上海交通大学---材料科学基础ppt.ppt

1、材料科学基础材料科学基础Foundations of Materials Foundations of Materials ScienceScience主讲主讲:韩宝军韩宝军 Copyright 1996-98 Dale Carnegie&Associates,Inc.10/23/20221绪绪 论论 一一.材料科学基础材料科学基础的基本概念的基本概念 二二.材料科学基础材料科学基础的地位的地位 三三.学习学习材料科学基础材料科学基础的意义的意义 四四.材料科学基础材料科学基础的内容的内容 五五.如何学好如何学好材料科学基础材料科学基础10/23/202221 1、什么是材料、什么是材料 材料

2、是指人类社会能接受的，经济地制造有材料是指人类社会能接受的，经济地制造有用物品的物质（世界万物，凡于我有用者，皆谓用物品的物质（世界万物，凡于我有用者，皆谓之材料。材料是具有一定性能，可以用来制作器之材料。材料是具有一定性能，可以用来制作器件、构件、工具、装置等物品的物质。材料存在件、构件、工具、装置等物品的物质。材料存在于我们的周围，与我们的生活、我们的生命息息于我们的周围，与我们的生活、我们的生命息息相关）相关）。卫星发射，节省卫星发射，节省1 1公斤重量将降低费用公斤重量将降低费用$20000$20000。一次发射节约费用。一次发射节约费用20%20%。铝合金的主要应用领域如下：铝合金的

3、主要应用领域如下：一一.材料科学基础材料科学基础的基本概念的基本概念10/23/20223战机舰船导弹火箭人造卫星战车高速列车汽车高层建筑10/23/20224塑料水管电线被覆 塑料膜 汽车侧板日常用品主机外壳塑料的应用10/23/202252 2、什么是材料科学、什么是材料科学 材料科学是一门以固体材料为研究对象，以固体物理、热力材料科学是一门以固体材料为研究对象，以固体物理、热力学、动力学、量子力学、冶金、化工为理论基础的边缘交叉基础学、动力学、量子力学、冶金、化工为理论基础的边缘交叉基础应用学科，它运用电子显微镜、应用学科，它运用电子显微镜、X-X-射线衍射、热谱、电子离子探射线衍射、热

4、谱、电子离子探针等各种精密仪器和技术，探讨材料的组成、结构、制备工艺和针等各种精密仪器和技术，探讨材料的组成、结构、制备工艺和加工使用过程与其机械（加工使用过程与其机械（力学性能力学性能）、物理、化学性能之间的规）、物理、化学性能之间的规律的一门基础应用学科，是研究材料共性的一门学科。律的一门基础应用学科，是研究材料共性的一门学科。材料科学是研究材料的成分、组织材料科学是研究材料的成分、组织结构、制备工艺、加工工艺、材料的性结构、制备工艺、加工工艺、材料的性能与材料应用之间的相互关系的科学。能与材料应用之间的相互关系的科学。材料科学是当代科学技术发展的基础、材料科学是当代科学技术发展的基础、工

5、业生产的支柱，是当今世界的带头学工业生产的支柱，是当今世界的带头学科之一。纳米材料科学与技术是科之一。纳米材料科学与技术是2020世纪世纪8080年代发展起来的新兴学科，成为年代发展起来的新兴学科，成为2121世世纪新技术的主导中心。纪新技术的主导中心。10/23/202263 3、什么是材料科学基础、什么是材料科学基础 材料科学基础是进行材料科学研究的基础理论，材料科学基础是进行材料科学研究的基础理论，它将各种材料（包括金属、陶瓷、高分子材料）的它将各种材料（包括金属、陶瓷、高分子材料）的微观结构和宏观结构规律建立在共同的理论基础上，微观结构和宏观结构规律建立在共同的理论基础上，用于指导材料

6、的研究、生产、应用和发展。它涵盖用于指导材料的研究、生产、应用和发展。它涵盖了材料科学和了材料科学和材料工程材料工程的基础理论。的基础理论。材料工程材料工程是研究、开发、生产和应用金属材料、是研究、开发、生产和应用金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料的工程领无机非金属材料、高分子材料和复合材料的工程领域域。10/23/20227二、材料科学基础的地位二、材料科学基础的地位 1 1、材料的发展史，就是人类社会的发展史、材料的发展史，就是人类社会的发展史 人类社会发展的历史阶段常常用当时主要使用的材料人类社会发展的历史阶段常常用当时主要使用的材料来划分。从古代到现在人类使用材料的历史共经

7、历了七来划分。从古代到现在人类使用材料的历史共经历了七个时代，各时代的开始时间：个时代，各时代的开始时间：石器时代石器时代（公元前（公元前1010万年）万年）青铜器时代青铜器时代（公元前（公元前30003000年）年）(炉火纯青炉火纯青)铁器时代铁器时代（公元前（公元前10001000年）年）水泥时代（公元水泥时代（公元0 0年）年）钢时代（钢时代（18001800年）年）硅时代（硅时代（19501950年）年）新材料时代（新材料时代（19901990年）年）10/23/20228 石器时代（石器时代（Stone Age）：）：石斧、凿、刀、铲、箭头石斧、凿、刀、铲、箭头纺轮、钵等纺轮、钵等

8、（西安半坡遗址）（西安半坡遗址）10/23/20229湖北江陵楚墓出土湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑越王勾践宝剑青铜器时代青铜器时代（公元前（公元前3000年）年）巨型司母戊大方鼎巨型司母戊大方鼎（河南安阳晚商遗址）（河南安阳晚商遗址）10/23/202210 考工记考工记成书于春秋时期成书于春秋时期 ，作为我国第一，作为我国第一部手工业工艺技术典籍，包含着大量的手工制作技术、部手工业工艺技术典籍，包含着大量的手工制作技术、工艺过程及丰富的科技思想。工艺过程及丰富的科技思想。考工记考工记的精彩、经典之处在的精彩、经典之处在“金有六齐金有六齐”。“六分其金而锡居一，谓之钟鼎之齐；五分其金而锡六分其

9、金而锡居一，谓之钟鼎之齐；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（意而锡居二，谓之削杀矢之齐；金、锡半，谓之鉴（意为镜）燧之齐。为镜）燧之齐。成分成分 凡铸金之状，金与锡，黑浊之气竭，黄白次之；凡铸金之状，金与锡，黑浊之气竭，黄白次之；黄白之气竭，青白次之；黄白之气竭，青白次之；青白之气竭，青气次之；青白之气竭，青气次之；然后可铸也。（炉火纯青）然后可铸也。（炉火纯青）准确地记述了冶铜过程中颜色随

10、炉温变化的规律。这种用准确地记述了冶铜过程中颜色随炉温变化的规律。这种用肉眼来观测的光测高温技术，只有在青铜技术相当成熟的情况下，肉眼来观测的光测高温技术，只有在青铜技术相当成熟的情况下，才有可能办到。才有可能办到。10/23/202211中国古代铁器的金相组织中国古代铁器的金相组织湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄 铁器时代（铁器时代（Iron Age）10/23/202212长征三号运载火箭在发射架上长征三号运载火箭在发射架上10/23/202213新材料阶段的特征新材料阶段的特征l 是一个由多种材料决定社会和经济发展的时代；是一个由多种材料决定社会和经济发展的时代；l

11、新材料以人造为特征，非自然界中现成有的新材料以人造为特征，非自然界中现成有的;l 新材料是根据我们对材料的物理和化学性能的了解，为了特新材料是根据我们对材料的物理和化学性能的了解，为了特定的需要设计和加工而成的；定的需要设计和加工而成的；l 这些新材料使新技术得以产生和应用，而新技术又促进了新这些新材料使新技术得以产生和应用，而新技术又促进了新工业的出现和发展，从而使国家财富和就业增加。工业的出现和发展，从而使国家财富和就业增加。l 19861986年年科学的美国人科学的美国人杂志指出杂志指出“先进材料对未来的宇航、先进材料对未来的宇航、电子设备、汽车以及其他工业的发展是必要的，材料科学的进电

12、子设备、汽车以及其他工业的发展是必要的，材料科学的进步决定了经济关键部门增长速率的极限范围。步决定了经济关键部门增长速率的极限范围。”l 19901990年美国总统的科学顾问年美国总统的科学顾问Allany.BromleyAllany.Bromley明确指出明确指出“材料材料科学在美国是最重要的学科科学在美国是最重要的学科”。l 19911991年日本为未来工业规划技术列举的年日本为未来工业规划技术列举的1111项主要项目中有项主要项目中有7 7项是基于先进材料之上。项是基于先进材料之上。l 可见，材料科学历来是技术进步的支柱可见，材料科学历来是技术进步的支柱.10/23/2022142 2、

13、材料的发展史，就是科学技术的发展史、材料的发展史，就是科学技术的发展史原理成品 发展时间电机18211886 65真空管 18821915 33无线电18871922 35X光18951913 18雷达19351940 5原子堆19391942 3半导体19481951 3激光19581960 2表表1 科学原理的发现时间与其产业化时间的对照科学原理的发现时间与其产业化时间的对照中国的四大发明：纸、火药、指南针、活字印刷10/23/2022151 1）逻辑推理）逻辑推理(古代哲学家，古代哲学家，432 BC.)432 BC.)2 2）宏观形貌观察、观测（宏观形貌观察、观测（by eye,166

14、9by eye,1669）3 3）数学理论计算数学理论计算4 4）科学测定（）科学测定（X-ray diffraction,electron diffraction,X-ray diffraction,electron diffraction,等）等）古代中国有：古代中国有：“日取其半，万世不竭日取其半，万世不竭”“道生一，一生二，二生三，三生万物道生一，一生二，二生三，三生万物”（老子老子）；）；“以土与金、木、水、火杂以成百物以土与金、木、水、火杂以成百物”（国语国语正语正语）；）；“太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦，八卦交而生万物太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦，八卦交而生万物”（易

15、经易经）人类对材料微观结构认识的发展过程人类对材料微观结构认识的发展过程10/23/2022161 mm10/23/202217Fire-Fire-tetrahedrontetrahedronAir-octahedronAir-octahedronEther-dodecahedronEther-dodecahedronEarth-Earth-cubecubeWater-Water-icosahedronicosahedron10/23/20221810/23/202219三、学习料料科学基础的意义三、学习料料科学基础的意义 材料科学是一个跨材料科学是一个跨物理、化学等的学科。物理、化学等的学科

16、。材料科学的核心问题是材料科学的核心问题是材料的组织结构材料的组织结构（StructureStructure）和性能）和性能（PropertyProperty）以及它们）以及它们之间的关系。右图为材之间的关系。右图为材料科学与工程四要素。料科学与工程四要素。所以，先要了解材料的所以，先要了解材料的结构是什么？结构是什么？合成与制备过程合成与制备过程使用性能使用性能性质性质组组成成与与结结构构（化学）（化学）（工程）（工程）（物理学）（物理学）1 1、材料科学的内涵、材料科学的内涵10/23/202220材料结构关系材料结构关系w 材料的结构包括不同晶体结构和非晶体，以及显材料的结构包括不同晶体结构和非晶体，以及显微镜下的微观结构，哪些主要因素能够影响和改变结微镜下的微观结构，哪些主要因素能够影响和改变结构？只有了解了这些才能实现控制结构的目的。构？只有了解了这些才能实现控制结构的目的。w材料的性能包括物理性能、化学性能、力学性能。材料的性能包括物理性能、化学性能、力学性能。w其其内部结构包括四个层次：内部结构包括四个层次：原子结构；原子结构；结合键；结合键；原子的排列方式；原子的排列方