材料科学基础绪论introduction

材料科学基础TheFundamentals(Elements,Principles)ofMaterialsScience

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MaterialsScience主讲李克李克办公室：机电楼E221Telmail:like.1@126.com2023/1/161《材料科学基础》CAI课件-李克课件、作业、复习题下载Z5940B00012023/1/162《材料科学基础》CAI课件-李克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2023/1/163《材料科学基础》CAI课件-李克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

2023/1/164《材料科学基础》CAI课件-李克绪论

Introduction1.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。2023/1/165《材料科学基础》CAI课件-李克石器时代（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。2023/1/166《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。2023/1/167《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。

2023/1/168《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铜器时代2023/1/169《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1500℃2023/1/1610《材料科学基础》CAI课件-李克硅片时代：-硅单晶生长，熔点1400℃1、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。ipadGPS2023/1/1611《材料科学基础》CAI课件-李克硅片时代：2、传统的油、气、煤等能源、资源紧缺，推动了新型能源及其生产技术的发展，包括太阳能、风能、高容量化学电源及储能等相关产业的发展。应用的材料包括Si、半导体、高分子、石墨材料、纳米碳材料等。技术领域包括化学、材料、机电控制多学科综合。2023/1/1612《材料科学基础》CAI课件-李克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2023/1/1613《材料科学基础》CAI课件-李克

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）。2023/1/1614《材料科学基础》CAI课件-李克明代以后，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（PhysicalMetallurgy），中国叫“金属学”，明确地提出：金属的外在性能取决于内部结构。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。

2023/1/1615《材料科学基础》CAI课件-李克19世纪初,Widmanstabtten用硝酸水溶液腐刻铁陨石切片,观察到片状Fe-Ni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。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。2023/1/1616《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。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.2023/1/1617《材料科学基础》CAI课件-李克(ClassificationofMaterials)2.研究的对象-材料的分类按照材料的性能特点分类：2023/1/1618《材料科学基础》CAI课件-李克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。能源材料按照功能（新的学科方向）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，实际包含了以上各类材料--金属、非金属等。2023/1/1619《材料科学基础》CAI课件-李克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：2023/1/1620《材料科学基础》CAI课件-李克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。

2023/1/1621《材料科学基础》CAI课件-李克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。2023/1/1622《材料科学基础》CAI课件-李克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）2023/1/1623《材料科学基础》CAI课件-李克本课程的学习方法：

本课程是一门理论性和实践性都很强的课程，与基础课相比，有很大不同：

课堂学习：书中概念多，术语多；公式、定律少，定性的描述多；内容多，需要记忆和理解的知识多。应注意理解基本概念，掌握基本知识，并通过例题和习题，举一反三，加