材料科学基础PPT精品课件

1、Foundations of Materials ScienceFoundations of Materials Science2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室21.1.掌握材料科学研究的内容及其要素之间的逻辑关系掌握材料科学研究的内容及其要素之间的逻辑关系. .2.2.了解材料发展的现状与发展趋势了解材料发展的现状与发展趋势. .3.3.了解本课程的主要内容和学习方法了解本课程的主要内容和学习方法. .绪绪 论论2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室3 一一. . 什么是材料和材料科学基础什么是材料和材料科学基础? ? 二二. . 材料科学的地位和作用。材料科学的地

2、位和作用。 三三. . 材料的分类。材料的分类。 四四. . 为什么要学习为什么要学习材料科学基础材料科学基础? ? 五五. .材料科学基础材料科学基础课程的主要内容。课程的主要内容。 六六. .材料科学基础材料科学基础课程的特点、学习方法和安排。课程的特点、学习方法和安排。2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室4 请同学们能不能根据材料的发展来划分历史？如请同学们能不能根据材料的发展来划分历史？如果能，是怎样划分的？果能，是怎样划分的？提到提到“材料材料”，同学们会想到什么？列举一下现，同学们会想到什么？列举一下现代生活中用到了哪些材料？给材料下个定义。代生活中用到了哪些材料？给材

3、料下个定义。 材料科学与材料工程有什么区别？材料科学与材料工程有什么区别？ 请问同学们材料是怎样分类的？请问同学们材料是怎样分类的？ 如何认识材料的科学问题？如何认识材料的科学问题？ （链接）2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室5 （MaterialsMaterials）是指人类社会能接受地，经济地的制）是指人类社会能接受地，经济地的制造有用物品的物质。是具有满足指定工作条件下使用要求的造有用物品的物质。是具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质。形态和物理性状的物质。包括人们的思想意识之外的所有物质包括人们的思想意识之外的所有物质(substance)(substan

4、ce)。材料是国民经济的物质基础。材料是国民经济的物质基础。：天然材料和人工材料。：天然材料和人工材料。 ：工农业生产、国防、科学技：工农业生产、国防、科学技术、人民生活。术、人民生活。 、能源和信息是现代技术的三大支柱、能源和信息是现代技术的三大支柱(1998)(1998)。 生物工程、信息技术和生物工程、信息技术和是现代技术的三大支柱。是现代技术的三大支柱。 材料品种、数量和质量是国家现代化程度标志之一。材料品种、数量和质量是国家现代化程度标志之一。2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室6（Materials ScienceMaterials Science）是研究）是研究、与与

5、之间的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。生产的支柱，是当今世界的带头学科之一。(Foundations of Materials Science(Foundations of Materials Science）是）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、高分子材料等）的瓷、高分子材料等）的和和建立在共同的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。它涵理论基础上，用于指导材料的研究、生

6、产、应用和发展。它涵盖了材料科学和材料工程的基础理论。盖了材料科学和材料工程的基础理论。2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室7 每一种新材料的应用是人类进化和发展的里程碑。每一种新材料的应用是人类进化和发展的里程碑。材料是人类社会发展的巨大推动力，生产工具制造材料是人类社会发展的巨大推动力，生产工具制造的物质基础是材料的物质基础是材料 材料的发展史就是材料的发展史就是人类社会的发展史人类社会的发展史。 材料的发展史就是材料的发展史就是科学技术的发展史科学技术的发展史。2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室8 由于材料的重要性，历史学家由于材料的重要性，历史学家常常常常根据

7、人类使用的材料来划分根据人类使用的材料来划分人类社会发展的历史阶段人类社会发展的历史阶段。从古代到现在人类使用材料的历史共经从古代到现在人类使用材料的历史共经历了七个时代，历了七个时代，其中的有些时代持续了几个世纪，其中的有些时代持续了几个世纪，各时代的开始时各时代的开始时间：间：旧、新石器时代（公元前旧、新石器时代（公元前1010万年）万年）陶器时代陶器时代青铜器时代（公元前青铜器时代（公元前30003000年）年）铁器时代（公元前铁器时代（公元前10001000年年水泥时代（公元水泥时代（公元0 0年）年）钢时代（钢时代（18001800年）年）硅时代（硅时代（19501950年）年）新材

8、料时代（新材料时代（19901990年、特征是多种材料并存）年、特征是多种材料并存）1.1.材料的发展史，就是人类社会的发展史材料的发展史，就是人类社会的发展史v 材料发展动力：材料发展动力： 社会需求社会需求（市场拉动）（市场拉动） 技术发展技术发展（技术推动）（技术推动） 科学发展科学发展（对物质的了（对物质的了 解，是创新的源泉）解，是创新的源泉） 2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室92022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室10 ，这种容易制成工具，这种容易制成工具的石头，开始了制陶业的发展的石头，开始了制陶业的发展（300000BC)300000BC)。 被用作工

9、具与武器，开始了被用作工具与武器，开始了人类金属的使用（人类金属的使用（5500 BC5500 BC） 改变了铜的性能改变了铜的性能- -材料开始发材料开始发展展 （5000 BC5000 BC）石斧、凿、刀、铲、箭头、纺石斧、凿、刀、铲、箭头、纺轮、钵等（西安半坡遗址）轮、钵等（西安半坡遗址）2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室11 金属铸造工艺金属铸造工艺-人们得到了他们需要的形状人们得到了他们需要的形状 (4000BC、最早、最早的模铸件：一个的模铸件：一个铜制杖头铜制杖头) 从矿石中提炼铜从矿石中提炼铜-冶金业的黎明冶金业的黎明 （3500BC、埃及古墓壁画埃及古墓壁画是是

10、人类冶金业的最早纪录之一人类冶金业的最早纪录之一 ） 青铜的使用青铜的使用-制造合金制造合金 （ 3000BC、青铜：第一种合金青铜：第一种合金）2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室12 （Bronze Age)（Bronze Age)巨型司母戊鼎巨型司母戊鼎（河南安阳晚商遗址）（河南安阳晚商遗址）青铜器时代: 青铜器时代: 湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室131986年四川广汉三星堆 青铜立青铜立人像：人像：商代晚期，人像人像高172厘米，底座高90厘米，通高261,厘米, 整体由立人像和台座两大部分接铸而成。 青铜辫索冠人头像：青铜辫

11、索冠人头像：高13.7厘米祭祀坑出土圆头顶，头戴辫索状帽箍，耳较圆，两耳各有三个穿孔，耳上端的鬓发清晰可 见。颇具土著风格 青铜鹰形铃青铜鹰形铃: :高14.24厘米，宽6.5厘米，厚3.55厘米, 铃呈鹰蹲栖状，两侧有翼状扉棱，两面有羽翅状阴纹。2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室14神兽神兽: :春秋时期，高48厘米，1990年河南省淅川徐家岭楚墓出土。龙首、虎颈、虎身、虎尾、龟足，张口吐舌，牙齿犀利。龙首上附六条蛇形龙。脊背上有有一方座，座上有一神兽也为龙首，口衔一条龙，龙 首。通身饰动物纹和云纹，满嵌绿松石编钟编钟：春秋中期，1978年河南淅川出土，最大钟通高120.4厘米

12、，舞修52.3厘米，铣间59.7厘米。该钟一组26件，形制相同，大小依次递减。2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室15：春秋，1923年河南新郑李家园出土。高117厘米，口长30.5厘米，口宽24.9厘米。春秋中期，1978年河南淅川下寺出土。高28.8厘米，器身长103厘米，宽46厘米，禁为承置酒器的案，其器身以粗细不同的铜梗支撑多层镂空云纹，十二只龙形异兽攀缘于禁的四周，另十二只蹲于禁下为足。这是我国迄今发现用失蜡法铸造的时代最早的铜器，其工艺精湛复杂，令人叹为观止。2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室162022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室17中国古代

13、铁器的金相组织中国古代铁器的金相组织湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄ron Age（I）铁时 器代器代2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室182022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室192022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室20 铁的发现铁的发现 （1450BC、铁制车轮铁制车轮）炼铁炼铁的需要促使了鼓风机与熔炉的发明（的需要促使了鼓风机与熔炉的发明（1500AD、廉价的冶铁业）、廉价的冶铁业）Henry Bessemer(1813-1898)拥有钢铁冶炼的专利拥有钢铁冶炼的专利-当代钢铁冶炼的当代钢铁冶炼的出现。他的方法是钢铁制品信能大大改观

14、而成本也降低不少。出现。他的方法是钢铁制品信能大大改观而成本也降低不少。（1855AD） 2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室212022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室22 ：使铝成为一种常用金属：使铝成为一种常用金属 （1866）的商业发展，高分子材料发展的关键时期的商业发展，高分子材料发展的关键时期 （1939、尼龙、尼龙的发明）的发明）：掺镍合金促进了喷气发动机的发展（：掺镍合金促进了喷气发动机的发展（1950s)2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室232022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室24 制作越来越小的硅芯片制作越来越小的硅芯片 (19

15、60S、硅芯片变得更小了）、硅芯片变得更小了） 高温超导体，高温超导的革命时代高温超导体，高温超导的革命时代 (1980S、高温超导体）、高温超导体）2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室25简单复杂简单复杂单一性能综合性能单一性能综合性能结构材料功能材料结构材料功能材料单一材料复合材料单一材料复合材料总之，材料发展是：2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室26 让我们回顾几项有影响的事例，以便加深理解材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。料的发展在人类社会发展中起了举足轻重的作用。2.2.材料的发展史，就是科学技术的发展史

16、材料的发展史，就是科学技术的发展史2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室27 1.计算机经历：电子管计算机经历：电子管1906年年晶体管晶体管1948年年集集成电路时代成电路时代 1958年年 2.个人电脑移动存储器的比较。材料科学的发展是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。计算机飞速发展的基础。 种类种类使用的材料使用的材料存储容量存储容量特点特点软盘软盘氧化铁氧化铁1.44 Mb1.44 Mb容量小，文本文件存储容量小，文本文件存储CDCDRWRW以以ZnSZnS等为主的陶等为主的陶瓷材料瓷材料650 Mb650 MbCDCD光盘，价低，用量大光盘，价

17、低，用量大MO(MO(磁光盘磁光盘) )TbFeCoTbFeCo合金磁光合金磁光材料材料650 Mb650 Mb，1.3G1.3G需专用驱动器，价格高，局限需专用驱动器，价格高，局限在广告图形用户在广告图形用户DVDDVDRWRWZnSZnS等为主的陶瓷等为主的陶瓷材料材料单面单层为单面单层为4.7 4.7 GbGbCDCDRWRW和和CDCD光盘，用量大光盘，用量大2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室28集成电路发展历程集成电路发展历程2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室292010年年11月，月，NVIDIA发布全新含发布全新含30亿晶体管的亿晶体管的GF110核心

18、核心 晶体管之父晶体管之父,william shockle2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室30器件缩小器件缩小100100万倍，单价下降万倍，单价下降100100万倍万倍。： 信息获取（传感器：化合物）信息传递（光纤：无机、有机信息获取（传感器：化合物）信息传递（光纤：无机、有机材料）信息贮存（金属与合金）信息显示（用于液晶显示的非材料）信息贮存（金属与合金）信息显示（用于液晶显示的非晶硅、有机液晶材料）信息处理（处理器芯片硅锗）晶硅、有机液晶材料）信息处理（处理器芯片硅锗）。 ： (hydrogen storage material)(hydrogen storage mat

19、erial)：镁系贮氢合金镁系贮氢合金，主要有镁镍、镁铜、镁铁、镁钛等合金；主要有镁镍、镁铜、镁铁、镁钛等合金；稀土系贮氢合金稀土系贮氢合金，主，主要是镧镍合金要是镧镍合金; ;钛系贮氢合金钛系贮氢合金，有钛锰、钛铬、钛镍、钛铌、，有钛锰、钛铬、钛镍、钛铌、钛锆、钛铜及钛锰氮、钛锰铬、钛锆铬锰等合金钛锆、钛铜及钛锰氮、钛锰铬、钛锆铬锰等合金; ;锆系贮氢合锆系贮氢合金金，有锆铬、锆锰等二元合金和锆铬铁锰、锆铬铁镍等多元合，有锆铬、锆锰等二元合金和锆铬铁锰、锆铬铁镍等多元合金金; ;铁系贮氢合金铁系贮氢合金，主要有铁钛和铁钛锰等合金。，主要有铁钛和铁钛锰等合金。 （硅、合金、化合物半导体（硅、合

20、金、化合物半导体GaAs,InPGaAs,InP，CdsCds系，系，ZnZn3 3P P2 2等）等） （锆合金等）。（锆合金等）。2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室33 从从实现飞行的梦想以来，航空和航天器发生了巨变。实现飞行的梦想以来，航空和航天器发生了巨变。为了飞得快和远，就要采用强度高和比重小的材料，重视材料的比为了飞得快和远，就要采用强度高和比重小的材料，重视材料的比强度，即强度强度，即强度/ /比重之比。随着航空技术的进一步发展，轻质铝、镁比重之比。随着航空技术的进一步发展，轻质铝、镁合金和高比强度的钛合金、碳纤维高分子复合材料、硼纤维金属复合金和高比强度的钛合金、

21、碳纤维高分子复合材料、硼纤维金属复合材料等得到愈来愈多的采用。合材料等得到愈来愈多的采用。 发动机（高温合金，金属基复合材料，陶瓷与陶瓷基复合材发动机（高温合金，金属基复合材料，陶瓷与陶瓷基复合材料）、汽轮机部件（纤维增强金属基复合材料、陶瓷基复合材料）、料）、汽轮机部件（纤维增强金属基复合材料、陶瓷基复合材料）、火箭喷嘴（难熔金属）等。火箭喷嘴（难熔金属）等。实例实例压气机叶片压气机叶片压气机机匣压气机机匣飞机尾翼飞机尾翼硼纤维铝合金板和管硼纤维铝合金板和管材料材料铝合金铝合金钛合金钛合金碳纤维复合材料碳纤维复合材料硼纤维增强铝合金硼纤维增强铝合金强度范围强度范围MPaMPa15015045

22、045035035011001100100010001200 1200 （顺（顺纤维方向）纤维方向） 15001500（顺纤维方向）（顺纤维方向） 比强度比强度MPaMPa555516016080802452456256257507505705702022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室34 高温材料的选用高温材料的选用 ：固定式或移动式发动机的热效率都随介质工：固定式或移动式发动机的热效率都随介质工作温度的提高而提高。作温度的提高而提高。3030多年来，大型喷气式飞机的发动机推力提多年来，大型喷气式飞机的发动机推力提高了高了5 5倍多，而发动机的重量只增加倍多，而发动机的重量只增加1

23、 12 2倍，这主要靠高温合金的采倍，这主要靠高温合金的采用。下图是不同时期飞机发动机的工作温度。用。下图是不同时期飞机发动机的工作温度。 v 喷气发动机起源于上世纪喷气发动机起源于上世纪40年代初，当时的工作温年代初，当时的工作温度在度在700 左右，而今民左右，而今民用机接近用机接近1500，而军用，而军用机在机在2000左右。这左右。这 就要就要求发展耐高温材料，称之求发展耐高温材料，称之为高温合金。为高温合金。2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室35 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的物

24、理及机械性能强度、耐力、使用寿命。在飞机发动机强度、耐力、使用寿命。在飞机发动机中一种掺镍化合物制成称作中一种掺镍化合物制成称作718718合金被广泛的用于制造波音合金被广泛的用于制造波音777777客机上的发动机的压缩机、叶片及紧固件。客机上的发动机的压缩机、叶片及紧固件。航航空空发发动动机机示示意意图图 2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室36神州飞船及运载火箭神州飞船及运载火箭2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室372022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室38：“自行车发烧友自行车发烧友” 选择钛合金制自行车。钛选择钛合金制自行车。钛合金的应用场合很特殊。

25、通常用于需要抗腐蚀，耐疲劳，高合金的应用场合很特殊。通常用于需要抗腐蚀，耐疲劳，高弹性的场合弹性的场合 2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室39原来使用专用的汞合金，原来使用专用的汞合金，为防止金属合金的分解已经开为防止金属合金的分解已经开发出一种可以满足口腔中特殊发出一种可以满足口腔中特殊的物理及化学环境的新型陶瓷。的物理及化学环境的新型陶瓷。具体来讲，它需要满足下列要具体来讲，它需要满足下列要求：耐口腔中的酸；低热导率求：耐口腔中的酸；低热导率（这对你吃冷饮有好处）；尽（这对你吃冷饮有好处）；尽得住数年的咀嚼力；耐骤冷骤得住数年的咀嚼力；耐骤冷骤热；当然还要口感舒适。热；当然还

26、要口感舒适。2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室40 碳、硼纤维及环氧化合物复合材料非常轻，可以在某碳、硼纤维及环氧化合物复合材料非常轻，可以在某特定方向上增加强度（用于特殊目的）特定方向上增加强度（用于特殊目的）。 2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室41近来，钢铁工业已经开发出一种汽车用钢，比原先的轻近来，钢铁工业已经开发出一种汽车用钢，比原先的轻24%24%，而强度高，而强度高34%34%，称为，称为。 优点：高撞击能量吸收率；高强度优点：高撞击能量吸收率；高强度- -质量比；实用新型质量比；实用新型制造工艺；可以有多种不同性能制造工艺；可以有多种不同性能( (寿

27、命、防锈等）。寿命、防锈等）。国家大剧院设计图国家大剧院设计图(顶部采用纳米材料制造顶部采用纳米材料制造)通向月球的碳纳米管天梯想象图通向月球的碳纳米管天梯想象图 纳米原子像纳米原子像纳米泵纳米泵纳米红血球纳米红血球纳米探针纳米探针2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室44 1990年美国总统的科学顾问年美国总统的科学顾问Allany.Bromley明确指出：明确指出：“”。 1986年年杂志指出：杂志指出：“先进材料对未来的宇航、电子先进材料对未来的宇航、电子设备、汽车以及其他工业的发展是必要的，材料科学的进步决定了经济关设备、汽车以及其他工业的发展是必要的，材料科学的进步决定了经

28、济关键部门增长速率的极限范围。键部门增长速率的极限范围。”材料科学家材料科学家“发展高技术新材料要十分重视应用的开发，从发展高技术新材料要十分重视应用的开发，从而促进材料的产业化。而促进材料的产业化。” 材料科学家材料科学家“科技创新推动材料科学进步。科技创新推动材料科学进步。” 指出：指出：“材料科学是何等的重要，它可以使飞材料科学是何等的重要，它可以使飞机重返蓝天，可以让许多科技设想变成现实，它与国民经济、国防工业、机重返蓝天，可以让许多科技设想变成现实，它与国民经济、国防工业、人民生活密切相关，它必将为人类进步作出重要贡献。人民生活密切相关，它必将为人类进步作出重要贡献。” 不过现在无论

29、是主要材料的种类还是性能都发展的越来越快。现在每月不过现在无论是主要材料的种类还是性能都发展的越来越快。现在每月都有新概念产生，而不是每个年代或每个世纪。都有新概念产生，而不是每个年代或每个世纪。3.3.中外有关材料的评论中外有关材料的评论2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室45 新材料阶段是一个由新材料阶段是一个由决定社会和经济发决定社会和经济发展的时代；展的时代； 新材料以新材料以为特征，非自然界中现成有的为特征，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新材料是根据我们对材料的物理和化学性能的了解，为了解，为了设计和加工而成的；设计和加工而成的； 这

30、些新材料使新技术得以产生和应用，而新技术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。就业增加。4. 4. 新材料阶段的特征新材料阶段的特征2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室46 按物态划分按物态划分：气态、液态和固态。：气态、液态和固态。 按使用领域按使用领域：建筑材料、电子材料、医用材料、仪表材料、能源材料等。：建筑材料、电子材料、医用材料、仪表材料、能源材料等。 根据材料的结构和用途来分类根据材料的结构和用途来分类。是以强度，刚度，韧性，耐劳性，是以强度，刚度，韧性，耐劳性，硬度，

31、疲劳强度等力学性能为特征的材料。硬度，疲劳强度等力学性能为特征的材料。是以声，光，电，磁，是以声，光，电，磁，热等物理性能为特征的材料。热等物理性能为特征的材料。 按组成和结合健性质按组成和结合健性质( (属性属性) )：金属材料、陶瓷（无机非金属）材料、有机：金属材料、陶瓷（无机非金属）材料、有机高分子材料以及它们分别组合成的复合材料，还有半导体材料。高分子材料以及它们分别组合成的复合材料，还有半导体材料。 按物理形态按物理形态：晶体材料、非晶态材料和纳米材料。：晶体材料、非晶态材料和纳米材料。 按几何形态按几何形态：三维材料、二维材料、一维材料和零维材料。：三维材料、二维材料、一维材料和零

32、维材料。 按材料的发展按材料的发展：传统材料（钢铁，铜，铝，水泥，塑料，陶瓷，：传统材料（钢铁，铜，铝，水泥，塑料，陶瓷，. . ）和）和新材料（金属间化合物，高温超导材料，非晶态合金，纳米材料新材料（金属间化合物，高温超导材料，非晶态合金，纳米材料, ., .） 本课程按金属、陶瓷、高分子和它们的复合材料来组织教材的内容的。本课程按金属、陶瓷、高分子和它们的复合材料来组织教材的内容的。2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室47：黑色金属材料、有色金属材料：黑色金属材料、有色金属材料：氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷：氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷：塑料、橡胶合成纤维：塑料、橡胶合成纤维：金属基复

33、合材料、陶瓷基复合材料、树脂基复合材料：金属基复合材料、陶瓷基复合材料、树脂基复合材料：电子材料、光电子材料、超导材料：电子材料、光电子材料、超导材料 价键四面体价键四面体 钢：钢：碳素钢和合金钢（按成分）；普通钢、优质钢和高级优碳素钢和合金钢（按成分）；普通钢、优质钢和高级优质钢（按品质）；平炉钢、转炉钢、电炉钢和奥氏体钢（按冶质钢（按品质）；平炉钢、转炉钢、电炉钢和奥氏体钢（按冶炼法）；结构钢、工具钢、特殊钢及专用钢（按用途）炼法）；结构钢、工具钢、特殊钢及专用钢（按用途）。 铸铁：铸铁：灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和特殊性能灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和特殊性能铸铁等。铸

34、铁等。 轻金属轻金属( (密度密度5)5)、重金属、重金属( (密度密度5)5)、贵金属、类金属和稀、贵金属、类金属和稀有金属，如有金属，如A1A1、CuCu、ZnZn、SnSn、PbPb、MgMg、NiNi、TiTi及其合金。在工及其合金。在工程上占有重要地位。程上占有重要地位。 结合健为金属健，熔点较高，具有金属光泽，范性、展性、结合健为金属健，熔点较高，具有金属光泽，范性、展性、延性大，强度较高，结构中存在自由电子，导热和导电性好，延性大，强度较高，结构中存在自由电子，导热和导电性好，在空气中易被氧化。在空气中易被氧化。 2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室49铝合金的铝合金

35、的主要应用领域主要应用领域战机舰船导弹火箭人造卫星战车高速列车汽车高层建筑 主要包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。主要包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。 按性能和用途：传统陶瓷和特种陶瓷。按性能和用途：传统陶瓷和特种陶瓷。 特种陶瓷也称精细陶瓷、高技术陶瓷、先进陶瓷特种陶瓷也称精细陶瓷、高技术陶瓷、先进陶瓷。特种陶瓷特种陶瓷是以人工合成化合物为原料制备，用于技术和工程领域，如电是以人工合成化合物为原料制备，用于技术和工程领域，如电子信息、能源、生物、航天航空和其它高新技术领域。子信息、能源、生物、航天航空和其它高新技术领域。 化学健主要是离于键、共价健以及它们的混合键；化学健主要是离于键、共价

36、健以及它们的混合键； 硬而脆、硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感；熔点高，具有优良的耐高韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感；熔点高，具有优良的耐高温和化学稳定性；一般自由电子数目少、导热性和导电性较小；温和化学稳定性；一般自由电子数目少、导热性和导电性较小；耐化学腐蚀性好；耐磨损。耐化学腐蚀性好；耐磨损。2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室51窗口窗口陶瓷材料应用陶瓷材料应用2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室52f导弹头罩窗口窗口导弹的眼睛导弹的眼睛 窗口材料窗口材料 （ZnS, ZnSe, Al2O3, diamond, ） 以以C C、H H、N N、O O元素为

37、基础，元素为基础，由大量结构相同的小单元聚合由大量结构相同的小单元聚合组成，分子量大，并在某一范组成，分子量大，并在某一范围内变化。围内变化。 结合健主要为共价健，部分结合健主要为共价健，部分范德华键；分子量大，无明显范德华键；分子量大，无明显的熔点，有玻璃化转变温度、的熔点，有玻璃化转变温度、粘流温度；力学状态有玻璃态、粘流温度；力学状态有玻璃态、高弹态和粘流态；强度较高；高弹态和粘流态；强度较高；质量轻；良好的绝缘性；优越质量轻；良好的绝缘性；优越的化学稳定性。的化学稳定性。 高分子材料分类高分子材料分类 按来源按来源一般分为天然高分子材料一般分为天然高分子材料( (蛋白、淀粉、纤维素等蛋

38、白、淀粉、纤维素等) )和和人工合成高分子材料人工合成高分子材料( (合成塑料、合成橡胶、合成纤维合成塑料、合成橡胶、合成纤维) )两大类；两大类； 按性能和使用性质按性能和使用性质：塑料、橡胶、纤维、粘合剂、涂料等；：塑料、橡胶、纤维、粘合剂、涂料等； 按链结构按链结构：碳链、杂链、元素高聚物；：碳链、杂链、元素高聚物； 按热性质按热性质：热塑性、热固性及热稳定性高聚物；：热塑性、热固性及热稳定性高聚物； 按用途按用途：结构材料、电绝缘材料、耐高温材料、导电高分子、：结构材料、电绝缘材料、耐高温材料、导电高分子、高分子建筑材料、生物医用高分子材料、高分子催化剂、包装材高分子建筑材料、生物医用

39、高分子材料、高分子催化剂、包装材料等。料等。 塑料是重要的高分子材料，分为通用塑料和工程塑料。塑料是重要的高分子材料，分为通用塑料和工程塑料。 通用塑料包括：聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚通用塑料包括：聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料和氨基塑料。工程塑料：醛塑料和氨基塑料。工程塑料：ABS(ABS(丙烯腈丙烯腈- -丁二烯丁二烯- -苯乙烯苯乙烯) )、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚砜、聚苯硫醚、聚酰亚胺和氟塑聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚砜、聚苯硫醚、聚酰亚胺和氟塑料等。料等。2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室55 由基体材料增强材料由基体材料增强材料复合而成。

40、基体材料复合而成。基体材料有金属、陶瓷、塑料有金属、陶瓷、塑料等，增强材料有各种等，增强材料有各种纤维和无机化合物等。纤维和无机化合物等。2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室56 是以光、声、电、是以光、声、电、磁、热等物理性能为指磁、热等物理性能为指标，用来制造特殊性能标，用来制造特殊性能的元件的材料。有电子的元件的材料。有电子材料、光电子材料、超材料、光电子材料、超导材料。导材料。2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室57 材料科学是一个跨物理、材料科学是一个跨物理、化学等的学科。化学等的学科。的的核心问题是材料的组织结构核心问题是材料的组织结构（StructureS

41、tructure）和性能）和性能（PropertyProperty）以及它们之间以及它们之间的关系。右图为的关系。右图为材料科学与材料科学与工程四要素。工程四要素。所以，先要了所以，先要了解材料的结构是什么？解材料的结构是什么？ 2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室58材料科学的核心材料科学的核心 通过过程现象揭示材料通过过程现象揭示材料组成组成- -工艺工艺- -结构结构- -性能性能的关联的关联。 过程过程是理解结构和性能的重要环节。是理解结构和性能的重要环节。 结构结构决定性能，组成与工艺决定结构的形成。决定性能，组成与工艺决定结构的形成。 结构因素包括结构因素包括：组成基元

42、、排列、结合类型和运动方式。组成基元、排列、结合类型和运动方式。 结构的层次结构的层次：原子结构、原子排列、相结构、显微组织、结构缺陷原子结构、原子排列、相结构、显微组织、结构缺陷等。等。材材料料结结构构关关系系2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室59 微 观 (Micro-) 介 观 (Meso-) 宏 观 (Macro-)10-910-810-710-610-510-410-310-210-1100m10-1010-1110-12101纳 米 (Nano-)2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室602022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室611669, N.

43、Steno, 晶面角守恒定律 材料科学的发展过程材料科学的发展过程 1885, A. Bravais, 晶体空间点阵学说 1912, M. Laue*, 晶体的X射线衍射 1915, W. H. Bragg and W. L. Bragg*X射线晶体结构分析方法 * 1914s Nobel prize; *1915s, *1987s.电子显微镜（SEM、TEM）扫描探针显微术*（STM、AFM）2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室62材料科学的形成材料科学的形成：“材料材料”一词早存在，一词早存在，“材料科学材料科学”提提出于出于2020世纪世纪6060年代，年代，19571957

44、年年1010月月4 4日和日和1111月月3 3日苏联两颗人造日苏联两颗人造卫星上天，分别重卫星上天，分别重8080千克和千克和500500千克。千克。 美国震动很大，美国震动很大，19581958年年1 1月月3131日美国发射日美国发射“探测者探测者1 1号号”人造卫星仅人造卫星仅8 8千克。美国有关部门联合向总统提出报告认为美千克。美国有关部门联合向总统提出报告认为美国在先进材料的研究方面落后于苏联是关键。对此国在先进材料的研究方面落后于苏联是关键。对此5858年年3 3月月1818日总统通过科学顾问委员会发布日总统通过科学顾问委员会发布“全国材料规划全国材料规划”，决定在，决定在大学相

45、继建立大学相继建立1212材料科学研究中心（实验室）材料科学研究中心（实验室），自此开始，自此开始，“材料科学与工程材料科学与工程”一词广泛应用一词广泛应用。2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室63 一般一般。材料科学的基材料科学的基础理论，为材料工程指明方向，为更好地选择、使础理论，为材料工程指明方向，为更好地选择、使用材料，发挥现有材料的潜力、发展新材料提供理用材料，发挥现有材料的潜力、发展新材料提供理论基础。论基础。 材料科学和材料工程之间的区别主要在于着眼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，点的不同或者说各自强调的中心不同，因此，后来人

46、们将二者放在，因此，后来人们将二者放在一起形成复合名词一起形成复合名词材料科学与工程材料科学与工程（Material Material Science and EngineeringScience and Engineering）2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室64 ：是工程的一个领域，其目的在于经济地，而又为社是工程的一个领域，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。它包括五个环节。会所能接受地控制材料的结构、性能和形状。它包括五个环节。 ：是一门科学，它从事与材料本质的发现、分析、认：是一门科学，它从事与材料本质的发现、分析、认识、分析和控制方面的

47、理论体系，其目的在于揭示材料的行为，提供识、分析和控制方面的理论体系，其目的在于揭示材料的行为，提供材料结构的统一描绘或模型，以及解释这种结构与性能之间的关系。材料结构的统一描绘或模型，以及解释这种结构与性能之间的关系。它包括下面的三个环节，核心是结构和性能。它包括下面的三个环节，核心是结构和性能。 1818世纪蒸汽机的发明和世纪蒸汽机的发明和1919世纪电动机的发明，使材料在新品种开世纪电动机的发明，使材料在新品种开发和规模生产等方面发生了飞跃。发和规模生产等方面发生了飞跃。 金属材料：金属材料：18561856年-转炉钢；18641864年-平炉钢；18871887年-高锰钢、190319

48、03年-硅钢；19101910年-镍铬不锈钢。铜、铅、锌、铝、 镁、钛和稀有金属相继问世，世界钢产量从18501850年的6 6万吨突增到19001900年的28002800万吨，使人类进人了辉煌的钢铁时代。 无机非金属材料：无机非金属材料：主要包括晶体、陶瓷、水泥、玻璃、耐火材料等，资源丰富，性能价格比高。2020世纪中后期，通过合成原料和新的制备技术，出现了一系列特殊功能的先进陶瓷。 高分子材料：高分子材料：2020世纪初，人工合成高分子材料问世，19091909年-酚醛树脂(胶木)；19251925年-聚苯乙烯；19311931年-聚氯乙烯；19411941年-尼龙，如今世界年产量在1

49、1亿吨以上。 量子力学、固体物理、无机化学、有机化学、物理化学量子力学、固体物理、无机化学、有机化学、物理化学等基等基础学科的发展为材料科学奠定了重要基础。础学科的发展为材料科学奠定了重要基础。 现代分析技术和设备的更新现代分析技术和设备的更新，加深了对物质结构和物理化学，加深了对物质结构和物理化学性质的理解。性质的理解。 冶金学、金属学、陶瓷学、高分子科学冶金学、金属学、陶瓷学、高分子科学等自身的发展也使对等自身的发展也使对材料的本质认识大大系统化（材料的本质认识大大系统化（组成组成- -制备制备- -结构结构- -性能性能的关系），的关系），为学科发展打下坚实的基础。为学科发展打下坚实的基

50、础。 作为钢热处理的马氏体相变理论由金属学科建立，后来氧化作为钢热处理的马氏体相变理论由金属学科建立，后来氧化锆增韧陶瓷中同样发现了马氏体相变现象，并用来解释相变增韧锆增韧陶瓷中同样发现了马氏体相变现象，并用来解释相变增韧机理。机理。 缺陷行为、平衡热力学、扩散、塑性变形和断裂机理、界面缺陷行为、平衡热力学、扩散、塑性变形和断裂机理、界面的精细结构与行为、晶体和玻璃的结构以及它们之间的关系、材的精细结构与行为、晶体和玻璃的结构以及它们之间的关系、材料中电子的迁移与约束、原子聚集体的统计力学等概念，在材料料中电子的迁移与约束、原子聚集体的统计力学等概念，在材料中得到应用。中得到应用。 材料结构与

51、性能的表征材料结构与性能的表征参数相通，如显微镜、电子显微镜、参数相通，如显微镜、电子显微镜、表面测试及物理性能测试等。表面测试及物理性能测试等。 材料制备与加工材料制备与加工中，许多工艺相通，如挤压对金属材料用于中，许多工艺相通，如挤压对金属材料用于成型或冷加工硬化；对高分子材料，通过挤压成丝可使有机纤成型或冷加工硬化；对高分子材料，通过挤压成丝可使有机纤维的比强度和比刚度大幅度提高。维的比强度和比刚度大幅度提高。 粉末冶金和现代陶瓷粉末冶金和现代陶瓷制造已经很难找出明显的区别。制造已经很难找出明显的区别。 溶胶溶胶凝胶法凝胶法应用于各种材料的制备，这是利用金属有机化应用于各种材料的制备，这

52、是利用金属有机化合物的水解而得到纳米高纯氧化物粒子的方法。合物的水解而得到纳米高纯氧化物粒子的方法。 打破了单一材料间的界限，许多不同类型材料相互代替和补打破了单一材料间的界限，许多不同类型材料相互代替和补充，充分发挥各种材料的优越性。充，充分发挥各种材料的优越性。 复合材料在多数情况下是不同类型材料的组合。复合材料在多数情况下是不同类型材料的组合。 如果对不同类型材料没有一个较全面的认识，对复合材料的如果对不同类型材料没有一个较全面的认识，对复合材料的设计及性质的理解必然受到影响。设计及性质的理解必然受到影响。 信息技术信息技术: : 从电子信息处理到光电子信息处理，以至于光子信息处理，需要

53、电子材料、光电子材料、非线性光学材料、波导纤维、薄膜与器件等。 能源工程技术能源工程技术: : 要求耐高温、耐磨损、耐腐蚀、高可靠以及寿命可预测的结构材料。 材料科学具有多学科交叉渗透的特征，包含着丰富的内涵。材料科学具有多学科交叉渗透的特征，包含着丰富的内涵。 材料的组分设计与合成，涉及化学学科的各分支材料的组分设计与合成，涉及化学学科的各分支高温过程的热力学、动力学以至在温和条件下的仿生合成等。 研究微观结构与性能的关系，涉及物理学、凝聚态物理及非研究微观结构与性能的关系，涉及物理学、凝聚态物理及非连续介质微观力学等。连续介质微观力学等。 信息功能材料、高温结构材料、复合材料、生物材料、智

54、能信息功能材料、高温结构材料、复合材料、生物材料、智能材料和纳米材料材料和纳米材料等是新技术革命的先导材料。 毫米时代发明了拖拉机，微米时代发明了计算机，纳米时代，毫米时代发明了拖拉机，微米时代发明了计算机，纳米时代，人类将会创造出更大的辉煌。人类将会创造出更大的辉煌。 21世纪的科技发展，将以先进材料技术、先进能源技术、信先进材料技术、先进能源技术、信息技术和生物技术息技术和生物技术等四大学科为中心，通过其相互交叉发展，为人类创造出完全不同的生态环境。 新型材料将是与生物和自然具有更好的适应性、相容性和环适应性、相容性和环境友好的材料。境友好的材料。2022-6-26材料科学与工程学院材料学

55、教研室72 ： 1. 1. ：主要是：主要是材料的微观结构材料的微观结构，包括原子的排，包括原子的排列方式列方式( (原子结构与键合原子结构与键合) )，理想的完整结构，理想的完整结构( (固体结构固体结构) )、不完、不完整结构（整结构（晶体缺陷晶体缺陷）、固体中原子和分子的运动（）、固体中原子和分子的运动（扩散扩散）。）。实实际材料的状态际材料的状态，包括晶体、非晶体、亚稳态。，包括晶体、非晶体、亚稳态。 2. 2. ：主要是：主要是材料组织结构的变化规律材料组织结构的变化规律，包括，包括凝固和相图凝固和相图( (单元系的相图、二元合金系的相图与凝固、三元单元系的相图、二元合金系的相图与凝

56、固、三元合金系的相图和凝固合金系的相图和凝固) )、热处理、热处理( (固态相变固态相变) )。 3. 3. ：材料的变形、回复与再结晶：材料的变形、回复与再结晶 4. 4. ：金属材料、非金属材料、复合材料等：金属材料、非金属材料、复合材料等 2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室73： 概念术语多。相关学科多（物理、化学、热力学、矿物学、概念术语多。相关学科多（物理、化学、热力学、矿物学、金属学、陶瓷学以及高分子学等），如：金属学、陶瓷学以及高分子学等），如： 金属材料：金属学金属材料：金属学 无机材料：陶瓷学无机材料：陶瓷学 高分子材料：高分子物理高分子材料：高分子物理材料科学

57、基础材料科学基础突出共性教学突出共性教学2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室74 作为专业基础理论课程，注重培养能力和学习知识。作为专业基础理论课程，注重培养能力和学习知识。 基础理论和基本概念要掌握，注意重点；抓住主线条，不钻牛基础理论和基本概念要掌握，注意重点；抓住主线条，不钻牛角尖。角尖。 掌握例题的解题方法；独立完成作业。认真记好笔记，课后短掌握例题的解题方法；独立完成作业。认真记好笔记，课后短时复习。考试前及早复习，不要临阵磨枪。时复习。考试前及早复习，不要临阵磨枪。 在深入学习和牢固掌握基础知识、基础理论的同时，要思考、在深入学习和牢固掌握基础知识、基础理论的同时，要思

58、考、探索它的应用，要理论联系实际；探索它的应用，要理论联系实际； 掌握正确的思维方式，不要死记硬背，要学以致用，善于归纳掌握正确的思维方式，不要死记硬背，要学以致用，善于归纳总结规律。总结规律。 课堂演示实验、提问、动画制作、案例设计、材料与生活、专课堂演示实验、提问、动画制作、案例设计、材料与生活、专题讨论。题讨论。2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室75原始组织原始组织轻度过火组织轻度过火组织严重过火组织严重过火组织火烧熔痕组织火烧熔痕组织一次短路熔痕组织一次短路熔痕组织二次短路熔痕组织二次短路熔痕组织2022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室762022-6-26材料科学与工程学院材料学教研室77：必修课，专业基础课：必修课，专业基础课：9696学时学时：闭卷考试成绩、适当：闭卷考试成绩、适当考虑平时成绩