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1、材料科学基础Foundations of Materials Science,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,2,教学目的与要求1.掌握材料科学研究的内容及其要素之间的逻辑关系.2.了解材料发展的现状与发展趋势.3.了解本课程的主要内容和学习方法.,绪 论,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,3,绪论部分主要介绍以下几个方面的内容: 一. 什么是材料和材料科学基础? 二. 材料科学的地位和作用。 三. 材料的分类。 四. 为什么要学习材料科学基础? 五.材料科学基础课程的主要内容。 六.材料科学基础课程的特点、学习方法和安排。,2022/11/11,材料
2、科学与工程学院材料学教研室,4,请同学们能不能根据材料的发展来划分历史？如果能，是怎样划分的？,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,5,一.什么是材料和材料科学基础?,材料（Materials）是指人类社会能接受地，经济地的制造有用物品的物质。是具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质。 广义的材料：包括人们的思想意识之外的所有物质(substance)。材料是国民经济的物质基础。 材料包括：天然材料和人工材料。 材料无处不在，无处不有：工农业生产、国防、科学技术、人民生活。 材料、能源和信息是现代技术的三大支柱(1998)。 生物工程、信息技术和新材料是现代技术
3、的三大支柱。 材料品种、数量和质量是国家现代化程度标志之一。,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,6,材料科学（Materials Science）是研究材料的成分、组织结构、制备工艺、加工工艺、材料的性能与材料应用之间的相互关系的科学。材料科学是当代科学技术发展的基础、工业生产的支柱，是当今世界的带头学科之一。 材料科学基础(Foundations of Materials Science）是进行材料科学研究的基础理论，它将各种材料（包括金属、陶瓷、高分子材料等）的微观结构和宏观结构规律建立在共同的理论基础上，用于指导材料的研究、生产、应用和发展。它涵盖了材料科学和材料工程
4、的基础理论。,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,7,二、材料的地位和性质,每一种新材料的应用是人类进化和发展的里程碑。材料是人类社会发展的巨大推动力，生产工具制造的物质基础是材料 材料的发展史就是人类社会的发展史。 材料的发展史就是科学技术的发展史。,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,8,由于材料的重要性，历史学家常常根据人类使用的材料来划分人类社会发展的历史阶段。从古代到现在人类使用材料的历史共经历了七个时代，其中的有些时代持续了几个世纪，各时代的开始时间：旧、新石器时代（公元前10万年）陶器时代青铜器时代（公元前3000年）铁器时代（公元前1000年
5、）水泥时代（公元0年）钢时代（1800年）硅时代（1950年）新材料时代（1990年、特征是多种材料并存）,1.材料的发展史，就是人类社会的发展史,材料发展动力： 社会需求（市场拉动） 技术发展（技术推动） 科学发展（对物质的了 解，是创新的源泉）,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,9,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,10,材料的历史：300,000 BC3,500 BC,燧石：神奇的石头，这种容易制成工具的石头，开始了制陶业的发展（300000BC)。 天然金与铜被用作工具与武器，开始了人类金属的使用（5500 BC） 熔炼和锤击改变了铜的性能-材料
6、开始发展 （5000 BC）,石斧、凿、刀、铲、箭头、纺轮、钵等（西安半坡遗址）,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,11,金属铸造工艺-人们得到了他们需要的形状 (4000BC、最早的模铸件：一个铜制杖头)从矿石中提炼铜-冶金业的黎明 （3500BC、埃及古墓壁画是人类冶金业的最早纪录之一 ）青铜的使用-制造合金 （ 3000BC、青铜：第一种合金）,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,12,湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,13,三星堆遗址文化距今48002800年，延续时间近2000年(1986年四川广
7、汉三星堆),青铜立人像：商代晚期，人像人像高172厘米，底座高90厘米，通高261,厘米, 整体由立人像和台座两大部分接铸而成。,青铜辫索冠人头像：高13.7厘米祭祀坑出土圆头顶，头戴辫索状帽箍，耳较圆，两耳各有三个穿孔，耳上端的鬓发清晰可 见。颇具土著风格,青铜鹰形铃:高14.24厘米，宽6.5厘米，厚3.55厘米, 铃呈鹰蹲栖状，两侧有翼状扉棱，两面有羽翅状阴纹。,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,14,神兽:春秋时期，高48厘米，1990年河南省淅川徐家岭楚墓出土。龙首、虎颈、虎身、虎尾、龟足，张口吐舌，牙齿犀利。龙首上附六条蛇形龙。脊背上有有一方座，座上有一神兽也为
8、龙首，口衔一条龙，龙 首。通身饰动物纹和云纹，满嵌绿松石,编钟：春秋中期，1978年河南淅川出土，最大钟通高120.4厘米，舞修52.3厘米，铣间59.7厘米。该钟一组26件，形制相同，大小依次递减。,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,15,莲鹤方壶：春秋，1923年河南新郑李家园出土。高117厘米，口长30.5厘米，口宽24.9厘米。,云纹铜禁：春秋中期，1978年河南淅川下寺出土。高28.8厘米，器身长103厘米，宽46厘米，禁为承置酒器的案，其器身以粗细不同的铜梗支撑多层镂空云纹，十二只龙形异兽攀缘于禁的四周，另十二只蹲于禁下为足。这是我国迄今发现用失蜡法铸造的时代最
9、早的铜器，其工艺精湛复杂，令人叹为观止。,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,16,秦陵兵马俑 铜马车,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,17,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,18,乳钉纹爵,唐三彩,裂纹釉,景德镇陶瓷,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,19,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,20,材料的历史：3,000 BC1,855 AD,铁的发现 （1450BC、铁制车轮）炼铁的需要促使了鼓风机与熔炉的发明（1500AD、廉价的冶铁业）Henry Bessemer(1813-1898)拥有
10、钢铁冶炼的专利-当代钢铁冶炼的出现。他的方法是钢铁制品信能大大改观而成本也降低不少。（1855AD）,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,21,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,22,材料的历史：1,886 ADNOW,电化学方法冶炼铝：使铝成为一种常用金属 （1866）尼龙的商业发展，高分子材料发展的关键时期 （1939、尼龙的发明）高温合金的发展：掺镍合金促进了喷气发动机的发展（1950s)钢铁冶炼新技术的发展：,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,23,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,24,制作越来越小的硅芯片
11、 (1960S、硅芯片变得更小了）高温超导体，高温超导的革命时代 (1980S、高温超导体）,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,25,总之，材料发展是：,天然 人工,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,26,材料在人类社会现代化过程中发挥了关键作用。 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。,2.材料的发展史，就是科学技术的发展史,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,27,计算机与材料： 1.计算机经历：电子管1906年晶体管1948年集成电路时代 1958年 2.个人电脑移动存储器的比较。材
12、料科学的发展是计算机飞速发展的基础。,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,28,集成电路发展历程,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,29,2010年11月，NVIDIA发布全新含30亿晶体管的GF110核心,晶体管之父,william shockle,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,30,器件缩小100万倍，单价下降100万倍。,信息与材料：材料将人类社会带入了信息时代 。 信息获取（传感器：化合物）信息传递（光纤：无机、有机材料）信息贮存（金属与合金）信息显示（用于液晶显示的非晶硅、有机液晶材料）信息处理（处理器芯片硅锗）。,能源与
13、材料： 贮氢材料(hydrogen storage material)：镁系贮氢合金，主要有镁镍、镁铜、镁铁、镁钛等合金；稀土系贮氢合金，主要是镧镍合金;钛系贮氢合金，有钛锰、钛铬、钛镍、钛铌、钛锆、钛铜及钛锰氮、钛锰铬、钛锆铬锰等合金;锆系贮氢合金，有锆铬、锆锰等二元合金和锆铬铁锰、锆铬铁镍等多元合金;铁系贮氢合金，主要有铁钛和铁钛锰等合金。 太阳能电池材料（硅、合金、化合物半导体GaAs,InP，Cds系，Zn3P2等） 核能用材料（锆合金等）。,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,33,航空、航天材料和材料 从莱特兄弟实现飞行的梦想以来，航空和航天器发生了巨变。为了飞得
14、快和远，就要采用强度高和比重小的材料，重视材料的比强度，即强度/比重之比。随着航空技术的进一步发展，轻质铝、镁合金和高比强度的钛合金、碳纤维高分子复合材料、硼纤维金属复合材料等得到愈来愈多的采用。 发动机（高温合金，金属基复合材料，陶瓷与陶瓷基复合材料）、汽轮机部件（纤维增强金属基复合材料、陶瓷基复合材料）、火箭喷嘴（难熔金属）等。,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,34,高温材料的选用 ：固定式或移动式发动机的热效率都随介质工作温度的提高而提高。30多年来，大型喷气式飞机的发动机推力提高了5倍多，而发动机的重量只增加12倍，这主要靠高温合金的采用。下图是不同时期飞机发动机
15、的工作温度。,喷气发动机起源于上世纪40年代初，当时的工作温度在700 左右，而今民用机接近1500，而军用机在2000左右。这 就要求发展耐高温材料，称之为高温合金。,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,35,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。,航空发动机示意图,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,36,神州飞船及运载火箭,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,37,形状记忆合
16、金,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,38,材料和生活用品钛结构自行车：“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,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,39,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。,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,40,复合材料 碳、硼纤维及环氧化合物复合材料
17、非常轻，可以在某特定方向上增加强度（用于特殊目的）。,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,41,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%，称为超级钢。 优点：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）。,国家大剧院设计图(顶部采用纳米材料制造),纳米材料：,通向月球的碳纳米管天梯想象图,纳米原子像,纳米泵,纳米红血球,纳米探针,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,44,1990年美国总统的科学顾问Allany.Bromley明确指出：“材料科学在美国是最重要的学科”。 1986
18、年科学的美国人杂志指出：“先进材料对未来的宇航、电子设备、汽车以及其他工业的发展是必要的，材料科学的进步决定了经济关键部门增长速率的极限范围。”材料科学家师昌绪院士：“发展高技术新材料要十分重视应用的开发，从而促进材料的产业化。” 材料科学家徐祖耀院士：“科技创新推动材料科学进步。” 功勋卓越的金属材料指出：“材料科学是何等的重要，它可以使飞机重返蓝天，可以让许多科技设想变成现实，它与国民经济、国防工业、人民生活密切相关，它必将为人类进步作出重要贡献。” 不过现在无论是主要材料的种类还是性能都发展的越来越快。现在每月都有新概念产生，而不是每个年代或每个世纪。,3.中外有关材料的评论,材料科学历
19、来是技术进步的支柱,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,45,新材料阶段是一个由多种材料决定社会和经济发展的时代； 新材料以人造为特征，非自然界中现成有的; 新材料是根据我们对材料的物理和化学性能的了解，为了特定的需要设计和加工而成的； 这些新材料使新技术得以产生和应用，而新技术又促进了新工业的出现和发展，从而使国家财富和就业增加。,4. 新材料阶段的特征,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,46, 按物态划分：气态、液态和固态。 按使用领域：建筑材料、电子材料、医用材料、仪表材料、能源材料等。 根据材料的结构和用途来分类。结构材料是以强度，刚度，韧性，耐劳
20、性，硬度，疲劳强度等力学性能为特征的材料。功能材料是以声，光，电，磁，热等物理性能为特征的材料。 按组成和结合健性质(属性)：金属材料、陶瓷（无机非金属）材料、有机高分子材料以及它们分别组合成的复合材料，还有半导体材料。 按物理形态：晶体材料、非晶态材料和纳米材料。 按几何形态：三维材料、二维材料、一维材料和零维材料。 按材料的发展：传统材料（钢铁，铜，铝，水泥，塑料，陶瓷，. ）和新材料（金属间化合物，高温超导材料，非晶态合金，纳米材料, .） 本课程按金属、陶瓷、高分子和它们的复合材料来组织教材的内容的。,三. 材料的分类,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,47,金属材
21、料：黑色金属材料、有色金属材料无机非金属材料 (或陶瓷材料)：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、树脂基复合材料功能材料：电子材料、光电子材料、超导材料,价键四面体,金属材料 用量最大、应用最广泛的材料！黑色金属（钢和铸铁 ） 钢：碳素钢和合金钢（按成分）；普通钢、优质钢和高级优质钢（按品质）；平炉钢、转炉钢、电炉钢和奥氏体钢（按冶炼法）；结构钢、工具钢、特殊钢及专用钢（按用途）。 铸铁：灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和特殊性能铸铁等。 有色金属(非铁材料：轻金属,重金属,贵金属,稀有金属) 轻金属(密度5)、重金属(密度5)、
22、贵金属、类金属和稀有金属，如A1、Cu、Zn、Sn、Pb、Mg、Ni、Ti及其合金。在工程上占有重要地位。金属材料的基本属性 结合健为金属健，熔点较高，具有金属光泽，范性、展性、延性大，强度较高，结构中存在自由电子，导热和导电性好，在空气中易被氧化。,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,49,铝合金的主要应用领域,战机,舰船,导弹,火箭,人造卫星,战车,高速列车,汽车,高层建筑,无机非金属材料 主要包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。主要原料是硅酸盐矿物，又称硅酸盐材料。 按性能和用途：传统陶瓷和特种陶瓷。 特种陶瓷也称精细陶瓷、高技术陶瓷、先进陶瓷。特种陶瓷是以人工合成化合物
23、为原料制备，用于技术和工程领域，如电子信息、能源、生物、航天航空和其它高新技术领域。机非金属材料的基本属性 化学健主要是离于键、共价健以及它们的混合键； 硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感；熔点高，具有优良的耐高温和化学稳定性；一般自由电子数目少、导热性和导电性较小；耐化学腐蚀性好；耐磨损。,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,51,窗口,陶瓷材料应用,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,52,窗口,窗口材料：蓝宝石金刚石ZnS/金刚石,导弹的眼睛 窗口材料 （ZnS, ZnSe, Al2O3, diamond, ）,高分子材料 以C、H、N、O元素为基
24、础，由大量结构相同的小单元聚合组成，分子量大，并在某一范围内变化。高分子材料的基本属性： 结合健主要为共价健，部分范德华键；分子量大，无明显的熔点，有玻璃化转变温度、粘流温度；力学状态有玻璃态、高弹态和粘流态；强度较高；质量轻；良好的绝缘性；优越的化学稳定性。,高分子材料分类 按来源一般分为天然高分子材料(蛋白、淀粉、纤维素等)和人工合成高分子材料(合成塑料、合成橡胶、合成纤维)两大类； 按性能和使用性质：塑料、橡胶、纤维、粘合剂、涂料等； 按链结构：碳链、杂链、元素高聚物； 按热性质：热塑性、热固性及热稳定性高聚物； 按用途：结构材料、电绝缘材料、耐高温材料、导电高分子、高分子建筑材料、生物
25、医用高分子材料、高分子催化剂、包装材料等。 塑料是重要的高分子材料，分为通用塑料和工程塑料。 通用塑料包括：聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料和氨基塑料。工程塑料：ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚砜、聚苯硫醚、聚酰亚胺和氟塑料等。,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,55,复合材料由基体材料增强材料复合而成。基体材料有金属、陶瓷、塑料等，增强材料有各种纤维和无机化合物等。,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,56,功能材料 是以光、声、电、磁、热等物理性能为指标，用来制造特殊性能的元件的材料。有电子材料、光电子材料、超
26、导材料。,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,57,四.为什么学习料料科学基础,（一）材料科学的内涵 材料科学是一个跨物理、化学等的学科。材料科学的核心问题是材料的组织结构（Structure）和性能（Property）以及它们之间的关系。右图为材料科学与工程四要素。所以，先要了解材料的结构是什么？,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,58,材料科学的核心 通过过程现象揭示材料组成-工艺-结构-性能的关联。 过程是理解结构和性能的重要环节。 结构决定性能，组成与工艺决定结构的形成。 结构因素包括：组成基元、排列、结合类型和运动方式。 结构的层次：原子结构、原
27、子排列、相结构、显微组织、结构缺陷等。,材料结构关系,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,59,微 观 (Micro-),介 观 (Meso-),宏 观 (Macro-),纳 米 (Nano-),2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,60,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,61,1669, N. Steno, 晶面角守恒定律,材料科学的发展过程,1885, A. Bravais, 晶体空间点阵学说,1912, M. Laue*, 晶体的X射线衍射,1915, W. H. Bragg and W. L. Bragg*X射线晶体结构分析方法,*
28、 1914s Nobel prize; *1915s, *1987s.,电子显微镜（SEM、TEM）,扫描探针显微术*（STM、AFM）,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,62,（二）材料科学与材料工程的关系 材料科学的形成：“材料”一词早存在，“材料科学”提出于20世纪60年代，1957年10月4日和11月3日苏联两颗人造卫星上天，分别重80千克和500千克。 美国震动很大，1958年1月31日美国发射“探测者1号”人造卫星仅8千克。美国有关部门联合向总统提出报告认为美国在先进材料的研究方面落后于苏联是关键。对此58年3月18日总统通过科学顾问委员会发布“全国材料规划”，
29、决定在大学相继建立12材料科学研究中心（实验室），自此开始，“材料科学与工程”一词广泛应用。,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,63,一般科学是研究“为什么 Why”的学问，而工程是解决“怎么做 How do”的学问。材料科学的基础理论，为材料工程指明方向，为更好地选择、使用材料，发挥现有材料的潜力、发展新材料提供理论基础。 材料科学和材料工程之间的区别主要在于着眼点的不同或者说各自强调的中心不同，它们之间并没有一条明确的界线，因此，后来人们将二者放在一起形成复合名词材料科学与工程（Material Science and Engineering）,2022/11/11,材
30、料科学与工程学院材料学教研室,64,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。它包括五个环节。,材料科学 ：是一门科学，它从事与材料本质的发现、分析、认识、分析和控制方面的理论体系，其目的在于揭示材料的行为，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。,（三）材料科学的历史基础 18世纪蒸汽机的发明和19世纪电动机的发明，使材料在新品种开发和规模生产等方面发生了飞跃。 金属材料：1856年-转炉钢；1864年-平炉钢；1887年-高锰钢、1903年-硅钢；1910年-镍铬不锈钢。铜、
31、铅、锌、铝、 镁、钛和稀有金属相继问世，世界钢产量从1850年的6万吨突增到1900年的2800万吨，使人类进人了辉煌的钢铁时代。 无机非金属材料：主要包括晶体、陶瓷、水泥、玻璃、耐火材料等，资源丰富，性能价格比高。20世纪中后期，通过合成原料和新的制备技术，出现了一系列特殊功能的先进陶瓷。 高分子材料：20世纪初，人工合成高分子材料问世，1909年-酚醛树脂(胶木)；1925年-聚苯乙烯；1931年-聚氯乙烯；1941年-尼龙，如今世界年产量在1亿吨以上。,1. 基础学科发展奠定材料科学的基础 量子力学、固体物理、无机化学、有机化学、物理化学等基础学科的发展为材料科学奠定了重要基础。 现代分
32、析技术和设备的更新，加深了对物质结构和物理化学性质的理解。 冶金学、金属学、陶瓷学、高分子科学等自身的发展也使对材料的本质认识大大系统化（组成-制备-结构-性能的关系），为学科发展打下坚实的基础。,2. 材料科学范畴下不同材料应用理论的交叉融合 作为钢热处理的马氏体相变理论由金属学科建立，后来氧化锆增韧陶瓷中同样发现了马氏体相变现象，并用来解释相变增韧机理。 缺陷行为、平衡热力学、扩散、塑性变形和断裂机理、界面的精细结构与行为、晶体和玻璃的结构以及它们之间的关系、材料中电子的迁移与约束、原子聚集体的统计力学等概念，在材料中得到应用。,3. 材料测试技术及工艺技术的交叉融合 材料结构与性能的表征
33、参数相通，如显微镜、电子显微镜、表面测试及物理性能测试等。 材料制备与加工中，许多工艺相通，如挤压对金属材料用于成型或冷加工硬化；对高分子材料，通过挤压成丝可使有机纤维的比强度和比刚度大幅度提高。 粉末冶金和现代陶瓷制造已经很难找出明显的区别。 溶胶凝胶法应用于各种材料的制备，这是利用金属有机化合物的水解而得到纳米高纯氧化物粒子的方法。,4. 现代材料技术从多样化、单一化走向一体化、复合化 打破了单一材料间的界限，许多不同类型材料相互代替和补充，充分发挥各种材料的优越性。 复合材料在多数情况下是不同类型材料的组合。 如果对不同类型材料没有一个较全面的认识，对复合材料的设计及性质的理解必然受到影
34、响。,（四）材料科学的发展的动力（四个方面）1.应用需求牵引的推动力 信息技术: 从电子信息处理到光电子信息处理，以至于光子信息处理，需要电子材料、光电子材料、非线性光学材料、波导纤维、薄膜与器件等。 能源工程技术: 要求耐高温、耐磨损、耐腐蚀、高可靠以及寿命可预测的结构材料。2.多学科交叉的推动力 材料科学具有多学科交叉渗透的特征，包含着丰富的内涵。 材料的组分设计与合成，涉及化学学科的各分支高温过程的热力学、动力学以至在温和条件下的仿生合成等。,3.基础学科发展的推动力 研究微观结构与性能的关系，涉及物理学、凝聚态物理及非连续介质微观力学等。4.科技与经济发展的推动力 信息功能材料、高温结
35、构材料、复合材料、生物材料、智能材料和纳米材料等是新技术革命的先导材料。 毫米时代发明了拖拉机，微米时代发明了计算机，纳米时代，人类将会创造出更大的辉煌。 21世纪的科技发展，将以先进材料技术、先进能源技术、信息技术和生物技术等四大学科为中心，通过其相互交叉发展，为人类创造出完全不同的生态环境。 新型材料将是与生物和自然具有更好的适应性、相容性和环境友好的材料。,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,72,五.本课程的主要内容,本课程的主要内容： 1. 材料结构学：主要是材料的微观结构，包括原子的排列方式(原子结构与键合)，理想的完整结构(固体结构)、不完整结构（晶体缺陷）、固
36、体中原子和分子的运动（扩散）。实际材料的状态，包括晶体、非晶体、亚稳态。 2. 材料相变学：主要是材料组织结构的变化规律，包括凝固和相图(单元系的相图、二元合金系的相图与凝固、三元合金系的相图和凝固)、热处理(固态相变)。 3. 材料变形学：材料的变形、回复与再结晶 4. 材料学：金属材料、非金属材料、复合材料等 实验内容：材料科学与工程基础平台实验13个,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,73,六.本课程的特点、学习方法和安排,本课程特点： 概念术语多。相关学科多（物理、化学、热力学、矿物学、金属学、陶瓷学以及高分子学等），如： 金属材料：金属学 无机材料：陶瓷学 高分子
37、材料：高分子物理,材料科学基础突出共性教学,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,74,学习方法： 作为专业基础理论课程，注重培养能力和学习知识。 基础理论和基本概念要掌握，注意重点；抓住主线条，不钻牛角尖。 掌握例题的解题方法；独立完成作业。认真记好笔记，课后短时复习。考试前及早复习，不要临阵磨枪。 在深入学习和牢固掌握基础知识、基础理论的同时，要思考、探索它的应用，要理论联系实际； 掌握正确的思维方式，不要死记硬背，要学以致用，善于归纳总结规律。 教与学互动： 课堂演示实验、提问、动画制作、案例设计、材料与生活、专题讨论。,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研
38、室,75,金相检验能为火灾起火原因的认定提供科学依据,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,76,飞天遗梦,碳碳复合材料,蠕墨铸铁,春蚕觅食,马氏体组织,芭蕉翠叶,超导材料组织,地毯天成,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,77,课程安排：课程性质：必修课，专业基础课课程学时：96学时考核成绩：闭卷考试成绩、适当考虑平时成绩和实验成绩,课程教材：材料科学基础，胡赓祥、蔡珣、戎咏华编著，上海交通大学出版社辅导教材：材料科学基础，蔡珣、戎咏华编著，上海交通大学出版社,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,78,参考书目,Essentials of
39、Materials Science and Engineering Donald R.Askeland, Pradeep P.Phule. 清华大学出版社Fundamentals of Materials Science and Engineering William D.Callister,Jr. 化学工业出版社Introduction to Ceramics(Secend Edition) W.D.Kingery, H.K.Browen, D.R.Uhlmann. Printed in the United State of America材料科学基础 徐恒钧 北京工业大学出版社材料科学基
40、础 刘智恩 西北工业大学出版社材料科学基础 石德珂 机械工业出版社材料科学基础 潘金生 清华大学出版社金属学及热处理 崔忠圻 机械工业出版社 ,绪论部分结束,第一章,Properties of Materials,材料的性能,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,81,1、力学性能(拉伸实验),1） 弹性（e）外力作用下变形，去除后能恢复原状的能力。2）刚度（E）材料受力时能抵抗弹性变形的能力。3）塑性（,）4）强度（b、s、0.2）5) 硬度（HB、HRC、HV）6）韧性（Ak）冲击韧性7）抗疲劳性（-1）8）蠕变极限 持久强度,一、材料的使用性能,2022/11/11,材料
41、科学与工程学院材料学教研室,82,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,83,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,84,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,85,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,86,2. 物理性能 1）密度（） 2）熔点（t熔） 3）热膨胀系数（） 4）磁性（=B/A） 1 顺磁 Cr、Mn、Ni、Nb 1铁磁 Fe、Co 1 逆磁 Cu、Pb、Sn、Zn 5）导热性和导电性 3. 化学性能 抗腐蚀、氧化,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,87,1. 切削加工性 四方面：刀具寿命，切
42、削抗力，表面光洁度，切屑排除2. 可锻性 指压力加工（热）过程中成型的难易程度。3. 可铸性 流动性、吸气、冷收缩、铸件制品质量。4. 可焊性 氧化、吸气、导热、热胀性、裂纹、变形5. 热处理性能,二、 材料的工艺性能,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,88,铸造方法,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,89,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,90,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,91,焊接方法,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,92,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,93,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,94,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,95,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,96,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,97,2022/11/11,材料科学与工程学院材料学教研室,98,轧态与铸态组织的比较,
