材料科学基础 绪论 introduction

材料科学基础TheFundamentals(Elements,Principles)ofMaterialsScience

AnIntroductionto

MaterialsScience主讲李克李克办公室：机电楼E221Telmail:like.1@126.com2023/10/131《材料科学基础》CAI课件-李克课件、作业、复习题下载Z5940B00012023/10/132《材料科学基础》CAI课件-李克考核及成绩评定各部分所占比例：课堂考勤及课堂表现、作业、实验：20%。 缺勤1次扣10分；迟到1次扣2分；作业抄袭扣10分。期中考试：20%。 开卷，课堂进行期末考试：60%。闭卷2023/10/133《材料科学基础》CAI课件-李克本课程讲授的主要内容：

绪论

第一章原子结构与键合

第二章固体结构

第三章晶体缺陷

第四章固体中原子及分子的运动

第五章材料的形变与再结晶

第六章单组元相图及纯晶体的凝固

第七章二元相图及其合金的凝固

2023/10/134《材料科学基础》CAI课件-李克绪论

Introduction1.材料学和材料的定义：材料学：是研究材料的科学。材料：是能为人类社会经济地制造有用器件的物质。2023/10/135《材料科学基础》CAI课件-李克石器时代（从古猿到原始人）：石斧、凿、刀、铲、箭头、纺轮、钵等（西安半坡遗址）石斧陶器时代（从原始社会末期)：-高燃烧值的煤、炭从新石器时代的仰韶文化和红山文化时期烧制的红陶、黑陶和白陶，到殷、周时期的釉瓷，直至东汉出现的瓷器，制陶技术并于九世纪传至非洲东部和阿拉伯世界，十三世纪传至日本，十五世纪传至欧洲。瓷器（china）成为中国文化的象征，对世界文明产生了极大的影响。材料的发展是社会文明的标志，人类应用材料的历史进程漫长而又曲折，包括：石器时代、陶器时代、铜器时代、铁器时代和硅片时代。始于无机、归于无机。2023/10/136《材料科学基础》CAI课件-李克宋代早期龙泉青瓷南宋后代龙泉青瓷南宋白胎龙泉青瓷（浙江）陶器和瓷器文化：从新石器时代的仰韶文化和龙山文化时期烧制的红陶、黑陶和白陶，到殷、周时期的釉瓷，直至东汉出现的瓷器，制陶技术并于九世纪传至非洲东部和阿拉伯世界，十三世纪传至日本，十五世纪传至欧洲。瓷器（china）成为中国文化的象征，对世界文明产生了极大的影响。2023/10/137《材料科学基础》CAI课件-李克

巨型司母戊鼎（河南安阳晚商遗址）铜器时代（约公元2140年间）：-金属冶炼温度较低我国青铜的冶炼在夏（约公元2140年间）以前就开始了，虽然晚于古埃及和西亚，但发展较快。著名的有：晚商遗址出土的司母戊鼎，湖北江陵楚墓中发掘出的越王勾践剑，湖北隋县出土的战国青铜编钟，这些均构成了青铜器是中国古文明的象征。

2023/10/138《材料科学基础》CAI课件-李克湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑铜器时代2023/10/139《材料科学基础》CAI课件-李克湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄铁器时代（春秋战国时期)-我国从春秋战国时期（公元前770～221年）开始大量使用铁器。公元前六世纪末叶，我国在世界上首先掌握了生铁铸造方法，使生铁的利用比西欧约早一千八百年。公元一世纪，我国发明了炼钢方法，比西欧也约早一千八百年；公元二世纪末，刀师蒲元已掌握了水质对淬火的影响，当时他在今陕西南部造刀时，要用成都的水，并深知水质与淬硬的关系。它预演了十五、六个世纪以后美国为淬火要从英国Sheffield取水的故事。金属冶炼温度更高1500℃2023/10/1310《材料科学基础》CAI课件-李克硅片时代：-硅单晶生长，熔点1400℃1、集成电路技术的发明和掌握带动了信息技术的发展，包括数码产品、数字通信、网络电子商务、以及制造业各领域、包括交通、物流、航空航天等相关产业的发展。ipadGPS2023/10/1311《材料科学基础》CAI课件-李克硅片时代：2、传统的油、气、煤等能源、资源紧缺，推动了新型能源及其生产技术的发展，包括太阳能、风能、高容量化学电源及储能等相关产业的发展。应用的材料包括Si、半导体、高分子、石墨材料、纳米碳材料等。技术领域包括化学、材料、机电控制多学科综合。2023/10/1312《材料科学基础》CAI课件-李克材料技术到材料科学的转变技术与科学的概念科学-science源于拉丁文的“知识”。科学是理性地、系统地探索自然，目的是寻求真理、发现新知识。从事基础科学研究的人往往是受好奇心的驱使，不可能预知所研究的东西有没有用，其成果通过发表在同行评议的期刊上得到科学界的承认，有些成果会有意想不到的应用，有些则可能永远也不能应用。

技术-technology-由希腊文的“艺术或技巧”和“学问”两个字根构成，technology是有关实用技艺和工业艺术的学问，研究的是知识的实际应用，目的是发明，其成果往往可以申请专利，也能在研究期刊上发表，但不一定马上能成为产品。一项发明从概念的模型或设计到形成产品，还要经过大量的技术开发工作，包括改进设计、优化制造工艺或程序等。

科学只有通过技术才能转化为生产力2023/10/1313《材料科学基础》CAI课件-李克

中国古代的科技成就：“考工记”（先秦），“梦溪笔谈”（宋代沈括），“天工开物”（明代宋应星-奉新）。其中，“考工记”中有“六齐”之律的论述：“金有六齐，六分其金而锡居一，谓之鈡鼎之齐；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，谓之鉴燧之齐。”两种理解：一种是将“金”看成是青铜，则锡含量为：16.7％、20％、25％、33.3％、40％、50％；另一种是将“金”看成是纯铜，则锡含量为：14.3％、16.7％、20％、26％、28.6％、33.3％。成分的变化导致强度、硬度和韧性的变化。中国科学技术大学陈玉方和美国华盛顿史密森博物学院的C.W.Chase选用后一种作为“六齐”模拟试验成分，运用现代科学技术手段研究，证实“六齐”之律的科学性（文物保护与考古科学，1991，第3卷）。2023/10/1314《材料科学基础》CAI课件-李克明代以后，封建社会的腐朽没落约束了生产力，冶金技术没有能进一步提高，没有像西方那样在十八世纪以后得到很快发展，更没能在十九世纪以后像西方那样将科学技术、教学、物理、化学、力学应用于冶金，使之从一门技术发展成为一门科学。近代西方国家在材料科学与技术方面取得的成就远胜我国。十八世纪工业革命迅速发展，对材料特别是钢铁的需求急速增长。为了适应这一需要，西方在化学、物理、材料力学等学科的基础上，产生了一门新的科学—物理冶金（PhysicalMetallurgy），中国叫“金属学”，明确地提出：金属的外在性能取决于内部结构。对材料内部结构的研究手段：近一百多年来，光学显微镜、X射线技术、电子显微镜等新仪器和新技术的相继出现和发展，为揭示材料内部的结构（从肉眼—原子）提供了有力的手段，金属学得到了长足进步。

2023/10/1315《材料科学基础》CAI课件-李克19世纪初,Widmanstabtten用硝酸水溶液腐刻铁陨石切片,观察到片状Fe-Ni奥氏体的规则分布(魏氏组织),预告金相学即将诞生。Sorby在1863年用反射式显微镜观察抛光腐刻的钢铁试样,不但看到珠光体中的渗碳体和铁素体的片状组织,还对钢的淬火和回火作了初步探讨,金相学已基本形成。19-20世纪之交,Martens(马氏)和Osmond对金相学的发展和金相检验在厂矿中的推广做了重要贡献,同时Roberts-Austen(奥氏)和Roogzeboom初步绘制出Fe-C平衡图,为金相学奠定了理论基础。到了二十世纪中叶,金相学已逐步发展成金属学、物理冶金和材料科学。

1912年Laue等发明X射线衍射,接着Bragg父子就把它应用到金属及一些简单无机化合物的晶体结构测定。

二十年代,金相学的一些基本问题得以迎刃而解,如β-Fe不存在(1922),有序固溶体(1923),单晶体的滑移系统(1922-1925),织构(1925),电子化合物(1926),马氏体的四方度(1926)等。三十年代,