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材料科学基础Foundations of Materials ScienceFoundations of Materials Science绪论一、一、材料科学基础材料科学基础的基本概念的基本概念二、二、材料科学基础材料科学基础的地位的地位三、学习三、学习材料科学基础材料科学基础的意义的意义四、四、材料科学基础材料科学基础的内容的内容五、如何学好五、如何学好材料科学基础材料科学基础材料科学基础材料科学基础的基本概的基本概念念 材料材料是指人类社会能接受地，经济地的制造有用物品的物质。是指人类社会能接受地，经济地的制造有用物品的物质。材材料料科科学学是是研研究究材材料料的的成成分分、组组织织结结构构、制制备备工工艺艺、加加工工工工艺艺、材材料料的的性性能能与与材材料料应应用用之之间间的的相相互互关关系系的的科科学学。材材料料科科学学是是当当代代科科学学技技术术发发展展的的基基础础、工工业业生生产产的的支支柱柱，是是当当今今世世界界的的带带头头学学科科之之一一。纳纳米米材材料料科科学学与与技术是技术是2020世纪世纪8080年代发展起来的新兴学科，成为年代发展起来的新兴学科，成为2121世纪新技术的主导中心世纪新技术的主导中心。材材料料科科学学基基础础是是进进行行材材料料科科学学研研究究的的基基础础理理论论，它它将将各各种种材材料料（包包括括金金属属、陶陶瓷瓷、高高分分子子材材料料）的的微微观观结结构构和和宏宏观观结结构构规规律律建建立立在在共共同同的的理理论论基基础础上上，用用于于指指导导材材料料的的研研究究、生生产产、应应用用和和发发展展。它它涵涵盖盖了了材材料料科科学学和和材料工程的基础理论。材料工程的基础理论。材料科学基础的地位材料科学基础的地位 人类社会发展的历史阶段常常用当时主要使用的材料来划分。从古代人类社会发展的历史阶段常常用当时主要使用的材料来划分。从古代到现在人类使用材料的历史共经历了七个时代，各时代的开始时间：到现在人类使用材料的历史共经历了七个时代，各时代的开始时间：q 石器时代（公元前石器时代（公元前1010万年）万年）q 青铜器时代（公元前青铜器时代（公元前30003000年）年）q 铁器时代（公元前铁器时代（公元前10001000年年）q 水泥时代（公元水泥时代（公元0 0年）年）q 钢时代（钢时代（18001800年）年）q 硅时代（硅时代（19501950年）年）q 新材料时代（新材料时代（19901990年）年）学习料料科学基础的意义学习料料科学基础的意义（一）材料科学的内涵（一）材料科学的内涵 材料科学是一个跨物理、材料科学是一个跨物理、化学等的学科。化学等的学科。材料科学材料科学的核的核心问题是心问题是材料的组织结构材料的组织结构（StructureStructure）和性能）和性能（PropertyProperty）以及它们之间的以及它们之间的关系。右图为关系。右图为材料科学与工程材料科学与工程四要素。四要素。所以，先要了解材料所以，先要了解材料的结构是什么？的结构是什么？材料结构关系材料结构关系q材料的结构包括不同晶体结构和非晶体，以及显微镜下的微材料的结构包括不同晶体结构和非晶体，以及显微镜下的微观结构，哪些主要因素能够影响和改变结构？只有了解了这观结构，哪些主要因素能够影响和改变结构？只有了解了这些才能实现控制结构的目的。些才能实现控制结构的目的。q材料的性能包括物理性能、化学性能、力学性能。材料的性能包括物理性能、化学性能、力学性能。其内部结构包其内部结构包括四个层次：括四个层次：原子结构；原子结构；结合键；结合键；原子的排列方原子的排列方式；式；显微组显微组织织（二）材料科学与材料工程的关系（二）材料科学与材料工程的关系q材材料料科科学学的的形形成成：“材料”早存在，“材料科学”提出于20世纪60年代，1957年苏联卫星上天，美国震动很大，在大学相继建立十余个材料科学研究中心，自此开始，“材料科学”一词广泛应用。q一一般般来来讲讲，科学是研究“为什么”的学问，而工程是解决“怎么做”的学问。材材料料科科学学的的基基础础理理论论，为为材材料料工工程程指指明明方方向向，为为更更好好地地选选择择、使使用用材材料料，发发挥挥现现有有材材料料的的潜潜力力、发展新材料提供理论基础。发展新材料提供理论基础。q材材料料科科学学和和材材料料工工程程之之间间的的区区别别主主要要在在于于着着眼眼点点的的不不同同或或者者说说各各自自强强调调的的中中心心不不同同，它它们们之之间间并并没没有有一一条条明明确确的的界界线线，因因此此，后后来来人人们们常常常常将将二二者者放放在在一一起起，采采用用一一个个复复合合名名词词材料科学与工程（MSE，Material Science and Engineering）材材料料科科学学 ：是一门科学，它从事与材料本质的发现、分析和了解方面的研究，其目的在于提供材料结构的统一描绘或模型，以及解释这种结构与性能之间的关系。它包括下面的三个环节，核心是结构和性能。材料工程材料工程：是工程的一个领域，其目的在于经济地，而又为社会所能接受地控制材料的结构、性能和形状。它包括下面的五个环节。工艺结构性能材料科学工艺结构性能材料工程设备构件行为（三）（三）材料的分类材料的分类 通常根据材料的结构和用途来分类通常根据材料的结构和用途来分类。结构材料结构材料结构材料结构材料是以强度，是以强度，刚度，韧性，耐劳性，硬度，疲劳强度等力学性能为特征的刚度，韧性，耐劳性，硬度，疲劳强度等力学性能为特征的材料。材料。功能材料功能材料功能材料功能材料是以声，光，电，磁，热等物理性能为特征是以声，光，电，磁，热等物理性能为特征的材料。的材料。本课程是按金属、陶瓷、高分子和它们的复合材料来组本课程是按金属、陶瓷、高分子和它们的复合材料来组织教材的内容的。织教材的内容的。结构材料实际上是一种按结合键种结构材料实际上是一种按结合键种类来分类的方法。由此可将材料分为类来分类的方法。由此可将材料分为金金属、陶瓷、高分子属、陶瓷、高分子和由金属、陶瓷和高和由金属、陶瓷和高分子分别组合成的各种分子分别组合成的各种复合材料材料复合材料材料。金属材料：黑色金属材料（钢铁）、有色黑色金属材料金属材料：黑色金属材料（钢铁）、有色黑色金属材料（除钢铁以外的）（除钢铁以外的）陶瓷材料：氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷陶瓷材料：氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷高分子材料：塑料、橡胶合成纤维高分子材料：塑料、橡胶合成纤维复合材料：金属基复合材料、陶瓷基复合材料、树脂基复合复合材料：金属基复合材料、陶瓷基复合材料、树脂基复合材料材料功能材料：电子材料、光电子材料、超导材料功能材料：电子材料、光电子材料、超导材料（四）材料的应用（四）材料的应用q让我们回顾几项有影响的事例，以便加深理解材料的发展在人类社让我们回顾几项有影响的事例，以便加深理解材料的发展在人类社会发展中起了举足轻重的作用。会发展中起了举足轻重的作用。q计算机与材料计算机与材料 1 1、计算机经历：电子管、计算机经历：电子管晶体管晶体管集成电路时代集成电路时代 2 2、个人电脑移动存储器的比较、个人电脑移动存储器的比较 材料科学的发展是计算机飞速发展的基础材料科学的发展是计算机飞速发展的基础种类使用的材料存储容量特点软盘氧化铁1.44 Mb容量小，文本文件存储CDRW以ZnS等为主的陶瓷材料650 MbCD光盘，价低，用量大MO(磁光盘)TbFeCo合金磁光材料650 Mb，1.3G需专用驱动器，价格高，局限在广告图形用户DVDRWZnS等为主的陶瓷材料单面单层为4.7 GbCDRW和CD光盘，用量大q飞机和材料飞机和材料 从从莱莱特特兄兄弟弟实实现现飞飞行行的的梦梦想想以以来来，航航空空和和航航天天器器发发生生了了巨巨变变。为为了了飞飞得得快快和和远远，就就要要采采用用强强度度高高和和比比重重小小的的材材料料，重重视视材材料料的的比比强强度度，即即强强度度/比比重重之之比比。因因此此，航航空空和和航航天天器器中中铝铝、镁镁合合金金用用量量大大。随随着着航航空空技技术术的的进进一一步步发发展展，轻轻质质和和高高比比强强度度的的钛钛合合金金、碳碳纤纤维维高高分分子子复复合合材材料、硼纤维金属复合材料等得到愈来愈多的采用。料、硼纤维金属复合材料等得到愈来愈多的采用。实例压气机叶片压气机机匣飞机尾翼硼纤维铝合金板和管材料铝合金钛合金碳纤维复合材料硼纤维增强铝合金强度范围 MPa150450350110010001200（顺纤维方向）1500（顺纤维方向）比强度MPa5516080245625750570待升空的美国航天飞机待升空的美国航天飞机材料和生活用品材料和生活用品 钛结构自行车：钛结构自行车：“自行车发烧友”选择钛合金制自行车。钛合金的应用场合很特殊。通常用于需要抗腐蚀，耐疲劳，高弹性的场合。生命科学材料生命科学材料 原来使用专用的汞合金，为防止金属合金的分解已经开发出一种可以满足口腔中特殊的物理及化学环境的新型陶瓷。具体来讲，它需要满足下列要求：耐口腔中的酸；低热导率（这对你吃冷饮有好处）；尽得住数年的咀嚼力；耐骤冷骤热；当然还要口感舒适。复合科学材料复合科学材料复合科学材料复合科学材料 碳、硼纤维及环氧化合物复合材料非常轻，可以在某特碳、硼纤维及环氧化合物复合材料非常轻，可以在某特定方向上增加强度（用于特殊目的）定方向上增加强度（用于特殊目的）。航空材料航空材料航空材料航空材料 材料的主要性能取决于母体，加入合金元素成分将改善金属的物理及机械性能强度、耐力、使用寿命。在飞机发动机中一种掺镍化合物制成称作718合金被广泛的用于制造波音777客机上的发动机的压缩机、叶片及紧固件。qq形状记忆合金形状记忆合金形状记忆合金形状记忆合金超级钢超级钢超级钢超级钢 近来，钢铁工业已经开发出一种汽车用钢，比原先的轻24%，而强度高34%，称为超超超超级级级级钢钢钢钢。其优点是：高撞击能量吸收率；高强度-质量比；实用新型制造工艺；可以有多种不同性能(寿命、防锈等）。本课程的主要内容本课程的主要内容本课程的主要内容本课程的主要内容本课程的主要内容本课程的主要内容：1.1.材料的微观结构，包括原子的排列方式，理想的完整结构、不完整材料的微观结构，包括原子的排列方式，理想的完整结构、不完整结构（晶体缺陷）、固体中原子和分子的运动（扩散）、材料的变形和结构（晶体缺陷）、固体中原子和分子的运动（扩散）、材料的变形和回复再结晶。回复再结晶。2.2.材料组织结构的变化规律，包括单元系的相变、二元合金系的相变材料组织结构的变化规律，包括单元系的相变、二元合金系的相变规律、三元合金系的相变规律。规律、三元合金系的相变规律。3.3.实际材料的状态，包括晶体、非晶体、亚稳态。实际材料的状态，包括晶体、非晶体、亚稳态。实验内容：实验内容：实验内容：实验内容：1.1.金相显微镜的构造与使用金相显微镜的构造与使用 2.2.金相试样的制备金相试样的制备 3.3.铁碳合金平衡组织的观察铁碳合金平衡组织的观察 4.4.材料的硬度试验材料的硬度试验本课程的特点及学习方法本课程的特点及学习方法q本课程特点本课程特点：概念术语多概念术语多 死记硬背多死记硬背多 相相关关学学科科多多（物物理理学学、化化学学、热热力力学学、矿矿物物学学、金金属属学学、陶陶瓷瓷学学以以及高分子学等）及高分子学等）q学习方法学习方法：作作为为一一门门应应用用学学科科，基基础础理理论论和和基基本本概概念念要要掌掌握握，注注意意重重点点，做做好好笔笔记记；掌掌握握例例题题的的解解题题方方法法，还还要要理理论论联联系系实实践践；要要学学以以致致用用，善善于于归纳总结，实验加以验证；独立完成作业。归纳总结，实验加以验证；独立完成作业。课程安排课程安排性质：必修课，专业基础课性质：必修课，专业基础课性质：必修课，专业基础课性质：必修课，专业基础课q学时：学时：5454学时学时q考核成绩：平时成绩考核成绩：平时成绩30%+30%+闭卷考试成绩闭卷考试成绩70%70%教材教材胡赓祥胡赓祥主编主编 材料科学基础材料科学基础上海交通大学出版社上海交通大学出版社参考书目参考书目q材料科学基础 徐恒钧徐恒钧主编 北京工业大学出版社q材料科学基础 刘智恩刘智恩主编 西北工业大学出版社q材料科学基础 石德珂石德珂主编 机械工业出版社q材料科学基础 潘金生潘金生主编 清华大学出版社q金属材料及热处理 崔忠圻崔忠圻主编 机械工业出版社参考网址参考网址qhttp:/qhttp:/ Allany BromleyBromley明明确确指指出出“材材料科学在美国是最重要的学科料科学在美国是最重要的学科”。q19911991年年日日本本为为未未来来工工业业规规划划技技术术列列举举的的1111项项主主要要项项目目中中有有7 7项是基于先进材料之上。项是基于先进材料之上。q19861986年年科科学学的的美美国国人人杂杂志志指指出出“先先进进材材料料对对未未来来的的宇宇航航、电电子子设设备备、汽汽车车以以及及其其他他工工业业的的发发展展是是必必要要的的，材材料料科学的进步决定了经济关键部门增长速率的极限范围。科学的进步决定了经济关键部门增长速率的极限范围。”q可见，材料科学历来是技术进步的支柱可见，材料科学历来是技术进步的支柱