材料科學基礎45981課件

材料科學基礎說課曾榮昌教授材料及材料科學的發(fā)展史《材料科學基礎》課程簡介《材料科學基礎》教材和參考書《材料科學基礎》內容和重點《材料科學基礎》學習方法什么是材料科學（materialsscience）？材料科學是研究材料的成分、組織結構、制備工藝與材料性質和使用效能，以及它們之間相互關系的科學。材料科學是多學科交叉與結合的結晶，是一門與工程技術密不可分的應用科學。材料科學對生產、使用和發(fā)展新材料具有指導意義。1.材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質基礎材料是人類用來制造機器、構件、器件和其他產品的物質。材料廣泛地應用于機械、交通運輸、建筑、能源等各行各業(yè)等。材料按化學狀態(tài)分為：金屬材料、陶瓷材料、無機非金屬材料、高分子材料、復合材料。20世紀70年代，人們把信息、材料和能源作為社會文明的支柱。80年代，隨著高技術群的興起，又把新材料與信息技術、生物技術并列作為新技術革命的重要標志。現(xiàn)代社會，材料已成為國民經(jīng)濟建設、國防建設和人民生活的重要組成部分。2.人類的文明史就是材料的發(fā)展史材料是人類進化的里程碑，人類經(jīng)歷了：石器時代青銅器時代（公元前5000年）鐵器時代（公元前1200年）19世紀中葉，鋼鐵時代20世紀中葉，高分子材料電子材料時代（20世紀初）在材料科學這個名詞出現(xiàn)以前，金屬材料、高分子材料與陶瓷材料科學都已自成體系，它們之間存在著頗多相似之處，可以相互借鑒，促進本學科的發(fā)展。如馬氏體相變本來是金屬學家提出來的，而且廣泛地用來作為鋼熱處理的理論基礎。但在氧化鋯陶瓷材料中也發(fā)現(xiàn)了馬氏體相變現(xiàn)象，并用來作陶瓷增韌的一種有效手段。各類材料的研究設備與生產手段也有很多相似之處。

雖然不同類型的材料各有專用測試設備與生產裝置，但更多的是相同或相近的，如顯微鏡、電子顯微鏡、表面測試及物理性能和力學性能測試設備等。

在材料生產中，許多加工裝置也是通用的。研究設備與生產裝備的通用不但節(jié)約了資金，更重要的是相互得到啟發(fā)和借鑒，加速了材料的發(fā)展?？茖W技術的發(fā)展，要求不同類型的材料之間能相互代替，充分發(fā)揮各類材料的優(yōu)越性，以達到物盡其用的目的。

長期以來，金屬、高分子及無機非金屬材料學科相互分割，自成體系。由于互不了解，習慣于使用金屬材料的想不到采用高分子材料，即使想用，又對其不太了解，不敢問津。

相反，習慣于用高分子材料的，也不想用金屬材料或陶瓷材料。

因此，科學技術發(fā)展對材料提出的新的要求，促進了材料科學的形成。材料科學是現(xiàn)代科學技術發(fā)展的基礎、工業(yè)生產的支柱在近代科學技術的推動下，材料品種日益增多，不同效能的新材料不斷涌現(xiàn)，原有材料的性能也更為改善與提高。硅半導體材料的工業(yè)化生產，使計算機技術進入了超大規(guī)模集成電路時代；高溫高強度材料的出現(xiàn)，促進了宇航工業(yè)的發(fā)展；隱形材料的研制成功，使現(xiàn)代戰(zhàn)爭撲朔迷離。材料科學的作用研發(fā)新材料，需要材料科學理論指導；發(fā)展材料科學理論，必須融合其他學科，如物理、化學、力學、生物醫(yī)學、工程學的理論，進行交叉與滲透。如：材料與物理—材料物理材料與化學－材料化學材料與力學－材料力學材料與生物醫(yī)學－生物材料材料與工程學－材料工程圖3材料四要素（英國科學家）

材料要素Synthesis/Composition成分/結構合成/加工表征性能效能材料科學與工程所探討的是材料的制備、結構、性能與功效之間的相互關系。材料科學的形成歷史與人類使用材料的漫長歷史相比，科學家研究材料科學的歷史比較短暫。由于實用的金屬與陶瓷材料多半是多組元的復相物質，使得習慣于研究簡單物質的科學家望之而卻步。因而長期以來，材料的發(fā)展依靠匠師們窮年累月里匯聚起來的手藝、訣竅和經(jīng)驗。到19世紀中葉以后，轉爐與平爐煉鋼相繼問世，鋼鐵生產開始成為大規(guī)模的企業(yè)。而鋼鐵熱處理過程是影響鋼鐵質量的關鍵問題，亟需科學研究?？茖W家首先應用光學顯微鏡來觀察拋光金屬表面的顯微組織的變化，確定了一些重要的物相，開辟了金相學這一學科。材料科學導論,馮端、師昌緒、劉治國主編,化學工業(yè)出版社,2006.01在19世紀，熱力學與經(jīng)典統(tǒng)計力學相繼問世，對于這兩個學科都有杰出貢獻的科學家JWGibbs于1878年發(fā)表了著名的長篇論文“論復相物質的平衡”(OntheEquilibriumofHeterogeneousSubstances)，從而對物理化學產生深遠的影響，同時也為理解材料的相平衡的規(guī)律(包括相律)，乃至相變動力學等重要問題，提供了必要的科學依據(jù)。材料科學導論,馮端、師昌緒、劉治國主編,化學工業(yè)出版社,2006.01在1925年后，微觀世界的基本規(guī)律—量子力學得以確立。在原子物理學范圍內取得巨大成功之后，隨將它應用于分子與化學鍵，開創(chuàng)了量子化學，又將它應用于固體，開創(chuàng)了固體物理學。這兩門新學科的建立，為理解材料的鍵合與物性等問題，提供了充分的科學依據(jù)。材料科學導論,馮端、師昌緒、劉治國主編,化學工業(yè)出版社,2006.011936年Mott與Jones的專著“金屬與合金性質的理論”(TheTheoryofPropertiesofMetalsandAlloys)問世，表明了應用量子力學對理解金屬材料物性所取得的突破。從20世紀30～50年代，作為理解金屬力學性質關鍵的位錯理論得到科學界的確認。Cottrell的著作“理論結構金屬學”(TheoreticalStructuralMetallurgy)于1948年問世，標志了基于當代科學成果的物理金屬學或金屬物理學已趨于成熟。材料科學導論,馮端、師昌緒、劉治國主編,化學工業(yè)出版社,2006.0120世紀50年代電子顯微鏡薄膜透射技術的發(fā)展，為金屬和其他材料的研究提供了強有力的工具，也收獲了豐富的科學成果。1947年晶體管的發(fā)明，又使半導體材料的研究成為科技界注意的焦點。和實用的金屬材料的復雜相對照，實用的半導體材料是非同尋常的單純：超高純度與超高完整性的單晶。其制備和表征都對材料研究工作者提出了強有力的挑戰(zhàn)，也提供了前所未有的發(fā)展機遇，它使材料研究向縱深推進。材料科學導論,馮端、師昌緒、劉治國主編,化學工業(yè)出版社,2006.011957年，蘇聯(lián)人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功之后，美國政府及科技界為之震驚，并認識到先進材料對于高技術發(fā)展的重要性，于是在一些大學相繼成立了十余個材料科學研究中心，從此，材料科學這一名詞開始被人們廣泛地引用。20世紀60年代初，美國許多大學建立了跨學科的材料研究中心，不同類型的材料在同一實驗室平行地被研究，促進了不同材料學科的相互借鑒和融匯貫通。美國高校開始出現(xiàn)以“材料科學與工程”系取代原先的冶金系的變更，將專業(yè)范圍由金屬擴大到陶瓷，然后到高分子材料。1949年創(chuàng)刊的“金屬物理學進展”(ProgressinMetalPhysics)于1961年更名為“材料科學的進展”(ProgressinMaterialsScience)，明確地指出，材料科學是在實用和理論上相當重要的領域，而金屬物理學僅是其重要的組成部分，而非其全部。這是材料科學名稱的首次提出。從此以后，許多大學的冶金系紛紛更名，有代表性的是MIT的冶金系，它于1966年更名為冶金與材料科學系，到1975年再度更名為材料科學與工程系。我國于20時間80年代初開始由熱加工專業(yè)轉為材料科學專業(yè)。

材料科學導論,馮端、師昌緒、劉治國主編,化學工業(yè)出版社,2006.01金屬、半導體和陶瓷之間的共同點較多：以晶態(tài)為主，輔以非晶態(tài)的玻璃。而以高分子為主的有機材料的發(fā)展途徑和研究工具和無機材料有較大差異。天然高分子材料如棉布和絲綢沿用已久。19世紀中硫化橡膠獲得廣泛應用，到19世紀末，人造絲也通行起來了。但高分子的科學研究始于20世紀。通過H.Staudinger,R.Kuhn和P.J.Flory等化學家的努力，高分子科學也趨于成熟，可以用1953年Flory寫的“聚合物化學原理”(PrinciplesofPolymerChemistry)一書為標志。材料科學導論,馮端、師昌緒、劉治國主編,化學工業(yè)出版社,2006.01《材料科學基礎》課程簡介《材料科學基礎》是材料科學與工程、金屬材料專業(yè)本科生的專業(yè)基礎課。本課程從金屬材料工程專業(yè)后續(xù)課程的需要及今后作為工程技術人員的需要出發(fā)，全面、系統(tǒng)地介紹了材料科學的基礎理論知識。本課程立足于材料科學的基本問題，從金屬材料的基本現(xiàn)象、基本概念、基本規(guī)律、基本理論出發(fā)，注重知識的基礎性、系統(tǒng)性、前沿性，并盡可能的聯(lián)系一些實際應用中的問題。通過課堂教學與實驗教學，使學生掌握材料科學的基本知識和基本理論，善于分析和解決問題，同時也培養(yǎng)學生的動手能力、驗證理論、探索新知識的能力。《材料科學基礎》是所有材料類專業(yè)課的基礎。學科型課程體系《材料科學基礎》是所有材料類專業(yè)課的核心材料力學性能材料的腐蝕與防護材料性能測試技術《材料科學導論》-初步認識了材料的基本概況及其在人類社會發(fā)展上的重要作用?！段锢砘瘜W》-學會用基本理論工具研究科學問題。《材料科學基礎》-材料的的基本理論、方法?！恫牧峡茖W與工程（雙語）》-運用科技英語的能力。《固態(tài)相變原理》、《金屬材料學》等專業(yè)課均是本課程某個分支的延伸或者在此基礎上的拓展。教材《材料科學基礎》，胡賡祥、蔡珣、戎詠華編，上海交通大學出版社，2010《材料科學基礎》，石德柯主編，機械工業(yè)出版社《材料科學基礎》，陶杰等編著，化學工業(yè)出版社《FundamentalsofMaterialsScienceandEngineering》，W.D.Callister,Jr.，化學工業(yè)出版社《材料科學基礎雙語輔導教材》，曾榮昌編，待出版《材料科學導論-融貫的論述》，馮端、師昌緒、劉治國，化學工業(yè)出版社，2002《走進材料科學》，R.W.Cahn著，楊柯等譯，化學工業(yè)出版社，2008實驗及參考教材自編實驗教材《金屬材料類專業(yè)實踐教學指導》，楊愛民、姚婷珍主編，中國石化出版社，2011《金屬學實驗指導書》，韓德偉，中南大學出版社，2000《金屬材料工程專業(yè)實驗教程》，那順桑，冶金工業(yè)出版社，2005教學目標掌握材料科學的基本知識和基本理論；運用理論，分析問題和解決問題的能力；理解材料的成分、結構、制備及性能和服役之間的內在聯(lián)系；了解材料科學研究的基本方法；培養(yǎng)動手能力、驗證理論、探索新知識的能力。奠定從事材料領域的工作基礎。理論教學內容第1章原子結構與鍵合1.1原子結構1.2原子間的鍵合1.3高分子鏈第2章固體結構2.1晶體學基礎2.2金屬的晶體結構2.3合金相結構2.4離子晶體結構2.5共價晶體結構2.7準晶、液晶和非晶第3章晶體缺陷3.1點缺陷3.2位錯3.3表面及界面第4章固體中原子及分子的運動4.1表象理論4.2擴散的熱力學分析4.3擴散的原子理論4.4擴散激活能4.5無規(guī)則行走與擴散距離4.6影響擴散的因素4.7反應擴散4.8離子晶體中的擴散第5章材料的形變和再結晶5.1彈性和黏彈性5.2晶體的塑性變形5.3回復和再結晶5.4熱變形與動態(tài)回復、再結晶5.5陶瓷和高聚物變形的特點第6章單組元相圖及純晶體的凝固6.1單元系相變的熱力學及相平衡6.2純晶體的凝固6.3氣-固相變與薄膜生長第7章二元系相圖和合金的凝固與制備原理7.1相圖的表示和測定方法7.2相圖熱力學的基本要點7.3二元相圖分析7.4二元合金的凝固理論7.6陶瓷合金概述第8章三元相圖8.1三元相圖的基礎8.2固態(tài)互不溶解的三元共晶相圖8.3固態(tài)有限互溶的三元共晶相圖8.4兩個共晶型二元系和一個勻晶型二元系構成的三元相圖8.5包共晶型三元系相圖8.6具有四相平衡包晶轉變的三元系相圖8.7形成穩(wěn)定化合物的三元系相圖第9章材料的亞穩(wěn)態(tài)9.1納米晶材料9.2準晶態(tài)9.3非晶態(tài)材料9.4固體相變形成的亞穩(wěn)相雙語教學采用化學工業(yè)出版社引進的美國原版教材《Fundamentalsofmaterialsscienceandengineering》（WilliamD.Callister,Jr.），并自編《材料科學基礎雙語輔導教材》。使用純英文PPT，中英文對照講授，課堂教學給學生提供一種英語語言環(huán)境，注重學生使用英語的能力培養(yǎng)，全方位提高學生聽、說、讀、寫、譯能力。第一章重點與難點重要概念分子、原子；主量子數(shù)n、軌道角量子數(shù)li、磁量子數(shù)mi、自旋角動量量子數(shù)si；能量最低原理、Pauli不相容原理、Hund規(guī)則；元素、元素周期表、周期、族；結合鍵、金屬鍵、離子鍵、共價鍵、范德華力、氫鍵；第一章重點與難點1、描述原子中電子的空間位置和能量的4個量子數(shù)。2、核外電子排布遵循的原則。3、元素性質、原子結構和該元素在周期表中的位置三者之間的關系。4、原子間結合鍵分類及其特點。第二章重點與難點空間點陣的概念以及選取晶胞的原則七個晶系，十四種布拉維空間點陣的特征晶向指數(shù)與晶面指數(shù)的標定晶帶定律的應用晶面間距的確定與計算第三章重點與難點位錯的基本類型與特征重要概念：刃位錯、螺型位錯、混合位錯1、點缺陷的形成與平衡濃度；2、位錯的基本類型和特征；3、柏氏矢量的確定、物理意義及守恒性；4、分析歸納位錯運動的兩種基本形式：滑移和攀移的特點；5、分析運動位錯的交割及其所形成的扭折或割階不同的情況；6、比較螺型位錯與刃型位錯的應力場、應變能的異同點；7、外加切應力、位錯附近原子實際所受的力、作用于位錯的組態(tài)力、位錯的線張力、位錯間的交互作用力相互之間的關系與區(qū)別；8、位錯的增殖機制；9、堆垛層錯與不全位錯、位錯反應的條件、擴展位錯的生成、寬度和運動；10、表面與界面；第四章重點和難點菲克第一定律的含義和各參數(shù)的量綱。對于典型的擴散問題，利用菲克第二定律求解。可肯達爾效應?！吧掀聰U散”和“下坡擴散”的熱力學判別條件。擴散的機制：間隙和空位機制。計算和求解擴散系數(shù)和擴散激活能的方法。無規(guī)行走的擴散距離與步長的關系。影響擴散的主要因素。反應擴散的特點和相類型確定的方法。第五章重點和難點彈性變形的特點和胡克定律彈性的不完整性和黏彈性比較滑移和孿生的異同點滑移的臨界分切應力滑移的位錯機制多晶體塑性變形的特點細晶強化與Hall-Petch公式屈服和應變時效彌散強化加工硬化(11)形變織構與殘余應力(12)回復動力學與回復機制(13)再結晶形核機制(14)再結晶動力學(15)再結晶溫度及其影響因素(16)影響再結晶晶粒大小的因素(17)晶粒的正常長大及其影響因素(18)一次與二次再結晶，以及靜態(tài)與動態(tài)再結晶的區(qū)別重要概念彈性變形彈性模量包申格效應彈性后效彈性滯后黏彈性塑性變形滑移滑移系交滑移雙交滑移臨界分切應力施密特因子軟取向硬取向派-納力孿生孿晶孿晶面扭折固溶強化屈服強度應變時效加工硬化彌散強化形變織構絲織構板織構殘余應力點陣畸變帶狀組織流線回復再結晶晶粒長大二次再結晶冷加工熱加工動態(tài)再結晶儲存能多邊化再結晶溫度弓出形核臨界變形量再結晶織構退火孿晶幾個重要公式虎克定律

σ=Eε

τ=G滑移的臨界分切應力

τ＝ｓｃｏｓｃｏｓ=mｓ派-納力（Peierls-Nabarro）Hall-Petchequations=0+kd-1/2彌散強化關系式聚合物合金強化關系加工硬化關系回復動力學再結晶動力學再結晶的極限平均晶粒直徑再結晶晶粒大小與溫度之間的關系阿累尼烏茲公式的應用擴散系數(shù)空位濃度凝固形核率回復再結晶速率固態(tài)相變蠕變速率第六章重點與難點1、相律的應用；2、明確結晶相變的熱力學、結構及能量條件；3、了解過冷度在結晶過程中的意義，過冷度、臨界過冷度、動態(tài)過冷度之間的區(qū)別；4、均勻形核與非均勻形核的成因及在生產中的應用，均勻形核時臨界晶核半徑和形核功推導；5、潤濕角的變化范圍及其含義；6、液-固界面的分類及其熱力學判據(jù)；7、晶體生長方式及其對生長速率的關系；8、液-固界面結構和液-固界面前沿液體的溫度分布對晶體形態(tài)的影響；9、能用結晶理論說明生產實際