材料科學(xué)基礎(chǔ)備課教案

1、材料科學(xué)基礎(chǔ)備課教案安徽工程科技學(xué)院 張光勝第1講 緒 論講解5個(gè)方面內(nèi)容：一.材料科學(xué)基礎(chǔ)的基本概念二.材料科學(xué)的重要地位三.學(xué)習(xí)材料科學(xué)基礎(chǔ)的必要性四.材料科學(xué)基礎(chǔ)涵蓋的主要內(nèi)容五.如何學(xué)好材料科學(xué)基礎(chǔ)？一.材料科學(xué)基礎(chǔ)基本概念什么是材料？世界萬(wàn)物，凡于我有用者，皆謂之材料。（板書）補(bǔ)充材料無(wú)處不在，無(wú)處不有（工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防、科技、人民生活）具有一定性能，可以用來(lái)制作器件、構(gòu)件、工具、裝置等物品的物質(zhì)謂之材料。材料是指人類社會(huì)能接受的，可以用來(lái)制造有用物品的物質(zhì)。什么是材料科學(xué)？材料科學(xué)是研究材料成分、組織結(jié)構(gòu)、制備工藝、材料性能及應(yīng)用之間關(guān)系的學(xué)科。什么是材料科學(xué)基礎(chǔ)？材料科學(xué)基礎(chǔ)是將

2、各種材料（包括金屬、陶瓷、高分子材料）的微觀特性和宏觀規(guī)律建立在共同的理論基礎(chǔ)上，用于指導(dǎo)材料的研究、生產(chǎn)、應(yīng)用和發(fā)展。它涵蓋了材料科學(xué)和材料工程的基礎(chǔ)理論。二.材料科學(xué)的重要地位材料是人類進(jìn)步的里程碑材料是社會(huì)進(jìn)步的基礎(chǔ)，是人類進(jìn)步程度的主要標(biāo)志，所以人類社會(huì)的進(jìn)步是以材料為里程碑。每當(dāng)出現(xiàn)一種新材料，社會(huì)生產(chǎn)就獲得一次大發(fā)展，整個(gè)人類社會(huì)也就隨著產(chǎn)生一次新的飛躍。因此，歷史學(xué)家往往把制造工具的原材料作為社會(huì)發(fā)展的標(biāo)志。從原始社會(huì)以來(lái)，人類經(jīng)歷了石器時(shí)代（舊、新）、青銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代。如今，我們跨進(jìn)電子材料的新時(shí)代。人類社會(huì)發(fā)展的歷史階段常常根據(jù)當(dāng)時(shí)使用的主要材料來(lái)劃分。從古代到現(xiàn)在人類使

3、用材料的歷史共經(jīng)歷了6個(gè)時(shí)代：1. 石器時(shí)代 公元前100萬(wàn)年它的作用和影響并不亞于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中原子能的發(fā)現(xiàn)和利用。2. 青銅時(shí)代 公元前3000年3. 鐵器時(shí)代 公元前1000年4. 鋼時(shí)代 1800年（1854、1864年先后發(fā)明轉(zhuǎn)爐、平爐煉鋼；1887年高錳鋼、1900年W18Cr4V高速鋼、1903年硅鋼、1910年奧氏體Cr18Ni8鋼。）5. 半導(dǎo)體時(shí)代 1950年（1906年發(fā)明了電子管，1947年發(fā)明第1只晶體管，1958發(fā)明集成電路）6. 新材料時(shí)代 1990年【新材料時(shí)代特征】不象以前的各個(gè)材料時(shí)代，它是一個(gè)由多種材料決定社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的時(shí)代；新材料以人造為特征；新材料科

4、學(xué)根據(jù)我們對(duì)材料的物理和化學(xué)性能的了解，為了特定的需要設(shè)計(jì)和加工而成的。20世紀(jì)70年代，人們把信息、材料和能源稱為當(dāng)代文明的三大支柱；20世紀(jì)80年代，又把新材料、信息技術(shù)和生物技術(shù)并列為新技術(shù)革命的重要標(biāo)志；20世紀(jì)90年代以來(lái)，把材料、信息、能源和生物技術(shù)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的四大支柱產(chǎn)業(yè)。故材料科學(xué)是科技發(fā)展的基礎(chǔ)、工業(yè)化生產(chǎn)的支柱。1986年科學(xué)的美國(guó)人雜志指出“先進(jìn)材料對(duì)未來(lái)的宇航、電子設(shè)備、汽車以及其他工業(yè)的發(fā)展是必要的，材料科學(xué)的進(jìn)步?jīng)Q定了經(jīng)濟(jì)關(guān)鍵部門增長(zhǎng)速率的極限范圍。” 1990年美國(guó)總統(tǒng)的科學(xué)顧問(wèn)Allany.Bromley明確指出“材料科學(xué)在美國(guó)是最重要的學(xué)科”。 1991

5、年日本為未來(lái)工業(yè)規(guī)劃技術(shù)列舉的11項(xiàng)主要項(xiàng)目中有7項(xiàng)是基于先進(jìn)材料基礎(chǔ)之上。可見，材料科學(xué)歷來(lái)是技術(shù)進(jìn)步的支柱！三. 學(xué)習(xí)料料科學(xué)基礎(chǔ)的必要性（一）材料科學(xué)的核心問(wèn)題 材料科學(xué)是以物理、化學(xué)、物理化學(xué)等學(xué)科為基礎(chǔ)，涉及材料晶體結(jié)構(gòu)、材料熱力學(xué)、材料動(dòng)力學(xué)、材料性能等系統(tǒng)的材料科學(xué)知識(shí)。材料科學(xué)的核心問(wèn)題是材料的組織結(jié)構(gòu)（Structure）和性能（Property）以及它們之間的關(guān)系。右圖為材料科學(xué)與工程四要素。所以，先要了解材料的結(jié)構(gòu)是什么？材料的結(jié)構(gòu)包括不同晶體和非晶體結(jié)構(gòu)，以及顯微鏡下的微觀結(jié)構(gòu)，哪些主要因素能夠影響和改變結(jié)構(gòu)？只有了解了這些才能實(shí)現(xiàn)控制結(jié)構(gòu)的目的。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括四個(gè)層次

6、：原子結(jié)構(gòu)；結(jié)合鍵；原子的排列方式；顯微組織材料的性能包括物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能。（看屏幕）（二）材料科學(xué)與材料工程的關(guān)系材料科學(xué)的形成：“材料”早存在，“材料科學(xué)”提出于20世紀(jì)60年代，1957年蘇聯(lián)衛(wèi)星上天，美國(guó)震動(dòng)很大，在大學(xué)相繼建立十余個(gè)材料科學(xué)研究中心，自此開始，“材料科學(xué)”一詞廣泛應(yīng)用。 一般來(lái)講，科學(xué)是研究“為什么”的學(xué)問(wèn)，而工程是解決“怎么做”的學(xué)問(wèn)。材料科學(xué) ：是一門科學(xué)，它從事材料本質(zhì)的發(fā)現(xiàn)、分析和了解方面的研究，其目的在于提供材料結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一描繪或模型，以及解釋這種結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。它包括下面的三個(gè)環(huán)節(jié)，核心是結(jié)構(gòu)和性能。材料科學(xué)工藝結(jié)構(gòu)性能材料工程：是工程的一

7、個(gè)領(lǐng)域，其目的在于經(jīng)濟(jì)地，而又為社會(huì)所能接受地控制材料的結(jié)構(gòu)、性能和形狀。它包括下面的五個(gè)環(huán)節(jié)。材料工程設(shè)備構(gòu)件行為結(jié)構(gòu)工藝性能材料科學(xué)和材料工程之間的區(qū)別主要在于著眼點(diǎn)的不同或者說(shuō)各自強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)不同，它們之間并沒有一條明確的界限；材料科學(xué)的基礎(chǔ)理論，為材料工程指明方向，為更好地選擇、使用材料，發(fā)揮現(xiàn)有材料的潛力、發(fā)展新材料提供理論基礎(chǔ)。因此，后來(lái)人們常常將二者放在一起，采用一個(gè)復(fù)合名詞材料科學(xué)與工程（MSE，Material Science and Engineering）（三）材料分類：根據(jù)服役要求分類：結(jié)構(gòu)材料是以強(qiáng)度，硬度，剛度，韌性，疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能為特征的材料。功能材料是以聲，光

8、，電，磁，熱等物理性能為特征的材料（如電子材料、光電子材料、超導(dǎo)材料等）。 按發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域： 傳統(tǒng)材料（基礎(chǔ)材料，如鋼鐵、水泥、塑料）和新型材料（先進(jìn)材料）按物理化學(xué)屬性（結(jié)合鍵種類）來(lái)分類：金屬材料、陶瓷材料、高分子材料和由金屬、陶瓷和高分子分別組合成的各種復(fù)合材料。金屬材料：黑色金屬材料（鋼鐵）、有色金屬材料（除鋼鐵以外的） 陶瓷材料：氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷 高分子材料：塑料、橡膠、合成纖維 復(fù)合材料：金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、樹脂基復(fù)合材料本課程是按金屬、陶瓷、高分子和它們的復(fù)合材料來(lái)組織教學(xué)內(nèi)容的。（四）材料的應(yīng)用讓我們回顧幾件有影響的事例，以便加深理解材料的發(fā)展在人類社會(huì)發(fā)

9、展中起到的舉足輕重作用。計(jì)算機(jī)與材料1、計(jì)算機(jī)經(jīng)歷：電子管晶體管集成電路時(shí)代2、個(gè)人電腦移動(dòng)存儲(chǔ)器的比較材料科學(xué)的發(fā)展是計(jì)算機(jī)飛速發(fā)展的基礎(chǔ)。 飛機(jī)和材料從1903年美國(guó)萊特兄弟實(shí)現(xiàn)飛行的夢(mèng)想以來(lái)（木材和帆布，時(shí)速16公里/小時(shí)），航空和航天器發(fā)生了巨變。為了飛得快和遠(yuǎn)，就要采用強(qiáng)度高和比重小的材料，重視材料的比強(qiáng)度，即強(qiáng)度/比重之比。因此，航空和航天器中鋁、鎂合金用量大。隨著航空技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，輕質(zhì)和高比強(qiáng)度的鈦合金、碳纖維高分子復(fù)合材料、硼纖維金屬?gòu)?fù)合材料等得到愈來(lái)愈多的采用。實(shí)例壓氣機(jī)葉片壓氣機(jī)機(jī)匣飛機(jī)尾翼硼纖維鋁合金板和管路材料鋁合金鈦合金碳纖維復(fù)合材料硼纖維增強(qiáng)鋁合金強(qiáng)度范圍 MP

10、a150450350110010001200 （順纖維方向）1500（順纖維方向）比強(qiáng)度MPa5516080245625750570航天飛機(jī)用形狀記憶合金材料和生活用品鈦合金自行車：“自行車發(fā)燒友” 選擇鈦合金制自行車。通常用于需要抗腐蝕，耐疲勞，高彈性的場(chǎng)合。 形狀記憶合金百葉窗牙科材料 原來(lái)使用專用的汞合金，為防止金屬合金的分解已經(jīng)開發(fā)出一種可以滿足口腔中特殊的物理及化學(xué)環(huán)境的新型陶瓷。具體來(lái)講，它需要滿足下列要求：耐口腔中的酸；低熱導(dǎo)率（這對(duì)你吃冷飲有好處）；經(jīng)得住數(shù)年的咀嚼力；耐驟冷驟熱；當(dāng)然還要口感舒適。 四.本課程的主要內(nèi)容本課程的主要內(nèi)容： 1. 材料的微觀結(jié)構(gòu)，包括原子的排列方

11、式，固體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷、固體中原子和分子的運(yùn)動(dòng)（擴(kuò)散）、材料的變形和回復(fù)再結(jié)晶。 2. 材料組織結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，包括單元系的相變、二元合金系的相變規(guī)律、三元合金系的相變規(guī)律。 3. 實(shí)際材料的狀態(tài)，包括晶體、非晶體、亞穩(wěn)態(tài)。 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（以單獨(dú)實(shí)驗(yàn)課形式開出）： 1. 金相顯微鏡的構(gòu)造與使用 2. 金相試樣的制備 3. 鐵碳合金平衡組織的觀察 4. 材料的硬度試驗(yàn)，等等五.本課程的特點(diǎn)及學(xué)習(xí)方法本課程特點(diǎn)： 概念術(shù)語(yǔ)多 需要記憶的知識(shí)多 涉及相關(guān)學(xué)科多（物理學(xué)、化學(xué)、熱力學(xué)、礦物學(xué)、金屬學(xué)、陶瓷學(xué)以及高分子學(xué)等）學(xué)習(xí)方法：（1）作為一門應(yīng)用學(xué)科，基礎(chǔ)理論和基本概念要掌握，注意重點(diǎn)，做好筆記；（2）掌握例題的解題方法，還要理論聯(lián)系實(shí)際；（3）要學(xué)以致用，善于歸納總結(jié)，通過(guò)綜合實(shí)驗(yàn)加以鞏固；（4）獨(dú)立完成作業(yè)。課程安排：性質(zhì)：必修課，專業(yè)基礎(chǔ)課學(xué)時(shí)：60學(xué)時(shí)（授課60學(xué)時(shí)，另加單獨(dú)開設(shè)的1周課程綜合實(shí)驗(yàn)）考核成績(jī)：平時(shí)成績(jī)20% （出