材料科學基礎(chǔ)

1、緒論一、一、材料科學基礎(chǔ)材料科學基礎(chǔ)的基本概念的基本概念二、二、材料科學基礎(chǔ)材料科學基礎(chǔ)的地位的地位三、學習三、學習材料科學基礎(chǔ)材料科學基礎(chǔ)的意義的意義四、四、材料科學基礎(chǔ)材料科學基礎(chǔ)的內(nèi)容的內(nèi)容五、如何學好五、如何學好材料科學基礎(chǔ)材料科學基礎(chǔ)材料科學基礎(chǔ)材料科學基礎(chǔ)的基本概念的基本概念 材料材料是指人類社會能接受地，經(jīng)濟地的制造有用物品的物質(zhì)。是指人類社會能接受地，經(jīng)濟地的制造有用物品的物質(zhì)。 材料科學材料科學是研究材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、制備工藝、加工工藝、材料的性是研究材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、制備工藝、加工工藝、材料的性能與材料應(yīng)用之間的相互關(guān)系的科學。材料科學是當代科學技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)、能與

2、材料應(yīng)用之間的相互關(guān)系的科學。材料科學是當代科學技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)、工業(yè)生產(chǎn)的支柱，是當今世界的帶頭學科之一。納米材料科學與技術(shù)是工業(yè)生產(chǎn)的支柱，是當今世界的帶頭學科之一。納米材料科學與技術(shù)是2020世紀世紀8080年代發(fā)展起來的新興學科，成為年代發(fā)展起來的新興學科，成為2121世紀新技術(shù)的主導中心世紀新技術(shù)的主導中心。 材料科學基礎(chǔ)材料科學基礎(chǔ)是進行材料科學研究的基礎(chǔ)理論，它將各種材料（包括金屬、是進行材料科學研究的基礎(chǔ)理論，它將各種材料（包括金屬、陶瓷、高分子材料）的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)規(guī)律建立在共同的理論基礎(chǔ)上，用陶瓷、高分子材料）的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)規(guī)律建立在共同的理論基礎(chǔ)上，用于指導材料的

3、研究、生產(chǎn)、應(yīng)用和發(fā)展。它涵蓋了材料科學和材料工程的基礎(chǔ)于指導材料的研究、生產(chǎn)、應(yīng)用和發(fā)展。它涵蓋了材料科學和材料工程的基礎(chǔ)理論。理論。材料科學基礎(chǔ)的地位材料科學基礎(chǔ)的地位 人類社會發(fā)展的歷史階段常常用當時主要使用的材料來劃分。從古代到現(xiàn)在人類社會發(fā)展的歷史階段常常用當時主要使用的材料來劃分。從古代到現(xiàn)在人類使用材料的歷史共經(jīng)歷了七個時代，各時代的開始時間：人類使用材料的歷史共經(jīng)歷了七個時代，各時代的開始時間： 石器時代（公元前石器時代（公元前1010萬年）萬年） 青銅器時代（公元前青銅器時代（公元前30003000年）年） 鐵器時代（公元前鐵器時代（公元前10001000年年 水泥時代（公元

4、水泥時代（公元0 0年）年） 鋼時代（鋼時代（18001800年）年） 硅時代（硅時代（19501950年）年） 新材料時代（新材料時代（19901990年）年）學習料料科學基礎(chǔ)的意義學習料料科學基礎(chǔ)的意義（一）材料科學的內(nèi)涵（一）材料科學的內(nèi)涵 材料科學是一個跨物理、材料科學是一個跨物理、化學等的學科?；瘜W等的學科。材料科學材料科學的核的核心問題是心問題是材料的組織結(jié)構(gòu)材料的組織結(jié)構(gòu)（StructureStructure）和性能）和性能（PropertyProperty）以及它們之間的以及它們之間的關(guān)系。右圖為關(guān)系。右圖為材料科學與工程材料科學與工程四要素。四要素。所以，先要了解材料所以，先

5、要了解材料的結(jié)構(gòu)是什么？的結(jié)構(gòu)是什么？材料結(jié)構(gòu)關(guān)系材料結(jié)構(gòu)關(guān)系 材料的結(jié)構(gòu)包括不同晶體結(jié)構(gòu)和非晶體，以及顯微鏡下的微觀材料的結(jié)構(gòu)包括不同晶體結(jié)構(gòu)和非晶體，以及顯微鏡下的微觀結(jié)構(gòu)，哪些主要因素能夠影響和改變結(jié)構(gòu)？只有了解了這些才結(jié)構(gòu)，哪些主要因素能夠影響和改變結(jié)構(gòu)？只有了解了這些才能實現(xiàn)控制結(jié)構(gòu)的目的。能實現(xiàn)控制結(jié)構(gòu)的目的。 材料的性能包括物理性能、化學性能、力學性能。材料的性能包括物理性能、化學性能、力學性能。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括四個層次：原四個層次：原子結(jié)構(gòu)；結(jié)合子結(jié)構(gòu)；結(jié)合鍵；原子的排鍵；原子的排列方式；顯微列方式；顯微組織組織（二）材料科學與材料工程的關(guān)系（二）材料科學與材料工程

6、的關(guān)系材料科學的形成：材料科學的形成：“材料”早存在，“材料科學”提出于20世紀60年代，1957年蘇聯(lián)衛(wèi)星上天，美國震動很大，在大學相繼建立十余個材料科學研究中心，自此開始，“材料科學”一詞廣泛應(yīng)用。一般來講，一般來講，科學是研究“為什么”的學問，而工程是解決“怎么做”的學問。材料科學的基礎(chǔ)理論，為材料工程指明方向，材料科學的基礎(chǔ)理論，為材料工程指明方向，為更好地選擇、使用材料，發(fā)揮現(xiàn)有材料的潛力、發(fā)展新材料為更好地選擇、使用材料，發(fā)揮現(xiàn)有材料的潛力、發(fā)展新材料提供理論基礎(chǔ)。提供理論基礎(chǔ)。材料科學和材料工程之間的區(qū)別主要在于著眼點的不同或者說材料科學和材料工程之間的區(qū)別主要在于著眼點的不同或

7、者說各自強調(diào)的中心不同，它們之間并沒有一條明確的界線，因此，各自強調(diào)的中心不同，它們之間并沒有一條明確的界線，因此，后來人們常常將二者放在一起，采用一個復合名詞后來人們常常將二者放在一起，采用一個復合名詞材料科學與工程（MSE，Material Science and Engineering）材料科學材料科學 ：是一門科學，它從事與材料本質(zhì)的發(fā)現(xiàn)、分析和了解方面的研究，其目的在于提供材料結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一描繪或模型，以及解釋這種結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。它包括下面的三個環(huán)節(jié)，核心是結(jié)構(gòu)和性能。材料工程材料工程：是工程的一個領(lǐng)域，其目的在于經(jīng)濟地，而又為社會所能接受地控制材料的結(jié)構(gòu)、性能和形狀。它包括下面的

8、五個環(huán)節(jié)。工藝結(jié)構(gòu)性能材料科學工藝結(jié)構(gòu)性能材料工程設(shè)備構(gòu)件行為（三）（三） 材料的分類材料的分類 通常根據(jù)材料的結(jié)構(gòu)和用途來分類。通常根據(jù)材料的結(jié)構(gòu)和用途來分類。是以強度，剛是以強度，剛度，韌性，耐勞性，硬度，疲勞強度等力學性能為特征的材料。度，韌性，耐勞性，硬度，疲勞強度等力學性能為特征的材料。是以聲，光，電，磁，熱等物理性能為特征的材料。是以聲，光，電，磁，熱等物理性能為特征的材料。 本課程是按金屬、陶瓷、高分子和它們的復合材料來組織教本課程是按金屬、陶瓷、高分子和它們的復合材料來組織教材的內(nèi)容的。材的內(nèi)容的。 結(jié)構(gòu)材料實際上是一種按結(jié)合鍵種類結(jié)構(gòu)材料實際上是一種按結(jié)合鍵種類來分類的方法。

9、由此可將材料分為來分類的方法。由此可將材料分為金屬、金屬、陶瓷、高分子陶瓷、高分子和由金屬、陶瓷和高分子分和由金屬、陶瓷和高分子分別組合成的各種別組合成的各種復合材料材料復合材料材料。金屬材料：黑色金屬材料（鋼鐵）、有色黑色金屬材料（除鋼鐵金屬材料：黑色金屬材料（鋼鐵）、有色黑色金屬材料（除鋼鐵以外的）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、橡膠合成纖維高分子材料：塑料、橡膠合成纖維復合材料：金屬基復合材料、陶瓷基復合材料、樹脂基復合材料復合材料：金屬基復合材料、陶瓷基復合材料、樹脂基復合材料功能材料：電子材料、光電子材料、超導材料功能材料

10、：電子材料、光電子材料、超導材料（四）材料的應(yīng)用（四）材料的應(yīng)用讓我們回顧幾項有影響的事例，以便加深理解材料的發(fā)展在人類社會發(fā)讓我們回顧幾項有影響的事例，以便加深理解材料的發(fā)展在人類社會發(fā)展中起了舉足輕重的作用。展中起了舉足輕重的作用。計算機與材料計算機與材料 1 1、計算機經(jīng)歷：電子管、計算機經(jīng)歷：電子管晶體管晶體管集成電路時代集成電路時代 2 2、個人電腦移動存儲器的比較、個人電腦移動存儲器的比較 材料科學的發(fā)展是計算機飛速發(fā)展的基礎(chǔ)材料科學的發(fā)展是計算機飛速發(fā)展的基礎(chǔ)種類使用的材料存儲容量特點軟盤氧化鐵1.44 Mb容量小，文本文件存儲CDRW以ZnS等為主的陶瓷材料650 MbCD光盤

11、，價低，用量大MO(磁光盤)TbFeCo合金磁光材料650 Mb，1.3G需專用驅(qū)動器，價格高，局限在廣告圖形用戶DVDRWZnS等為主的陶瓷材料單面單層為4.7 GbCDRW和CD光盤，用量大飛機和材料飛機和材料 從萊特兄弟實現(xiàn)飛行的夢想以來，航空和航天器發(fā)生了巨變。為了飛得快從萊特兄弟實現(xiàn)飛行的夢想以來，航空和航天器發(fā)生了巨變。為了飛得快和遠，就要采用強度高和比重小的材料，重視材料的比強度，即強度和遠，就要采用強度高和比重小的材料，重視材料的比強度，即強度/ /比重比重之比。因此，航空和航天器中鋁、鎂合金用量大。隨著航空技術(shù)的進一步之比。因此，航空和航天器中鋁、鎂合金用量大。隨著航空技術(shù)的

12、進一步發(fā)展，輕質(zhì)和高比強度的鈦合金、碳纖維高分子復合材料、硼纖維金屬復發(fā)展，輕質(zhì)和高比強度的鈦合金、碳纖維高分子復合材料、硼纖維金屬復合材料等得到愈來愈多的采用。合材料等得到愈來愈多的采用。實例壓氣機葉片壓氣機機匣飛機尾翼硼纖維鋁合金板和管材料鋁合金鈦合金碳纖維復合材料硼纖維增強鋁合金強度范圍 MPa150450350110010001200 （順纖維方向） 1500（順纖維方向） 比強度MPa5516080245625750570待升空的美國航天飛機待升空的美國航天飛機 鈦結(jié)構(gòu)自行車：鈦結(jié)構(gòu)自行車： “自行車發(fā)燒友” 選擇鈦合金制自行車。鈦合金的應(yīng)用場合很特殊。通常用于需要抗腐蝕，耐疲勞，高

13、彈性的場合。 生命科學材料生命科學材料原來使用專用的汞合金，為防止金屬合金的分解已經(jīng)開發(fā)出一種可以滿足口腔中特殊的物理及化學環(huán)境的新型陶瓷。具體來講，它需要滿足下列要求：耐口腔中的酸；低熱導率（這對你吃冷飲有好處）；盡得住數(shù)年的咀嚼力；耐驟冷驟熱；當然還要口感舒適。 碳、硼纖維及環(huán)氧化合物復合材料非常輕，可以在某特定方碳、硼纖維及環(huán)氧化合物復合材料非常輕，可以在某特定方向上增加強度（用于特殊目的）向上增加強度（用于特殊目的）。 材料的主要性能取決于母體，加入合金元素成分將改善金屬的物理及機械性能強度、耐力、使用壽命。在飛機發(fā)動機中一種摻鎳化合物制成稱作718合金被廣泛的用于制造波音777客機上

14、的發(fā)動機的壓縮機、葉片及緊固件。近來，鋼鐵工業(yè)已經(jīng)開發(fā)出一種汽車用鋼，比原先的輕24%，而強度高34%，稱為。其優(yōu)點是：高撞擊能量吸收率；高強度-質(zhì)量比；實用新型制造工藝；可以有多種不同性能(壽命、防銹等）。： 1. 1. 材料的微觀結(jié)構(gòu)，包括原子的排列方式，理想的完整結(jié)構(gòu)、不完整結(jié)構(gòu)材料的微觀結(jié)構(gòu)，包括原子的排列方式，理想的完整結(jié)構(gòu)、不完整結(jié)構(gòu)（晶體缺陷）、固體中原子和分子的運動（擴散）、材料的變形和回復再結(jié)（晶體缺陷）、固體中原子和分子的運動（擴散）、材料的變形和回復再結(jié)晶。晶。 2. 2. 材料組織結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，包括單元系的相變、二元合金系的相變規(guī)律、材料組織結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，包括單元系

15、的相變、二元合金系的相變規(guī)律、三元合金系的相變規(guī)律。三元合金系的相變規(guī)律。 3. 3. 實際材料的狀態(tài)，包括晶體、非晶體、亞穩(wěn)態(tài)。實際材料的狀態(tài)，包括晶體、非晶體、亞穩(wěn)態(tài)。 1. 1. 金相顯微鏡的構(gòu)造與使用金相顯微鏡的構(gòu)造與使用 2. 2. 金相試樣的制備金相試樣的制備 3. 3. 鐵碳合金平衡組織的觀察鐵碳合金平衡組織的觀察 4. 4. 材料的硬度試驗材料的硬度試驗本課程特點本課程特點： 概念術(shù)語多概念術(shù)語多 死記硬背多死記硬背多 相關(guān)學科多（物理學、化學、熱力學、礦物學、金屬學、陶瓷學以及高相關(guān)學科多（物理學、化學、熱力學、礦物學、金屬學、陶瓷學以及高分子學等）分子學等）學習方法學習方法

16、： 作為一門應(yīng)用學科，基礎(chǔ)理論和基本概念要掌握，注意重點，做好筆記；作為一門應(yīng)用學科，基礎(chǔ)理論和基本概念要掌握，注意重點，做好筆記；掌握例題的解題方法，還要理論聯(lián)系實踐；要學以致用，善于歸納總結(jié)，實掌握例題的解題方法，還要理論聯(lián)系實踐；要學以致用，善于歸納總結(jié)，實驗加以驗證；獨立完成作業(yè)。驗加以驗證；獨立完成作業(yè)。課程安排課程安排 學時：學時：5454學時學時 考核成績：平時成績考核成績：平時成績30% + 30% + 閉卷考試成績閉卷考試成績70%70%教材教材胡賡祥胡賡祥主編主編 材料科學基礎(chǔ)材料科學基礎(chǔ)上海交通大學出版社上海交通大學出版社 材料科學基礎(chǔ) 徐恒鈞徐恒鈞主編 北京工業(yè)大學出版

17、社 材料科學基礎(chǔ) 劉智恩劉智恩主編 西北工業(yè)大學出版社 材料科學基礎(chǔ) 石德珂石德珂主編 機械工業(yè)出版社 材料科學基礎(chǔ) 潘金生潘金生主編 清華大學出版社 金屬材料及熱處理 崔忠圻崔忠圻主編 機械工業(yè)出版社 http:/ http:/ 36/fms/（交大精品課程） http:/ http:/ http:/ http:/www.c-e- http:/是一個由多種材料決定社會和經(jīng)濟發(fā)展的時代；是一個由多種材料決定社會和經(jīng)濟發(fā)展的時代；新材料以人造為特征，非自然界中現(xiàn)成有的新材料以人造為特征，非自然界中現(xiàn)成有的; ;新材料是根據(jù)我們對材料的物理和化學性能的了解，為了特定新材料是根據(jù)我們對材料的物理和化學性能的了解，為了特定的需要設(shè)計和加工而成的；的需要設(shè)計和加工而成的；這些新材料使新技術(shù)得以產(chǎn)生和應(yīng)用，而新技術(shù)又促進了新工這些新材料使新技術(shù)得以產(chǎn)生和應(yīng)用，而新技術(shù)又促進了新工業(yè)的出現(xiàn)和發(fā)展，從而使國家財富和就業(yè)增加。業(yè)的出現(xiàn)和發(fā)展，從而使國家財富和就業(yè)增加。 19901990年美國總統(tǒng)的科學顧問年美國總統(tǒng)的科學顧問AllanyAllany Bromley Bromley明確指出明確指出“材料科材料科學在美國是最重要的