材料科學(xué)基礎(chǔ)緒論introduction

材料科學(xué)基礎(chǔ)TheFundamentals(Elements,Principles)ofMaterialsScience

AnIntroductionto

MaterialsScience主講李克李克辦公室：機電樓E221Telmail:like.1@126.com2023/1/161《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克課件、作業(yè)、復(fù)習(xí)題下載Z5940B00012023/1/162《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克考核及成績評定各部分所占比例：課堂考勤及課堂表現(xiàn)、作業(yè)、實驗：20%。 缺勤1次扣10分；遲到1次扣2分；作業(yè)抄襲扣10分。期中考試：20%。 開卷，課堂進行期末考試：60%。閉卷2023/1/163《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克本課程講授的主要內(nèi)容：

緒論

第一章原子結(jié)構(gòu)與鍵合

第二章固體結(jié)構(gòu)

第三章晶體缺陷

第四章固體中原子及分子的運動

第五章材料的形變與再結(jié)晶

第六章單組元相圖及純晶體的凝固

第七章二元相圖及其合金的凝固

2023/1/164《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克緒論

Introduction1.材料學(xué)和材料的定義：材料學(xué)：是研究材料的科學(xué)。材料：是能為人類社會經(jīng)濟地制造有用器件的物質(zhì)。2023/1/165《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克石器時代（從古猿到原始人）：石斧、鑿、刀、鏟、箭頭、紡輪、缽等（西安半坡遺址）石斧陶器時代（從原始社會末期)：-高燃燒值的煤、炭從新石器時代的仰韶文化和紅山文化時期燒制的紅陶、黑陶和白陶，到殷、周時期的釉瓷，直至東漢出現(xiàn)的瓷器，制陶技術(shù)并于九世紀(jì)傳至非洲東部和阿拉伯世界，十三世紀(jì)傳至日本，十五世紀(jì)傳至歐洲。瓷器（china）成為中國文化的象征，對世界文明產(chǎn)生了極大的影響。材料的發(fā)展是社會文明的標(biāo)志，人類應(yīng)用材料的歷史進程漫長而又曲折，包括：石器時代、陶器時代、銅器時代、鐵器時代和硅片時代。始于無機、歸于無機。2023/1/166《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克宋代早期龍泉青瓷南宋后代龍泉青瓷南宋白胎龍泉青瓷（浙江）陶器和瓷器文化：從新石器時代的仰韶文化和龍山文化時期燒制的紅陶、黑陶和白陶，到殷、周時期的釉瓷，直至東漢出現(xiàn)的瓷器，制陶技術(shù)并于九世紀(jì)傳至非洲東部和阿拉伯世界，十三世紀(jì)傳至日本，十五世紀(jì)傳至歐洲。瓷器（china）成為中國文化的象征，對世界文明產(chǎn)生了極大的影響。2023/1/167《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克

巨型司母戊鼎（河南安陽晚商遺址）銅器時代（約公元2140年間）：-金屬冶煉溫度較低我國青銅的冶煉在夏（約公元2140年間）以前就開始了，雖然晚于古埃及和西亞，但發(fā)展較快。著名的有：晚商遺址出土的司母戊鼎，湖北江陵楚墓中發(fā)掘出的越王勾踐劍，湖北隋縣出土的戰(zhàn)國青銅編鐘，這些均構(gòu)成了青銅器是中國古文明的象征。

2023/1/168《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克湖北江陵楚墓出土越王勾踐寶劍銅器時代2023/1/169《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克湖南長沙砂子塘戰(zhàn)國凹形鐵鋤鐵器時代（春秋戰(zhàn)國時期)-我國從春秋戰(zhàn)國時期（公元前770～221年）開始大量使用鐵器。公元前六世紀(jì)末葉，我國在世界上首先掌握了生鐵鑄造方法，使生鐵的利用比西歐約早一千八百年。公元一世紀(jì)，我國發(fā)明了煉鋼方法，比西歐也約早一千八百年；公元二世紀(jì)末，刀師蒲元已掌握了水質(zhì)對淬火的影響，當(dāng)時他在今陜西南部造刀時，要用成都的水，并深知水質(zhì)與淬硬的關(guān)系。它預(yù)演了十五、六個世紀(jì)以后美國為淬火要從英國Sheffield取水的故事。金屬冶煉溫度更高1500℃2023/1/1610《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克硅片時代：-硅單晶生長，熔點1400℃1、集成電路技術(shù)的發(fā)明和掌握帶動了信息技術(shù)的發(fā)展，包括數(shù)碼產(chǎn)品、數(shù)字通信、網(wǎng)絡(luò)電子商務(wù)、以及制造業(yè)各領(lǐng)域、包括交通、物流、航空航天等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。ipadGPS2023/1/1611《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克硅片時代：2、傳統(tǒng)的油、氣、煤等能源、資源緊缺，推動了新型能源及其生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，包括太陽能、風(fēng)能、高容量化學(xué)電源及儲能等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。應(yīng)用的材料包括Si、半導(dǎo)體、高分子、石墨材料、納米碳材料等。技術(shù)領(lǐng)域包括化學(xué)、材料、機電控制多學(xué)科綜合。2023/1/1612《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克材料技術(shù)到材料科學(xué)的轉(zhuǎn)變技術(shù)與科學(xué)的概念科學(xué)-science源于拉丁文的“知識”?？茖W(xué)是理性地、系統(tǒng)地探索自然，目的是尋求真理、發(fā)現(xiàn)新知識。從事基礎(chǔ)科學(xué)研究的人往往是受好奇心的驅(qū)使，不可能預(yù)知所研究的東西有沒有用，其成果通過發(fā)表在同行評議的期刊上得到科學(xué)界的承認(rèn)，有些成果會有意想不到的應(yīng)用，有些則可能永遠也不能應(yīng)用。

技術(shù)-technology-由希臘文的“藝術(shù)或技巧”和“學(xué)問”兩個字根構(gòu)成，technology是有關(guān)實用技藝和工業(yè)藝術(shù)的學(xué)問，研究的是知識的實際應(yīng)用，目的是發(fā)明，其成果往往可以申請專利，也能在研究期刊上發(fā)表，但不一定馬上能成為產(chǎn)品。一項發(fā)明從概念的模型或設(shè)計到形成產(chǎn)品，還要經(jīng)過大量的技術(shù)開發(fā)工作，包括改進設(shè)計、優(yōu)化制造工藝或程序等。

科學(xué)只有通過技術(shù)才能轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力2023/1/1613《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克

中國古代的科技成就：“考工記”（先秦），“夢溪筆談”（宋代沈括），“天工開物”（明代宋應(yīng)星-奉新）。其中，“考工記”中有“六齊”之律的論述：“金有六齊，六分其金而錫居一，謂之鈡鼎之齊；五分其金而錫居一，謂之斧斤之齊；四分其金而錫居一，謂之戈戟之齊；三分其金而錫居一，謂之大刃之齊；五分其金而錫居二，謂之削殺矢之齊；金、錫半，謂之鑒燧之齊?！眱煞N理解：一種是將“金”看成是青銅，則錫含量為：16.7％、20％、25％、33.3％、40％、50％；另一種是將“金”看成是純銅，則錫含量為：14.3％、16.7％、20％、26％、28.6％、33.3％。成分的變化導(dǎo)致強度、硬度和韌性的變化。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳玉方和美國華盛頓史密森博物學(xué)院的C.W.Chase選用后一種作為“六齊”模擬試驗成分，運用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段研究，證實“六齊”之律的科學(xué)性（文物保護與考古科學(xué)，1991，第3卷）。2023/1/1614《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克明代以后，封建社會的腐朽沒落約束了生產(chǎn)力，冶金技術(shù)沒有能進一步提高，沒有像西方那樣在十八世紀(jì)以后得到很快發(fā)展，更沒能在十九世紀(jì)以后像西方那樣將科學(xué)技術(shù)、教學(xué)、物理、化學(xué)、力學(xué)應(yīng)用于冶金，使之從一門技術(shù)發(fā)展成為一門科學(xué)。近代西方國家在材料科學(xué)與技術(shù)方面取得的成就遠勝我國。十八世紀(jì)工業(yè)革命迅速發(fā)展，對材料特別是鋼鐵的需求急速增長。為了適應(yīng)這一需要，西方在化學(xué)、物理、材料力學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生了一門新的科學(xué)—物理冶金（PhysicalMetallurgy），中國叫“金屬學(xué)”，明確地提出：金屬的外在性能取決于內(nèi)部結(jié)構(gòu)。對材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究手段：近一百多年來，光學(xué)顯微鏡、X射線技術(shù)、電子顯微鏡等新儀器和新技術(shù)的相繼出現(xiàn)和發(fā)展，為揭示材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)（從肉眼—原子）提供了有力的手段，金屬學(xué)得到了長足進步。

2023/1/1615《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克19世紀(jì)初,Widmanstabtten用硝酸水溶液腐刻鐵隕石切片,觀察到片狀Fe-Ni奧氏體的規(guī)則分布(魏氏組織),預(yù)告金相學(xué)即將誕生。Sorby

在1863年用反射式顯微鏡觀察拋光腐刻的鋼鐵試樣,不但看到珠光體中的滲碳體和鐵素體的片狀組織,還對鋼的淬火和回火作了初步探討,金相學(xué)已基本形成。19-20世紀(jì)之交,Martens(馬氏)和Osmond對金相學(xué)的發(fā)展和金相檢驗在廠礦中的推廣做了重要貢獻,同時Roberts-Austen(奧氏)和Roogzeboom

初步繪制出Fe-C平衡圖,為金相學(xué)奠定了理論基礎(chǔ)。到了二十世紀(jì)中葉,金相學(xué)已逐步發(fā)展成金屬學(xué)、物理冶金和材料科學(xué)。

1912年Laue等發(fā)明X射線衍射,接著Bragg父子就把它應(yīng)用到金屬及一些簡單無機化合物的晶體結(jié)構(gòu)測定。

二十年代,金相學(xué)的一些基本問題得以迎刃而解,如β-Fe不存在(1922),有序固溶體(1923),單晶體的滑移系統(tǒng)(1922-1925),織構(gòu)(1925),電子化合物(1926),馬氏體的四方度(1926)等。三十年代,復(fù)雜一些的晶體結(jié)構(gòu)問題：如間隙化合物(1930),取向關(guān)系(1930),G.P.區(qū)(1939),等等。四十年代,用富里葉分析研究金屬冷加工產(chǎn)生的晶粒碎化及晶格畸變(1948),并已出現(xiàn)“金屬的結(jié)構(gòu)”(C.S.Barrett,1943)、“X射線金相學(xué)”(A.Taylor,1945)等專著。2023/1/1616《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克Ruska在三十年代研制出第一臺電子顯微鏡,戰(zhàn)后(1954年)又發(fā)展出帶有電子衍射功能的高分辨電鏡。他在1986年獲得這個遲到的但卻是當(dāng)之無愧的諾貝爾物理獎。材料科學(xué)的幾次突破性進展：首先是電子衍射與成像的結(jié)合使位錯的直接觀察得以實現(xiàn)，位錯等晶體缺陷因此得以成為六、七十年代的研究熱點。選區(qū)衍射使晶體結(jié)構(gòu)分析進入到微米甚至到納米層次。高分辨電鏡已發(fā)展到分辨單個原子的水平,這就為九十年代發(fā)現(xiàn)和研究碳納米管、石墨烯創(chuàng)造了條件,開辟了納米技術(shù)的新紀(jì)元.2023/1/1617《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克(ClassificationofMaterials)2.研究的對象-材料的分類按照材料的性能特點分類：2023/1/1618《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克按照功能和應(yīng)用分類：1。結(jié)構(gòu)材料2。電子材料3。磁性材料4。光學(xué)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（新的學(xué)科方向）分為：結(jié)構(gòu)材料和功能材料，功能材料包括電子信息材料、生物材料、能源材料、環(huán)境材料等，實際包含了以上各類材料--金屬、非金屬等。2023/1/1619《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克為什么不同類型材料會體現(xiàn)不同的性質(zhì)？如金屬材料的強度、韌性和塑性；陶瓷材料的強度、脆性；高分子材料的韌性和延展性；舉例1、2、3、4（講義）基于材料的成分、組織結(jié)構(gòu)與性能之間的相關(guān)性：2023/1/1620《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克3.材料科學(xué)與工程學(xué)科的定義及演變材料科學(xué)——研究材料的組織結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的學(xué)科，側(cè)重科學(xué)原理的探究。材料工程——基于材料的組織結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，設(shè)計材料組織結(jié)構(gòu)，以獲得預(yù)期的材料性能，側(cè)重科學(xué)知識的實際應(yīng)用。

2023/1/1621《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克我國材料科學(xué)與工程專業(yè)的演變學(xué)習(xí)蘇聯(lián)分設(shè)小專業(yè)，冶金與材料加工分家。機械制造系，設(shè)立金屬熱處理(鑄鍛焊)專業(yè)材料成型及控制工程專業(yè)材料科學(xué)與工程學(xué)院（大部分院校）材料科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)習(xí)美國上世紀(jì)50年代80年代美國MIT材料專業(yè)的歷史演變：地質(zhì)與采礦→采礦→采礦與冶金→冶金

→冶金與材料科學(xué)→材料科學(xué)與工程“冶金”專業(yè)→“材料科學(xué)與工程”的社會背景：1957年蘇聯(lián)的人造衛(wèi)星升空，引起美國社會震動，分析原因是材料科學(xué)與工程落后?！闪⒉牧涎芯克?。之后冶金系、化工系改名。2023/1/1622《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克南昌大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)“鑄造”模塊鑄造工藝學(xué)（劉，含造型材料）鑄造合金及熔煉（曾）鑄造材料化學(xué)（艾）冶金傳輸原理（曾）冶金原理壓鑄工藝及模具設(shè)計鑄件形成理論鑄造過程數(shù)值模擬共修專業(yè)主干課程：材料科學(xué)基礎(chǔ)材料成型原理材料成型設(shè)備工程材料與機械制造基礎(chǔ)“鍛壓”模塊“焊接”模塊“塑料”模塊以上課程在本學(xué)科基本概念的很多方面會有重復(fù)金屬凝固原理（研究生課程）2023/1/1623《材料科學(xué)基礎(chǔ)》CAI課件-李克本課程的學(xué)習(xí)方法：

本課程是一門理論性和實踐性都很強的課程，與基礎(chǔ)課相比，有很大不同：

課堂學(xué)習(xí)：書中概念多，術(shù)語多；公式、定律少，定性的描述多；內(nèi)容多，需要記憶和理解的知識多。應(yīng)注意理解基本概念，掌握基本知識，并通過例題和習(xí)題，舉一反三，加