材料科学基础讲义 绪论

高分子材料
现代工业的三大材料体系
材料科学与工程 学科划分的依据
（一）金属材料

• 金属材料是最重要的工程材料，包括金属和以 金属为基的合金，最简单的金属材料是纯金属。
由电子壳层完全填满或完全空着的元素 结合键为金属键
元素 周期 表中 的金 属元 素
简单金属
过渡族金属
• 内电子壳层未完全填满的元素属 • 结合键为金属键和共价键的混合键，但 以金属键为主
夏朝以前就开始了青铜的冶炼
18世纪后，由于工业的迅速发展，对材料特别是钢铁的需求急剧增长， 在物理学、化学、材料力学等学科的基础上，金属学应运而生。 近一百多年来，由于显微镜、X射线技术、电子显微镜等新仪器和新技 术的相继出现和发展，金属学得到了长足的进步。
高分子材料的早期发展较为缓慢。人类最初使用的高分子材料是天然 的木材，皮革和纤维。后来发明了造纸、养蚕、制胶技术。19世纪开 始生产橡胶，直到20世纪后才有了快速发展。
材料科学基础
绪论
第一章 材料结构的基本知识 第二章 材料中的晶体结构 第三章 高分子材料的结构 第四章 晶体缺陷
第五章 材料的相结构及相图
第六章 扩散与固态相变 第七章 材料的变形与断裂 第八章 固体材料的电子结构与物理性能
绪论
材料
现代文明的三大支柱
能源
信息
新材料被视为新技术 革命的基础和先导。
材料的重要性正在得到全社会 的承认和重视。
一、人类生活中的材料
• 我们的周围到处都是材料。事实上，材料是我们衣食住行的必备条件， 是人类一切生活和生产活动的物质基础 • 人类文明史中的石器时代、铜器时代、铁器时代就是按当时生产活动 中所使用的代表性材料作为依据划分的 • 材料与食物、居住空间、能源和信息共同组成人类生活的基本资源， 不仅在我们的日常生活中，而且对国家的繁荣和安全也起着举足轻重 的作用 材料是用来制造各种产品的物质，这些物质能用来生产和构成功 能更多、更强大的产品。 ۩从广泛的意义上说，人类使用的材料可以看作是一个流动着的巨大循环 体系，一个全球性的、时空无限的循环系统。

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3.高分子材料
塑料：薄膜，包装用品，工程塑料等 合成纤维：尼龙 橡胶
4.复合材料
塑料基复合材料：玻璃钢，玻璃纤维增强树脂 金属基复合材料：金属陶瓷，航空航天，汽车 陶瓷基复合材料：航天
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火箭发动机的燃烧室与 喷嘴，需要承受2000℃的 高温而不氧化，它是用石墨 表面喷涂一层二硅化钼材料 制成。石墨已被大量用作核 能工业的“减速剂”。雷达 中大型电子管外，壳，既要 耐高温，又要有优良的超高 频和绝缘性能，它是用氧化 铝高频陶瓷制成。核反应堆 外部的防护层是用一种含钡 的特种水泥筑成的。
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b.高铝陶瓷是有名的”硬骨头”，用作机器上的耐磨参件，耐磨 性能比金属高两三倍，由刚玉瓷，氧化硼陶瓷做成瓷刀，更 能”削铁如泥”.
c.陶瓷在熔融状态时经X射线和γ射线处理，使其迅速结晶成 为微晶陶瓷，能和金属一样切削加工，不碎不裂，已用于人 造关节，骨骼等。微晶玻璃即玻璃陶瓷。
项目订购单晶创汇800万美元。PbWO4
发
激光工作物质：
光
Cr3+ ：Al2O3红宝石， Nd3+: Y3Al5O12。目
材
前已有200多种晶体出激光。半导体LD泵浦晶体：
料
Nd:YVO4, Yb:YAG,用途：测距，通讯，激光雷
达，激光医学，激光致冷，核聚变.
阴极射线发光：
彩电Ag: ZnS, 绿Cu: (ZnCd)S, 红Eu:Y2O123S
新石器时代(原始社会） 青铜器时代（奴隶社会） 铁器时代（封建社会） 水泥时代 钢时代 半导体时代
材料科学的发展推动了整个世界文明的发展，在某 种程度上决定了一个国家的发达水平。
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材料科学，信息科学，与能源科学是新技术 革命的三个支柱，是实现新技术革命的关键。

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一、材料科学的重要地位
表0-1 人类使用材料的
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二、各种材料概况
1.金属材料 2.陶瓷材料 3.电子材料、光电子材料和超导材料
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1.金属材料
图0-1 汽车中各种材料的大致比例
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1.金属材料
图0-2 波音767飞机所用的各种材料比例
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2.陶瓷材料
第二节 原子结合键
三、混合键 解：(1) MgO 据表1-2得电负性数据XMg=1.31；XO= 3.44，代入式(1-1)得： (2) GaAs 1)得 据表1-2得XGa=1.81；XAs=2.18，代入式(1表1-3 某些陶瓷化合物的混合键特征
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第二节 原子结合键
图1-8 原子间结合力 a)原子间吸引力、排斥力、合力 b)原子间 作用位能与原子间距的关系
115.tif
图1-15 利用显微镜观察材料的 组织
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第四节 晶体材料的组织
图1-16 单相组织的两种晶粒形状 a)等轴晶 b)柱状晶
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第四节 晶体材料的组织
二、单相组织 三、多相组织
图1-17 两相组织的一些基本组织形态
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第五节
材料的稳态结构与亚稳态结构
图1-18 激活能的物理意义
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第三节 原子排列方式
二、原子排列的研究方法
图1-13 X射线在原子面AA′和BB′上的衍射
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第三节 原子排列方式
图1-14 X射线衍射分析示意及衍射分布图 a) X射线衍射分析示意图 b) SiO2晶体及非晶体的衍射分布图
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第四节 晶体材料的组织

❖ 功能材料是具有优良的电学、磁学、光学、 热学、声学、力学、化学和生物学功能及 其相互转化的功能，被用于非结构目的的 高技术材料。
1.4.3 材料按服役的领域来分类
根据材料服役的技术领域可分为建筑 材料、信息材料、航空航天材料、能源材 料、生物医用材料等。
❖ 火箭发动机的燃烧室与喷嘴， 需要承受2000℃的高温而不 氧化，它是用石墨表面喷涂 一层二硅化钼材料制成。石 墨已被大量用作核能工业的 “减速剂”。雷达中大型电 子管外壳，既要耐高温，又 要有优良的超高频和绝缘性 能，它是用氧化铝高频陶瓷 制成。核反应堆外部的防护 层是用一种含钡的特种水泥 筑成的。
是为高温技术服务的基础材料。尽管各国对其定义不同， 但基本含义是相同的，即耐火材料是用作高温窑炉等热 工设备的结构材料，以及用作工业高温容器和部件的材 料，并能承受相应的物理化学变化及机械作用。
大部分耐火材料是以天然矿石（如耐火粘土、硅石、菱镁 矿、白云母等）为原料制造的。
按矿物组成分为氧化硅质、硅酸铝质、镁质、白云石质、 橄榄石质、尖晶石质、含碳质、含锆质耐火材料及特殊 耐火材料；
等系统的材 料科学知识
写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
You Know, The More Powerful You Will Be
谢谢大家
荣幸这一路，与你同行
1.4.4 材料按结晶状态分类
单晶材料 多晶材料 非晶态材料 准晶材料
单晶材料是由一个比较完整的晶粒构成的 材料，如单晶纤维、单晶硅；
多晶材料是由许多晶粒组成的材料，其性 能与晶粒大小、晶界的性质有密切的关系。

材料的分类： 材料的分类：
按化学组成（或基本组成） 按化学组成（或基本组成）分类
（1）金属材料：由金属元素或以金属元素为主体组 ）金属材料： 成的具有金属特性的材料。 （2）无机非金属材料：无机非金属材料是由硅酸盐、 ）无机非金属材料：无机非金属材料是由硅酸盐、 铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和（ 铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和（或）氧 化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、 化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、 卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料。 卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料。它与广 义的陶瓷材料有等同的含义。
左图为AL—Si合金 的共晶组织
金属铸锭组织
成分-结构-性质-工艺过程之间的关系
材料科学与工程的四个基本要素： 材料科学与工程的四个基本要素： 合成与加工、成分与组织结构、性质、使用性能， 合成与加工、成分与组织结构、性质、使用性能， 探索这四个要素之间的关系，覆盖从基础学科到工程 的全部内容。 四个要素间的密切关系确定了材料科学与工程这一领 域，确定了本课程的教学线索。
三、金属材料的性能： 金属材料的性能：
零件的加工过程：冶炼 下料（锻件、铸造件） 零件的加工过程： 预先 热处理 机加工 最终热处理 磨削 装配 使用 对金属材料性能要求： 对金属材料性能要求： 工艺性能，使用性能。 工艺性能： 工艺性能：能适应实际生产工艺要求的能力。在于能不能 保证生产、制作。 包括： 包括：铸造性能——流动性，收缩性，偏析等； 锻造性能——固态流动性，冷变形硬化能力等； 以及切削加工性能，热处理性能，焊接性能。
参 考 书： 《金属学》胡庚祥 《金属学基础》包永千 《金属学原理》刘国勋 《金属学原理》徐祖耀 《金属学》《材料科学基础》余永宁 《金属学原理》李超 《物理冶金学》曹明盛 《材料科学基础》徐恒钧 《材料科学基础》胡庚祥

X射线衍射
1912 年 Laue 等发明 X 射线衍射 , 接着 Bragg 父子就把它 应用到金属及一些简单无机化合物的晶体结构测定。到了二 十年代,金相学的一些基本问题得以迎刃而解 ,如β -Fe 不存 在(1922) ,有序固溶体(1923) ,单晶体的滑移系统(1922 1925)，织构(1925)，电子化合物(1926) ,马氏体的四方度 (1926)，等等。进入三十年代，略微复杂一些的晶体结构问 题也列入研究日程 ,如间隙化合物 (1930) ，取向关系 (1930) ， G. P. 区 (1939)，等等。到了四十年代 ,不但已经开始用 傅 立 叶 分 析 研 究 金 属 冷 加 工产 生 的 晶粒 碎 化 及晶 格 畸 变 (1948) , 并已出现“金属的结构” (C. S. Barrett ,1943) 、“X射线金相学”(A. Taylor ,1945) 等专著。
材料科学与工程学科的建立

20世纪60年代至90年代，美国多数拥有上列学 科的学校，以设立《冶金及材料学系》为过渡， 相继设立《材料科学与工程系》、《材料工程系》 或《材料科学系》，其内容无甚差别。
材料科学与工程学科的建立
表1 经典学科和新拓学科一览
经典学科 新拓学科
金属学（物理冶金学）
金属冶炼（化学冶金学） 金属加工（力学冶金学）
超高强度汽车用钢

TRIP钢、TWIP钢、Q-P钢等
70 60 50
IF
软钢 210MPa
高强度钢板
超高强度钢板 550MPa
TW IP Sta inle ss
延伸率 (%)
40 30 20 10 0 0
Mild
HSSIF IS
Bs teel TRI P

第一次产业革命的突破口是推广应用蒸汽 但只有在开发了铁和铜等新材料以后， 机 ， 但只有在开发了铁和铜等新材料以后 ， 蒸汽机才得以使用并逐步推广。 蒸汽机才得以使用并逐步推广。 第二次产业革命一直延续到20世纪中叶 ， 第二次产业革命一直延续到 20世纪中叶 20 世纪中叶， 以石油开发和新能源广泛使用为突破口，大力 以石油开发和新能源广泛使用为突破口， 发展飞机、汽车和其他工业， 发展飞机、汽车和其他工业，支持这个时期产 业革命的仍然是新材料开发。如合金钢、 业革命的仍然是新材料开发。如合金钢、铝合 金以及各种非金属材料的发展。 金以及各种非金属材料的发展。
先进（或新型）无机非金属材料是用氧化物、 先进（或新型）无机非金属材料是用氧化物、 是用氧化物 氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、 氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以 及各种无机非金属化合物经特殊的先进工艺制 成的材料。主要包括先进陶瓷、非晶态材料、 成的材料。主要包括先进陶瓷、非晶态材料、 人工晶体、无机涂层、无机纤维等。 人工晶体、无机涂层、无机纤维等。
材料科学基础课程的教学内容
材料科学基础课程是材料科学与工程专业的重要 的学科基础课之一，主要介绍材料科学中的共性规律， 的学科基础课之一，主要介绍材料科学中的共性规律， 即材料的组成-形成（工艺）条件-结构-性能-材料用 即材料的组成-形成（工艺）条件-结构-性能途之间相互关系及制约规律。内容主要包括： 途之间相互关系及制约规律。内容主要包括：材料种 类、晶体结构、缺陷化学、非晶体结构、材料的表面 晶体结构、缺陷化学、非晶体结构、 与界面、相图、扩散、相变、 与界面、相图、扩散、相变、固相反应及烧结等基础 知识。 知识。
传统的无机非金属材料之二： 传统的无机非金属材料之二：玻璃
玻璃是由熔体过冷所制得的非晶态材料。 玻璃是由熔体过冷所制得的非晶态材料。根据其形成 网络的组分不同可分为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、 网络的组分不同可分为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐 玻璃等，其网络形成剂分为SiO2、B2O3和P2O5。习惯上玻 玻璃等，其网络形成剂分为SiO 璃态材料可分为普通玻璃和特种玻璃两大类。 璃态材料可分为普通玻璃和特种玻璃两大类。 普通玻璃 两大类 普通玻璃是指采用天然原料，能够大规模生产的玻璃。 普通玻璃是指采用天然原料，能够大规模生产的玻璃。 普通玻璃包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、 普通玻璃包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光学玻璃 和玻璃纤维等。 和玻璃纤维等。

十八世纪工业革命迅速发展，对材料特别是钢铁的需求急速增长。为 了适应这一需要，西方在化学、物理、材料力学等学科的基础上，产 生了一门新的科学—物理冶金（Physical Metallurgy），中国叫“金 属学”，明确地提出：金属的外在性能取决于内部结构。
对材料内部结构的研究手段：
近一百多年来，光学显微镜、X射线技术、电子显微镜等新仪器和新技 术的相继出现和发展，为揭示材料内部的结构（从肉眼—原子）提供 了有力的手段，金属学得到了长足进步。
湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄
2019/9/14
《材料科学基础》CAI课件-李克
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硅片时代：-硅单晶生长，熔点1400 ℃
1、集成电路技术的发明和掌握带动了信息技术的发展，包括数码产 品、数字通信、网络电子商务、以及制造业各领域、包括交通、 物流、航空航天等相关产业的发展。
ipad
GPS
2019/9/14
2019/9/14
《材料科学基础》CAI课件-李克
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中国古代的科技成就：“考工记” （先秦）， “梦溪笔谈”（宋 代 沈括）， “天工开物”（明代 宋应星 - 奉新）。
其中，“考工记”中有“六齐”之律的论述： “金有六齐，六分其金而锡居一，谓之鈡鼎之齐；五分其金而锡居一， 谓之斧斤之齐；四分其金而锡居一，谓之戈戟之齐；三分其金而锡居一， 谓之大刃之齐；五分其金而锡居二，谓之削杀矢之齐；金、锡半，谓之 鉴燧之齐。”
2019/9/14
《材料科学基础》CAI课件-李克
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按照功能和应用分类：
按照功能（新的学科方向）分为：结构材料和功能材料， 功能材料包括电子信息材料、生物材料、能源材料、环境 材料等，实际包含了以上各类材料--金属、非金属等。

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。
• 《材料科学基础》 潘金生主编 清华大学出版社
• 《金属材料及热处理》 崔忠圻主编
新材料阶段的特征
• 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。
（四）材料的应用 • 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。 • 计算机与材料 1、计算机经历：电子管→晶体管→集成电路时代 2、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
种类 软盘 CD－RW MO(磁光盘) 使用的材料 氧化铁 以ZnS等为主的陶 瓷材料 TbFeCo合金磁光 材料 存储容量 1.44 Mb 650 Mb 650 Mb，1.3G 特点 容量小，文本文件存储 CD光盘，价低，用量大 需专用驱动器，价格高，局限 在广告图形用户
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硅时代（1950年）
新材料时代（1990年）
材料科学基础的地位
• 材料(Materials)是国民经济的物质基础。 • 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 材料品种 能源 现代技术的三大支柱 数量 国家现代化程度标志之一 信息 质量