第01章材料科學基礎緒論課件

第0章材料科學基礎緒論什么是材料世界萬物，凡于我有用者，皆謂之材料。抽象的材料(Substance)與具體的材料(Materials)材料是具有一定性能，可以用來制作器件、構(gòu)件、工具、裝置等物品的物質(zhì)。材料存在于我們的周圍，與我們的生活、我們的生命息息相關。材料是人類文明、社會進步、科技發(fā)展的物質(zhì)基礎。材料分類2023/6/10按特性可分為：金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料，復合材料按用途可分為：結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類。按來源可分為：天然材料和人工合成材料。按制備可分為：傳統(tǒng)材料(基礎材料)和先進材料。三種基本類型材料中：金屬有好的導電性，有高的塑性和韌性；陶瓷材料則有高的硬度但很脆，且大多是電的絕緣材料；而高分子材料的彈性模量，強度，塑性都很低，多數(shù)也是不導電的。這些材料的不同都是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。即：原子結(jié)構(gòu)，結(jié)合鍵，原子的排列方式（晶體和非晶體）以及顯微組織。2023/6/10結(jié)構(gòu)材料用于制造各種結(jié)構(gòu)，通俗地說就是要受力，因此對它的要求主要是力學性能，如強度、延伸率(達到極限強度斷裂時伸長了多少，延伸率小的材料便容易脆斷)、硬度、韌性(受沖擊力時容不容易斷裂)、剛性(容不容易保持形狀不變)等等。有時不要求其能經(jīng)受住嚴峻的環(huán)境條件，如要求耐熱性、抗腐蝕性等等。2023/6/10功能材料主要用于完成某種特殊功能，如液晶材料用于顯示，但有時也要求有一定機械強度，如光導纖維主要用于傳輸光線，同時也要求有一定機械強度，否則連自己的重量都承受不了，也就無法構(gòu)成長的通信線路。材料性能---成分---結(jié)構(gòu)---制備、加工工藝材料的性能與它們的化學成分和組織結(jié)構(gòu)密切相關。成分一樣，具有不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)時，材料也有著不同的性能。材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為不同層次，包括原子結(jié)構(gòu)，原子的排列方式，以及顯微組織和結(jié)構(gòu)缺陷。同樣的材料，只要把它的晶?；蚴恰跋唷钡男螒B(tài)和分布加以改變，就可以大大地改善它的性質(zhì)。只有理解和控制材料的結(jié)構(gòu)，才能得到人們所追求的材料性能。2023/6/10舉例1金剛石（鉆石）和石墨，都是由碳原子組成，但前者是自然界中最堅硬的固體，而后者卻很軟（因晶體結(jié)構(gòu)不同，見下圖）2023/6/10舉例2同樣長的一段鐵絲和鋼絲，經(jīng)彎曲后發(fā)現(xiàn)鐵絲易彎曲，而鋼絲不易彎曲，即塑性不同（因兩者成分不同）。舉例3兩根鋸條，同時加熱（800℃），然后一根水冷，一根空冷，用手折時，發(fā)現(xiàn)前者很脆，后者很韌（因組織不同，見下圖）2023/6/10舉例4若斷開一根鐵絲，可反復彎曲，在應變處發(fā)熱→變硬（脆）→斷（因塑性變形）。“材料科學”研究材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、制備工藝與材料性能與應用之間關系的科學本著這一關系可用一四面體表示2023/6/10材料固有性能制備合成與/加工工藝材料使用性能成分/組織結(jié)構(gòu)材料科學與工程四要素關系圖一級學科：材料科學與工程二級學科：

材料物理與化學 材料學 材料加工工程自主設立二級學科：粉體材料科學與工程材料物理與化學在分子、原子、電子層次上研究材料的物理、化學行為規(guī)律。通過材料的結(jié)構(gòu)和功能設計，實現(xiàn)材料的制備與合成，探索材料的主要性能及其與成份、結(jié)構(gòu)的關系，研究和發(fā)展新型先進材料和相關器件。2023/6/10《材料物理與化學》研究材料的微觀本質(zhì)，《材料學》研究材料性能與服役條件的關系，《材料加工工程》則是將材料開發(fā)成應用所需要的組織、形狀。相對而言，材料物理與化學、材料學是材料加工工程的基礎學科。材料的制備、合成和加工賦予材料一定的尺寸和形狀是控制材料成分和結(jié)構(gòu)的必要手段。鋼材通過熱處理來改變它們內(nèi)部的結(jié)構(gòu)而達到預期的性能冷軋硅鋼片經(jīng)過復雜的加工工序能使晶粒按一定取向排列而大大減少鐵損飛機發(fā)動機的葉片可以通過鑄造的凝固控制做成單晶體葉片，使之沒有晶粒邊界，大大提高它的使用溫度和性能光纖，不僅要拉成微米級的細絲，而且要控制光纖從內(nèi)到外的折射率的分布……..

可以說沒有一種合成加工上的新的突破，就沒有某一種新材料。如快速冷卻的加工方法，才有了非晶態(tài)的金屬合金。2023/6/10材料化學專業(yè)定位材料學與化學的交叉學科，研究材料的組成、加工、結(jié)構(gòu)性能與應用的學科，要求掌握材料和化學相關專業(yè)的基礎，掌握數(shù)學、物理等基礎知識，掌握材料科學發(fā)展方向的前沿知識，可以服務于教學、科研、產(chǎn)業(yè)開發(fā)、管理等行業(yè)。我院材料化學的特色----主要以金屬材料和粉末冶金材料為對象2023/6/102023/6/10金屬材料的分類3種黑色金屬：鐵、錳與鉻“黑色金屬”的由來常說的“黑色冶金工業(yè)”，主要是指鋼鐵工業(yè)。有色金屬：如銅、鋁、鈦、鋅等；輕有色金屬、重有色金屬、貴有色金屬、半金屬、稀有金屬2023/6/10金屬分類表金

屬

材

料

有色金屬

輕有色金屬

4.5g/cm3以下的有色金屬；包括鋁(AL)鎂(Mg)鈉(Na)

鉀(K)鈣(Ca)

鍶(Sr)鋇(Ba)；特點：比重小，化學活性大，與氧、硫、碳和鹵素的化合物都相當穩(wěn)定重有色金屬

密度4.5g/cm3以上的有色金屬；如銅(Cu)鎳(Ni)鉛(Pb)鋅(Zn)錫(Sn)等；在國民經(jīng)濟各部門中，每種重有色金屬根據(jù)其特性都有特殊的應用范圍和用途。貴有色金屬

包括金(Au)銀(Ag)鉑(Pt)族元素，它們在地殼中含量少，開采和提取比較困難；共同特點：比重大熔點高化學性質(zhì)穩(wěn)定能抵抗酸腐蝕(銀和鈀除外)，價格都很昂貴。半金屬一般指硅(Si)硒(Se)碲(Te)砷(As)硼(B)等，此類金屬的物理性能介于金屬與非金屬之間，如砷是非金屬，但能傳熱導電。稀有金屬通常是指那些在自然界中含量少，分布稀散或難從原料中提取的金屬。如鎢鈦等。黑色金屬錳(Mn)鐵(Fe)鐵元素大約占地殼之元素總量的5.5%，全世界金屬總產(chǎn)量中鋼鐵占99.5%。鉻(Cr)決定金屬材料性能的基本因素金屬材料在性能方面所表現(xiàn)出的多樣性、多變性和特殊性，使它有比其它材料優(yōu)越的性能。內(nèi)在因素：原子結(jié)構(gòu)的特點以及原子間的相互作用內(nèi)部原子總體的組合狀態(tài)-即內(nèi)部原子總體的運動狀態(tài)?；瘜W成分、原子集合體的結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部組織是決定金屬材料性能的內(nèi)在基本因素，金屬材料性能方面的多變性，也正是通過這3個因素的多變性而表現(xiàn)出來的。對結(jié)構(gòu)敏感性性能和對結(jié)構(gòu)不敏感性性能。2023/6/10金屬材料的一般特性金屬材料：由金屬元素或以金屬元素為主而形成的，并具有一般金屬特性。1 良好的導電、導熱性2 正的電阻溫度系數(shù)3 不透明、金屬光澤4 良好的延展性2023/6/10金屬材料的優(yōu)點1)多樣性、多變性、特殊性綜合性能好2)性能有提高的巨大潛力。材料的性能：1)工藝性能適應實際生產(chǎn)工藝的能力2)使用性能適應或抵抗作用到它上面的各種外界作用的能力工藝性能和使用性能是既有聯(lián)系又不相同的兩類性能，盡管它們都是金屬材料本身蘊藏著的，但由于目的的不同，這兩類性能上的好與壞或高與低，有時是一致的，有時卻是互相矛盾的。2023/6/10材料科學在現(xiàn)代科學體系中的地位先進材料的發(fā)展促使了新技術的實現(xiàn)1942年，鎳基高溫合金的研制成功，促使了航空發(fā)動機的進步。1970年，使光強度衰減降低到可以實用的光導纖維的研制成功，促使了現(xiàn)代的光通信的技術進步。高純度大直徑的硅單晶的研制成功，促使了集成電路和計算機及其它電子設備的進步。碳/碳復合材料的發(fā)展促進了航空航天技術的進步。2023/6/10材料科學在現(xiàn)代科學體系中的地位2023/6/10先進的技術又促使了新材料的誕生

先進的技術又促使了具有前所未有性能的新材料的誕生，現(xiàn)代的材料技術正同其他高技術互相支持、共同發(fā)展。

利用巨型計算機可以計算出要求什么樣的性能便應該有什么樣的成分組成（合金設計），甚至還沒有制造出來便可以先用虛擬現(xiàn)實技術觀看所制成的零件在工作時的表現(xiàn)如何（計算機模擬技術）。更進一步，還可以算出原子之間應該怎樣排列才能具有所需要的性能，并利用可以操作單個原子層的技術將其制造出來。這就體現(xiàn)在處于電子器件制造技術最前沿的超晶格材料。新材料時代特征由多種材料決定社會和經(jīng)濟發(fā)展的時代新材料以人造為特征新材料是根據(jù)我們對材料的物理和化學性能的了解，為了特定的需要設計和加工而成的2023/6/10材料技術的發(fā)展趨勢(一)

從均質(zhì)材料向復合材料發(fā)展。以前人們只使用金屬材料、高分子材料等均質(zhì)材料，現(xiàn)在人們開始越來越多地使用諸如把金屬材料和高分子材料結(jié)合在一起的復合材料。優(yōu)點：性能可以將組成材料的性能進行加和，性能可設計。缺點：不利于回收，不利于環(huán)境，綜合成本較高。2023/6/10材料技術的發(fā)展趨勢(二)由結(jié)構(gòu)材料為方往向功能材料、多功能材料并重的方向發(fā)展。以前講材料，實際上都是指結(jié)構(gòu)材料。但是隨著高技術的發(fā)展，其他高技術要求材料技術為它們提供更多更好的功能材料，而材料技術也越來越有能力滿足這一要求。所以現(xiàn)在各種功能材料越來越多，終會有一天功能材料將同結(jié)構(gòu)材料在材料領域平分秋色。2023/6/10材料技術的發(fā)展趨勢(三)材料結(jié)構(gòu)的尺度向越來越小的方向發(fā)展。如以前組成材料的顆粒，其顆徑都在微米(100萬分之一米)尺度的范疇。新材料的顆粒由于尺度極度細化，使有些性能發(fā)生了截然不同的變化。如以前給人以極脆印象的陶瓷，居然可以用來制造發(fā)動機零件。各種納米材料的性能與表現(xiàn)更是顛覆了人們對傳統(tǒng)材料的傳統(tǒng)認識。

2023/6/10納米直升機材料技術的發(fā)展趨勢之(四)由被動性材料向具有主動性的智能材料方向發(fā)展過去的材料不會對外界環(huán)境的作用作出反應，完全是被動的。新的智能材料能夠感知外界條件變化、進行判斷并主動作出反應形狀記憶合金用于衛(wèi)星天線、空調(diào)開關、礦業(yè)上的采石等行業(yè)。2023/6/10材料技術的發(fā)展趨勢之(五)

通過仿生途徑來發(fā)展新材料生物通過千百萬年的進化，在嚴峻的自然界環(huán)境中經(jīng)過優(yōu)勝劣汰，適者生存而發(fā)展到今天，自有其獨特之處。通過“師法自然”并揭開其奧秘，會給我們以無窮的啟發(fā)，為開發(fā)新材料又提供了一條廣闊的途徑。2023/6/10課程介紹金屬學金屬學原理物理冶金學物理冶金學原理材料科學基礎課程性質(zhì)：專業(yè)基礎課(考研需要)研究對象：金屬材料先修課程要求：

物理化學；材料力學(固體力學)；高等數(shù)學2023/6/10

教材與參考書

教材鄭子樵主編.材料科學基礎，長沙：中南大學出版社，2005年胡賡祥，蔡珣，主編.材料科學基礎，上海：上海交通大學出版社，2000年主要參考書趙品，謝輔洲，孫振國，主編.材料科學基礎，哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2002年宋維錫.金屬學.北京：冶金工業(yè)出版社，2005余永寧.金屬學原理，北京：冶金工業(yè)出版社，2003年曹明盛，物理冶金基礎，冶金工業(yè)出版社，1985年2023/6/10課程的含義2023/6/10《金屬學原理》是關于金屬材料方面的一門學科，是由早期的金相學與物理化學以及材料力學等學科相結(jié)合而發(fā)展起來的一門獨立學科。《金屬學原理》的應用價值作為一個工程師學習如何選擇和應用金屬材料的一般原理，即金屬材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及對性能的影響。只有掌握金屬材料科學的基礎理論和知識，才能對任一種(金屬)材料進行研究和應用。課程的主線(綱)金屬材料的性能與化學成分、相結(jié)構(gòu)、組織結(jié)構(gòu)之間的關系及其在各種條件下的變化規(guī)律。性能

相結(jié)構(gòu)、組織結(jié)構(gòu)成分講課內(nèi)容第1章材料的結(jié)構(gòu)第2章空位與位錯第3章材料的凝固第4章二元合金相圖及合金的凝固和組織第5章三元相圖及合金的凝固