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材料科学基础 1绪论

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材料科学基础绪论

材料科学基础绪论

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。
材料科学基础 顾宜版 第一章绪论

材料科学基础 顾宜版 第一章绪论



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。
4. 复合材料

复合材料是由两种或两种以上化学成分或组织结构不同的材 料组合而成。

复合材料是多相材料，主要包括基体相和增强相。基体相是 一种连续相材料，它把改善性能的增强相材料固结成一体， 并起传递应力的作用；增强相起承受应力（结构复合材料） 和显示功能（功能复合材料）的作用。（教材表1-1）
第三次工业革命…

材料是当代文明的三大支柱之一
材料、能源、信息是当代社会文明和国民经
济的三大支柱，是人类社会进步和科学技术发展
的物质基础和技术先导。

材料是全球新技术革命的四大标志之一（新 材料技术、新能源技术、信息技术、生物技 术）。
未来最具潜力的新材料 1、石墨烯

突破性：非同寻常的导电性能、极低的电阻率极低和极快的电子迁移 的速度、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性。 发展趋势：2010年诺贝尔物理学奖造就近年技术和资本市场石墨烯炙 手可热，未来5年将在光电显示、半导体、触摸屏、电子器件、储能 电池、显示器、传感器、半导体、航天、军工、复合材料、生物医药 等领域将爆发式增长。

复合材料既能保持原组成材料的重要特色，又通过复合效应 使各组分的性能互相补充，获得原组分不具备的许多优良性
能。
复合材料的分类

按基体材料分类：金属基复合材料，陶瓷基复合材
料，水泥、混凝土基复合材料，塑料基复合材料，
橡胶基复合材料等；

按增强体的维度可分为粒子、纤维及层状复合材料；
0.2.2 按材料的性能分类
主导材料作为标志，称当时所处的时代分别为石器 时代、青铜器时代和铁器时代。 在近代，材料的种类及其繁多，各种新材料不断 涌现，很难用一种材料来代表当今时代的特征。
材料科学基础 绪论和第一章

材料科学基础 绪论和第一章


11924B
一、材料科学的重要地位
表0-1 人类使用材料的
11924B
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
11924B
1.金属材料
图0-1 汽车中各种材料的大致比例
11924B
1.金属材料
图0-2 波音767飞机所用的各种材料比例
11924B
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
11924B
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
11924B
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
11924B
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
11924B
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
11924B
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
11924B
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
11924B
第四节 晶体材料的组织
第一章 材料科学基础 绪论PPT课件

第一章 材料科学基础 绪论PPT课件


❖ 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。
材料科学基础绪论

材料科学基础绪论


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
材料学概论1-绪论

材料学概论1-绪论

《材料学概论》
材料是人类文明 发展的物质基础
内容：学习材料学的基本知识。主要涉及 到各种材料的组成、结构、性能、应用以 及它们之间的关系。 目的：材料类专业的入门课及专业基础课 之一。了解材料的基本知识，逐步扩大材 料的专业知识面，培养分析和解决有关材 料问题的初步能力。
第一章 绪论
1. 材料的定义与分类 2. 材料的地位和作用 3. 材料学的形成和发展
晶体管小到用 电子显微镜都 难以观察！
第三代半导体材料－宽禁带半导体
SiC, GaN, ZnO 等，半导体是一种宽禁带半导体材 料，是继第一代半导体材料硅（Si）和第二代半导 体材料砷化镓（GaAs）后，发展起来的第三代半导 体材料。 在高技术中，尤其是军用和光电子 领域有优势，可以应用于： 1）高温器件
2）高功率器件
3）高频高速 4）发光与激光
SiC与Si使用范围比较
击穿电压
SiC
电子漂移速度
Si
导热率
使用温度
(使用温度>500 º C)
SiC研究和应用现状
高质量大尺寸的 SiC 晶体几乎被美国 Cree公司垄断。我国生产器件用的SiC 晶体全部依赖进口。 2英寸晶片售价为：500－800美元/片
1927~1937 1937~1966 1966~1975 1975~现在
采矿工程与冶金
采矿与冶金 冶金 冶金与材料科学 材料科学与工程
3.3 材料科学的内容
材料科学的内容可以用一个四面体来表示，也就 是材料科学是研究一种材料的成分（结构）、合
成（工艺）、性质与效能及它们之间的关系。
效能(performance)
2010
2020
在发动机上叶片材料应用的年份
合金晶粒结构的变化（约1970年代）
材料科学基础-绪论

材料科学基础-绪论


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
•
•
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
材料科学基础 全套课件

材料科学基础 全套课件


此外，合金中溶质原子还可能形成丛聚，即同类 原子趋于相邻。丛聚可以呈随机弥散分布。事实上，实 验中还没有见到溶质原子呈完全随机分布的固溶体。因 此，只能在宏观尺度上认为处于热力学平衡态的固溶体 是真正均匀的，而原子尺度上并不要求它也是均匀的。 不同类型固溶体中原子排列情况示于图0.1。
（a） 随机置换固溶
0.1 材料分类
0.1.1 材料按化学组成（或基本组成）分类 0.1.2 根据材料的性能分类 0.1.3 材料按服役的领域来分类 0.1.4 材料按结晶状态分类 0.1.5 材料按材料的尺寸分类
按物理性质可分为：导电材料、绝缘材料、半导体材料、 磁性材料、透光材料、高强度材料、高温材料、超硬材 料等。
材料科学基础
材料的结构部分
2020/8/26
.
主要内容
第一章 绪论 第二章 晶体结构 第三章 晶体的结构缺陷 第四章 非晶态结构与性质 第五章 表面结构与性质
第一章 绪论—明
什么是材料科学？
0.1 材料分类
0.2 组成-结构-性质-工艺过程之间的关系
什么是材料?
1.金属材料
金属材料是由化学元素周期 表中的金属元素组成的材料。可 分为由一种金属元素构成的单质 （纯金属）；由两种或两种以上 的金属元素或金属与非金属元素 构成的合金。合金又可分为固溶 体和金属间化合物。
在103种元素中，除He,Ne,Ar等6种惰性元素和C、Si、N等16 种非金属元素外，其余81种为金属元素。除Hg之外，单质金属在 常温下呈现固体形态，外观不透明，具有特殊的金属光泽及良好 的导电性和导热性。在力学性质方面，具有较高的强度、刚度、 延展性及耐冲击性。
合金是由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属 元素熔合在一起形成的具有金属特性的新物质。合金的性质与组 成合金的各个相的性质有关，同时也与这些相在合金中的数量、 形状及分布有关。
材料科学基础 第1章 绪论

材料科学基础 第1章 绪论


人造卫星上天，美国震惊，认为落后的主
要原因之一是先进材料的落后，于是在一
些大学相继成立了材料研究中心——采用
先进的科学理论与实验方法对材料进行深
入的研究，取得重要成果，从此“材料科
学
”
名词开始流行。
工程材料：用于工程结构和机器零件及元
器件的材料。
材料科学基础－绪论
工程的定义：通过学习，经验和实践获得的 数学和自然科学知识，依据判断来建立经济 利用材料和自然力得以造福人类的方法。
材料的品种、数量和质量已是衡量一个国家 技术和国民经济以及国防力量的重要标志之 一。
材料科学基础－绪论
工程材料科学与工设程计
The ScienceMaantedriDaelssiSgcnieonfcEenagnindeEenrignigneMearitnegrials
材料科学基础－绪论
材料科学：20世纪60年代初，1957年苏联
材料科学基础－绪论
材料科学基础－绪论
以玻璃纤维或其制品作增强材料的增强塑料，称谓为玻璃纤维增强塑料，或 称谓玻璃钢。由于所使用的树脂品种不同，因此有聚酯玻璃钢、环氧玻璃钢、酚 醛玻璃钢之称。
材料科学基础－绪论
2、分类
A、按用途分类 结构复合材料： 以其力学性能如强度、刚度、形变等特性为工程所 应用，主要用于结构承力或维持结构外形。 功能复合材料： 以其声、光、电、热、磁等物理特性为工程所应用， 用于如绝热、透波、耐腐蚀、耐磨、减振或热变形等热、声、光、电、 磁的功能要求。 B、按基体分类
材料科学基础－绪论
基本性质
➢ 主链为共价键，分子间为二次键结合 ➢ 分子量大，无明显熔点，有玻璃化转变温度
Tg和粘流温度Tf； ➢ 力学状态有三态(玻璃态、高弹态、粘流态) ➢ 密度小 ➢ 绝缘性好(也有部分可以导电) ➢ 优越的化学稳定性 ➢ 成型方法多
材料科学基础 绪论 第一章

材料科学基础 绪论 第一章


47
4、单相与多相组织 （1）单相组织 所有晶粒的化学组成相 同，晶体结构也相同。 描述单相组织特征的主要用晶粒尺寸及形状。 （2）多相组织 两相以上的晶体材料，各个相具有不同的成分和 晶体结构。 两相例子：
48
第五节 材料的稳态与亚稳态结构
稳态结构（平衡态结构） 能量最低的结构。 亚稳态结构 能量相对较高的结构。
37

（2）原子结合能的实验测定及理论计算 实验测定原理 测定固体的蒸发热 理论计算(自学P24例题)
五、结合键与性能
1、对物理性能的影响 1) 熔点：共价键、离子键的最高，高分子材料 的最低． 2) 密度：金属键的最高，共价键、离子键的较 低，高分子材料的最低． 3) 导电导热性：金属键最好，共价键、离子键最差。
K：…3p64s1
20
5、电负性呈周期性变化：同周期自左至右逐渐增 强，同族自上而下逐渐减弱
21
第二节 原子的结合键


一次键 二次键 混合键 结合键的本质及原子间距 结合键与性能
22
按结合力强弱分： 一次键：通过电子的转移或共享使原子结合的结 合 键．包括离子键、共价键、金属键，结合力较强． 二次键：通过偶极吸引力使原子结合的结合键．包括 氢键、范德瓦尔斯键，结合力较弱． 一、一次键 1、离子键 通过正负离子间相互吸引力 使原子结合的结合键．
18
二、元素周期表及性能的周期性变化
19
1、周期对应于电子主壳层 2、同一族元素具有相同的外壳层电子数和相似的 化学性质 3、过渡族元素具有未满的内壳层和典型的金属性 4、ⅠB族和ⅡB族的内壳层填满，ⅠA族和ⅡA族 的内壳层未满，故ⅠB族和ⅡB族不如ⅠA族和 ⅡA族活泼 例如：
材料科学基础上海交大版讲义绪论PPT课件

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玻璃纤维增强高分子复合材料
• 现代航空发动机燃烧室 温度最高的材料就是通 过粉末冶金法制备的氧 化物粒子弥散强化的镍 基合金复合材料。很多 高级游艇、赛艇及体育 器械等是由碳纤维复合 材料制成的，它们具有 重量轻，弹性好，强度 高等优点。
航空发动机
Processing, Synthesis, And phase transformation
举例1 金刚石（钻石）和石墨，都是由碳原子组成，但前 者是自然界中最坚硬的固体，而后者却很软（因晶体结构 不同）。
举例2 同样长的一段铁丝和钢丝，经弯曲后发现铁丝易弯 曲，而钢丝不易弯曲，即塑性不同（因两者成分不同）。
举例3 两根锯条，同时加热（800℃），然后一根水冷，一 根空冷，用手折时，发现前者很脆，后者很韧（因组织不 同）。
4000年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷、商 时期，我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平。
司母戊鼎
河南安阳晚商遗址出土 青铜铸造 高133厘米 重875kg 饰纹优美
越王勾践剑
春秋晚期越国青铜兵器 出土于湖北江陵楚墓 长55.7厘米 剑锷锋芒犀利 锋能割断头发
古代剑刃制造中的特殊技术
梯
Titanic的沉没是必然还是偶然？
建造中的Titanic 号，可以看到船身上长长的焊缝
Titanic的沉没是必然还是偶然？
Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果
光学显微镜
人类对材料的认识是逐步深入的。
• 1863年，光学显微镜首次应用于 金属研究，诞生了金相学，使人 们能够将材料的宏观性能与微观 组织联系起来。
度
材
料
春秋战国时代的
古 已
青铜剑，剑身及

材料科学基础第一章

材料科学基础第一章绪论第二章怎么做：从原料到产品第三章怎么样：从结构到功能第四章是什么：从宏观到微观第五章纳米材料第1章绪论1、什么是材料2、材料的地位3、材料的分类4、常见材料的用途5、材料研究的内涵-----四要素6、材料研究的外延------相关学科7、材料的学科定位材料性能提高材料的使用范围扩大材料性能提高材料的使用范围扩大材料是用来制造器件的物质。

人类文明的发展依赖于材料的进步。

旧石器时代：约170万年前~约公元前8000年新石器时代：约公元前8000年~约公元前3000年青铜器时代：约公元前3000年~约公元前1000年铁器时代：约公元前1000以后钢铁时代： 1850年以后材料性能提高材料的使用范围扩大钢铁时代 1854和1864年发明了转炉和平炉炼钢。

新材料时代半导体材料的发展制作越来越小的硅芯片新材料时代，这一时代的特征是:不像以前的各个材料时代，它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，而不是在自然界中有现成的。

尼龙的商业发展是高分子材料发展的关键时期高温合金的发展，掺镍合金促进了喷气发动机的发展高温超导体，高温超导的革命时代。

人类文明社会的先导--新材料1、材料的发展史，就是人类社会的发展史2、材料的发展史，就是科学技术的发展史材料的分类从化学组成和原子结构角度分类金属材料 (Metals) 无机非金属材料 (Ceramics)高分子材料 (Polymers)复合材料 (Composites) 从特性和性质角度分类结构材料 (力学性能)功能材料 (化学性能和物理性能)从应用角度分类航空材料建筑材料电子材料半导体材料生物材料智能材料纳米材料…主要材料的特性和用途金属材料化学组成和原子结构金属材料是由一种或几种金属元素以及少量的非金属元素的无机物。

合金是由两种或两种以上的金属元素和非金属元素构成的，其中至少一种是金属元素。

金属元素: iron(Fe), copper (Cu), aluminum (Al),magnesium(Mg), nickel(Ni), titanium(Ti)非金属元素: Carbon(C), nitrogen (N), oxygen (O),晶体结构是原子定向排列。

材料科学基础课件-绪论


2021/3/18
10
三、材料的分类
◎ 按物质种类区分 金属材料
无机非金属材料
高分子材料
2021/3/18
钢铁材料 铜基材料 铝基材料
镍基材料 钛基材料 镁基材料
氧化物材料 氮化物材料 碳化物材料 砷化物材料 硅化物材料 硼化物材料
硅酸盐材料
聚甲醛塑料 环氧树脂 聚酰胺塑料 氨基树脂
聚砜塑料 有机硅树脂
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◎ 按性质特征区分
结构材料
力学性能
硬度
强度 塑性
韧性 耐疲劳
高强度、超塑性、 强韧性、高断裂韧 性材料，高温合金， 低温合金，超硬材
料，耐磨材料
功能材料
物理化 学性能
磁性 芯片，永磁，软磁，
电性 导电，超导，光导
光学性 纤维，热电偶，膨
热学 胀材料，热磁材料，
热电性
磁记录，
2021/3/18
12
◎ 按用途区分（以钢铁材料为例）
建筑用钢 工字钢 角钢 槽钢
工程结构钢
大型构件用钢 桥梁 球罐 车体 钢轨用钢 重轨 轻轨 道岔
造船钢
船舰艇
管线钢 机器制造钢
输油 输气
汽车部件用钢 机床部件用钢
其他机器用钢
工具钢
切削工具 模具 量具
不锈耐热钢
耐酸 耐碱 耐热 生活装饰
磁钢
硅钢 纯铁
2021/3/18
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结构材料
硬度
强度 塑性
韧性 耐疲劳
大型交通工具壳体
2021/3/18
14
结构材料
硬度
强度 塑性
韧性 耐疲劳
大型结构骨架
2021/3/18
15

中国矿业大学《材料科学基础》绪论

• 电能损耗小: 磁场强度为万高斯,常规电磁铁耗电7兆 瓦,而超导体仅需15千瓦。
2021/8/19
0.5 本课程的特点和学习方法
• 本专业最重要的专业基础课程。 • 理论与实际相结合，承上启下。 • 实践性不如材料工艺课程。 • 理论性、逻辑性不如数、理、化，多数概论是定性的。 • 三大材料的基本理论难以系统柔和。 • 以金属学为主，剥离有关高分子个性知识。
——“金属学”。
2021/8/19
制备加工

性能
无机非金属材料
• 经历了长期沉寂的古老材料。直到20世纪后期，随着 无机化学蓬勃发展，“陶瓷工学”、“陶瓷化学”应 运而生。尤其在近几十年取得了惊人的发展。
• 现代陶瓷的概念已远远超出了传统陶与瓷的范畴。它 主要采用人工精制的高纯超细无机粉末为原料，通过 精确的化学计量来配制高性能的硅酸盐、氧化物、碳 化物和氮化物等新型陶瓷材料。
• 光导纤维 --- 光通讯。步入了高信息时代。
• 高强度复合材料 --- 太空探测器、宇宙飞船。冲出地 球在太空遨游。
• 超导材料 --- 超高速计算机、低能耗超导电机、磁悬 浮列车。
2021/8/19
超导体的优势:
• 载流能力高: 比Cu、Al线高2-3个数量级。
• 重量轻: 5万高斯中型磁体,常规电磁铁重达20吨,超 导体仅几公斤。
2021/8/19
0.4 材料科学的研究意义
• 材料是国民经济的基础，现代化的标致。 • 现代技术的三大支柱：材料、能源、信息。 • 新技术革命标志：新材料、信息技术、生物技术。 • 重大技术革命的产生，依赖于新材料的突破。
2021/8/19
历史的见证
• 半导体材料 --- 集成电路、计算机技术。跨入现代化 的门槛。

材料科学基础 绪论


Bi2Sr2CaCu2O8
C60 K
1987:91K
1989:130K
1996,美国朱经武161K
美国杜克大学锂硼化合物Tc=39K 磁悬浮 快离子导体:电池 光电材料：太阳能电池 压电材料：遥控，超声，精密测量，地震预报
9
b.与磁性能有关的材料 铁氧体(尖晶石，石榴石) 天线 磁材料 : ，钕硼铁(王震西) 磁记录材料 计算机存储 巨磁阻效应：利用磁场变换，电阻率发生变化， 高存储密度的硬盘。 6G硬盘，650M光盘，1999年IBM公司实现商业化
21
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。
历史时期的划分 以材料为标志 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。
3
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。 2.材料是各种物理效应产生的物质基础 周光召：材料是高技术发展以及现代文明的物质 基础。材料科学一直是活跃的科学前沿。 从科学与技术关系来看，材料往往是科学 理论过渡到技术应用的成败关键，直接影响着许 多科技领域的进展。

第0章材料科学基础绪论

05:17
金属材料的一般特性
2024/5/4
• 金属材料：由金属元素或以金属元素为主而形成的，并具有 一般金属特性。
1 良好的导电、导热性 2 正的电阻温度系数 3 不透明、金属光泽 4 良好的延展性
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金属材料的优点
2024/5/4
1) 多样性、多变性、特殊性 综合性能好 2) 性能有提高的巨大潜力。
材料的性能：
1) 工艺性能 适应实际生产工艺的能力 2) 使用性能 适应或抵抗作用到它上面的各种外界作用的能力 工艺性能和使用性能是既有联系又不相同的两类性能，尽管它
们都是金属材料本身蕴藏着的，但由于目的的不同，这两类 性能上的好与坏或高与低，有时是一致的，有时却是互相矛 盾的。
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2024/5/4
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材料化学专业定位 2024/5/4
• 材料学与化学的交叉学科，研究材料的组成、加工、结构性 能与应用的学科，要求掌握材料和化学相关专业的基础，掌 握数学、物理等基础知识，掌握材料科学发展方向的前沿知 识，可以服务于教学、科研、产业开发、管理等行业。
• 我院材料化学的特色 ----主要以金属材料和粉末冶金材料为对象
• 内在因素： • 原子结构的特点以及原子间的相互作用 • 内部原子总体的组合状态-即内部原子总体的运动状态。
• 化学成分、原子集合体的结构以及内部组织是决定金属材料 性能的内在基本因素，金属材料性能方面的多变性，也正是 通过这3个因素的多变性而表现出来的。
• 对结构敏感性性能和对结构不敏感性性能。
一根空冷，用手折时，发现前者很脆，后者很韧（因组织 不同，见下图）
• 举例4 若断开一根铁丝，可反复弯曲，在应变处发热→变
硬（脆）→断（因塑性变形）。
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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
D HSL P, CP A
BH
CM n
MART
材料工程 设备 工艺 结构 性能 构件行为
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，后来人们常常将二者放在一起，采用一个复合名词－材料 科学与工程（MSE，Material Science and Engineering）
材料科学与工程学科的内容
纳米材料的应用

航天液体火箭的涡轮泵及燃气通道等关键零件表 面需经受高温、高压和富氧燃气冲刷，要求零件 表面涂镀耐高温、抗氧化、耐冲刷的高温无机涂 层材料，而纳米陶瓷复合涂料就是良好的新材料。
我国材料科学与工程学科发展的情况

我国在上世纪80年代初期就相继改设《材料科学与工程系》 （徐祖耀院士于1982年任上海交大材料科学系首任系主 任），标志这个学科的建立。目前有几十所大学设立这个 系或学院，但多数并不完整，即不具备金属、陶瓷和高分 子材料的综合学科体系。
《材料科学基础》教材的编写
本教材是按金属、陶瓷、高分子材料在微观组织和 性能的异同性来编排的，同时涉及结构材料和功能 材料的基础知识，以期对各种材料的本质有更全面 和深刻的认识。
本课程的主要内容

本课程的主要内容：

固体中原子和分子的运动（扩散） 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。 功能材料介绍
形状记忆合金的应用
NiTiNb管接头与传统的管接头
Ni-Ti记忆合金的骨折固定
温室温度控制元件
形状记忆合金铆钉连接
形状记忆合金的应用

宇宙飞船的通信天线 l970年，美国首先将NiTi形状记亿 合金用于宇宙飞船天线。在宇宙飞船发射之前的室温条件 下，将经过形状记忆处理的NiTi合金丝折成直径在5cm以 下的球状放入飞船内，飞船进入太空轨道后，通过加热或 者是利用太阳热能，使合金丝升温，达到77OC被折成球 状的台金丝就完全打开，成为原先设定的抛物面形状，充 当天线，克服了需大型天线的飞船发射困难。
材料科学基础 II
主讲教师：王晓东 戎咏华
Email：xdwang77@ yhrong@ 办公室：材料楼503 电 话：54745567
《 Fundamentals of Materials Science》
绪论

材料科学的基本概念
材料的历史地位 材料科学与工程学科的建立 《材料科学基础》的内容 我国的发展情况
目前，3维（3D）和4维（4D）组织和结构（X射线衍射）的 研究正在兴起，见下图。
3D显微组织图像
电子显微镜发展
Ruska 在三十年代研制出第一台电子显微镜,战后(1954 年) 又在 极端困难条件下发展出带有电子衍射功能的高分辨电镜Elmiskop I。他 在1986 年获得这个迟到的但却是当之无愧的诺贝尔物理奖。材料科学 的几次突破性进展充分说明电子显微镜的重要性。首先是电子衍射与成 像的结合使位错的直接观察得以实现。位错等晶体缺陷因此得以成为六、 七十年代的研究热点。选区衍射使晶体结构分析进入到微米甚至到纳米 层次。高分辨电镜已发展到分辨单个原子的水平,这就为九十年代发现 和研究纳米碳管创造了条件,开辟了纳米技术的新纪元.

本课程的教学情况
“材料科学”的基本概念

材料是指人类社会能接受地，经济地制造有用物品的物质。 材料科学是研究材料的成分、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。IT产业、生物技术和新材料并 称为21世纪三大主导产业。 材料科学基础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）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的基础 理论。

3 多层次设计
材料科学与工程学科的内容

材料理论与建模包括：材料热力学、动力学及其建模，根 据所建模型作出材料显微组织演变的计算机模拟，有关的 专业期刊有：

CALPHAD Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering Computational Materials Science ThermoCalc Jmatpro
200
400
600 屈服强度 (MPa )
800
1000
1200
• IF:无间隙原子钢 • Mild:低碳铝镇静钢 • HSSIF:高强度IF钢 • BH:烘烤硬化钢 • IS:各向同性钢 • CMn：碳锰钢 • HSLA:高强度低合金钢 • DP:双相钢 • CP：复相钢 • TRIP:相变诱发塑性钢 • Mart：马氏体钢 • TWIP：孪晶诱发塑性钢 • Stainless：不锈钢 • B steel：热冲压用钢
如何将繁多的研究领域归纳成几个方向，当可各抒己见。 徐祖耀院士认为英国牛津大学材料系归纳得较为得体，他 们将材料学科的内容归纳成： 加工（processing）； 表征（characterization）； 性质（property）； 理论和建模（theory and modeling）。



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材料科学与工程学科的内容
材料研究范围广宽，大致有下列几个方面。

传统材料性能改造

研究超高强度钢， 超级钢；

低晶界脆性铜，吸声﹑防冻水泥
材料科学与工程学科的内容

结构和功能材料开发，包括

复合材料，超均质材料，功能陶瓷； 低维材料，薄膜材料，梯度材料； 电子材料，非晶（大块）材料； 准晶材料，微米﹑纳米材料（＜100nm）； 生物﹑仿生材料，智能材料； 形状记忆材料，能源材料； 高阻尼材料，环境材料； 碳素材料（纳米碳管﹑纳米碳球） 节能﹑环保建筑材料
材料科学与工程学科的内容
图2 现代材料科学与工程的四个基元组成
材料科学与工程学科的内容

近年兴起材料成分和加工（工艺）设计、材料理 论和建模以及组织演变的计算机模拟，推进材料 科学与工程学科向新领域发展。关于材料成分和 加工（工艺）设计的方法有：

1 CALPHAD 2 相场（Phase Field）方法

材料科学 ：是一门科学，它从事与材料本质的实 验揭示、理论分析方面的研究，以解释或预测材 料微观结构（点阵结构和组织形态）与性能之间 的关系。它包括下面的四个环节，微观组织的设 计和控制取代传统“炒菜”方式，这是当前研究 新材料的发展方向。
材料科学
成分
工艺
结构
性能
材料科学与材料工程的关系

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。

新型建筑材料

材料科学与工程学科的内容

结构材料之间关系
材料结构的表征方法
•
金相法
Widmanstabtten 在19 世纪初用硝酸水溶液腐刻铁陨石切片, 观察到片 状Fe-N i 奥氏体的规则分布(魏氏组织) , 予告金相学即将诞生。 Sorby 在1863 年用反射式显微镜观察抛光腐刻的钢铁试样, 不但看到 珠光体中的渗碳体和铁素体的片状组织, 还对钢的淬火和回火作了初步 探讨, 金相学已基本形成。到19- 20 世纪之交,Martens (马氏) 和 Osmond 对金相学的发展和金相检验在厂矿中的推广做了重要贡献, 同 时Roberts-Austen (奥氏) 和Roogzeboom 初步绘制出Fe-C 平衡图, 为 金相学奠定了理论基础。到了二十世纪中叶, 金相学已逐步发展成金属 学、物理冶金和材料科学。
石
器
时 代
青 铜 器 时 代
铁 器 时 代
钢时代
新材料时代