材料科學基礎經(jīng)典

《材料科學基礎》

《FoundationsofMaterialsScience》

主講:韓寶軍Copyright1996-98?DaleCarnegie&Associates,Inc.9/19/20231緒論

一.《材料科學基礎》的基本概念

二.《材料科學基礎》的地位

三.學習《材料科學基礎》的意義

四.《材料科學基礎》的內容

五.如何學好《材料科學基礎》9/19/202321、什么是材料材料是指人類社會能接受的，經(jīng)濟地制造有用物品的物質（世界萬物，凡于我有用者，皆謂之材料。材料是具有一定性能，可以用來制作器件、構件、工具、裝置等物品的物質。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）。衛(wèi)星發(fā)射，節(jié)省1公斤重量將降低費用$20000。一次發(fā)射節(jié)約費用20%。鋁合金的主要應用領域如下：一.《材料科學基礎》的基本概念9/19/20233鋁合金的主要應用領域戰(zhàn)機艦船導彈火箭人造衛(wèi)星戰(zhàn)車高速列車汽車高層建筑9/19/20234塑料水管電線被覆

塑料膜

汽車側板日常用品主機外殼塑料的應用9/19/202352、什么是材料科學材料科學是一門以固體材料為研究對象，以固體物理、熱力學、動力學、量子力學、冶金、化工為理論基礎的邊緣交叉基礎應用學科，它運用電子顯微鏡、X-射線衍射、熱譜、電子離子探針等各種精密儀器和技術，探討材料的組成、結構、制備工藝和加工使用過程與其機械（力學性能）、物理、化學性能之間的規(guī)律的一門基礎應用學科，是研究材料共性的一門學科。材料科學是研究材料的成分、組織結構、制備工藝、加工工藝、材料的性能與材料應用之間的相互關系的科學。材料科學是當代科學技術發(fā)展的基礎、工業(yè)生產(chǎn)的支柱，是當今世界的帶頭學科之一。納米材料科學與技術是20世紀80年代發(fā)展起來的新興學科，成為21世紀新技術的主導中心。9/19/202363、什么是材料科學基礎材料科學基礎是進行材料科學研究的基礎理論，它將各種材料（包括金屬、陶瓷、高分子材料）的微觀結構和宏觀結構規(guī)律建立在共同的理論基礎上，用于指導材料的研究、生產(chǎn)、應用和發(fā)展。它涵蓋了材料科學和材料工程的基礎理論。

材料工程是研究、開發(fā)、生產(chǎn)和應用金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和復合材料的工程領域。

9/19/20237二、材料科學基礎的地位

1、材料的發(fā)展史，就是人類社會的發(fā)展史人類社會發(fā)展的歷史階段常常用當時主要使用的材料來劃分。從古代到現(xiàn)在人類使用材料的歷史共經(jīng)歷了七個時代，各時代的開始時間：

石器時代（公元前10萬年）

青銅器時代（公元前3000年）(爐火純青)

鐵器時代（公元前1000年）水泥時代（公元0年）鋼時代（1800年）硅時代（1950年）

新材料時代（1990年）9/19/20238

石器時代（

StoneAge）：石斧、鑿、刀、鏟、箭頭紡輪、缽等（西安半坡遺址）

9/19/20239湖北江陵楚墓出土越王勾踐寶劍青銅器時代（公元前3000年）巨型司母戊大方鼎（河南安陽晚商遺址）9/19/202310《考工記》——成書于春秋時期，作為我國第一部手工業(yè)工藝技術典籍，包含著大量的手工制作技術、工藝過程及豐富的科技思想?！犊脊び洝返木?、經(jīng)典之處在“金有六齊”。“六分其金而錫居一，謂之鐘鼎之齊；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（意為鏡）燧之齊?！煞帧茶T金之狀，金與錫，黑濁之氣竭，黃白次之；黃白之氣竭，青白次之；青白之氣竭，青氣次之；然后可鑄也。（爐火純青）——準確地記述了冶銅過程中顏色隨爐溫變化的規(guī)律。這種用肉眼來觀測的光測高溫技術，只有在青銅技術相當成熟的情況下，才有可能辦到。

9/19/202311中國古代鐵器的金相組織湖南長沙砂子塘戰(zhàn)國凹形鐵鋤

鐵器時代（IronAge）9/19/202312長征三號運載火箭在發(fā)射架上9/19/202313新材料階段的特征是一個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，非自然界中現(xiàn)成有的;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；這些新材料使新技術得以產(chǎn)生和應用，而新技術又促進了新工業(yè)的出現(xiàn)和發(fā)展，從而使國家財富和就業(yè)增加。1986年《科學的美國人》雜志指出“先進材料對未來的宇航、電子設備、汽車以及其他工業(yè)的發(fā)展是必要的，材料科學的進步?jīng)Q定了經(jīng)濟關鍵部門增長速率的極限范圍?！?990年美國總統(tǒng)的科學顧問Allany.Bromley明確指出“材料科學在美國是最重要的學科”。1991年日本為未來工業(yè)規(guī)劃技術列舉的11項主要項目中有7項是基于先進材料之上?？梢姡牧峡茖W歷來是技術進步的支柱.9/19/2023142、材料的發(fā)展史，就是科學技術的發(fā)展史原理 成品 發(fā)展時間電機 1821 1886 65真空管 1882 1915 33無線電 1887 1922 35X光 1895 1913 18雷達 1935 1940 5原子堆 1939 1942 3半導體 1948 1951 3激光 1958 1960 2表1科學原理的發(fā)現(xiàn)時間與其產(chǎn)業(yè)化時間的對照中國的四大發(fā)明：紙、火藥、指南針、活字印刷9/19/2023151）邏輯推理(古代哲學家，432BC.)2）宏觀形貌觀察、觀測（byeye,1669）3）數(shù)學理論計算4）科學測定（X-raydiffraction,electrondiffraction,等）古代中國有：“日取其半，萬世不竭”“道生一，一生二，二生三，三生萬物”（《老子》）；“以土與金、木、水、火雜以成百物”（《國語·正語》）；“太極生兩儀，兩儀生四象，四象生八卦，八卦交而生萬物”（《易經(jīng)》）人類對材料微觀結構認識的發(fā)展過程9/19/202316宋（960-1279A.D.）?樓鑰,《謝林景思和韻》黃昏門外六花飛，因倚胡床醉不知。南朝?陳（557-589A.D.）?徐陵，《詠雪》豈苦天庭瑞，輕雪帶風斜。三農喜盈尺，六出舞崇花。雪花—“六出”、“六花”西漢（206B.C.-24A.D.）,《韓詩外傳》：凡草木花五出，獨雪花六出1mm9/19/2023172、Europe:Plato(428-348B.C.)andEuclid(330-275?B.C.)5regularpolyhedronsstandfor5originalelements(fire,air,earth,water,ether)whichwereusedfordescribingeverythingintheworld.Fire-tetrahedronAir-octahedronEther-dodecahedronEarth-cubeWater-icosahedron9/19/2023181669,N.Steno,晶面角守恒定律材料科學的發(fā)展過程1885,A.Bravais,晶體空間點陣學說1912,M.Laue*,晶體的X射線衍射1915,W.H.BraggandW.L.Bragg**

X射線晶體結構分析方法電子顯微鏡（SEM、TEM）掃描探針顯微術***（STM、AFM）9/19/202319三、學習料料科學基礎的意義材料科學是一個跨物理、化學等的學科。材料科學的核心問題是材料的組織結構（Structure）和性能（Property）以及它們之間的關系。右圖為材料科學與工程四要素。所以，先要了解材料的結構是什么？

合成與制備過程使用性能性質組成與結構（化學）（工程）（物理學）1、材料科學的內涵9/19/202320材料結構關系

材料的結構包括不同晶體結構和非晶體，以及顯微鏡下的微觀結構，哪些主要因素能夠影響和改變結構？只有了解了這些才能實現(xiàn)控制結構的目的。材料的性能包括物理性能、化學性能、力學性能。其內部結構包括四個層次：①原子結構；②結合鍵；③原子的排列方式；④顯微組織9/19/202321微觀(Micro-)介觀(Meso-)宏觀(Macro-)10-910-810-710-610-510-410-310-210-1100m10-1010-1110-12101納米(Nano-)9/19/202322

材料科學的形成：“材料”早存在，“材料科學”提出于20世紀60年代，1957年蘇聯(lián)衛(wèi)星上天，美國震動很大，在大學相繼建立十余個材料科學研究中心，自此開始，“材料科學”一詞廣泛應用。一般來講，科學是研究“為什么”的學問，而工程是解決“怎么做”的學問。材料科學的基礎理論，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。材料科學和材料工程之間的區(qū)別主要在于著眼點的不同或者說各自強調的中心不同，它們之間并沒有一條明確的界線，因此，后來人們常常將二者放在一起，采用一個復合名詞－材料科學與工程（MSE，MaterialScienceandEngineering）2、材料科學與材料工程的關系9/19/202323材料科學工藝結構性能材料工程設備構件行為結構工藝性能

材料工程：是工程的一個領域，其目的在于經(jīng)濟地，而又為社會所能接受地控制材料的結構、性能和形狀。它包括下面的五個環(huán)節(jié)。

材料科學：是一門科學，它從事與材料本質的發(fā)現(xiàn)、分析和了解方面的研究，其目的在于提供材料結構的統(tǒng)一描繪或模型，以及解釋這種結構與性能之間的關系。它包括下面的三個環(huán)節(jié)，核心是結構和性能。9/19/202324

材料按化學組成（或基本組成）分類根據(jù)材料的性能分類材料按服役的領域來分類材料按結晶狀態(tài)分類材料按材料的尺寸分類

3、材料的分類9/19/202325按化學組成（或基本組成）分類金屬材料是由化學元素周期表中的金屬元素組成的材料?？煞譃榧兘饘?，由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素構成的合金。無機非金屬材料是由硅酸鹽、鋁酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽、鍺酸鹽等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、鹵化物等原料經(jīng)一定的工藝制備而成的材料。它與廣義的陶瓷材料有等同的含義。一般將其分為傳統(tǒng)的（普通的）和新型的（先進的）無機非金屬材料兩大類。有機高分子材料（高聚物）是由一種或幾種簡單低分子化合物經(jīng)聚合而組成的分子量很大的化合物。按材料的性能和用途可將高聚物分為橡膠、纖維、塑料和膠粘劑等。復合材料是由兩種或兩種以上化學性質或組織結構不同的材料組合而成。由一種連續(xù)相（基體相）和增強相復合而成，既能保持原組成材料的重要特色，又通過復合效應使各組分的性能互相補充，獲得原組分不具備的許多優(yōu)良性能。9/19/202326根據(jù)材料的性能分類根據(jù)材料在外場作用下其性質或性能對外場的響應不同，材料可分為結構材料和功能材料。

結構材料是以強度，剛度，韌性，耐勞性，硬度，疲勞強度等力學性能為特征的材料。這種材料通常用來制造工具、機械、車輛和修建房屋、橋梁、鐵路等。是人們熟悉的機械制造材料、建筑材料，包括結構鋼、工具鋼、鑄鐵、普通陶瓷、耐火材料、工程塑料等傳統(tǒng)的結構材料（一般結構材料）以及高溫合金、結構陶瓷等高級結構材料。

功能材料是以聲，光，電，磁，熱等物理性能為特征的材料。被用于非結構目的的高技術材料。9/19/202327材料按服役的領域來分類根據(jù)材料服役的技術領域可分為信息材料、航空航天材料、能源材料、生物醫(yī)用材料等。信息材料是指用于信息的探測、傳輸、顯示、運算和處理的光電信息材料。航空航天材料主要包括新型金屬材料（如先進鋁合金、超高強度鋼、高溫合金、高熔點合金、鈹及其合金）、燒蝕防熱材料和新型復合材料。還包括一些功能材料，如涂層材料、隔熱材料、透明材料、阻尼材料、密封材料、潤滑材料、粘合劑材料等。能源材料是指能源工業(yè)和能源技術所使用的材料，按使用目的不同分為新能源材料、節(jié)能材料和儲氫材料等。生物醫(yī)用材料是一類合成物質或天然物質或這些物質的復合，它能作用一個系統(tǒng)的整體或部分，在一定時期內治療、增強或替換機體的組織、器官或功能。醫(yī)用高分子材料包括合成和天然高分子，已被廣泛用于韌帶、肌腱、皮膚、血管、角膜、人工臟器、骨和牙等人體軟、硬組織及器官的修復和制造。9/19/202328材料按結晶狀態(tài)分類單晶材料是由一個比較完整的晶粒構成的材料，如單晶纖維、單晶硅。多晶材料是由許多晶粒組成的材料，其性能與晶粒大小、晶界的性質有密切的關系。非晶態(tài)材料是由原子或分子排列無明顯規(guī)律的固體材料，如玻璃、高分子材料。準晶材料是指準周期性晶體材料的簡稱，準晶仍然是晶體，準晶中的原子分布有嚴格的位置序，但位置序無周期性，即沒有周期性平移對稱關系，在準晶材料中存在不符合傳統(tǒng)晶體學的五次、八次、十二次對稱軸。準晶從結構角度看是一種新的物質形態(tài)，但實際上它們僅在特定的金屬合金中形成，是成分范圍較窄的金屬間化合物。（如：Mg-Zn-Y）9/19/202329材料按材料的尺寸分類按材料的尺寸可分為零維材料、一維材料、二維材料、三維材料。

零維材料即超微粒子，通過Sol-gel法、多相沉積或激光等方法，可以制備出亞微米級的陶瓷或金屬粉末，大小1—100nm的超微粒。

一維材料：如光導纖維由于其信息傳輸量遠比銅、鉛的同軸電纜大，而且光纖有很強的保密性，所以發(fā)展很快。實用纖維為碳纖維、硼纖維、陶瓷纖維。纖維中強度和剛度最高的要算晶須。

二維材料（薄膜）：如金剛石薄膜、高溫超導薄膜、半導體薄膜。由于薄膜的電子所處狀態(tài)和外界環(huán)境的影響，可表現(xiàn)出不同的電子遷移規(guī)律，完成特定的電學、光學或電子學功能。

三維材料即塊狀材料。（等徑角擠壓法制備塊體超細晶材料的工藝研究）9/19/2023304、材料的應用讓我們回顧幾項有影響的事例，以便加深理解材料的發(fā)展在人類社會發(fā)展中起了舉足輕重的作用。計算機與材料

1、計算機經(jīng)歷：電子管→晶體管→集成電路時代

2、個人電腦移動存儲器的比較

材料科學的發(fā)展是計算機飛速發(fā)展的基礎。

9/19/2023319/19/2023329/19/202333飛機和材料

從萊特兄弟實現(xiàn)飛行的夢想以來，航空和航天器發(fā)生了巨變。為了飛得快和遠，就要采用強度高和比重小的材料，重視材料的比強度，即強度/比重之比。因此，航空和航天器中鋁、鎂合金用量大。隨著航空技術的進一步發(fā)展，輕質和高比強度的鈦合金、碳纖維高分子復合材料、硼纖維金屬復合材料等得到愈來愈多的采用。9/19/202334美國的航天飛機9/19/202335材料和生活用品鈦結構自行車：“自行車發(fā)燒友”選擇鈦合金制自行車。鈦合金的應用場合很特殊。通常用于需要抗腐蝕，耐疲勞，高彈性的場合9/19/202336生命科學材料

原來使用專用的汞合金，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環(huán)境的新型陶瓷。具體來講，它需要滿足下列要求：耐口腔中的酸；低熱導率（這對你吃冷飲有好處）；盡得住數(shù)年的咀嚼力；耐驟冷驟熱；當然還要口感舒適。9/19/202337復合科學材料

碳、硼纖維及環(huán)氧化合物復合材料非常輕，可以在某特定方向上增加強度（用于特殊目的）。

9/19/202338航空材料材料的主要性能取決于母體，加入合金元素成分將改善金屬的物理及機械性能——強度、耐力、使用壽命。在飛機發(fā)動機中一種摻鎳化合物制成稱作718合金被廣泛的用于制造波音777客機上的發(fā)動機的壓縮機、葉片及緊固件。9/19/202339形狀記憶合金牙套9/19/202340超級鋼

近來，鋼鐵工業(yè)已經(jīng)開發(fā)出一種汽車用鋼，比原先的輕24%，而強度高34%，稱為