围晶体具有各向异性，非晶体呈各向同性单晶体与多晶体单晶体：质点按同一取向排列，由一个核心（晶核）生长而成的晶体多晶体：由许多不同位向的小晶体（晶粒）所组成的晶体各向同性-假等向性晶体的几个定义1)阵点：将构成晶体的实际质点（原子、离子、分子）抽象成纯粹的几何点称为阵点。2)空间点阵（简称为点阵）：阵点在空间呈周期性规则排列，并具有等同的周围环境的模型。3）晶格：作许多平行的直线把阵点连接起来，构成一个三维的几何格架称为晶格。4）晶胞：晶格中能够完全反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞。通常是在晶格中取一个最小的平行六面体作为晶胞。5）晶胞参数：晶胞三条棱边（晶轴）的边长a、b、c及晶轴之间的夹角、称为晶胞参数晶系与布拉菲点阵根

　　6、据晶胞的外形，即晶轴长度和晶轴夹角将晶体分为七大晶系：立方、四方、正交、六方、单斜、三斜、三方（菱方）十四种布拉菲点阵：立方：简单立方、体心立方、面心立方四方：简单四方、体心四方正交：简单正交、底心正交、体心正交、面心正交六方：简单六方单斜：简单单斜、底心单斜三斜：简单三斜三方（菱方）：简单三方（菱方）三种立方晶体结构晶体形成的途径熔融物质凝固气态物质冷却不经液体直接凝固（凝华）溶质从溶液中析出晶体的组成多元晶体：由两种或更多元素组成组成方式：固溶体和化合物固溶体：加盟组元（溶质）原子占据基本组元原子晶体中所占位置的一部分或它们之间的某些空隙，而仍保持基本组元（溶剂）的晶体结构。化合物：加盟组元与基本组元以一定的比值重新组合形成新的晶体结构。晶体的缺陷晶体结构缺陷的类型：1.点缺陷：零维缺陷2.线.面缺陷：二维缺陷点缺陷指原子应占而未占的空位或间隙中不该存在而存在的间隙原子而导致的缺陷。缺陷尺寸很小，仅引起几个原子范围的点阵结构的不完整。线缺陷线缺陷：晶体中某处一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。面缺陷在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷

　　7、，如晶界、相界等。二、材料的组织在光学显微镜或电子显微镜下可观察到，能反映各组成相形态、尺寸及分布的图像。三、材料成分和组织结构的检测高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)扫描电子显微镜（SEM）扫描探针显微镜/扫描隧道显微镜（SPM/STM）原子力显微镜（AFM）X射线衍射（XRD）热重/差热分析/差示扫描量热法(TG/DTA/DSC)超导量子相干磁力测定仪（SQUID）BET气体吸附表面积测量和孔结构分析（BET法）其它的方法红外光谱(IR)紫外-可见光光谱（UV-Vis）X射线光电子能谱（XPS）俄歇能谱（AES）核磁共振（NMR）第三节 结构材料的失效失效材料在外加载荷和环境的作用下，会逐渐损失原有的物理、化学或力学性能，直至不能继续服役，这一现象称为失效。结构材料常见的失效形式：过量变形断裂磨损腐蚀一、 材料的变形材料在载荷的作用下发生几何尺寸变化称为变形1.弹性变形在外力作用下，材料产生变形，当外力去除后，变形消失而恢复原状，这样的变形称为弹性变形。可逆2.塑性变形（范性变形）材料在外力作用下产生去除外力后不能恢复原状的永久性变形称为塑性变形。不可逆弹性变形或塑性变形超过材料

　　8、所允许的范围，即发生过量弹性变形失效或过量塑性变形失效措施：加大零件截面尺寸、提高材料弹性模量或屈服强度二、材料的断裂固体材料在力的作用下分裂为若干部分的现象称为断裂断裂过程：裂纹的萌生+扩展措施：提高材料抗拉强度、疲劳强度、韧度及断裂韧度三、材料的磨损在机件表面互相接触并作相对运动产生的摩擦过程中，会有微小颗粒从表面不断分离出来形成尺寸和现状不同的磨屑，使材料逐渐损失，导致机件尺寸变化和质量损失，这种表面损伤现象即为磨损。机件的摩擦磨损大约消耗总能源的1/3-1/2措施：提高材料表面硬度四、材料的腐蚀物质表面因发生化学或电化学反应而受到破坏的现象称为腐蚀化学腐蚀：金属表面与介质发生化学反应而引起的破坏。（介质：气体或非导电有机物）电化学腐蚀：金属表面与介质发生电化学反应引起的破坏。（伴随有电流的产生）第四节 材料的主要性能指标及涵义材料的性质力学性质：材料在不同载荷和环境作用下表现的变形和断裂行为的描述物理性质：指从物理学的观点表征材料的热学、电学、磁学和光学等性质化学性质：指材料发生化学反应时所显示的性质一、力学性质1.弹性：指材料在外力作用下产生变形，当外力取消后又恢复到原来的形状和大小的一种特性。1)弹性模量E或G(MPa或N/mm2)：材料在弹性范围内，应力与应变的比值。弹性模量表征材料抵抗弹性变形的能力2)比例极限P(Sigma，MPa或N/mm2)：材料在弹性范围内，应力与应变保持直线关系，开始偏离直线)弹性极限e(MPa或N/mm2)：弹性变形阶段，不产生塑性变形时所能承受的最大应力2.强度指材料在外力作用下，抵抗变形或断裂的能力1)抗拉强度（拉伸强度）b：材料承受拉伸载荷时，断裂前单位面积上所承受的最大应力2)抗弯强度（弯曲强度）bb：材料承受弯曲载荷时，断裂前单位面积上所承受的最大应力3) 抗压强度bc：材料承受压缩载荷时，断裂前单位面积上所承受的最大应力4）抗剪强度(Tau)：材料承受剪切载荷时，断裂前单位面积上所承受的最大应力5）抗扭强度（扭曲强度）b：材料承受扭转载荷时，断裂前单位面积上所承受的最大应力6）屈服强度s：材料承受载荷时，产生屈

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