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绪论材料科学基础FoundationsofMaterialsScience绪论2020/1/19材料科学与工程学院材料学教研室2教学目的与要求1.掌握材料科学研究的内容及其要素之间的逻辑关系.2.了解材料发展的现状与发展趋势.3.了解本课程的主要内容和学习方法.绪论绪论2020/1/19材料科学与工程学院材料学教研室3绪论部分主要介绍以下几个方面的内容:一.什么是材料和材料科学基础?二.材料科学的地位和作用。三.材料的分类。四.为什么要学习《材料科学基础》?五.《材料科学基础》课程的主要内容。六.《材料科学基础》课程的特点、学习方法和安排。绪论2020/1/19材料科学与工程学院材料学教研室4请同学们能不能根据材料的发展来划分历史？如果能，是怎样划分的？提到“材料”，同学们会想到什么？列举一下现代生活中用到了哪些材料？给材料下个定义。材料科学与材料工程有什么区别？请问同学们材料是怎样分类的？如何认识材料的科学问题？（链接）绪论2020/1/19材料科学与工程学院材料学教研室5一.什么是材料和材料科学基础?材料（Materials）是指人类社会能接受地，经济地的制造有用物品的物质。是具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质。广义的材料：包括人们的思想意识之外的所有物质(substance)。材料是国民经济的物质基础。材料包括：天然材料和人工材料。材料无处不在，无处不有：工农业生产、国防、科学技术、人民生活。材料、能源和信息是现代技术的三大支柱(1998)。生物工程、信息技术和新材料是现代技术的三大支柱。材料品种、数量和质量是国家现代化程度标志之一。绪论2020/1/19材料科学与工程学院材料学教研室6材料科学（MaterialsScience）是研究材料的成分、组织结构、制备工艺、加工工艺、材料的性能与材料应用之间的相互关系的科学。材料科学是当代科学技术发展的基础、工业生产的支柱，是当今世界的带头学科之一。材料科学基础(FoundationsofMaterialsScience）是进行材料科学研究的基础理论，它将各种材料（包括金属、陶瓷、高分子材料等）的微观结构和宏观结构规律建立在共同的理论基础上，用于指导材料的研究、生产、应用和发展。它涵盖了材料科学和材料工程的基础理论。绪论2020/1/19材料科学与工程学院材料学教研室7二、材料的地位和性质•每一种新材料的应用是人类进化和发展的里程碑。材料是人类社会发展的巨大推动力，生产工具制造的物质基础是材料•材料的发展史就是人类社会的发展史。•材料的发展史就是科学技术的发展史。绪论2020/1/19材料科学与工程学院材料学教研室8•由于材料的重要性，历史学家常常根据人类使用的材料来划分人类社会发展的历史阶段。从古代到现在人类使用材料的历史共经历了七个时代，其中的有些时代持续了几个世纪，各时代的开始时间：•旧、新石器时代（公元前10万年）•陶器时代•青铜器时代（公元前3000年）•铁器时代（公元前1000年）•水泥时代（公元0年）•钢时代（1800年）•硅时代（1950年）•新材料时代（1990年、特征是多种材料并存）1.材料的发展史，就是人类社会的发展史材料发展动力：社会需求（市场拉动）技术发展（技术推动）科学发展（对物质的了解，是创新的源泉）绪论2020/1/19材料科学与工程学院材料学教研室9绪论2020/1/19材料科学与工程学院材料学教研室10材料的历史：300,000BC—3,500BC•燧石：神奇的石头，这种容易制成工具的石头，开始了制陶业的发展（300000BC)。•天然金与铜被用作工具与武器，开始了人类金属的使用（5500BC）•熔炼和锤击改变了铜的性能-材料开始发展（5000BC）石斧、凿、刀、铲、箭头、纺轮、钵等（西安半坡遗址）绪论2020/1/19材料科学与工程学院材料学教研室11•金属铸造工艺-人们得到了他们需要的形状(4000BC、最早的模铸件：一个铜制杖头)•从矿石中提炼铜-冶金业的黎明（3500BC、埃及古墓壁画是人类冶金业的最早纪录之一）•青铜的使用-制造合金（3000BC、青铜：第一种合金）绪论2020/1/19材料科学与工程学院材料学教研室12湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑绪论2020/1/19材料科学与工程学院材料学教研室13三星堆遗址文化距今4800～2800年，延续时间近2000年(1986年四川广汉三星堆)青铜立人像：商代晚期，人像人像高172厘米，底座高90厘米，通高261,厘米,整体由立人像和台座两大部分接铸而成。青铜辫索冠人头像：高13.7厘米祭祀坑出土圆头顶，头戴辫索状帽箍，耳较圆，两耳各有三个穿孔，耳上端的鬓发清晰可见。颇具土著风格青铜鹰形铃:高14.24厘米，宽6.5厘米，厚3.55厘米,铃呈鹰蹲栖状，两侧有翼状扉棱，两面有羽翅状阴纹。绪论2020/1/19材料科学与工程学院材料学教研室14神兽:春秋时期，高48厘米，1990年河南省淅川徐家岭楚墓出土。龙首、虎颈、虎身、虎尾、龟足，张口吐舌，牙齿犀利。龙首上附六条蛇形龙。脊背上有有一方座，座上有一神兽也为龙首，口衔一条龙，龙首。通身饰动物纹和云纹，满嵌绿松石编钟：春秋中期，1978年河南淅川出土，最大钟通高120.4厘米，舞修52.3厘米，铣间59.7厘米。该钟一组26件，形制相同，大小依次递减。绪论2020/1/19材料科学与工程学院材料学教研室15莲鹤方壶：春秋，1923年河南新郑李家园出土。高117厘米，口长30.5厘米，口宽24.9厘米。云纹铜禁：春秋中期，1978年河南淅川下寺出土。高28.8厘米，器身长103厘米，宽46厘米，禁为承置酒器的案，其器身以粗细不同的铜梗支撑多层镂空云纹，十二只龙形异兽攀缘于禁的四周，另十二只蹲于禁下为足。这是我国迄今发现用失蜡法铸造的时代最早的铜器，其工艺精湛复杂，令人叹为观止。绪论2020/1/19材料科学与工程学院材料学教研室16秦陵兵马俑铜马车绪论2020/1/19材料科学与工程学院材料学教研室17中国古代铁器的金相组织湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄绪论2020/1/19材料科学与工程学院材料学教研室18乳钉纹爵唐三彩裂纹釉景德镇陶瓷绪论2020/1/19材料科学与工程学院材料学教研室19绪论2020/1/19材料科学与工程学院材料学教研室20材料的历史：3,000BC——1,855AD•铁的发现（1450BC、铁制车轮）•炼铁的需要促使了鼓风机与熔炉的发明（1500AD、廉价的冶铁业）•HenryBessemer(1813-1898)拥有钢铁冶炼的专利-当代钢铁冶炼的出现。他的方法是钢铁制品信能大大改观而成本也降低不少。（1855AD）绪论2020/1/19材料科学与工程学院材料学教研室21绪论2020/1/19材料科学与工程学院材料学教研室22材料的历史：1,886AD——NOW•电化学方法冶炼铝：使铝成为一种常用金属（1866）•尼龙的商业发展，高分子材料发展的关键时期（1939、尼龙的发明）•高温合金的发展：掺镍合金促进了喷气发动机的发展（1950’s)•钢铁冶炼新技术的发展：绪论2020/1/19材料科学与工程学院材料学教研室23绪论2020/1/19材料科学与工程学院材料学教研室24•制作越来越小的硅芯片(1960’S、硅芯片变得更小了）•高温超导体，高温超导的革命时代(1980’S、高温超导体）绪论2020/1/19材料科学与工程学院材料学教研室25简单→复杂单一性能→综合性能结构材料→功能材料单一材料→复合材料总之，材料发展是：天然→人工绪论2020/1/19材料科学与工程学院材料学教研室26•材料在人类社会现代化过程中发挥了关键作用。•让我们回顾几项有影响的事例，以便加深理解材料的发展在人类社会发展中起了举足轻重的作用。2.材料的发展史，就是科学技术的发展史绪论2020/1/19材料科学与工程学院材料学教研室27•计算机与材料：1.计算机经历：电子管1906年→晶体管1948年→集成电路时代1958年2.个人电脑移动存储器的比较。材料科学的发展是计算机飞速发展的基础。种类使用的材料存储容量特点软盘氧化铁1.44Mb容量小，文本文件存储CD－RW以ZnS等为主的陶瓷材料650MbCD光盘，价低，用量大MO(磁光盘)TbFeCo合金磁光材料650Mb，1.3G需专用驱动器，价格高，局限在广告图形用户DVD－RWZnS等为主的陶瓷材料单面单层为4.7GbCD－RW和CD光盘，用量大绪论2020/1/19材料科学与工程学院材料学教研室28集成电路发展历程绪论2020/1/19材料科学与工程学院材料学教研室292010年11月，NVIDIA发布全新含30亿晶体管的GF110核心晶体管之父,williamshockle绪论2020/1/19材料科学与工程学院材料学教研室30器件缩小100万倍，单价下降100万倍。绪论信息与材料：材料将人类社会带入了信息时代。信息获取（传感器：化合物）－信息传递（光纤：无机、有机材料）－信息贮存（金属与合金）－信息显示（用于液晶显示的非晶硅、有机液晶材料）－信息处理（处理器芯片硅－锗）。绪论能源与材料：贮氢材料(hydrogenstoragematerial)：镁系贮氢合金，主要有镁镍、镁铜、镁铁、镁钛等合金；稀土系贮氢合金，主要是镧镍合金;钛系贮氢合金，有钛锰、钛铬、钛镍、钛铌、钛锆、钛铜及钛锰氮、钛锰铬、钛锆铬锰等合金;锆系贮氢合金，有锆铬、锆锰等二元合金和锆铬铁锰、锆铬铁镍等多元合金;铁系贮氢合金，主要有铁钛和铁钛锰等合金。太阳能电池材料（硅、合金、化合物半导体GaAs,InP，Cds系，Zn3P2等）核能用材料（锆合金等）。绪论2020/1/19材料科学与工程学院材料学教研室33•航空、航天材料和材料从莱特兄弟实现飞行的梦想以来，航空和航天器发生了巨变。为了飞得快和远，就要采用强度高和比重小的材料，重视材料的比强度，即强度/比重之比。随着航空技术的进一步发展，轻质铝、镁合金和高比强度的钛合金、碳纤维高分子复合材料、硼纤维金属复合材料等得到愈来愈多的采用。发动机（高温合金，金属基复合材料，陶瓷与陶瓷基复合材料）、汽轮机部件（纤维增强金属基复合材料、陶瓷基复合材料）、火箭喷嘴（难熔金属）等。实例压气机叶片压气机机匣飞机尾翼硼纤维铝合金板和管材料铝合金钛合金碳纤维复合材料硼纤维增强铝合金强度范围MPa150－450350－11001000－1200（顺纤维方向）1500（顺纤维方向）比强度MPa55－16080－245625－750570绪论2020/1/19材料科学与工程学院材料学教研室34高温材料的选用：固定式或移动式发动机的热效率都随介质工作温度的提高而提高。30多年来，大型喷气式飞机的发动机推力提高了5倍多，而发动机的重量只增加1－2倍，这主要靠高温合金的采用。下图是不同时期飞机发动机的工作温度。喷气发动机起源于上世纪40年代初，当时的工作温度在700℃左右，而今民用机接近1500℃，而军用机在2000℃左右。这就要求发展耐高温材料，称之为高温合金。绪论2020/1/19材料科学与工程学院材料学教研室35材料的主要性能取决于母体，加入合金元素成分将改善金属的物理及机械性能——强度、耐力、使用寿命。在飞机发动机中一种掺镍化合物制成称作718合金被广泛的用于制造波音777客机上的发动机的压缩机、叶片及紧固件。航空发动机示意图绪论2020/1/19材料科学与工程学院材料学教研室36神州飞船及运载火箭绪论2020/1/19材料科学与工程学院材料学教研室37形状记忆合金绪论2020/1/19材料科学与工程学院材料学教研室38•材料和生活用品钛结构自行车：“自行车发烧友”选择钛合金制自行车。钛合金的应用场合很特殊。通常用于需要抗腐蚀，耐疲劳，高弹性的场合绪论2020/1/19材料科学与工程学院材料学教研室39生命科学材料原来使用专用的汞合金，为防止金属合金的分解已经开发出一种可以满足口腔中特殊的物理及化学环境的新型陶瓷。具体来讲，它需要满足下列要求