《绪论introduction》PPT课件.ppt

2019/7/23,材料科学基础CAI课件-李克,1,材料科学基础,The Fundamentals(Elements,Principles )of Materials Science An Introduction to Materials Science,主讲 李克,李克 机电楼E221 Tel:Email:,2019/7/23,材料科学基础CAI课件-李克,2,考核及成绩评定,各部分所占比例： 课堂考勤及课堂表现、作业、实验：20%。 缺勤1次扣10分；迟到1次扣2分；作业抄袭扣10分。 期中考试：20%。 开卷，课堂进行 期末考试：60%。 闭卷,2019/7/23,材料科学基础CAI课件-李克,3,本课程讲授的主要内容： 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,2019/7/23,材料科学基础CAI课件-李克,4,绪论 Introduction,1. 材料学和材料的定义： 材料学：是研究材料的科学。 材料：是能为人类社会经济地制造有用器件的物质。,2019/7/23,材料科学基础CAI课件-李克,5,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。,材料的发展是社会文明的标志，人类应用材料的历史进程漫长而又曲折，包括：石器时代、陶器时代、铜器时代、铁器时代和硅片时代。始于无机、归于无机。,2019/7/23,材料科学基础CAI课件-李克,6,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。,2019/7/23,材料科学基础CAI课件-李克,7,巨型司母戊鼎,（河南安阳晚商遗址）,铜器时代（约公元2140年间）：-金属冶炼温度较低 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。,2019/7/23,材料科学基础CAI课件-李克,8,湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑,铜器时代,2019/7/23,材料科学基础CAI课件-李克,9,铁器时代（春秋战国时期)- 我国从春秋战国时期（公元前770221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1500,2019/7/23,材料科学基础CAI课件-李克,10,硅片时代：-硅单晶生长，熔点1400 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,2019/7/23,材料科学基础CAI课件-李克,11,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,2019/7/23,材料科学基础CAI课件-李克,12,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。”,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。成分的变化导致强度、硬度和韧性的变化。,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）。,2019/7/23,材料科学基础CAI课件-李克,13,明代以后，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、教学、物理、化学、力学应用于冶金，使之从一门技术发展成为一门科学。 近代西方国家在材料科学与技术方面取得的成就远胜我国。 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”。它明确地提出了金属的外在性能取决于内部结构的概念。 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。,2019/7/23,材料科学基础CAI课件-李克,14,19 世纪初, Widmanstabtten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。 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。 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。 三十年代, 复杂一些的晶体结构问题：如间隙化合物(1930) ,取向关系(1930) ,G. P. 区(1939) ,等等。 四十年代, 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。,2019/7/23,材料科学基础CAI课件-李克,15,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。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： 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碳纳米管、石墨烯创造了条件,开辟了纳米技术的新纪元.,2019/7/23,材料科学基础CAI课件-李克,16,(Classification of Materials),2. 研究的对象-材料的分类,按照材料的性能特点分类：,2019/7/23,材料科学基础CAI课件-李克,17,按照功能和应用分类,1。结构材料 2。电子材料 3。磁性材料 4。光学材料 5。航天航空材料 6。生物材料 7。智能材料 8。能源材料,新的学科方向-按照功能分为：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，实际是包含以上各类材料-金属、非金属等的。,2019/7/23,材料科学基础CAI课件-李克,18,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；,举例1、2、3、4（讲义）,基于材料的成分、组织结构与性能之间的相关性：,2019/7/23,材料科学基础CAI课件-李克,19,3. 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，侧重科学原理的探究。,材料工程基于材料的组织结构与性能之间的关系，设计材料组织结构，以获得预期的材料性能，侧重科学知识的实际应用。,2019/7/23,材料科学基础CAI课件-李克,20,我国材料科学与工程专业的演变,学习苏联,分设小专业，冶金与材料加工分家。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,学习美国,上世纪50年代,80年代,美国MIT材料专业的历史演变： 地质与采矿 采矿采矿与冶金冶金 冶金与材料科学材料科学与工程 “冶金”专业 “材料科学与工程”的社会背景： 1957年苏联的人造卫星升空，引起美国社会震动，分析原因是材料科学与工程落后。 成立材料研究所。之后冶金系、化工系改名。,2019/7/23,材料科学基础CAI课件-李克,21,南昌大学材料成型及控制工程专业,“铸造”模块 铸造工艺学（刘，含造型材料） 铸造合金及熔炼（曾） 铸造材料化学（艾） 冶金传输原理（曾） 冶金原理 压铸工艺及模具设计 铸件形成理论 铸造过程数值模拟,共修专业主干课程： 材料科学基础 材料成型原理 材料成型设备 工程材料与机械制造基础,“锻压”模块 “焊接”模块 “塑料”模块,以上课程在本学科基本概念的很多方面会有重复,金属凝固原理（研究生课程）,2019/7/23,材料科学基础CAI课件-李克,22,本课程的学习方法： 本课程是一门理论性