材料物理导论

3、什么是材料科学基础
材料科学基础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）
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。 材料工程是研究、开发、生产和应用金属材料 、无机非金属材料、高分子材料和复合材料的工程 领域。
偏析倾向：材料成分的均匀性
材料的性能 工艺性能
3. 锻造性：材料进行压力加工(锻造、压延、轧制、拉 拔、挤压等)的可能性或难易程度的度量。 塑性变形能力：材料不破坏的前提下的最大变形量。 塑性变形抗力：发生塑性变形所需要的最小外力。 4. 焊接性：利用部分熔体，将两块材料连接在一起。 连接能力：焊接头部位强度与母材的差别程度。 焊接缺陷：焊接处出现气孔、裂纹可能性的大小或母材
肉眼来观测的光测高温技术，只有在青铜技术相当成熟的情况下， 才有可能办到。
铁器时代（Iron A源自文库e）
湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄
中国古代铁器的金相组织
长征三号运载火箭在发射架上
新材料阶段的特征
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，非自然界中现成有的; 新材料是根据我们对材料的物理和化学性能的了解，为了特 定的需要设计和加工而成的； 这些新材料使新技术得以产生和应用，而新技术又促进了新 工业的出现和发展，从而使国家财富和就业增加。 1986年《科学的美国人》杂志指出“先进材料对未来的宇航 、电子设备、汽车以及其他工业的发展是必要的，材料科学的 进步决定了经济关键部门增长速率的极限范围。” 1990年美国总统的科学顾问Allany Bromley明确指出“材料 科学在美国是最重要的学科”。 1991年日本为未来工业规划技术列举的11项主要项目中有7 项是基于先进材料之上。 可见，材料科学历来是技术进步的支柱.
雪花 — “六出”、“六花”
宋（960-1279 A.D.）•楼钥,《谢林景思和韵》 黄昏门外六花飞，因倚胡床醉不知。 南朝•陈（557-589 A.D.）•徐陵，《咏雪》 岂苦天庭瑞，轻雪带风斜。三农喜盈尺，六出舞崇花。 西汉（206 B.C.-24 A.D.）,《韩诗外传》： 凡草木花五出，独雪花六出
35 18 5 3 3 2
新材料在高技术中的作用
图 磁悬浮列车
人类对材料微观结构认识的发展过程
1）逻辑推理(古代哲学家，432 BC.) 2）宏观形貌观察、观测（by eye, 1669） 3）数学理论计算 4）科学测定（X-ray diffraction, electron diffraction,等） 古代中国有： “日取其半，万世不竭” “道生一，一生二，二生三，三生万物”（《老子》）； “以土与金、木、水、火杂以成百物”（《国语· 正语》）； “太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦，八卦交而生万物” （《易经》）
《考工记》的精彩、经典之处在“金有六齐”。 “六分其金而锡居一，谓之钟鼎之齐；五分其金而锡 居一，谓之斧斤之齐；四分其金而锡居一，谓之戈戟 之齐；三分其金而锡居一，谓之大刃之齐；五分其金 而锡居二，谓之削杀矢之齐；金、锡半，谓之鉴（意 为镜）燧之齐。 ——成分—— 凡铸金之状，金与锡，黑浊之气竭，黄白次之； 黄白之气竭，青白次之； 青白之气竭，青气次之； 然后可铸也。（炉火纯青） ——准确地记述了冶铜过程中颜色随炉温变化的规律。这种用
材料的性能
工艺性能
材料的工艺性能是材料力学、物理、化学性能 的综合表现。主要反映材料生产或零部件加工过程 的可能性或难易程度。 1. 材料可生产性：得到材料可能性和制备方法。
2. 铸造性：将材料加热得到熔体，注入较复杂的型腔后 冷却凝固，获得零件的方法。 流动性：充满型腔能力 收缩率：缩孔数量的多少和分布特征
二、材料科学的重要地位
青铜器时代
石器时代
铁器时代 水泥时代
七个时代造就材料辉煌
新材料时代
硅时代 钢时代
1、材料的发展史，就是人类社会的发展史
人类社会发展的历史阶段常常用当时主要使用的材料来 划分。从古代到现在人类使用材料的历史共经历了七个 时代，各时代的开始时间： 石器时代（公元前10万年） 青铜器时代（公元前3000年）(炉火纯青) 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）
材料科学是一门以固体材料为研究对象，以固体物理、热力 学、动力学、量子力学、冶金、化工为理论基础的边缘交叉基础 应用学科，它运用电子显微镜、X-射线衍射、热谱、电子离子探 针等各种精密仪器和技术，探讨材料的组成、结构、制备工艺和 加工使用过程与其机械（力学性能）、物理、化学性能之间的规 律的一门基础应用学科，是研究材料共性的一门学科。

材料科学：是一门科学，它从事与材料本质的发 现、分析和了解方面的研究，其目的在于提供材料结 构的统一描绘或模型，以及解释这种结构与性能之间 的关系。它包括下面的三个环节，核心是结构和性能 。
材料科学
工艺

结构
性能
材料工程：是工程的一个领域，其目的在于经济 地，而又为社会所能接受地控制材料的结构、性能和 形状。它包括下面的五个环节。
材料是指人类社会能接受的，经济地制造有 用物品的物质（世界万物，凡于我有用者，皆谓 之材料。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）。 卫星发射，节省1公斤重量将降低费用$20000。 铝合金的主要应用领域如下：
战机
舰船
导弹
高层 建筑
火箭
铝合金的 主要应用领域
战车 人造 卫星 汽车
9/11/2012
高速列车
5
塑料的应用
塑料水管
电线被覆
塑料膜
日常用品
主机外壳
汽车侧板
2、什么是材料科学
材料科学是研究材料的成分、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。纳米材料科学与技术是20世纪 80年代发展起来的新兴学科，成为21世 纪新技术的主导中心。
单位质量的物质所占的体积 M3/Kg
导热性
物体内温度梯度为1℃/M时，在单位时间、单位 面积内传递的热量 W/(M.K) 温度上升1℃时，单位长度的伸长量 mm/(℃.mm)或℃-1
热膨胀系数α
材料的性能 物理性能
物质由固态转变为液态的温度，反映固态下原子间结 合力。 电阻与电导 电阻率为单位长度和单位截面积导体的电阻。 单位是M，其倒数称为电导率 S/M 西门子/米
1 mm
材料科学的发展过程
1669, N. Steno, 晶面角守恒定律 1885, A. Bravais, 晶体空间点阵学说 1912, M. Laue*, 晶体的X射线衍射 1915, W. H. Bragg and W. L. Bragg** X射线晶体结构分析方法 电子显微镜（SEM、TEM）
微观 纳 介 观 米
(Micro-) (Nano-) (Meso-)
宏观
(Macro-)
m
10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101
2、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。 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）
设备
材料工程 工艺 结构 性能 构件行为
3、材料的性能
材料的性能：
材料的性能是指材料的性质和功能。性质是本身 所具有的特质或本性；功能是人们对材料的某种期待 与要求种可以承担功效，以及承担该功效下的表现或 能力。
1. 力学性能
2. 物理性能
3. 化学性能
4. 工艺性能。
材料的性能 力学性能
材料的力学性能是指材料处于特定环境因素(温 度、介质等)时，在外力或能量以及作用下表现出来 的变形和破坏的特征。
熔点
电阻温度系数 温度上升1℃时，电阻率 的变化系数，
单位℃-1 电子导电的特点是温度升高，电阻率上升；离子导 电是热激活过程，温度升高，电阻率下降。 超导现象是材料在很低温度下，电阻突然从某个值 降为零的特征。每种材料有自己的转变温度，某些化合 物的转变温度达到100K以上。
导磁率 从铁合金、化合物(铁氧体)特有性能。
使用性能
组 成 与 结 构
（工程） 性质 （化学） （物理学）
合成与制备过程
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

扫描探针显微术***（STM、AFM）
三、学习料料科学基础的意义
1、材料科学的内涵
材料科学是一个跨物 理、化学等的学科。材料 科学的核心问题是材料的 组织结构（Structure） 和性能（Property）以及 它们之间的关系。右图为 材料科学与工程四要素。 所以，先要了解材料的结 构是什么？
通常把作用在材料上的外力或能量称为载荷或负 荷。材料的主要力学性能有：
• 弹性 • 强度 • 塑性 • 硬度 • 冲击韧性 • 疲劳特性 • 耐磨性
材料的性能 物理性能
材料的物理性能是指材料本身的具有各种物理 量(热、电、光、磁等)以及环境变化时他们的变化程 度。 密度与比容 单位体积物质的质量 Kg/M3
材料的性能 化学性能
反映材料与各种化学试剂发生化学反应的可能 性和反应速度大小的相关参数。
工程材料主要考虑其耐腐蚀性，电化学材料有的考察电极 电位、储能密度等。
材料由于周围环境介质侵蚀而造成的损伤和破坏 均称为腐蚀。
发生腐蚀的化学过程有化学腐蚀(氧化)、电化学 腐蚀和应力腐蚀等不同形式。腐蚀速度与材料、介质、 温度、应力、辐照……因素有关。腐蚀不仅影响零件 表明质量，并且可以造成零件早期损坏，防腐设计应 考虑材料的选择和防腐措施相结合。
材料对人类文明进步的意义
石器时代（ Stone Age）：石斧、凿、刀、铲、箭头纺轮、钵等 （西安半坡遗址）
青铜器时代（公元前3000年）
巨型司母戊大方鼎 （河南安阳晚商遗址）
湖北江陵楚墓出土 越王勾践宝剑
13
《考工记》——成书于春秋时期 ，作为我国第 一部手工业工艺技术典籍，包含着大量的手工制作技 术、工艺过程及丰富的科技思想。
《材料科学基础》
《Foundations of Materials Science》
马丽
mali@nwu.edu.cn
绪
论
一.《材料科学基础》的基本概念 二. 《材料科学基础》的重要地位 三. 学习《材料科学基础》的意义
2
一. 《材料科学基础》的基本概念
1. 什么是材料
经过人类劳动取得的劳动对象。一般把来自采掘工业和农 业的劳动对象称为“原料”，把经过工业加工的原料称为“材 料”。 • • • 材料是人类赖以生存与发展、征服及改造自然的物质基 础,是人类活动不可缺少的东西。 材料是社会生产力发展的标志，生产中使用的材料性质 反映了人类社会的文明水平。 现代一个国家的实力与水平主要取决于他的能源、材料、 信息的发展。

2、材料的发展史，就是科学技术的发展史
表1 科学原理的发现时间与其产业化时间的对照 原理 电机 真空管 1821 1882 成品 1886 1915 发展时间 65 33
无线电 X光 雷达 原子堆 半导体 激光
1887 1895 1935 1939 1948 1958
1922 1913 1940 1942 1951 1960