第0章材料科学基础绪论

4.5g/cm3以下的有色金属；包括铝(AL) 镁(Mg2)02钠0/(1N2a/3)1 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
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 有特殊的应用金范属分围类表和用途。
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）。
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• “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
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
材料物理与化学
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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。
• 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。
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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。
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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
有 色 金金 属 属 材 料黑
轻有色金属 重有色金属 贵有色金属
半金属 稀有金属 锰(Mn)
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。
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。
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。
色
金
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%。
材料分类
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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。
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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
第0章材料科学基础绪论
什么是材料
• 世界万物，凡于我有用者，皆谓之材料。
百度文库• 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。
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。
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• 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。
《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。
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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。
材料化学专业定位 2020/12/31
• 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
• 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）。
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• 举例3 两根锯条，同时加热（800℃），然后一根水冷，
• 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。
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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。