材料科学基础上海交大版讲义绪论课件

1、绪 论,材料科学基础A_2012-2013(1,Foundations of Materials Science,1,材料科学基础上海交大版讲义绪论,一、材料和工程材料 1、材料,哥伦比亚号航天飞机,材料是指人类用以制造各种有用器件的物质,2,材料科学基础上海交大版讲义绪论,材料是人类生产和生活所必须的物质基础,3,材料科学基础上海交大版讲义绪论,石器时代 青铜器时代 铁器时代,材料是人类进化的里程碑。由于材料的重要性，历史学家根据人类所使用的材料来划分时代,4,材料科学基础上海交大版讲义绪论,材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志,材料的发展与人类社会简图,5,材料科学基础上海交大

2、版讲义绪论,没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前的计算机技术。 高纯度大直径的硅单晶的研制成功，促使了集成电路和计算机及其他电子设备的进步,6,材料科学基础上海交大版讲义绪论,没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天的航空工业和宇航工业。 （碳/碳复合材料的发展促进了航空航天技术的进步。,在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片,飞机发动机叶片,1942年，镍基高温合金的研制成功，促使了航空发动机的进步,7,材料科学基础上海交大版讲义绪论,没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯,现代光纤是在英籍华人高琨博士的研究工作基础上发展起来的。1966年高博士发现提高玻璃的纯度可以减少光传播过程中的损耗

3、。1970年美国康宁公司将这一科研成果开发为商品，用高纯石英玻璃制造出了现代光导纤维。这种光纤是一种比头发还细的高纯度玻璃丝,一根细丝就能同时传输2000路通话，并且不,失真、不受环境干扰、不易被窃听、还传输特别快，光缆一秒钟传输的距离若改用铜缆则要花上20个小时，快了72000倍,8,材料科学基础上海交大版讲义绪论,2009年10月6日瑞典皇家科学院宣布，将2009年诺贝尔物理学奖授予英国华裔科学家高锟以及美国科学家威拉德博伊尔和乔治史密斯。瑞典皇家科学院说，高锟在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”取得了突破性成就，他将获得今年物理学奖一半的奖金，共500万瑞典克朗（约合70万美元）

4、；博伊尔和史密斯发明了半导体成像器件电荷耦合器件（CCD）图像传感器，将分享今年物理学奖另一半奖金,光纤之父”高锟,9,材料科学基础上海交大版讲义绪论,二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信息并列，称作现代文明的三大支柱之一,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,10,材料科学基础上海交大版讲义绪论,中华民族在人类历史上为材料的发展和应用作出过重大贡献,早在公元前6000 5000年的新石器时代，中华民族的先人就能用黏土烧制成陶器，到东汉时期又出现了瓷器，并流传海外,11,材料科学基础上海交大版讲义绪论,4000年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷、

5、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,12,材料科学基础上海交大版讲义绪论,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,13,材料科学基础上海交大版讲义绪论,古代剑刃制造中的特殊技术,14,材料科学基础上海交大版讲义绪论,黄石铜矿遗址 春秋晚期 矿井深达50m 炼铜炉渣多达40万吨 实属罕见,15,材料科学基础上海交大版讲义绪论,我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器，明朝科学家宋应星在天工开物一书中就记载了古代的渗碳热处理等工艺。这说明早在欧洲工业革命

6、之前，我国在金属材料及热处理方面就已经有了较高的成就,16,材料科学基础上海交大版讲义绪论,新中国成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、宝钢等大型钢铁基地。钢产量由49年的15.8万吨上升到现在的一亿吨,17,材料科学基础上海交大版讲义绪论,原子弹、氢弹的爆炸，卫星、飞船的上天等都说明了我国在材料的开发、研究及应用等方面有了飞跃的发展,18,材料科学基础上海交大版讲义绪论,图 航天飞机,19,材料科学基础上海交大版讲义绪论,图 磁悬浮列车,20,材料科学基础上海交大版讲义绪论,图 复合材料,21,材料科学基础上海交大版讲义绪论,国家大剧院设计图（顶部采用纳米材料制造,22,材料科学基础上海交大版讲义

7、绪论,新材料产业“十二五”发展规划,我国新材料产业总体发展水平仍与发达国家有较大差距，产业发展面临一些亟待解决的问题，主要表现在,1）新材料自主开发能力薄弱，大型材料企业创新动力不强，关键新材料保障能力不足； （2）产学研用相互脱节，产业链条短，新材料推广应用困难，产业发展模式不完善； （3）新材料产业缺乏统筹规划和政策引导，研发投入少且分散，基础管理工作比较薄弱,23,材料科学基础上海交大版讲义绪论,发达国家高度重视新材料产业的培育和发展,1）发达国家高度重视新材料产业的培育和发展，具有完善的技术开发和风险投资机制； （2）大型跨国公司以其技术研发、资金、人才和专利等优势，在高技术含量、高附

8、加值新材料产品中占据主导地位,24,材料科学基础上海交大版讲义绪论,战略性新兴产业对部分新材料的需求预测,1）新能源 “十二五”期间，我国风电新增装机6000万千瓦以上，建成太阳能电站1000万千瓦以上，核电运行装机达到4000万千瓦，预计共需要稀土永磁材料4万吨、高性能玻璃纤维50万吨、高性能树脂材料90万吨，多晶硅8万吨、低铁绒面压延玻璃6000万平方米，需要核电用钢7万吨/年，核级锆材1200吨/年、锆及锆合金铸锭2000吨/年,25,材料科学基础上海交大版讲义绪论,2）节能和新能源汽车 2015年，新能源汽车累计产销量将超过50万辆，需要能量型动力电池模块150亿瓦时/年、功率型30亿

9、瓦时/年、电池隔膜1亿平方米/年、六氟磷酸锂电解质盐1000吨/年、正极材料1万吨/年、碳基负极材料4000吨/年；乘用车需求超过1200万辆，需要铝合金板材约17万吨/年、镁合金10万吨/年,26,材料科学基础上海交大版讲义绪论,3）高端装备制造 “十二五”期间，航空航天、轨道交通、海洋工程等高端装备制造业，预计需要各类轴承钢180万吨/年、油船耐腐蚀合金钢100万吨/年、轨道交通大规格铝合金型材4万吨/年、高精度可转位硬质合金切削工具材料5000吨。到2020年，大型客机等航空航天产业发展需要高性能铝材10万吨/年，碳纤维及其复合材料应用比重将大幅增加,27,材料科学基础上海交大版讲义绪论

10、,4）新一代信息技术 预计到2015年，需要8英寸硅单晶抛光片约800万片/年、12英寸硅单晶抛光片480万片/年，平板显示玻璃基板约1亿平方米/年，TFT混合液晶材料400吨/年,28,材料科学基础上海交大版讲义绪论,5）节能环保 “十二五”期间，稀土三基色荧光灯年产量将超过30亿只，需要稀土荧光粉约1万吨/年；新型墙体材料需求将超过230亿平方米/年，保温材料产值将达1200亿元/年;火电烟气脱硝催化剂及载体需求将达到40亿元/年,耐高温、耐腐蚀袋式除尘滤材和水处理膜材料等市场需求将大幅增长,29,材料科学基础上海交大版讲义绪论,30,材料科学基础上海交大版讲义绪论,31,材料科学基础上海

11、交大版讲义绪论,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,32,材料科学基础上海交大版讲义绪论,Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果,Titanic的沉没是必然还是偶然,33,材料科学基础上海交大版讲义绪论,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,人类对材料的认识是逐步深入的,34,材料科学基础上海交大版讲义绪论,1912年发现了X-射线对晶体的作用并在随后被用于晶体衍射分析，使人们对固体材料微观结构的认识从最初的假想到科学的现实,Si表面的重构图象,35

12、,材料科学基础上海交大版讲义绪论,1932年发明了电子显微镜，把人们带到了微观世界的更深层次（10-7m,36,材料科学基础上海交大版讲义绪论,1934年位错理论的提出，解决了晶体理论计算强度与实验测得的实际强度之间存在的巨大差别的矛盾，对于人们认识材料的力学性能及设计高强度材料具有划时代的意义,金属钛中的位错,37,材料科学基础上海交大版讲义绪论,2、材料科学,主要研究内容： 研究材料的化学组成、结构与性能的关系； 研究材料的形成机理和制取方法； 研究材料物理性能的测试方法和技术； 分析材料的损坏机理； 研究材料的合理加工方法和最佳使用方案,材料科学是以材料为研究对象的一门科学,挑战者号爆炸

13、瞬间,38,材料科学基础上海交大版讲义绪论,二、材料的分类,按组成与结合键分： 1、金属材料 2、高分子材料 3、陶瓷材料 4、复合材料,39,材料科学基础上海交大版讲义绪论,金属材料,以金属键结合为主 良好的导电性、导热性、延展性和金属光泽 用量最大、应用最广泛,40,材料科学基础上海交大版讲义绪论,铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达10亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的60%以上,41,材料科学基础上海交大版讲义绪论,金属材料制品,42,材料科学基础上海交大版讲义绪论,陶瓷材料,以共价键和离子键为主 熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大 分为传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷三类

14、,43,材料科学基础上海交大版讲义绪论,传统陶瓷又称普通陶瓷，是以天然材料(如黏土、石英、长石等)为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。特种陶瓷又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的陶瓷，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件,44,材料科学基础上海交大版讲义绪论,高分子材料,以分子键和共价键为主 塑性、耐蚀性、电绝缘性、减振性好，密度小 包括塑料、橡胶及合成纤维等,45,材料科学基础上海交大版讲义绪论,高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业中被广泛应用,烯丙酰氯-苯乙烯,46,材料科学基础上海交大版讲义绪论,复合材料,包括： 金属基复合材料 陶瓷基

15、复合材料 高分子复合材料,是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料,玻璃纤维增强高分子复合材料,47,材料科学基础上海交大版讲义绪论,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,48,材料科学基础上海交大版讲义绪论,Properties: Mechanical And Functional,Processing, Synthesis, And phase transformation,Structure an

16、d characterization,Theory and Modeling,49,材料科学基础上海交大版讲义绪论,50,材料科学基础上海交大版讲义绪论,材料科学与工程及其与其他学科的关系,Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E,51,材料科学基础上海交大版讲义绪论,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

17、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）。 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,52,材料科学基础上海交大版讲义绪论,作为一名工程师，学习如何选择和应用金属材料的一般原理，即金属材料的内部结构及对性能的影响。只有掌握金属材料科学的基础理论和知识，材料对任一种金属材料进行研究和应用。 课程的主线（纲） 金属材料的性能与化学成分、相结构、组织结构之间的关系及其在各种条件下的变化规律,材料科学基础的应用价值,53,材料科学基础上海交大版讲义绪论,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 了解本课程的学习方法. 4 为后续专业课打下牢固的基础，同时为将来从事材料的研究与开发打下坚实的理论基础,54,材料科学基础上海交大版讲义绪论,课程性质 专业基础课（考研需要） 研究对象：金属材料 先修课程要求： 物理化学；材料力学（固