《材料科学基础》绪论(上)
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
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一、材料科学的重要地位
表0-1 人类使用材料的
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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
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1.金属材料
图0-1 汽车中各种材料的大致比例
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1.金属材料
图0-2 波音767飞机所用的各种材料比例
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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第四节 晶体材料的组织
第一章 材料科学基础 绪论PPT课件
❖ 功能材料是具有优良的电学、磁学、光学、 热学、声学、力学、化学和生物学功能及 其相互转化的功能，被用于非结构目的的 高技术材料。
1.4.3 材料按服役的领域来分类
根据材料服役的技术领域可分为建筑 材料、信息材料、航空航天材料、能源材 料、生物医用材料等。
❖ 火箭发动机的燃烧室与喷嘴， 需要承受2000℃的高温而不 氧化，它是用石墨表面喷涂 一层二硅化钼材料制成。石 墨已被大量用作核能工业的 “减速剂”。雷达中大型电 子管外壳，既要耐高温，又 要有优良的超高频和绝缘性 能，它是用氧化铝高频陶瓷 制成。核反应堆外部的防护 层是用一种含钡的特种水泥 筑成的。
是为高温技术服务的基础材料。尽管各国对其定义不同， 但基本含义是相同的，即耐火材料是用作高温窑炉等热 工设备的结构材料，以及用作工业高温容器和部件的材 料，并能承受相应的物理化学变化及机械作用。
大部分耐火材料是以天然矿石（如耐火粘土、硅石、菱镁 矿、白云母等）为原料制造的。
按矿物组成分为氧化硅质、硅酸铝质、镁质、白云石质、 橄榄石质、尖晶石质、含碳质、含锆质耐火材料及特殊 耐火材料；
等系统的材 料科学知识
写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
You Know, The More Powerful You Will Be
谢谢大家
荣幸这一路，与你同行
1.4.4 材料按结晶状态分类
单晶材料 多晶材料 非晶态材料 准晶材料
单晶材料是由一个比较完整的晶粒构成的 材料，如单晶纤维、单晶硅；
多晶材料是由许多晶粒组成的材料，其性 能与晶粒大小、晶界的性质有密切的关系。
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
材料科学基础顾宜版第一章绪论
6、泡沫金属
突破性： 重量轻、密度低、孔隙率高、比表面积大。 发展趋势： 具有导电性，可替代无机非金属材料不能导电的应用领域；在
隔音降噪领域具有巨大潜力。
7、离子液体
突破性：具有高热稳定性，宽液态温度范围，可调的酸碱性、极性、配位 能力（“可设性”），易于与其他物质分离（循环利用率高），良好的导 电性等。
材料是全球新技术革命的四大标志之一（新 材料技术、新能源技术、信息技术、生物技 术）。
未来最具潜力的新材料 1、石墨烯
突破性：非同寻常的导电性能、极低的电阻率极低和极快的电子迁移 的速度、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性。
发展趋势：2010年诺贝尔物理学奖造就近年技术和资本市场石墨烯炙 手可热，未来5年将在光电显示、半导体、触摸屏、电子器件、储能 电池、显示器、传感器、半导体、航天、军工、复合材料、生物医药 等领域将爆发式增长。
发展趋势：在绿色化工领域，以及生物和催化领域具有广阔的应用前景。
8、超材料
突破性：具有常规材料不具有的物理特性，如负磁导率、负介电常数 等。
发展趋势： 改变传统根据材料的性质进行加工的理念，未来可根据需 要来设计材料的特性，潜力无限、革命性。
9、超导材料
突破性：超导状态下，材料零电阻，电流不损耗，材料在磁场中表现 抗磁性等。
材料科学基础
XX学院XX班 主讲教师：XXX
Tel: XXX E-mail: XXX Nhomakorabea绪论
0.1 什么是材料？
材料与人类文明—材料的重要性 什么是材料科学与工程？
0.2 材料的分类 0.3 组成-结构-工艺过程-性质之间的关系
教学目标
了解材料的定义、分类与发展简史（现状 与趋势）。
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）
材料科学基础 绪论 第一章
47
4、单相与多相组织 （1）单相组织 所有晶粒的化学组成相 同，晶体结构也相同。 描述单相组织特征的主要用晶粒尺寸及形状。 （2）多相组织 两相以上的晶体材料，各个相具有不同的成分和 晶体结构。 两相例子：
48
第五节 材料的稳态与亚稳态结构
稳态结构（平衡态结构） 能量最低的结构。 亚稳态结构 能量相对较高的结构。
37
（2）原子结合能的实验测定及理论计算 实验测定原理 测定固体的蒸发热 理论计算(自学P24例题)
五、结合键与性能
1、对物理性能的影响 1) 熔点：共价键、离子键的最高，高分子材料 的最低． 2) 密度：金属键的最高，共价键、离子键的较 低，高分子材料的最低． 3) 导电导热性：金属键最好，共价键、离子键最差。
K：…3p64s1
20
5、电负性呈周期性变化：同周期自左至右逐渐增 强，同族自上而下逐渐减弱
21
第二节 原子的结合键
一次键 二次键 混合键 结合键的本质及原子间距 结合键与性能
22
按结合力强弱分： 一次键：通过电子的转移或共享使原子结合的结 合 键．包括离子键、共价键、金属键，结合力较强． 二次键：通过偶极吸引力使原子结合的结合键．包括 氢键、范德瓦尔斯键，结合力较弱． 一、一次键 1、离子键 通过正负离子间相互吸引力 使原子结合的结合键．
18
二、元素周期表及性能的周期性变化
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1、周期对应于电子主壳层 2、同一族元素具有相同的外壳层电子数和相似的 化学性质 3、过渡族元素具有未满的内壳层和典型的金属性 4、ⅠB族和ⅡB族的内壳层填满，ⅠA族和ⅡA族 的内壳层未满，故ⅠB族和ⅡB族不如ⅠA族和 ⅡA族活泼 例如：
材料科学基础上海交大版讲义绪论PPT课件
玻璃纤维增强高分子复合材料
• 现代航空发动机燃烧室 温度最高的材料就是通 过粉末冶金法制备的氧 化物粒子弥散强化的镍 基合金复合材料。很多 高级游艇、赛艇及体育 器械等是由碳纤维复合 材料制成的，它们具有 重量轻，弹性好，强度 高等优点。
航空发动机
Processing, Synthesis, And phase transformation
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）。
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）。
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）。
4000年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷、商 时期，我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平。
司母戊鼎
河南安阳晚商遗址出土 青铜铸造 高133厘米 重875kg 饰纹优美
越王勾践剑
春秋晚期越国青铜兵器 出土于湖北江陵楚墓 长55.7厘米 剑锷锋芒犀利 锋能割断头发
古代剑刃制造中的特殊技术
梯
Titanic的沉没是必然还是偶然？
建造中的Titanic 号，可以看到船身上长长的焊缝
Titanic的沉没是必然还是偶然？
Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果
光学显微镜
人类对材料的认识是逐步深入的。
• 1863年，光学显微镜首次应用于 金属研究，诞生了金相学，使人 们能够将材料的宏观性能与微观 组织联系起来。
度
材
料
春秋战国时代的
古 已
青铜剑，剑身及
材料科学基础第一章
材料科学基础第一章绪论第二章怎么做：从原料到产品第三章怎么样：从结构到功能第四章是什么：从宏观到微观第五章纳米材料第1章绪论1、什么是材料2、材料的地位3、材料的分类4、常见材料的用途5、材料研究的内涵-----四要素6、材料研究的外延------相关学科7、材料的学科定位材料性能提高材料的使用范围扩大材料性能提高材料的使用范围扩大材料是用来制造器件的物质。
人类文明的发展依赖于材料的进步。
旧石器时代：约170万年前~约公元前8000年新石器时代：约公元前8000年~约公元前3000年青铜器时代：约公元前3000年~约公元前1000年铁器时代：约公元前1000以后钢铁时代： 1850年以后材料性能提高材料的使用范围扩大钢铁时代 1854和1864年发明了转炉和平炉炼钢。
新材料时代半导体材料的发展制作越来越小的硅芯片新材料时代，这一时代的特征是:不像以前的各个材料时代，它是一个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，而不是在自然界中有现成的。
尼龙的商业发展是高分子材料发展的关键时期高温合金的发展，掺镍合金促进了喷气发动机的发展高温超导体，高温超导的革命时代。
人类文明社会的先导--新材料1、材料的发展史，就是人类社会的发展史2、材料的发展史，就是科学技术的发展史材料的分类从化学组成和原子结构角度分类金属材料 (Metals) 无机非金属材料 (Ceramics)高分子材料 (Polymers)复合材料 (Composites) 从特性和性质角度分类结构材料 (力学性能)功能材料 (化学性能和物理性能)从应用角度分类航空材料建筑材料电子材料半导体材料生物材料智能材料纳米材料…主要材料的特性和用途金属材料化学组成和原子结构金属材料是由一种或几种金属元素以及少量的非金属元素的无机物。
合金是由两种或两种以上的金属元素和非金属元素构成的，其中至少一种是金属元素。
金属元素: iron(Fe), copper (Cu), aluminum (Al),magnesium(Mg), nickel(Ni), titanium(Ti)非金属元素: Carbon(C), nitrogen (N), oxygen (O),晶体结构是原子定向排列。
中国矿业大学《材料科学基础》绪论
2021/8/19
0.5 本课程的特点和学习方法
• 本专业最重要的专业基础课程。 • 理论与实际相结合，承上启下。 • 实践性不如材料工艺课程。 • 理论性、逻辑性不如数、理、化，多数概论是定性的。 • 三大材料的基本理论难以系统柔和。 • 以金属学为主，剥离有关高分子个性知识。
——“金属学”。
2021/8/19
制备加工
性能
无机非金属材料
• 经历了长期沉寂的古老材料。直到20世纪后期，随着 无机化学蓬勃发展，“陶瓷工学”、“陶瓷化学”应 运而生。尤其在近几十年取得了惊人的发展。
• 现代陶瓷的概念已远远超出了传统陶与瓷的范畴。它 主要采用人工精制的高纯超细无机粉末为原料，通过 精确的化学计量来配制高性能的硅酸盐、氧化物、碳 化物和氮化物等新型陶瓷材料。
• 光导纤维 --- 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 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 浮列车。
2021/8/19
超导体的优势:
• 载流能力高: 比Cu、Al线高2-3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 导体仅几公斤。
2021/8/19
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。 • 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。 • 重大技术革命的产生，依赖于新材料的突破。
2021/8/19
历史的见证
• 半导体材料 --- 集成电路、计算机技术。跨入现代化 的门槛。
材料科学基础绪论
所谓材料，是指经过某种加工，具有一定 结构、组分和性能，并可应用于 一定用途 的物质。
而材料科学就是就是研究各种材料的成分、 工艺、组织和性能之间相互关系的科学。
我们通常说成分--工艺--组织--性能是材料 科学的一条主线。
材料科学与材料工程的关系
材料科学的形成：“材料”早存在，“材料科学”提出于 20世纪60年代，1957年苏联卫星上天，美国震动很大， 在大学相继建立十余个材料科学研究中心，自此开始， “材料科学”一词广泛应用。
1980 年，美国的电子工业产值已经超过了钢铁和纺 织工业，仅次于化工和汽车工业 。
日本通过 冶炼等技术的改进来大幅度提高传统金属 材料性能，如超级钢计划就是要在本 世纪末将钢的 性能提高一倍，实质上就是节约了一倍的资源，使 得产品更具竞 争力，保持日本经济的持续发展。
材料科学与经济发展
生物医用材料
一般来讲，科学是研究“为什么”的学问，而工程是解决 “怎么做”的学问。材料科学的基础理论，为材料工程指 明方向，为更好地选择、使用材料，发挥现有材料的潜力、 发展新材料提供理论基础。
材料科学和材料工程之间的区别主要在于着眼点的不同或 者说各自强调的中心不同，它们之间并没有一条明确的界 线，因此，后来人们常常将二者放在一起，采用一个复合 名词－材料科学与工程（MSE，Material Science and Engineering）
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：耐口腔中的 酸；低热导率（这对你吃冷 饮有好处）；尽得住数年的 咀嚼力；耐骤冷骤热；当然 还要口感舒适。
Titanic的沉没是必然还是偶然？
材料科学基础1绪论
材料科学基础1绪论材料科学是研究材料的性质、结构、制备、性能和应用的学科，具有广泛的领域和深远的影响。
材料是构成物质世界的基本单元，不同材料具有不同的特性和用途。
材料科学基础就是研究材料的基本原理和基础知识，为后续的材料科学研究和应用打下坚实的基础。
材料科学基础研究的内容包括材料的组成、结构、性质以及制备和加工技术等方面。
首先，材料的组成是指材料的成分和元素的种类和比例。
不同的元素组合可以形成不同的材料，例如金属、陶瓷、塑料等。
其次，材料的结构是指材料内部的原子、分子或晶体的排列方式。
不同的结构决定了材料的性质。
再次，材料的性质是指材料特定条件下所表现出来的特征和行为。
例如，强度、硬度、导电性、热传导性等都是材料的性质。
最后，材料的制备和加工技术是指制备材料的方法和工艺，例如熔炼、凝固、烧结、激光制造等。
制备和加工技术可以改变材料的结构和性质，从而满足不同的需求和应用。
材料科学在许多领域中都起着关键的作用。
首先，在材料工程领域，材料科学的基础研究为新材料的设计和开发提供了理论支持和指导。
新材料的研发可以改善产品的性能和功能，从而推动技术进步和社会发展。
其次，在能源领域，材料科学的研究可以帮助开发高效的能源材料和设备，例如太阳能电池、锂离子电池等，促进可再生能源的利用和节能减排。
此外，在医学领域，材料科学的研究为生物材料的设计和应用提供了基础，例如人工关节、组织工程材料等，改善了医疗技术和治疗效果。
材料科学基础的研究方法包括实验研究和理论分析。
实验研究是获取材料性质和行为的主要方法，通过实验可以测试材料的力学性能、导电性能、光学性能等。
实验结果可以用于验证理论模型和假设，并指导材料的设计和制备。
理论分析是对材料的组成、结构和性质进行推断和预测的一种方法，通过数学模型和计算机模拟可以分析材料的行为和相互作用。
实验研究和理论分析相互补充，在材料科学的研究中起着重要的作用。
总之，材料科学基础是研究材料的组成、结构、性质和制备技术的学科，对于材料科学的研究和应用具有重要的意义。
第0章材料科学基础绪论
金属材料的一般特性
2024/5/4
• 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
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金属材料的优点
2024/5/4
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。
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2024/5/4
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材料化学专业定位 2024/5/4
• 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
• 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。
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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[2] 《材料科学基础》，张联盟 黄学辉 宋晓岚 编，武汉理工大学出版社，2004.8
[3] 《材料科学基础》，杜丕一 潘颐 编著，中国建材工业出版社，2002.3
[4]《材料科学基础》，陶杰 姚正军 薛烽 主编，化学工业出版社，2006.3
（南京航空航天大学、东南大学）
[5]《材料科学基础》，靳正国 郭瑞松 帅春生 等编，天津大学出版社，2005.8
Fundamentals of Materials Science
课程简介
课程性质： 专业基础课
必选，考研，2
考试：期末考试70% +平时成绩30% (出勤、作业)
材料科学基础与其它课程之间的关系：
教 材 与 参 考 书：
材料科学基础与其它课程之间的关系
大学数学
大学物理 无机化学 分析化学 有机化学 结构化学 物理化学
飞 机
隐形
F117隐形战斗机
总 结
材料的海洋
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形状记忆合金
相
例
变
血管支架及放送器
连接件
航天用天线
其 它
储氢合金
磁悬浮列车－超导合金
无机 非
无机非金属材料
传统
•玻璃 •陶瓷 •水泥 •耐火材料
新型
•先进陶瓷 •非晶态材料 •人工晶体 •无机薄膜 •无机纤维 •其它
•玻璃
玻璃制品
石英玻璃
高 级
玻璃光纤
•陶瓷 建筑卫生陶瓷
艺术 陶 瓷
[6]《材料科学基础》，西安交通大学 石德珂 主编，机械工业出版社，2005.1
南京工业大学 张其土 南京工业大学 陆佩文 武汉理工大学
浙江大学
南航
天大
西安交大
上海交大
大连理工
北工大
中南大学
清华
西北工大
北科大 绪
绪论
一、材料的定义和分类 二、材料的地位和作用 三、材料科学的内涵
一、材料的定义和分类
1：定义
材料(Materials)一般是指人类用于制造生活和 生产所需的物品、器件、构件、机器和其他产品 的物质。
*材料是物质，但不是所有的物质都可以成为材料，如 燃料、化学原料、工业化学品、食物和药品，一般都不 算是材料。
复习分类，？
2、分类
复 习
全表
组成健 合分类
彩图
组成健 合详细
分类
依据组成结构的分类
承前启后
材料科学基础
材料化学 材料物理 材料力学 材料测试技术
无机非金属材料
高分子材料 复合材料
基础课
专业基础课
材化专业课
教材与参考书
教材
《无机材料科学基础》，张其土 主编, 华东理工大学出版社，200《无机材料科学基础》，陆佩文 主编，武汉理工大学出版社，1996.8
•无机纤维
无机环保阻燃绝热绝缘保温毯 （硅酸铝纤维 ）
高分 子
高分子材料
聚四氟乙烯(ETFE)立面装配系统
耐温 250℃--196℃、耐腐蚀、耐气候、高润滑
高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造工业和 化学、交通运输、航空航天等工业中被广泛应用。
电致变色玻璃
液晶
复合材料
玻璃钢门窗
看图片
金属材料
Q460高强钢板，具有良好的抗震性、抗低温性、可焊性
高 级
简单工具
锉刀 手 锤
机械零件
机械制造业中大约90%的材料为钢铁材料
我国要加速发展汽车行业就要继续保持钢 铁工业的高速发展
功能 谦
（a）没放入热水前 (b) 放入热水后
(c)凉至室温后
双程CuZnAl记忆合金花的动作变化情况
高温结构陶瓷零部件
陶瓷发动机
耐高温陶瓷刀具
“发现号”航天飞机腹部的 绝热瓦
•水泥
•耐火材料
新 型
•先进陶瓷 生物陶瓷
压电陶瓷
•非晶态材料
单晶硅太阳能电池板
非晶硅太阳能电池
多晶硅太阳能电池板
•人工晶体
美国机载激光武器 攻击地面目标示意图
Er:YAG激光晶体
单晶硅片——半导体材料
•无机薄膜 具有自清洁功能和防雾的氧化钛薄膜