材料科学基础1

1、材料科学基础材料科学基础Fundamentals of Materials Science 绪论绪论 (Introduction)1.1 材料与人类文明材料与人类文明1.2 材料的分类材料的分类1.3 材料科学与工程材料科学与工程1.4 未来的材料未来的材料1.5 本课程的目的本课程的目的什么是材料什么是材料n 材料是指人类社会能接受的、经济的制造有用材料是指人类社会能接受的、经济的制造有用物品的物质。是具有一定性能，可以用来制作物品的物质。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。器件、构件、工具、装置等物品的物质。n 世界万物，凡于我有用者，皆谓之材料。世界万物，凡于

2、我有用者，皆谓之材料。n 材料存在于我们的周围，与我们的生活、生命材料存在于我们的周围，与我们的生活、生命息息相关。息息相关。n 材料是人类文明、社会进步、科技发展的物质材料是人类文明、社会进步、科技发展的物质基础。基础。l 科学技术是第一生产力科学技术是第一生产力l 政治家：生产力的进步是政治家：生产力的进步是社会发展的根本原因，而社会发展的根本原因，而劳动工具的发展是生产力劳动工具的发展是生产力进步的主要因素进步的主要因素l 材料学家：材料学家：材料是时代进材料是时代进步的标志步的标志材料对人类进步和现代科学技术的重要性材料对人类进步和现代科学技术的重要性材料是时代进步的标志材料是时代进步

3、的标志认识工具材料认识工具材料 制造工具制造工具 使用工具使用工具青青 铜铜 器器 时时 代代铁铁 器器 时时 代代历史回顾历史回顾n 石器时代（公元前石器时代（公元前1010万年）万年）n 青铜器时代（公元前青铜器时代（公元前30003000年）年）n 铁器时代（公元前铁器时代（公元前10001000年）年）n 钢时代（钢时代（18001800年）年）n 硅时代（硅时代（19501950年）年）n 新材料时代（新材料时代（19901990年）年）各种新材料不断涌现，各种新材料不断涌现，已经很难用一种材料来代表当今时代的特征已经很难用一种材料来代表当今时代的特征n 材料是全球新技术革命的四大标

4、志之一（新材料材料是全球新技术革命的四大标志之一（新材料技术、新能源技术、信息技术、生物技术）技术、新能源技术、信息技术、生物技术）材料的分类材料的分类n 按组成和化学键（或基本组成）分类按组成和化学键（或基本组成）分类n 根据材料的性能分类根据材料的性能分类 n 按材料服役的领域来分类按材料服役的领域来分类 n 按材料结晶状态分类按材料结晶状态分类n 按材料材料的尺寸分类按材料材料的尺寸分类按组成和化学键（或基本组成）分类：按组成和化学键（或基本组成）分类：1. 金属材料金属材料2. 无机非金属材料无机非金属材料3. 高分子材料（聚合物）高分子材料（聚合物）4. 复合材料复合材料1. 金属材

5、料金属材料n 金属材料是由化学元素周期表中的金金属材料是由化学元素周期表中的金属元素组成的材料。属元素组成的材料。n 可分为由一种金属元素构成的单质可分为由一种金属元素构成的单质（纯金属）（纯金属）n 由两种或两种以上的金属元素或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与非金属元素构成的合金n 合金又可分为固溶体和金属间化合物合金又可分为固溶体和金属间化合物金属材料金属材料n 在在103种元素中，除种元素中，除6种惰性元素和种惰性元素和16种非金属元素外，种非金属元素外，81种为金属元素。种为金属元素。n 除除Hg之外，单质金属在常温下呈现固体形态，外观不透之外，单质金属在常

6、温下呈现固体形态，外观不透明，具有特殊的金属光泽及良好的导电性和导热性。在力明，具有特殊的金属光泽及良好的导电性和导热性。在力学性质方面，具有较高的强度、刚度、延展性及耐冲击性学性质方面，具有较高的强度、刚度、延展性及耐冲击性n 合金是由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金合金是由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素熔合在一起形成的具有金属特性的新物质。合金的属元素熔合在一起形成的具有金属特性的新物质。合金的性质与组成合金的各个相的性质有关，同时也与这些相在性质与组成合金的各个相的性质有关，同时也与这些相在合金中的数量、形状及分布有关合金中的数量、形状及分布有关2. 无机非金

7、属材料无机非金属材料n 是除金属材料、高分子材料以外所有材料的总称。它与是除金属材料、高分子材料以外所有材料的总称。它与广义的陶瓷材料有等同的含义广义的陶瓷材料有等同的含义n 是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、和氧化物、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卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料n 种类繁多，用途各异，目前还没有统一完善的分类方法。种类繁多，用途各异，目前还没有统一完善的分类方法。一般将其分为传统的（普通的）和新型的（先进的）无

8、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机非金属材料两大类n 陶瓷按其概念和用途不同，陶瓷按其概念和用途不同，可分为两大类，即普通陶瓷可分为两大类，即普通陶瓷和特种陶瓷和特种陶瓷n 根据陶瓷坯体结构及其基本根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能的差异，陶瓷制品物理性能的差异，陶瓷制品可分为陶器和瓷器可分为陶器和瓷器 传统的无机非金属材料传统的无机非金属材料 之一：陶瓷之一：陶瓷特种陶瓷特种陶瓷n用于各种现代工业及尖端用于各种现代工业及尖端科学技术领域的陶瓷制品科学技术领域的陶瓷制品n包括结构陶瓷和功能陶瓷包括结构陶瓷和功能陶瓷n结构陶瓷主要用于耐磨损、结构陶瓷主要用于耐磨损

9、、高强度、耐高温、高刚性、高强度、耐高温、高刚性、低膨胀、隔热等场所低膨胀、隔热等场所n功能陶瓷主要包括电磁功功能陶瓷主要包括电磁功能、光学功能、生物功能、光学功能、生物功能、核功能及其它功能的能、核功能及其它功能的陶瓷材料陶瓷材料传统的无机非金属材料之二：玻璃传统的无机非金属材料之二：玻璃玻璃是由熔体过冷所制得的非晶态材料。根据其形成网玻璃是由熔体过冷所制得的非晶态材料。根据其形成网络的组分不同可分为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐络的组分不同可分为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等，其网络形成剂分为玻璃等，其网络形成剂分为SiO2、B2O3和和P2O5。习惯。习惯上玻璃态材料可分为普通玻璃

10、和特种玻璃两大类上玻璃态材料可分为普通玻璃和特种玻璃两大类传统的无机非金属材料传统的无机非金属材料 之三：水泥之三：水泥水泥是指加入适量水后可成水泥是指加入适量水后可成塑性浆体，既能在空气中硬塑性浆体，既能在空气中硬化又能在水中硬化，并能够化又能在水中硬化，并能够将砂、石等材料牢固地胶结将砂、石等材料牢固地胶结在一起的细粉状水硬性材料在一起的细粉状水硬性材料传统的无机非金属材料之四：耐火材料传统的无机非金属材料之四：耐火材料n 耐火材料是指耐火度不低于耐火材料是指耐火度不低于1580的无机非金属材料。是的无机非金属材料。是高温技术服务的基础材料高温技术服务的基础材料n 尽管各国对其定义不同，但

11、基本含义是相同的，即耐火材尽管各国对其定义不同，但基本含义是相同的，即耐火材料是用作高温窑炉等热工设备的结构材料，以及用作工业料是用作高温窑炉等热工设备的结构材料，以及用作工业高温容器和部件的材料，并能承受相应的物理化学变化及高温容器和部件的材料，并能承受相应的物理化学变化及机械作用机械作用n 大部分耐火材料是以天然矿石（如耐火粘土、硅石、菱镁大部分耐火材料是以天然矿石（如耐火粘土、硅石、菱镁矿、白云母等）为原料制造的矿、白云母等）为原料制造的3. 有机高分子材料（高聚物）有机高分子材料（高聚物）n高聚物是由一种或几种简单低高聚物是由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分分子化合物经聚合而

12、组成的分子量很大的化合物子量很大的化合物n高聚物的种类繁多，性能各异，高聚物的种类繁多，性能各异，其分类的方法多种多样其分类的方法多种多样n按高分子材料来源分为天然高按高分子材料来源分为天然高分子材料和合成高分子材料；分子材料和合成高分子材料；按材料的性能和用途可将高聚按材料的性能和用途可将高聚物分为橡胶、纤维、塑料和胶物分为橡胶、纤维、塑料和胶粘剂等粘剂等 4.复合材料复合材料 n 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组合而成n 是多相材料，主要包括基本相和增强相。基体相是一是多相材料，主要包括基本相和增强相。基体相是一种连续相

13、材料，它把改善性能的增强相材料固结成一种连续相材料，它把改善性能的增强相材料固结成一体，并起传递应力的作用；增强相起承受应力（结构体，并起传递应力的作用；增强相起承受应力（结构复合材料）和显示功能（功能复合材料）的作用复合材料）和显示功能（功能复合材料）的作用n 复合材料既能保持原组成材料的重要特色，又通过复复合材料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补充，获得原组分不具备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的许多优良性能 n复合材料种类繁多，目前还没有统一的分类方法复合材料种类繁多，目前还没有统一的分类方法n按基体材料分类，有金属基复合材料，

14、陶瓷基复按基体材料分类，有金属基复合材料，陶瓷基复合材料，水泥、混凝土基复合材料，塑料基复合合材料，水泥、混凝土基复合材料，塑料基复合材料，橡胶基复合材料等；材料，橡胶基复合材料等；n按增强剂形状可分为粒子、纤维及层状复合材料按增强剂形状可分为粒子、纤维及层状复合材料4. 复合材料复合材料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响应不根据材料在外场作用下其性质或性能对外场的响应不同，材料可分为结构材料和功能材料。同，材料可分为结构材料和功能材料。 n 结构材料：是指具有抵抗外场作用而保持自己的形状、结构材料：是指具有抵抗外场作用而保持自己的形状、结构不变的

15、优良力学性能（强度和韧性等）的材料。是结构不变的优良力学性能（强度和韧性等）的材料。是人们熟悉的机械制造材料、建筑材料，包括结构钢、工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、工程塑料等传统的具钢、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）以及高温合金、结构陶瓷等结构材料（一般结构材料）以及高温合金、结构陶瓷等高级结构材料高级结构材料n 功能材料：是具有优良的电学、磁学、光学、热学、声功能材料：是具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生物学功能及其相互转化的功能，被学、力学、化学和生物学功能及其相互转化的功能，被用于非

16、结构目的的高技术材料用于非结构目的的高技术材料 根据材料的性能分类根据材料的性能分类按材料服役的领域来分类按材料服役的领域来分类 根据材料服役的技术领域可分为信息材料、航空根据材料服役的技术领域可分为信息材料、航空航天材料、能源材料、生物医用材料等航天材料、能源材料、生物医用材料等 材料按结晶状态分类材料按结晶状态分类 n单晶材料是由一个比较完整的晶粒构成的材料，如单晶单晶材料是由一个比较完整的晶粒构成的材料，如单晶纤维、单晶硅；纤维、单晶硅；n多晶材料是由许多晶粒组成的材料，其性能与晶粒大小、多晶材料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。n

17、非晶态材料是由原子或分子排列无明显规律的固体材料，非晶态材料是由原子或分子排列无明显规律的固体材料，如玻璃、高分子材料。如玻璃、高分子材料。 按材料的尺寸分类按材料的尺寸分类 材料按材料的尺寸可分为：材料按材料的尺寸可分为：n 零维材料零维材料n 一维材料一维材料n 二维材料二维材料n 三维材料三维材料材料科学的核心材料科学的核心材料观材料观组成组成+ +加工工艺加工工艺微观组织结构微观组织结构性能性能用途用途铜器合金比例铜器合金比例 n 铜：熔点高，铜：熔点高，1083，可塑性佳，可塑性佳 n 锡：熔点低，锡：熔点低，232n 锌：熔点锌：熔点419 n 青铜：青铜：85% Cu+15% S

18、n：熔点：熔点960，延展，延展性增加，硬度增加，具光泽度性增加，硬度增加，具光泽度 n 黄铜：黄铜：62%-68% Cu+Zn；熔点；熔点934-967 ，具有良好的塑性，能承受冷热加工具有良好的塑性，能承受冷热加工材料观材料观- -组成组成公元前公元前5000年，制陶中发现铜和锡的还原，创造了炼铜术年，制陶中发现铜和锡的还原，创造了炼铜术工艺过程结构（显微结构）工艺过程结构（显微结构）aluminium after refinementaluminium before refinement不同加工方法的工件组织与性能不同加工方法的工件组织与性能结构的含义结构的含义n 宏观结构（眼睛观察范围

19、宏观结构（眼睛观察范围-0.1mm）n 显微结构（显微结构（100 m-0.1 m)n 晶体结构（晶体结构（Angstron）n 原子结构（电子原子结构（电子+质子质子+中子）中子）结构结构- -宏观层次（宏观层次（0.1mm0.1mm）结构结构-显微层次（显微结构显微层次（显微结构0.1mm-0.1 m）AluminaDielectric ceramicEquiaxed FerriteMild Steel结构结构显微层次显微层次结构结构晶体结构层次（晶体结构层次（Angstron）Y-sialon grain boundaryHRTEM image of Quantum dot CaSe结构

20、结构晶体结构层次（晶体结构层次（Angstron）BaTiO3Ring diffraction pattern of polycrystalline goldY-Sialon材料观材料观- -结构结构n 宏观结构宏观结构n 微观结构微观结构结构的含义结构的含义n 宏观结构（眼睛观察范围宏观结构（眼睛观察范围-0.1mm）n 显微结构（晶粒尺寸、分布、显微结构（晶粒尺寸、分布、100 m-0.1 m)n 晶体结构（晶胞、晶格、晶体结构（晶胞、晶格、Angstron）n 原子结构（电子原子结构（电子+质子质子+中子）中子）结构分析的工具结构分析的工具性能性能材料性能：材料对外界作用的响应材料性能：

21、材料对外界作用的响应n 力学性质：形变与断裂力学性质：形变与断裂n 热学性质：热容量、热导率、热膨胀热学性质：热容量、热导率、热膨胀n 电学性质：电导率，介电性质电学性质：电导率，介电性质n 磁学性质：磁化率等磁学性质：磁化率等n 光学性质：折射或反射光学性质：折射或反射n 劣化：材料的化学活性劣化：材料的化学活性组成组成- -工艺过程工艺过程- -结构结构- -性质之间关系性质之间关系 材料科学核心内容材料科学核心内容组成组成+ +加工工艺加工工艺微观组织结构微观组织结构性能性能用途用途组成组成- -结构结构- -性质性质- -工艺过程之间的关系工艺过程之间的关系 材料科学与工程的四个基本要

22、素：材料科学与工程的四个基本要素：组成组成+ +合成与加工、结构、性质、使用性能。探索这四个要合成与加工、结构、性质、使用性能。探索这四个要素之间的关系，覆盖从基础学科到工程的全部内容。四个素之间的关系，覆盖从基础学科到工程的全部内容。四个要素之间的密切关系确定了材料科学与工程这一领域，确要素之间的密切关系确定了材料科学与工程这一领域，确定了材料科学基础课程的教学线索定了材料科学基础课程的教学线索材料科学与工程材料科学与工程n 材料科学具有材料科学具有 “研究为什么研究为什么”的性质。核心是建立结构的性质。核心是建立结构性能的关系。性能的关系。n 材料工程具有材料工程具有 “解决怎样做解决怎样

23、做”的性质。是能为社会所接的性质。是能为社会所接受地获得材料的结构、性能和形状。（要考虑受地获得材料的结构、性能和形状。（要考虑5 5个判据：个判据：经济、质量、资源、环保、能源）经济、质量、资源、环保、能源）n 材料科学为材料工程提供设计依据，为更好地选择材料、材料科学为材料工程提供设计依据，为更好地选择材料、使用材料、发展新材料提供理论基础。使用材料、发展新材料提供理论基础。n 材料工程为材料科学提供丰富的研究课题和物质基础。材料工程为材料科学提供丰富的研究课题和物质基础。 材料科学和材料工程紧密联系，它们之间没有明显的界线。材料科学和材料工程紧密联系，它们之间没有明显的界线。在解决实际问

24、题中，不能将科学因素和工程因素独立考虑。在解决实际问题中，不能将科学因素和工程因素独立考虑。因此，人们常将二者合称为材料科学与工程。因此，人们常将二者合称为材料科学与工程。材料科学基础材料科学基础n 材料科学基础是进行材料科学与工程研究的材料科学基础是进行材料科学与工程研究的基础理论基础理论n 它将各种材料（包括金属、陶瓷、高分子材它将各种材料（包括金属、陶瓷、高分子材料）的微观结构和宏观性能的规律建立在共料）的微观结构和宏观性能的规律建立在共同的理论基础上，用于指导材料的研究、生同的理论基础上，用于指导材料的研究、生产、应用和发展产、应用和发展未来的材料未来的材料n 智能材料：感知环境的变化

25、并按照预定的方式智能材料：感知环境的变化并按照预定的方式自动做出响应，类似于人体器官自动做出响应，类似于人体器官n 纳米材料纳米材料n 环境材料环境材料本课程的目的本课程的目的n本课程是针对材料学专业开设的专业基础课本课程是针对材料学专业开设的专业基础课n通过这门课程的学习，对材料结构，尤其是通过这门课程的学习，对材料结构，尤其是无机材料结构方面的基本概念、基本理论、无机材料结构方面的基本概念、基本理论、结构与性能的关系有一个初步的认识，牢固结构与性能的关系有一个初步的认识，牢固建立材料的组织结构决定材料的性能这一基建立材料的组织结构决定材料的性能这一基本概念，了解不同材料的共性与特性，了解本

26、概念，了解不同材料的共性与特性，了解无机材料最新发展状况，为今后从事材料科无机材料最新发展状况，为今后从事材料科学的研究工作打下必要的专业基础学的研究工作打下必要的专业基础教学内容教学内容n 固体结构（晶体结构）固体结构（晶体结构）n 晶体缺陷晶体缺陷n 固体中的扩散固体中的扩散n 形变与再结晶形变与再结晶n 相变及相图相变及相图参考书目参考书目n材料科学基础材料科学基础胡赓祥胡赓祥 蔡洵主编，上海交通蔡洵主编，上海交通大学出版社，大学出版社，20002000年年1111月第月第1 1版版n材料科学基础材料科学基础潘金生潘金生 仝健民仝健民 田民波主编，田民波主编，清华大学出版社，清华大学出版社，19981998年年6 6月第月第1 1版版n材料科学基础材料科学基础赵品赵品 谢辅洲谢辅洲 孙文山主编，孙文山主编，哈尔滨工业大学出版社，哈尔滨工业大学出版