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材料科学基础 The Fundamentals(Elements,Principles )of Materials Science An Introduction to Materials Science 主讲 李克 *1材料科学基础CAI课件-李克 绪论 第一章 原子结构与键合 第二章 固体结构 第三章 晶体缺陷 第四章 固体中原子及分子的运动 第五章 材料的形变与再结晶 第六章 单组元相图及纯晶体的凝固 第七章 二元相图及其合金的凝固 材料科学基础 Date2材料科学基础CAI课件-李克 绪论 Introduction 材料的发展是社会文明的标志： 石器时代、陶器时代、铜器时代和硅片时代 Date3材料科学基础CAI课件-李克 1. 历史进程 漫长而又曲折的历程： 石器时代（从古猿到原始人）： 石斧、凿、刀、铲、箭头、 纺轮、钵等（西安半坡遗址） 石斧 陶器时代（从原始社会末期)：-高燃烧值的煤、炭 从新石器时代的仰韶文化和红山文化时期烧制的红陶、 黑陶和白陶，到殷、周时期的釉瓷，直至东汉出现的瓷器，制陶 技术并于九世纪传至非洲东部和阿拉伯世界，十三世纪传至日本 ，十五世纪传至欧洲。瓷器（china）成为中国文化的象征，对世 界文明产生了极大的影响。 Date4材料科学基础CAI课件-李克 宋代早期龙泉青瓷 南宋后代龙泉青瓷 南宋白胎龙泉青瓷 （浙江） 陶器和瓷器文化： 从新石器时代的仰韶文化和龙山文化时期烧制的红陶、 黑陶和白陶，到殷、周时期的釉瓷，直至东汉出现的瓷器，制陶 技术并于九世纪传至非洲东部和阿拉伯世界，十三世纪传至日本 ，十五世纪传至欧洲。瓷器（china）成为中国文化的象征，对世 界文明产生了极大的影响。 Date5材料科学基础CAI课件-李克 巨型司母戊鼎 （河南安阳晚商遗址） 铜器时代（约公元2140年间） ：-金属冶炼温度 我国青铜的冶炼在夏（约公元 2140年间）以前就开始了，虽 然晚于古埃及和西亚，但发展较 快。著名的有：晚商遗址出土的 司母戊鼎，湖北江陵楚墓中发掘 出的越王勾践剑，湖北隋县出土 的战国青铜编钟，这些均构成了 青铜器是中国古文明的象征。 Date6材料科学基础CAI课件-李克 湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑 Date7材料科学基础CAI课件-李克 湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄 铁器时代（春秋战国时期)- 我国从春秋战国时期（公元前770 221年）开始大量使用铁器。公元前 六世纪末叶，我国在世界上首先掌 握了生铁铸造方法，使生铁的利用 比西欧约早一千八百年。公元一世 纪，我国发明了炼钢方法，比西欧 也约早一千八百年；公元二世纪末 ，刀师蒲元已掌握了水质对淬火的 影响，当时他在今陕西南部造刀时 ，要用成都的水，并深知水质与淬 硬的关系。它预演了十五、六个世 纪以后美国为淬火要从英国 Sheffield取水的故事。 金属冶炼温度更高 Date8材料科学基础CAI课件-李克 l 材料技术到材料科学的转变 技术与科学的概念 科学-science源于拉丁文的“知识”。科学是理性地、系统地探索自然，目的 是寻求真理、发现新知识。从事基础科学研究的人往往是受好奇心的驱使 ，不可能预知所研究的东西有没有用，其成果通过发表在同行评议的期刊 上得到科学界的承认，有些成果会有意想不到的应用，有些则可能永远也 不能应用。 技术-technology-由希腊文的“艺术或技巧”和“学问”两个字根构成， technology是有关实用技艺和工业艺术的学问，研究的是知识的实际应用 ，目的是发明，其成果往往可以申请专利，也能在研究期刊上发表，但不 一定马上能成为产品。一项发明从概念的模型或设计到形成产品，还要经 过大量的技术开发工作，包括改进设计、优化制造工艺或程序等。 科学只有通过技术才能转化为生产力 Date9材料科学基础CAI课件-李克 l 古代科技名著：“考工记” （先秦）， “梦溪笔谈”（宋代 沈 括）， “天工开物”（明代 宋应星）。 “考工记”中的“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。” 两种理解：一种是将“金”看成是青铜，则锡含量为：16.7、20、25 、33.3、40、50；另一种是将“金”看成是纯铜，则锡含量为： 14.3、16.7、20、26、28.6、33.3。 中国科学技术大学陈玉方和美国华盛顿史密森博物学院的C. W. Chase选用 后一种作为“六齐”模拟试验成分，运用现代科学技术手段研究，证实“ 六齐”之律的科学性（文物保护与考古科学，1991，第3卷）。 Date10材料科学基础CAI课件-李克 n n 明代以后，由于封建社会的腐朽没落约束了明代以后，由于封建社会的腐朽没落约束了 生产力，冶金技术没有能进一步提高，没有像生产力，冶金技术没有能进一步提高，没有像 西方那样在十八世纪以后得到很快发展，更没西方那样在十八世纪以后得到很快发展，更没 能在十九世纪以后像西方那样将科学技术、教能在十九世纪以后像西方那样将科学技术、教 学、物理、化学、力学应用于冶金，使之从一学、物理、化学、力学应用于冶金，使之从一 门门技术技术发展成为一门发展成为一门科学科学。 n n 十八世纪后，工业迅速发展，对材料特别是十八世纪后，工业迅速发展，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，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产生了一门新的科学物理冶金（物理冶金（Physical Physical MetallurgyMetallurgy），），中国叫中国叫“ “金属学金属学” ” 它明确地提出它明确地提出 了金属的外在性能取决于内部结构的概念。近了金属的外在性能取决于内部结构的概念。近 一百多年来，光学显微镜、一百多年来，光学显微镜、X X射线技术、电子显射线技术、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（从肉眼揭示材料内部的结构（从肉眼原子）提供了原子）提供了 有力的手段，金属学得到了长足进步。有力的手段，金属学得到了长足进步。 长征三号运载火箭在发射架上 Date11材料科学基础CAI课件-李克 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) , 预告金相学即将诞生。 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。 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-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,不但已经开始用富里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。 Date12材料科学基础CAI课件-李克 Ruska 在三十年代研制出第一台电子显微镜,战后(1954 年) 又发 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. Date13材料科学基础CAI课件-李克 材料分类(Classification of Materials) 2. 材料的定义和分类 材料具有某种用途的物质 Date14材料科学基础CAI课件-李克 材料科学基础是研究材料的成分、组织结构与性能之间关系的科学 为什么不同类型材料会体现不同的性质，如金属材料的强度、韧性和塑 性；陶瓷材料的强度、脆性；高分子材料的韧性和延展性； n举例 Date15材料科学基础CAI课件-李克 3. 3. 材料科学与工程学科的定义及演变材料科学与工程学科的定义及演变 材料科学研究材料的组织结构与性能之间关系 的学科 材料工程基于材料组织结构与性能之间的关系 来设计材料组织结构以获得预期的材料性能 Date16材料科学基础CAI课件-李克 材料科学与工程专业的演变 机械工 程系 学习苏 联 机械制造系，设 立金属热处理(铸 锻焊)专业材料 成型及控制工程 专业 材料科学与工程学院（大部 分院校）材料科学与工程 专业 80 年 代 Date17材料科学基础CAI课件-李克 第一章 原子结构与键合 第二章 固体结构 第三章 晶体缺陷 第四章 固体中原子及分子的运动 第五章 材料的形变与再结晶 第六章 单组元相图及纯晶体的凝固 第七章 二元相图及其合金的凝固 材料科学基础-章节内容 Date1