材料科学基础讲义绪论
材料科学基础绪论
现代工业的三大材料体系
材料科学与工程 学科划分的依据
（一）金属材料
• 金属材料是最重要的工程材料，包括金属和以 金属为基的合金，最简单的金属材料是纯金属。
由电子壳层完全填满或完全空着的元素 结合键为金属键
元素 周期 表中 的金 属元 素
简单金属
过渡族金属
• 内电子壳层未完全填满的元素属 • 结合键为金属键和共价键的混合键，但 以金属键为主
夏朝以前就开始了青铜的冶炼
18世纪后，由于工业的迅速发展，对材料特别是钢铁的需求急剧增长， 在物理学、化学、材料力学等学科的基础上，金属学应运而生。 近一百多年来，由于显微镜、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，金属学得到了长足的进步。
高分子材料的早期发展较为缓慢。人类最初使用的高分子材料是天然 的木材，皮革和纤维。后来发明了造纸、养蚕、制胶技术。19世纪开 始生产橡胶，直到20世纪后才有了快速发展。
材料科学基础
绪论
第一章 材料结构的基本知识 第二章 材料中的晶体结构 第三章 高分子材料的结构 第四章 晶体缺陷
第五章 材料的相结构及相图
第六章 扩散与固态相变 第七章 材料的变形与断裂 第八章 固体材料的电子结构与物理性能
绪论
材料
现代文明的三大支柱
能源
信息
新材料被视为新技术 革命的基础和先导。
材料的重要性正在得到全社会 的承认和重视。
一、人类生活中的材料
• 我们的周围到处都是材料。事实上，材料是我们衣食住行的必备条件， 是人类一切生活和生产活动的物质基础 • 人类文明史中的石器时代、铜器时代、铁器时代就是按当时生产活动 中所使用的代表性材料作为依据划分的 • 材料与食物、居住空间、能源和信息共同组成人类生活的基本资源， 不仅在我们的日常生活中，而且对国家的繁荣和安全也起着举足轻重 的作用 材料是用来制造各种产品的物质，这些物质能用来生产和构成功 能更多、更强大的产品。 ۩从广泛的意义上说，人类使用的材料可以看作是一个流动着的巨大循环 体系，一个全球性的、时空无限的循环系统。
材料科学基础 绪论和第一章
11924B
一、材料科学的重要地位
表0-1 人类使用材料的
11924B
二、各种材料概况
1.金属材料 2.陶瓷材料 3.电子材料、光电子材料和超导材料
11924B
1.金属材料
图0-1 汽车中各种材料的大致比例
11924B
1.金属材料
图0-2 波音767飞机所用的各种材料比例
11924B
2.陶瓷材料
第二节 原子结合键
三、混合键 解：(1) MgO 据表1-2得电负性数据XMg=1.31；XO= 3.44，代入式(1-1)得： (2) GaAs 1)得 据表1-2得XGa=1.81；XAs=2.18，代入式(1表1-3 某些陶瓷化合物的混合键特征
11924B
第二节 原子结合键
图1-8 原子间结合力 a)原子间吸引力、排斥力、合力 b)原子间 作用位能与原子间距的关系
115.tif
图1-15 利用显微镜观察材料的 组织
11924B
第四节 晶体材料的组织
图1-16 单相组织的两种晶粒形状 a)等轴晶 b)柱状晶
11924B
第四节 晶体材料的组织
二、单相组织 三、多相组织
图1-17 两相组织的一些基本组织形态
11924B
第五节
材料的稳态结构与亚稳态结构
图1-18 激活能的物理意义
11924B
第三节 原子排列方式
二、原子排列的研究方法
图1-13 X射线在原子面AA′和BB′上的衍射
11924B
第三节 原子排列方式
图1-14 X射线衍射分析示意及衍射分布图 a) X射线衍射分析示意图 b) SiO2晶体及非晶体的衍射分布图
11924B
第四节 晶体材料的组织
第01章 绪论
第一章：绪论一、本课程的性质和任务《材料科学基础》是材料科学与工程专业的主要理论基础课程。
该课程从微观领域出发，揭示材料组织结构与性能之间的内在联系以及在各种条件下的变化规律，为有效地使用材料和研制具有特定性能的材料提供理论依据和线索。
本课程的任务如下：1．使学生系统掌握材料科学的基本理论与基本知识，初步学会用所学的理论来分析问题，从而为学生学习其他专业课程以及今后从事材料研究工作打好基础，为今后在工作中分析和解决实际问题培养能力；2．培养学生阅读材料基础理论方面的一般文献及进一步自修能力；3．使学生初步掌握材料科学的实验方法；二、材料科学的发展“材料科学”是20世纪60年代初提出的。
“材料科学”的形成实际是科学技术发展的结果。
首先，固体物理、无机化学、有机化学、物理化学等学科的发展，对物质结构和物性的深入研究，推动了对材料本质的了解；同时，冶金学，金属学、陶瓷学、高分子科学等的发屉也使对材料本身的研究大大加强，从而对材料的制备、结构与性能，以及它们之间的相互关系的研究也愈来愈深入。
为材料科学的形成打下了比较坚实的基础。
其次，在材料科学这个名词出现以前，金属材料、高分子材料与陶瓷材料都已自成体系，目前复合材科也获得广泛应用，其研究也逐步深入。
但它们之间存在着颇多相似之处，对不同类型材料的研究可以相互借鉴，从而促进学科的发展。
虽然不同类型的材料各有其专用测试设备与生产装置，但各类材料的研究检测设备与生产手段有颇多共同之处。
在材料生产中，许多加工装置的原理也有颇多相通之处．可以相互借鉴，从而加速材料的发展。
第三，许多不同类型的材料可以相互替代和补充，能更充分发挥各种材料的优越性，达到物尽其用的目的。
但长期以来，金属、高分子及无机非金属材料自成体系，缺乏沟通。
由于互不了解，不利于发展创新，对复合材料的发展也极不利。
材料科学有三个重要属性：一是多学科交叉，它是物理学、化学、冶金学、金属学、陶瓷、高分子化学及计算科学相互融合与交叉的结果，如生物医用材料要涉及医学、生物学及现代分子生物学等学科；二是一种与实际使用结合非常密切的科学，发展材料科学的目的在于开发新材料，提高材料的性能和质量，合理使用材料，同时降低材料成本和减少污染等；三是材料科学是一个正在发展巾的科学，不像物理学、化学已经有一个很成熟的体系，材料科学将随各有关学科的发展而得到充实和完善。
材料科学基础 1绪论
X射线衍射
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。到了二 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)，等等。进入三十年代，略微复杂一些的晶体结构问 题也列入研究日程 ,如间隙化合物 (1930) ，取向关系 (1930) ， G. P. 区 (1939)，等等。到了四十年代 ,不但已经开始用 傅 立 叶 分 析 研 究 金 属 冷 加 工产 生 的 晶粒 碎 化 及晶 格 畸 变 (1948) , 并已出现“金属的结构” (C. S. Barrett ,1943) 、“X射线金相学”(A. Taylor ,1945) 等专著。
材料科学与工程学科的建立
20世纪60年代至90年代，美国多数拥有上列学 科的学校，以设立《冶金及材料学系》为过渡， 相继设立《材料科学与工程系》、《材料工程系》 或《材料科学系》，其内容无甚差别。
材料科学与工程学科的建立
表1 经典学科和新拓学科一览
经典学科 新拓学科
金属学（物理冶金学）
金属冶炼（化学冶金学） 金属加工（力学冶金学）
超高强度汽车用钢
TRIP钢、TWIP钢、Q-P钢等
70 60 50
IF
软钢 210MPa
高强度钢板
超高强度钢板 550MPa
TW IP Sta inle ss
延伸率 (%)
40 30 20 10 0 0
Mild
HSSIF IS
Bs teel TRI P
材料科学基础_01绪论_12材料的分类_
材料的分类
分类依据
1.按材料的凝聚状态分类
2.按材料的维度分类
3.按材料的尺寸分类
4.按材料的结晶状态分类
5.按材料的使用领域分类
6.按材料的性能分类
7.按材料的化学组成（或基本组成）分类
1.按材料的凝聚状态分类
气态液态固态
2.按材料的维度分类
一维材料（纤维及晶须）零维材料
（量子点或纳米团簇）二维材料
（薄膜）三维材料（块体）
3.按材料的尺寸分类
宏观(Macro-):＞10-5m,肉眼可见上至无限介观(Meso-):10-10～10-6m,
出现量子相干现象,包括团
簇、纳米和亚微米体系。
纳米(Nano-)：
10-9～10-7m
（1～100nm）
微观(Micro-):
＜10-10m,原子分
子下至无限
4.按材料的结晶状态分类
单晶材料多晶材料准晶材料非晶态材料
液晶态材料
5.按材料的使用领域分类
建筑电子机械生物能源包装医学
航空航天。
材料科学基础(上海交大)--绪论
第一次产业革命的突破口是推广应用蒸汽 但只有在开发了铁和铜等新材料以后， 机 ， 但只有在开发了铁和铜等新材料以后 ， 蒸汽机才得以使用并逐步推广。 蒸汽机才得以使用并逐步推广。 第二次产业革命一直延续到20世纪中叶 ， 第二次产业革命一直延续到 20世纪中叶 20 世纪中叶， 以石油开发和新能源广泛使用为突破口，大力 以石油开发和新能源广泛使用为突破口， 发展飞机、汽车和其他工业， 发展飞机、汽车和其他工业，支持这个时期产 业革命的仍然是新材料开发。如合金钢、 业革命的仍然是新材料开发。如合金钢、铝合 金以及各种非金属材料的发展。 金以及各种非金属材料的发展。
先进（或新型）无机非金属材料是用氧化物、 先进（或新型）无机非金属材料是用氧化物、 是用氧化物 氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、 氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以 及各种无机非金属化合物经特殊的先进工艺制 成的材料。主要包括先进陶瓷、非晶态材料、 成的材料。主要包括先进陶瓷、非晶态材料、 人工晶体、无机涂层、无机纤维等。 人工晶体、无机涂层、无机纤维等。
材料科学基础课程的教学内容
材料科学基础课程是材料科学与工程专业的重要 的学科基础课之一，主要介绍材料科学中的共性规律， 的学科基础课之一，主要介绍材料科学中的共性规律， 即材料的组成-形成（工艺）条件-结构-性能-材料用 即材料的组成-形成（工艺）条件-结构-性能途之间相互关系及制约规律。内容主要包括： 途之间相互关系及制约规律。内容主要包括：材料种 类、晶体结构、缺陷化学、非晶体结构、材料的表面 晶体结构、缺陷化学、非晶体结构、 与界面、相图、扩散、相变、 与界面、相图、扩散、相变、固相反应及烧结等基础 知识。 知识。
传统的无机非金属材料之二： 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。 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、 网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SiO2、B2O3和P2O5。习惯上玻 玻璃等，其网络形成剂分为SiO 璃态材料可分为普通玻璃和特种玻璃两大类。 璃态材料可分为普通玻璃和特种玻璃两大类。 普通玻璃 两大类 普通玻璃是指采用天然原料，能够大规模生产的玻璃。 普通玻璃是指采用天然原料，能够大规模生产的玻璃。 普通玻璃包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、 普通玻璃包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光学玻璃 和玻璃纤维等。 和玻璃纤维等。
材料科学与工程基础教案第一章绪论
第一章 材料的结构 Structure of Material
❖材料的性能取决于材料的成分、加工工艺和结构。 ❖材料结构学是材料科学体系中最重要的学科之一。
材料科学与工程基础教案第一章绪 论
第一节 结合键 Binding Bond
一、结合力与结合能 双原子模型：
材料科学与工程基础
The Fundamentals(Elements,Principles )of Materials Science & Engineering
An Introduction to Materials Science
材料科学与工程基础教案第一章绪 论
绪论 Introduction
古代科技名著：“考工记”（先秦）、“梦溪笔谈”（宋代沈 括）、 “天工开物”（明代宋应星）
明代后：封建统治、帝国主义侵略束缚了材料的发展 停滞状态 解放后：材料科学受到重视和发展，被列为现代技术三大支柱之一。
一整套材料体系 门类全齐 数量 质量 钢铁突破2亿吨大关 世界第一 原子弹、氢弹、人造卫星、火箭
金 属 材 料 － 金 属 学 陶 瓷 材 料 － 陶 瓷 学 材 料 科 学 基 础 突 出 材 料 共 性 教 学 高 分 子 材 料 － 高 分 子 物 理
材料科学与工程基础教案第一章绪 论
材料科学与工程基础是研究材料的成分、 组织结构与性能之间关系
I ：材料结构学构 ：与 原键 子合 结、固晶 体体 结缺 构陷 、 II： 材 料 相 变 学相 ：图 凝、 固热 、处 理 II： I 材料变形学变 ：形 材与 料再 的结晶 V： I 材料学：金非 属金 材属 料材 、料、复合材料
宝钢高炉
材料科学与工程基础教案第一长章征绪三号运载火箭在发射架上的图片 论
同济大学材料科学基础绪论资料
一门新的综合性学科的诞生。
什么是材料科学 ？
• 材料科学是一门以材料为研究对象，介于基础科
学与应用科学之间的称之为应用基础科学的学科。
• 基本内容： • （1）从化学的角度出发，研究材料的化学组成、
键性、结构与性能的关系及其规律
• （2）从物理的角度出发，研究材料的组成原子、
材料科学学科形成的 深层次原因分析（4）
许多不同类型的材料可以相互代替和补充， 能更充分发挥各种材料的优越性，达到物 尽其用的目的。（复合材料的原理问题的 提出）
材料科学学科形成的 深层次原因分析（5）
• 最后，复合材料在多数情况下是不同类型
材料的组合，如果对不同类型材料没有一 个全面的了解，作为新材料发展之一的复 合材料的研究开发必然受到影响。对各类 材料有一个深入的了解是复合材料发展的 基础。
离子或分子等的排列形式或方式。
• （B）性质： • 赋予材料的价值和应用性.
• 指材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应，
主要决定于材料的组成与结构。
• （C）使用性能： • 是材料在使用条件下应用性能的度量.
也指在使用状态下表现的行为，它与材料设计、工
程环境密切相关。实用性能包括可靠性、耐用性、寿
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。
• 材料的性能包括物理性能、化学性能、力学性能。 • 其内部结构包括四个层次：①原子结构；②结合键；③
原子的排列方式；④显微组织
• （A）组织结构： • 包含着决定材料性质和使用性能的原子、
材料科学学科形成的 深层次原因分析（2）