上海交通大学材料科学基础ppt课件

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 2019-98 Dale Carnegie&Associates,Inc.5/6/20241材料科学基础Foundations of Mater绪绪 论论 一一.材料科学基础的基本概念材料科学基础的基本概念 二二.材料科学基础的地位材料科学基础的地位 三三.学习材料科学基础的意义学习材料科学基础的意义 四四.材料科学基础的内容材料科学基础的内容 五五.如何学好材料科学基础如何学好材料科学基础5/6/20242绪 论 一.材料科学基础的基本概念8/1/1 1、什么是材料、什么是材料 材料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：铝合金的主要应用领域如下：一一.材料科学基础的基本概念材料科学基础的基本概念5/6/202431、什么是材料 材料是指人类社会能接受的，经济地制造有战机舰船导弹火箭人造卫星战车高速列车汽车高层建筑5/6/20244铝合金的战机舰船导弹火箭人造卫星战车高速列车汽车高层8/1/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5/6/20245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2 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。5/6/202462、什么是材料科学 材料科学是一门以固体材料为研究对象3 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。5/6/202473、什么是材料科学基础 材料科学基础是进行材料科学研究二、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）5/6/20248二、材料科学基础的地位 1、材料的发展史，就是人类社会的 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 （西安半坡遗址）（西安半坡遗址）5/6/20249 石器时代（Stone Age）：石斧、凿、刀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）5/6/202410湖北江陵楚墓出土青铜器时代（公元前3000年）巨型司母戊 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。5/6/202411 考工记成书于春秋时期，作为我国第一部手工业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）5/6/202412中国古代铁器的金相组织湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄 铁器时代（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5/6/202413长征三号运载火箭在发射架上8/1/202313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 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 1986 1986年科学的美国人杂志指出年科学的美国人杂志指出“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 1990 1990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 1991 1991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.5/6/202414新材料阶段的特征 是一个由多种材料决定社会和经济发展的时代2 2、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5/6/2024152、材料的发展史，就是科学技术的发展史原理成品 1 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,1669by 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5/6/2024161）逻辑推理(古代哲学家，432 BC.)人类对材料微观结构1 mm5/6/202417宋（960-1279 A.D.）楼钥,谢林景思和韵南朝Fire-Fire-tetrahedrontetrahedronAir-octahedronAir-octahedronEther-dodecahedronEther-dodecahedronEarth-Earth-cubecubeWater-icosahedronWater-icosahedron5/6/2024182、Europe:Fire-tetrahedronAir5/6/202419 1669,N.Steno,晶面角守恒定律 材三、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。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5/6/202420三、学习料料科学基础的意义 材料科学是一个跨物理、化学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其内部结构包括四个层次：其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；原子的排列方式；显微组织显微组织5/6/202421材料结构关系 材料的结构包括不同晶体结构和非晶体，以及显10-910-810-710-610-510-410-310-210-1100m10-1010-1110-121015/6/202422 微 观 介 观 宏 观 10-910-810-材料科学的形成：材料科学的形成：“材料材料”早存在，早存在，“材料科学材料科学”提出于提出于2020世纪世纪6060年代，年代，19571957年苏联卫星上天，美国年苏联卫星上天，美国震动很大，在大学相继建立十余个材料科学研究中心，震动很大，在大学相继建立十余个材料科学研究中心，自此开始，自此开始，“材料科学材料科学”一词广泛应用一词广泛应用。w 一一般般来来讲讲，科科学学是是研研究究“为为什什么么”的的学学问问，而而工工程程是是解解决决“怎怎么么做做”的的学学问问。材材料料科科学学的的基基础础理理论论，为为材材料料工工程程指指明明方方向向，为为更更好好地地选选择择、使使用用材材料料，发发挥现有材料的潜力、发展新材料提供理论基础。挥现有材料的潜力、发展新材料提供理论基础。w 材材料料科科学学和和材材料料工工程程之之间间的的区区别别主主要要在在于于着着眼眼点点的的不不同同或或者者说说各各自自强强调调的的中中心心不不同同，它它们们之之间间并并没没有有一一条条明明确确的的界界线线，因因此此，后后来来人人们们常常常常将将二二者者放放在在一一起起，采采用用一一个个复复合合名名词词材材料料科科学学与与工工程程（MSEMSE，Material Science and EngineeringMaterial Science and Engineering）2 2、材料科学与材料工程的关系、材料科学与材料工程的关系5/6/202423 材料科学的形成：“材料”早存在，“材料科学”提材料科学材料科学材料科学材料科学工艺工艺工艺工艺结构结构结构结构性能性能性能性能材料工程材料工程设备设备构件行为构件行为结构结构工艺工艺性能性能 材料工程材料工程：是工程的一个领域，其目的在于经济地，而又为社会所能接受地控制材料的结构、性能和形状。它包括下面的五个环节。材材料料科科学学 ：是一门科学，它从事与材料本质的发现、分析和了解方面的研究，其目的在于提供材料结构的统一描绘或模型，以及解释这种结构与性能之间的关系。它包括下面的三个环节，核心是结构和性能。5/6/202424材料科学工艺结构性能材料工程设备构件行为结构工艺性能 w 材料按化学组成（或基本组成）分类材料按化学组成（或基本组成）分类w 根据材料的性能分类根据材料的性能分类 w 材料按服役的领域来分类材料按服役的领域来分类 w 材料按结晶状态分类材料按结晶状态分类w 材料按材料的尺寸分类材料按材料的尺寸分类 3 3、材料的分类材料的分类5/6/2024253、材料的分类8/1/202325按化学组成（或基本组成）分类按化学组成（或基本组成）分类金属材料金属材料是由化学元素周期表中的金属元素组成的材料。可分是由化学元素周期表中的金属元素组成的材料。可分为纯金属，由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素构为纯金属，由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素构成的合金。成的合金。无机非金属材料无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、盐等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料。它与广义硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料。它与广义的陶瓷材料有等同的含义。一般将其分为传统的（普通的）和新的陶瓷材料有等同的含义。一般将其分为传统的（普通的）和新型的（先进的）无机非金属材料两大类。型的（先进的）无机非金属材料两大类。有机高分子材料（高聚物）有机高分子材料（高聚物）是由一种或几种简单低分子化合是由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物。按材料的性能和用途可物经聚合而组成的分子量很大的化合物。按材料的性能和用途可将高聚物分为橡胶、纤维、塑料和胶粘剂等。将高聚物分为橡胶、纤维、塑料和胶粘剂等。复合材料复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成。由一种连续相（基体相）和增强相复合而成，既能保组合而成。由一种连续相（基体相）和增强相复合而成，既能保持原组成材料的重要特色，又通过复合效应使各组分的性能互相持原组成材料的重要特色，又通过复合效应使各组分的性能互相补充，获得原组分不具备的许多优良性能。补充，获得原组分不具备的许多优良性能。5/6/202426按化学组成（或基本组成）分类金属材料是由化学元素周期表中的金根据材料的性能分类根据材料的性能分类 根据材料在外场作用下其性质或性能对外场的根据材料在外场作用下其性质或性能对外场的响应不同，材料可分为响应不同，材料可分为结构材料结构材料和和功能材料功能材料。结构材料结构材料结构材料结构材料是以强度，刚度，韧性，耐劳性，硬是以强度，刚度，韧性，耐劳性，硬度，疲劳强度等力学性能为特征的材料。这种材料度，疲劳强度等力学性能为特征的材料。这种材料通常通常用来制造用来制造工具、机械、车辆和修建房屋、桥梁、工具、机械、车辆和修建房屋、桥梁、铁路等。是人们熟悉的机械制造材料、建筑材料，铁路等。是人们熟悉的机械制造材料、建筑材料，包括结构钢、工具钢、铸铁、普通陶瓷、耐火材料、包括结构钢、工具钢、铸铁、普通陶瓷、耐火材料、工程塑料等传统的结构材料（一般结构材料）以及工程塑料等传统的结构材料（一般结构材料）以及高温合金、结构陶瓷等高级结构材料。高温合金、结构陶瓷等高级结构材料。功能材料功能材料功能材料功能材料是以声，光，电，磁，热等物理性能是以声，光，电，磁，热等物理性能为特征的材料。被用于非结构目的的高技术材料。为特征的材料。被用于非结构目的的高技术材料。5/6/202427根据材料的性能分类 根据材料在外场作用下其性质或材料按服役的领域来分类材料按服役的领域来分类w根据材料服役的技术领域可分为根据材料服役的技术领域可分为信息材料信息材料、航空航天材料航空航天材料、能能源材料源材料、生物医用材料生物医用材料等。等。w信息材料信息材料是指用于信息的探测、传输、显示、运算和处理的光是指用于信息的探测、传输、显示、运算和处理的光电信息材料。电信息材料。w航空航天材料航空航天材料主要包括新型金属材料（如先进铝合金、超高强主要包括新型金属材料（如先进铝合金、超高强度钢、高温合金、高熔点合金、铍及其合金）、烧蚀防热材料度钢、高温合金、高熔点合金、铍及其合金）、烧蚀防热材料和新型复合材料。还包括一些功能材料，如涂层材料、隔热材和新型复合材料。还包括一些功能材料，如涂层材料、隔热材料、透明材料、阻尼材料、密封材料、润滑材料、粘合剂材料料、透明材料、阻尼材料、密封材料、润滑材料、粘合剂材料等。等。w能源材料能源材料是指能源工业和能源技术所使用的材料，按使用目的是指能源工业和能源技术所使用的材料，按使用目的不同分为新能源材料、节能材料和储氢材料等。不同分为新能源材料、节能材料和储氢材料等。w生物医用材料生物医用材料是一类合成物质或天然物质或这些物质的复合，是一类合成物质或天然物质或这些物质的复合，它能作用一个系统的整体或部分，在一定时期内治疗、增强或它能作用一个系统的整体或部分，在一定时期内治疗、增强或替换机体的组织、器官或功能。医用高分子材料包括合成和天替换机体的组织、器官或功能。医用高分子材料包括合成和天然高分子，已被广泛用于韧带、肌腱、皮肤、血管、角膜、人然高分子，已被广泛用于韧带、肌腱、皮肤、血管、角膜、人工脏器、骨和牙等人体软、硬组织及器官的修复和制造。工脏器、骨和牙等人体软、硬组织及器官的修复和制造。5/6/202428材料按服役的领域来分类根据材料服役的技术领域可分为信息材料、材料按结晶状态分类材料按结晶状态分类单单晶晶材材料料是是由由一一个个比比较较完完整整的的晶晶粒粒构构成成的的材材料料，如如单单晶晶纤维、单晶硅。纤维、单晶硅。多晶材料多晶材料是由许多晶粒组成的材料，其性能与晶粒大小、是由许多晶粒组成的材料，其性能与晶粒大小、晶界的性质有密切的关系。晶界的性质有密切的关系。非晶态材料非晶态材料是由原子或分子排列无明显规律的固体材料，是由原子或分子排列无明显规律的固体材料，如玻璃、高分子材料。如玻璃、高分子材料。准准晶晶材材料料是是指指准准周周期期性性晶晶体体材材料料的的简简称称，准准晶晶仍仍然然是是晶晶体体，准准晶晶中中的的原原子子分分布布有有严严格格的的位位置置序序，但但位位置置序序无无周周期期性性，即即没没有有周周期期性性平平移移对对称称关关系系，在在准准晶晶材材料料中中存存在在不符合传统晶体学的五次、八次、十二次对称轴。不符合传统晶体学的五次、八次、十二次对称轴。准准晶晶从从结结构构角角度度看看是是一一种种新新的的物物质质形形态态，但但实实际际上上它它们们仅仅在在特特定定的的金金属属合合金金中中形形成成，是是成成分分范范围围较较窄窄的的金金属间化合物。（如：属间化合物。（如：Mg-Zn-YMg-Zn-Y）5/6/202429材料按结晶状态分类单晶材料是由一个比较完整的晶粒构成的材料，材料按材料的尺寸分类材料按材料的尺寸分类 按材料的尺寸可分为按材料的尺寸可分为零维材料、一维材料、二维材料、零维材料、一维材料、二维材料、三维材料三维材料。零维材料零维材料即超微粒子，通过即超微粒子，通过Sol-gelSol-gel法、多相沉积或激法、多相沉积或激光等方法，可以制备出亚微米级的陶瓷或金属粉末，大小光等方法，可以制备出亚微米级的陶瓷或金属粉末，大小11100nm100nm的超微粒。的超微粒。一维材料一维材料：如光导纤维由于其信息传输量远比铜、铅的：如光导纤维由于其信息传输量远比铜、铅的同轴电缆大，而且光纤有很强的保密性，所以发展很快。实同轴电缆大，而且光纤有很强的保密性，所以发展很快。实用纤维为碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维。纤维中强度和刚度最用纤维为碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维。纤维中强度和刚度最高的要算晶须。高的要算晶须。二维材料（薄膜）：二维材料（薄膜）：如金刚石薄膜、高温超导薄膜、半如金刚石薄膜、高温超导薄膜、半导体薄膜。由于薄膜的电子所处状态和外界环境的影响，可导体薄膜。由于薄膜的电子所处状态和外界环境的影响，可表现出不同的电子迁移规律，完成特定的电学、光学或电子表现出不同的电子迁移规律，完成特定的电学、光学或电子学功能。学功能。三维材料三维材料即块状材料。（即块状材料。（等径角挤压法制备块体超细晶等径角挤压法制备块体超细晶材料的工艺研究材料的工艺研究）5/6/202430材料按材料的尺寸分类 按材料的尺寸可分为零维材料4 4、材料的应用、材料的应用w 让我们回顾几项有影响的事例，以便加深理解材料的发展在让我们回顾几项有影响的事例，以便加深理解材料的发展在人类社会发展中起了举足轻重的作用。人类社会发展中起了举足轻重的作用。w计算机与材料计算机与材料 1 1、计算机经历：电子管、计算机经历：电子管晶体管晶体管集成电路时代集成电路时代 2 2、个人电脑移动存储器的比较、个人电脑移动存储器的比较 材料科学的发展是计算机飞速发展的基础。材料科学的发展是计算机飞速发展的基础。种类种类使用的材料使用的材料存储容量存储容量特点特点软盘软盘氧化铁氧化铁1.44 Mb1.44 Mb容量小，文本文件存储容量小，文本文件存储CDCDRWRW以以ZnSZnS等为主等为主的陶瓷材料的陶瓷材料650 Mb650 MbCDCD光盘，价低，用量大光盘，价低，用量大MO(MO(磁光盘磁光盘)TbFeCoTbFeCo合金磁合金磁光材料光材料650 Mb650 Mb，1.3G1.3G需专用驱动器，价格高，需专用驱动器，价格高，局限在广告图形用户局限在广告图形用户DVDDVDRWRWZnSZnS等为主的等为主的陶瓷材料陶瓷材料单面单层为单面单层为4.7 Gb4.7 GbCDCDRWRW和和CDCD光盘，用量大光盘，用量大5/6/2024314、材料的应用 让我们回顾几项有影响的事例，以便加深理5/6/2024328/1/2023325/6/2024338/1/202333w飞机和材料飞机和材料 从莱特兄弟实现飞行的梦想以来，航空和航天器发生了巨变。从莱特兄弟实现飞行的梦想以来，航空和航天器发生了巨变。为了飞得快和远，就要采用强度高和比重小的材料，重视材料的比为了飞得快和远，就要采用强度高和比重小的材料，重视材料的比强度，即强度强度，即强度/比重之比。因此，航空和航天器中铝、镁合金用量大。比重之比。因此，航空和航天器中铝、镁合金用量大。随着航空技术的进一步发展，轻质和高比强度的钛合金、碳纤维高随着航空技术的进一步发展，轻质和高比强度的钛合金、碳纤维高分子复合材料、硼纤维金属复合材料等得到愈来愈多的采用。分子复合材料、硼纤维金属复合材料等得到愈来愈多的采用。实例压气机叶片压气机机匣飞机尾翼硼纤维铝合金板和管材料铝合金钛合金碳纤维复合材料硼纤维增强铝合金强度范围 MPa150450350110010001200（顺纤维方向）1500（顺纤维方向）比强度MPa55160802456257505705/6/202434飞机和材料实例压气机叶片压气机机匣飞机尾翼硼纤维铝合金板和管美国的航天飞机美国的航天飞机5/6/202435美国的航天飞机8/1/202335w材料和生活用品材料和生活用品材料和生活用品材料和生活用品w钛结构自行车钛结构自行车：“自行车发烧友”选择钛合金制自行车。钛合金的应用场合很特殊。通常用于需要抗腐蚀，耐疲劳，高弹性的场合 5/6/202436材料和生活用品8/1/202336w生命科学材料生命科学材料生命科学材料生命科学材料 原来使用专用的汞合金，为防止金属合金的分解已经开发出一种可以满足口腔中特殊的物理及化学环境的新型陶瓷。具体来讲，它需要满足下列要求：耐口腔中的酸；低热导率（这对你吃冷饮有好处）；尽得住数年的咀嚼力；耐骤冷骤热；当然还要口感舒适。5/6/202437生命科学材料8/1/202337复合科学材料复合科学材料复合科学材料复合科学材料 碳、硼纤维及环碳、硼纤维及环氧化合物复合材料非氧化合物复合材料非常轻，可以在某特定常轻，可以在某特定方向上增加强度（用方向上增加强度（用于特殊目的）于特殊目的）。5/6/202438复合科学材料8/1/202338航空材料航空材料航空材料航空材料 材料的主要性能取决于母体，加入合金元素成分将改善金属的物理及机械性能强度、耐力、使用寿命。在飞机发动机中一种掺镍化合物制成称作718合金被广泛的用于制造波音777客机上的发动机的压缩机、叶片及紧固件。5/6/202439航空材料8/1/202339形状记忆合金形状记忆合金形状记忆合金形状记忆合金牙套5/6/202440形状记忆合金牙套8/1/202340超级钢超级钢超级钢超级钢 近来，钢铁工业已经开发出一种汽车用钢，比原先的轻24%，而强度高34%，称为超级钢超级钢超级钢超级钢。其优点是：高撞击能量吸收率；高强度-质量比；实用新型制造工艺；可以有多种不同性能(寿命、防锈等）。5/6/202441超级钢8/1/202341四、本课程的主要内容四、本课程的主要内容 本课程的主要内容本课程的主要内容本课程的主要内容本课程的主要内容：1.1.材料的微观结构材料的微观结构，包括原子的排列方式，理想的，包括原子的排列方式，理想的完整结构、不完整结构（完整结构、不完整结构（3 3晶体缺陷晶体缺陷）、）、4 4固体中原子和固体中原子和分子的运动分子的运动（扩散）、（扩散）、5 5材料的形变和再结晶材料的形变和再结晶。2.2.材料组织结构的变化规律材料组织结构的变化规律，包括，包括6 6单元系的相变、单元系的相变、7 7二元合金系的相变规律、二元合金系的相变规律、8 8三元合金系的相变规律。三元合金系的相变规律。3.3.实际材料的状态实际材料的状态，包括晶体、非晶体、亚稳态。，包括晶体、非晶体、亚稳态。实验内容：实验内容：实验内容：实验内容：1.1.金相显微镜的构造与使用金相显微镜的构造与使用 2.2.金相试样的制备金相试样的制备 3.3.铁碳合金平衡组织的观察铁碳合金平衡组织的观察 4.4.材料的硬度试验材料的硬度试验5/6/202442四、本课程的主要内容 本课程的主要内容：8/1/20234五、本课程的特点及学习方法五、本课程的特点及学习方法w本课程特点本课程特点：概念术语多概念术语多 死记硬背多死记硬背多 相相关关学学科科多多（物物理理学学、化化学学、热热力力学学、矿矿物物学学、金属学、陶瓷学以及高分子学等）金属学、陶瓷学以及高分子学等）w学习方法学习方法：作作为为一一门门应应用用学学科科，基基础础理理论论和和基基本本概概念念要要掌掌握握，注注意意重重点点，做做好好笔笔记记；掌掌握握例例题题的的解解题题方方法法，还还要要理理论论联联系系实实践践；要要学学以以致致用用，善善于于归归纳纳总总结结，实验加以验证；实验加以验证；独立完成作业独立完成作业。5/6/202443五、本课程的特点及学习方法本课程特点：8/1/202343 教材：教材：胡赓祥胡赓祥主编主编 材料科学基础上海交通大学出版社材料科学基础上海交通大学出版社5/6/202444 教材：8/1/202344参考书目参考书目w材料科学基础 徐徐恒恒钧钧主编 北京工业大学出版社w材料科学基础 刘刘智智恩恩主编 西北工业大学出版社w材料科学基础 石德珂石德珂主编 机械工业出版社w材料科学基础 潘金生潘金生主编 清华大学出版社w金属材料及热处理 崔崔忠忠圻圻主编 机械工业出版社5/6/202445参考书目材料科学基础 徐恒钧主编 北京工业大学出版社8参考网址参考网址whanluninfowmat.shu.edu/netcourse/w202.120.6.136/fms/（交大精品课程）wcrystalstar.orgwchinainfo.govwbjkp.gov/ghjqy/clkxwsalspolymerwc-e-mwchenxun2635/6/202446参考网址hanluninfo8/1/202346上海交通大学材料科学基础ppt课件