材料科学基础材料科学基础任课教师：罗丰华、黄劲松办公室：粉冶院科研楼304 (教学系办公室)办公电话：88830614E-mail：fenghualuomail.csu.edu.cnDate什么是材料 世界万物，凡于我有用者，皆谓之材料。 抽象的材料(Substance)与具体的材料(Materials) 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。材料存在于我们的周围，与我们的生活、我们 的生命息息相关。材料是人类文明、社会进步、科技发展的物 质基础。Date材料科学在社会与社会发展中的地位 过日子离不开材料 人类首先最需要的就是材料“开门七件事，柴、米、油、盐、酱、醋、茶” 都是材料材料比能源、信息都要早地占据主导地位 技术离不开材料任何一种技术离不开材料往往用那一时代主要生产工具使用的 材料来代表那一时 代、新石器时代、青铜器时代、铁器时代等Date材料科学在社会与社会发展中的地位*人类使用材料的7个时代的开始时间汽车中各种材料的大致比例从材料科学工作者角度，人类社会的发展分为3个阶段：1.天然材料；2.加工材料；3.合成材料Date材料分类*按特性可分为： 金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料，复合材料按用途可分为： 结构材料和功能材料两大类。按来源可分为： 天然材料和人工合成材料。按制备可分为： 传统材料(基础材料)和先进材料。Date三种基本类型材料中： 金属有好的导电性，有高的塑性和韧性； 陶瓷材料则有高的硬度但很脆，且大多是电的绝 缘材料； 而高分子材料的弹性模量，强度，塑性都很低， 多数也是不导电的。 这些材料的不同都是由其内部结构决定的。即： 原子结构，结合键，原子的排列方式（晶体和非 晶体）以及显微组织。*Date 结构材料 用于制造各种结构，通俗地说就是要受力，因此对它的要 求主要是力学性能，如强度、延伸率(达到极限强度断裂 时伸长了多少，延伸率小的材料便容易脆断)、硬度、韧 性( 受冲击力时容不容易断裂)、刚性(容不容易保持形状不 变)等等。有时不要求其能经受住严峻的环境条件，如要 求耐热性、抗腐蚀性等等。* 功能材料 主要用于完成某种特殊功能，如液 晶材料用于显示，但有 时也要求有一定机械强度，如光导纤维主要用于传输光线， 同时也要求有一定机械强度，否则连自己的 重量都承受不 了，也就无法构成长的通信线路。Date材料性能-成分-结构-制备、加工工艺 材料的性能与它们的化学成分和组织结构密切相关。 成分一样，具有不同的内部结构时，材料也有着不同的性能 。 材料的内部结构可分为不同层次，包括原子结构，原子的排 列方式，以及显微组织和结构缺陷。同样的材料，只要把它 的晶粒或是“相”的形态和分布加以改变，就可以大大地改善 它的性质。只有理解和控制材料的结构，才能得到人们所追 求的材料性能。*Date举例1 金刚石（钻石）和石墨，都是由碳原子组成，但 前者是自然界中最坚硬的固体，而后者却很软（因晶体 结构不同，见下图） *举例2 同样长的一段铁丝和钢丝，经弯曲后发现铁丝易弯曲 ，而钢丝不易弯曲，即塑性不同（因两者成分不同）。 Date举例3 两根锯条，同时加热（800），然后一根水冷 ，一根空冷，用手折时，发现前者很脆，后者很韧（因 组织不同，见下图） *举例4 若断开一根铁丝，可反复弯曲，在应变处发热变 硬（脆）断（因塑性变形）。 Date “材料科学” 研究材料的成分、组织结构、制备工艺 与材料性能与应用之间关系的科学 本着这一关系可用一四面体表示 *材料固有性能制备合成 与/加工工艺材料使用性能成分/组织结构材料科学与工程四要素关系图 Date一级学科：材料科学与工程 二级学科：材料物理与化学材料学材料加工工程自主设立二级学科：粉体材料科学与工程Date材料物理与化学在分子、原子、电子层次上研究材料的物理、化学行为规律。通过材料的结构和功能设计，实现材料的制备与合成，探索材料的主要性能及其与成份、结构的关系，研究和发展新型先进材料和相关器件。*材料物理与化学研究材料的微观本质，材料学研究材料性能与服役条件的关系，材料加工工程则是将材料开发成应用所需要的组织、形状。相对而言，材料物理与化学、材料学是材料加工工程的基础学科。Date材料的制备、合成和加工 赋予材料一定的尺寸和形状 是控制材料成分和结构的必要手段。钢材通过热处理来改变它们内部的结构而达到预期的性能冷轧硅钢片经过复杂的加工工序能使晶粒按一定取向排列而大 大减少铁损飞机发动机的叶片可以通过铸造的凝固控制做成单晶体叶片， 使之没有晶粒边界，大大提高它的使用温度和性能光纤，不仅要拉成微米级的细丝，而且要控制光纤从内到外的 折射率的分布.可以说没有一种合成加工上的新的突破，就没有某一种新材料 。如快速冷却的加工方法，才有了非晶态的金属合金。*Date材料化学专业定位 材料学与化学的交叉学科，研究材料的组成、加工、结构性 能与应用的学科，要求掌握材料和化学相关专业的基础，掌 握数学、物理等基础知识，掌握材料科学发展方向的前沿知 识，可以服务于教学、科研、产业开发、管理等行业。 我院材料化学的特色-主要以金属材料和粉末冶金材料为对象*Date*金属材料的分类3种黑色金属：铁、锰与铬 “黑色金属”的由来 常说的“黑色冶金工业”，主要是指钢铁工业。有色金属：如铜、铝、钛、锌等； 轻有色金属、重有色金属、贵有色金属、半金属、稀有金属 Date*金属分类类表金属材料有色金属 轻有色金属 4.5g/cm3以下的有色金属；包括铝(AL) 镁(Mg) 钠(Na) 钾(K) 钙(Ca) 锶(Sr) 钡(Ba)；特点：比重小，化学活性大，与氧、硫 、碳和卤素的化合物都相当稳定重有色金属 密度4.5g/cm3以上的有色金属；如铜(Cu) 镍(Ni) 铅(Pb) 锌(Zn) 锡(Sn) 等；在国民经济各部门中，每种重有色金属根据其特性都 有特殊的应用范围和用途。贵有色金属 包括金(Au) 银(Ag) 铂(Pt)族元素，它们在地壳中含量少，开采 和提取比较困难；共同特点：比重大 熔点高 化学性质稳定 能抵 抗酸腐蚀(银和钯除外)，价格都很昂贵。半金属 一般指硅(Si) 硒(Se) 碲(Te) 砷(As) 硼(B)等，此类金属的物理 性能介于金属与非金属之间，如砷是非金属，但能传热导电 。稀有金属 通常是指那些在自然界中含量少，分布稀散或难从原料中提取的金 属。如钨 钛等。 黑色金属 锰(Mn) 铁(Fe) 铁元素大约占地壳之元素总量的5.5%，全世界金属总产量中钢 铁占99.5%。 铬(Cr) Date决定金属材料性能的基本因素 金属材料在性能方面所表现出的多样性、多变性和特殊性 ，使它有比其它材料优越的性能。 内在因素： 原子结构的特点以及原子间的相互作用 内部原子总体的组合状态-即内部原子总体的运动状态。 化学成分、原子集合体的结构以及内部组织是决定金属材 料性能的内在基本因素，金属材料性能方面的多变性，也 正是通过这3个因素的多变性而表现出来的。 对结构敏感性性能和对结构不敏感性性能。*Date金属材料的一般特性 金属材料：由金属元素或以金属元素为主而形成的，并具 有一般金属特性。1 良好的导电、导热性2 正的电阻温度系数3 不透明、金属光泽4 良好的延展性*Date金属材料的优点1) 多样性、多变性、特殊性 综合性能好 2) 性能有提高的巨大潜力。材料的性能：1) 工艺性能 适应实际生产工艺的能力 2) 使用性能 适应或抵抗作用到它上面的各种外界作用的能力工艺性能和使用性能是既有联系又不相同的两类性能，尽管 它们都是金属材料本身蕴藏着的，但由于目的的不同，这 两类性能上的好与坏或高与低，有时是一致的，有时却是 互相矛盾的。*Date材料科学在现代科学体系中的地位先进材料的发展促使了新技术的实现1942年，镍基高温合金的研制成功，促使了航空发动机的进步。1970年，使光强度衰减降低到可以实用的光导纤维的研制成功，促使了现代的光通信的技术进步。高纯度大直径的硅单晶的研制成功，促使了集成电路和计算机及其它电子设备的进步。碳/碳复合材料的发展促进了航空航天技术的进步。*Date材料科学在现代科学体系中的地位*先进的技术又促使了新材料的诞生 先进的技术又促使了具有前所未有性能的新材料的诞生，现代的材料技术正同其他高技术互相支持、共同发展。利用巨型计算机可以计算出要求什么样的性能便应该有什么样的成分组成（合金设计），甚至还没有制造出来便可以先用虚拟现实技术观看所制成的零件在工作时的表现如何（计算机模拟技术）。更进一步，还可以算出原子之间应该怎样排列才能具有所需要的性能，并利用可以操作单个原子层的技术将其制造出来。这就体现在处于电子器件制造技术最前沿的超晶格材料。Date新材料时代特征由多种材料决定社会和经济发展的时代新材料以人造为特征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*Date材料技术的发展趋势(一)从均质材料向复合材料发展。以前人们只使用金属材料、高分子材料等均质材料，现在人们开始越来越多地使用诸如把金属材料和高分子材料结合在一起的复合材料。优点：性能可以将组成材料的性能进行加和，性能可设计。缺点：不利于回收，不利于环境，综合成本较高。*Date材料技术的发展趋势(二) 由结构材料为方往向功能材料、多功能材料并重的方向发展。以前讲材料，实际上都是指结构材料。但是随着高技术的发展，其他高技术要求材料技术为它们提供更多更好的功能材料，而材料技术也越来越有能力满足这一要求。所以现在各种功能材料越来越多，终会有一天功能材料将同结构材料在材料领域平分秋色。*Date材料技术的发展趋势(三)材料结构的尺度向越来越小的方向发展。如以前组成材料的颗粒，其颗径都在微米(100 万分之一米)尺度的范畴。新材料的颗粒由于尺度极度细化，使有些性能发生了截然不同的变化。如以前给人以极脆印象的陶瓷，居然可以用来制造发动机零件。各种纳米材料的性能与表现更是颠覆了人们对传统材料的传统认识。 *纳米直升机Date材料技术的发展趋势之(四) 由被动性材料向具有主动性的智能材料方向发展过去的材料不会对外界环境的作用 作出反应，完全是被动的。新的智能材料能够感知外界条件变化、进行判断并主动作出反应形状记忆合金用于卫星天线、空调开关、矿业上的采石等行业。*Date材料技术的发展趋势之(五)通过仿生途径来发展新材料生物通过千百万年的进化，在严峻的自然界环境中经过优胜劣汰，适者生存而发展到今天，自有其独特之处。通过“师法自然”并揭开其奥秘，会给我们以无穷的启发，为开发新材料又提供了一条广阔的途径。*Date课程介绍 金属学 金属学原理 物理冶金学 物理冶金学原理 材料科学基础 课程性质：专业基础课 (考研需要) 研究对象：金属材料 先修课程要求：物理化学；材料力学(固体力学)；高等数学*Date教材与参考书教材 郑子樵主编.材料科学基础，长沙：中南大学出版社，2005年 胡赓祥，蔡珣，主编.材料科学基础，上海：上海交通大学出 版社，2000年主要参考书 赵品，谢辅洲，孙振国，主编.材料科学基础，哈尔滨：哈尔 滨工业大学出版社，2002年 宋维锡.金属学.北京：冶金工业出版社，2005 余永宁.金属学原理，北京：冶金工业出版社，2003年 曹明盛，物理冶金基础，冶金工业出版社，1985年*Date课程的含义*l金属学原理是关于金属材料方面的一门学科，是由早期的金 相学与物理化学以及材料力学等学科相结合而发展起来的一门独立 学科。l金属学原理的应用价值l 作为一个工程师学习如何选择和应用金属材料的一般原理，即金属材料的内部结构及对性能的影响。只有掌握金属材料科学的基础 理论和知识，才能对