chp 0 绪论

材料科学基础
中国矿业大学材料科学与工程学院
2011-8-26
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• 20世纪60年代提出（前苏联人造卫星上天 1957） • 美国50年代末、60年代初成立“材料研究 中心”（MRC），在大学设立“材料系”
2011-8-26
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30年代的飞机，飞机的蒙皮温度49℃ 年代的飞机，飞机的蒙皮温度 ℃ 年代的飞机
2011-8-26
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要求及考核方法
• 答疑：每周一次 • 时间：每周五下午16:00 ～17:30 • 地点：材料楼A302 • 可以通过网上答疑 • E-mail 地址：poly_cumt@(PD:201008) • 成绩评定： • 作业：20% • 平时：10% • 期末考试：70%
2011-8-26
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2011-8-26
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50年代造 武汉长江大桥 用普 通钢Q235，跨度128m
60年代 南京长江大桥 16Mn钢 (节约钢材15%) 跨度160m
90年代 九江大桥 用15MnVN(节 约钢材20%) 跨度216m 2011-8-26
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地位 非学不可
材料科学基础 材料科学基础 科学
二次世界大战中的飞机，93℃ 二次世界大战中的飞机， ℃
80年代的超音速战斗机，427℃ 年代的超音速战斗机， ℃ 年代的超音速战斗机 2011-8-26
航天飞机， 航天飞机，1093℃ ℃
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人造卫星 面对太阳时的表面温度为100℃；而背对太阳时 如在地球 ℃ 而背对太阳时(如在地球 面对太阳时的表面温度为 背面)，表面温度降到零下200℃ 背面 ，表面温度降到零下 ℃ 若将卫星的重量减少2kg，运载火箭的重量可减轻1t ，运载火箭的重量可减轻 若将卫星的重量减少 汽车的发展趋势： 汽车的发展趋势： 减轻重量 如果汽车重量减轻10%，油耗可降低8～10% 德国奔驰公司，研制出以铝合 金为框架的车体，使汽车重量减 少40%
2011-8-26
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超导体的优势: 超导体的优势:
• 载流能力高: 比Cu、Al线高2-3个数量级。 载流能力高: Cu、Al线高 线高2 个数量级。
• 重量轻: 5万高斯中型磁体,常规电磁铁重达20吨,超 重量轻: 5万高斯中型磁体 常规电磁铁重达20 万高斯中型磁体, 20吨 导体仅几公斤。 导体仅几公斤。
2011-8-26
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0.4 0.4 材料科学的研究意义
• 材料是国民经济的基础，现代化的标致。 材料是国民经济的基础，现代化的标致。 • 现代技术的三大支柱：材料、能源、信息。 现代技术的三大支柱：材料、能源、信息。 • 新技术革命标志：新材料、信息技术、生物技术。 新技术革命标志：新材料、信息技术、生物技术。 • 重大技术革命的产生，依赖于新材料的突破。 重大技术革命的产生，依赖于新材料的突破。
材料是制造业的基础， 在工业链中处于上游产业。
2011-8-26
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0.2 0.2 材料学的发展史
• 一门古老而又新兴的学科。 一门古老而又新兴的学科。 古老而又新兴的学科 • 材料的应用可追溯到数千年以前。 材料的应用可追溯到数千年以前。 数千年以前 陶瓷、金属、羊毛、兽皮、木材等。 陶瓷、金属、羊毛、兽皮、木材等。 • 材料的使用可作为人类历史时期划分的标志： 材料的使用可作为人类历史时期划分的标志 人类历史时期划分的标志： 石器→青铜器→铁器→灵活应用时代。 石器→青铜器→铁器→灵活应用时代。 • 现代技术的三大支柱：材料、信息、能源。 现代技术的三大支柱：材料、信息、能源。 • 新技术革命标志：新材料、信息技术、生物技术。 新技术革命标志：新材料、信息技术、生物技术。
新学科 应用广 领域宽 归属 性质
逻辑 数学 严密
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2011-8-26
张生辉
E-mail Adr：Zhangshenghui@ Office Adr：材料楼A405 Lab Adr：材料楼A302
2011-8-26
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教材及参考书
• 材料科学基础， 石德柯， 机械工业出版社， 2005 • 材料科学基础教程 ，邵光杰，哈工大版 2002 • The Science and Design of Engineering Materials，James P. Schaffer，余永宁，强文江译，机械工业出版社，2003 • 材料科学基础，张联盟，武汉理工大学出版社，2004 • 晶体缺陷，浙江大学，陈继勤，1992 • 金属塑性变形原理，冶金工业，苏玉芹，1995
2011-8-26
使用性能
加 工 工 艺 成分结构
材 料 性 能
材料的四要素
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2.方法 2.方法
• 材料科学 研究材料共性规律，创造性地制做新材料， 研究材料共性规律，创造性地制做新材料，将其 性能（功能）的评价作为研究成果。 性能（功能）的评价作为研究成果。 特点：不确定性，重大成果常常是“意外收获”。 特点：不确定性，重大成果常常是“意外收获” • 材料工程 从事材料的开发应用，寻求更加合理的新工艺， 从事材料的开发应用，寻求更加合理的新工艺， 完善现有工艺。 完善现有工艺。
2011-8-26
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历 史 的 见 证
• 半导体材料 --- 集成电路、计算机技术。跨入现代化 集成电路、计算机技术。 的门栏。 的门栏。 • 光导纤维 --- 光通讯。步入了高信息时代。 光通讯。步入了高信息时代。 • 高强度复合材料 --- 太空探测器、宇宙飞船。冲出地 太空探测器、宇宙飞船。 球在太空遨游。 球在太空遨游。 • 超导材料 --- 超高速计算机、低能耗超导电机、磁悬 超高速计算机、低能耗超导电机、 浮列车。 浮列车。
2011-8-26
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新时代的诞生
• 应用方面：各种材料相互配合、替用日渐广泛。 应用方面：各种材料相互配合、替用日渐广泛。 无机纤维组成高性能的复合材料； 如：聚合物或金属 + 无机纤维组成高性能的复合材料； 陶瓷替代金属作高温材料； 陶瓷替代金属作高温材料； 塑料替代金属作轻型材料； 塑料替代金属作轻型材料； —— 迎来了灵活应用的新时代 • 学科间的相互渗透与依赖，促使“材料科学”的诞生。 学科间的相互渗透与依赖，促使“材料科学”的诞生。 —— 研究材料共性规律的学科
2011-8-26
制备加工
性能
亚共析钢组织金相图
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• 19世纪后期到 世纪中期：伦琴发现了 射线，劳埃 世纪后期到20世纪中期 伦琴发现了X射线 射线， 世纪后期到 世纪中期： 和布拉格创立了晶体X射线衍射分析方法。 和布拉格创立了晶体 射线衍射分析方法。 射线衍射分析方法 • 近几十年来：近代实验手段的发展与应用。 近几十年来：近代实验手段的发展与应用。 如：透射、扫描电子显微镜和电子探针等。 透射、扫描电子显微镜和电子探针等。 • 学科间相互渗透：从热力学、金属物理、弹塑性理论 学科间相互渗透：从热力学、金属物理、 等学科中吸取了丰富的营养。 等学科中吸取了丰富的营养。 • 确立了成分、组织结构、加工工艺 确立了成分、组织结构、 研究模式。 与性能之间关系的 研究模式。形成 金属学” 了完整的理论体系 — “金属学”。
• 电能损耗小: 磁场强度为17.5万高斯,常规电磁铁耗 电能损耗小: 磁场强度为17.5万高斯, 17.5万高斯 电7兆瓦,而超导体仅需15千瓦。 兆瓦,而超导体仅需15千瓦。 15千瓦
被誉为二十一世纪的材料
2011-8-26
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高分子材料方面
• “高分子化学”、“高分子物理”脱颖而出。 高分子化学” 高分子物理”脱颖而出。 • 尼龙 、聚脂、丙烯酸类三大合成纤维问世。 尼龙66、聚脂、丙烯酸类三大合成纤维问世。 • 齐格勒 纳塔催化剂发明。 齐格勒—纳塔催化剂发明。 纳塔催化剂发明 • DSC和DTA热分析法的发展。 和 热分析法的发展。 热分析法的发展 • 聚合物“分子设计”和“材料设计”，达到相当成熟的水 聚合物“分子设计” 材料设计” 平。
2011-8-26
成分组织结构
制备加工
性能
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无机材料方面
• 20世纪后期，“陶瓷工艺学”、“陶瓷化学”应运而 世纪后期， 陶瓷工艺学” 世纪后期 陶瓷化学” 生。 • 现代陶瓷的概念远远超出了传统陶与瓷的范畴。 现代陶瓷的概念远远超出了传统陶与瓷的范畴。 • 人工合成原料，精确计量，品种繁多，功能强大。 人工合成原料，精确计量，品种繁多，功能强大。 • 在高技术领域占有不可替代的核心地位。 在高技术领域占有不可替代的核心地位。
2011-8-26
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分 类
基 础 材 料 无机非金属 （玻璃、陶瓷） 玻璃、陶瓷） 金属 （各种金属及合金） 各种金属及合金） 氧化物及硅酸盐等 矿石
塑料、纤维、橡胶） 石油、 高分子 （塑料、纤维、橡胶） 石油、天燃气等
复合材料：由上述三种基础材料合理组合而成。 复合材料：由上述三种基础材料合理组合而成。 基础材料合理组合而成
2011-8-26
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金属材料方面
• 一个多世纪以前，材料学处 一个多世纪以前， 于原始的“技艺”状态。 于原始的“技艺”状态。 对加工工艺 与性能之间关 系进行粗浅的探索与归纳。 系进行粗浅的探索与归纳。 • 19世纪以后，反射式金相显 世纪以后， 世纪以后 微镜的诞生，矿物学家索拜 微镜的诞生， 拍下了第一张钢的显微组织 照片， 金相学”诞生。 照片，“金相学”诞生。
2011-8-26
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功能材料举例
材料 液晶 热电 光电 热或电 温度 光照 信号转换 颜色 热电势或电流 电势或电流 固定频率的振荡 应用 测温、 测温、液晶显示 热电偶（ 热电偶（阻） 光电管 石英钟
石英振子 电流
2011-8-26
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按用途分类
• 结构材料 — 利用材料良好的力学、热学、化学性能。 利用材料良好的力学、热学、化学性能。 制备工程构件、机械零件等。 制备工程构件、机械零件等。 • 功能材料 — 利用材料特殊的功能性。 利用材料特殊的功能性。 制备导电、 光及各种传感器等。 制备导电、磁、声、光及各种传感器等。