材料科学研究的基本方法与规律
材料科学与工程的科学内涵
材料科学与工程的科学内涵首先，材料科学与工程研究的对象是材料。
材料是构成各种物体的基本元素，它们的性质直接影响着材料的应用。
材料科学与工程致力于研究不同材料的性质和行为，并通过调整材料的组织结构和配方，以实现对材料性能的改善和优化。
其次，材料科学与工程研究的目的是揭示材料的本质规律。
通过对材料的性质、结构和制备工艺的研究，揭示材料与其性能之间的关系，为合理设计和选择材料提供科学依据。
同时，材料科学与工程也探索材料的微观世界，揭示材料的基本单位（如原子、分子、晶体等）的结构和性质，从而深入理解材料的本质规律。
第三，材料科学与工程的研究方法多样。
材料的性质和行为涉及到多个层次和尺度，包括从宏观到微观的各个层面。
因此，材料科学与工程采用了多种不同的研究手段和方法，如物理实验、化学合成、计算模拟、力学测试等。
这些研究方法相互结合，形成了一个较为完整的材料研究体系。
第四，材料科学与工程的应用广泛。
材料是现代科技的基础和支撑，几乎涉及到所有领域，如能源、环境、医疗、交通、通信等。
材料科学与工程研究的成果广泛应用于制造业和相关领域，为社会经济的发展和人类文明的进步提供重要支撑。
最后，材料科学与工程是一个不断发展的学科。
随着科学技术的不断进步和人类社会的不断需求，材料科学与工程一直处于不断探索和创新的过程中。
新材料的出现和应用，新制备工艺的开发，材料性能的优化等都需要不断地进行研究和探索，以满足社会的需求。
总之，材料科学与工程的科学内涵是通过对材料性质、结构、制备和应用的研究，揭示材料的规律，实现材料性能的优化和应用的创新。
它是以材料为研究对象的一门交叉学科，具有广泛的应用前景和深入研究的需要。
不同种类材料分析的特点和规律
不同种类材料分析的特点和规律材料分析是一种通过对不同种类材料进行研究和分析，从中获取有关材料性质和结构的信息的科学方法。
不同种类材料的研究对象包括金属、陶瓷、高分子材料、复合材料等，每一类材料都有其独特的特点和规律。
金属材料分析的特点和规律：1.金属材料分析主要关注其熔点、热膨胀系数、导电性、导热性、强度等物理特性，以及晶体结构、晶界、晶粒度等结构特征。
2.金属材料的分析方法包括金相显微镜观察、X射线衍射分析、扫描电子显微镜观察等。
3.金属材料的特点之一是其晶体结构具有明确的晶格和晶粒边界。
通过金相显微镜观察，可以确定金属的晶体结构、晶界的分布和形状，以及晶粒的尺寸等信息。
4.金属材料的分析方法中，X射线衍射分析可以确定金属材料的晶体结构和结晶度。
此外，扫描电子显微镜观察可以用于研究金属材料的表面形貌和微观结构。
陶瓷材料分析的特点和规律：1.陶瓷材料分析主要关注其化学成分、结晶度、热膨胀系数、介电性能等物理特性，以及晶体结构、晶粒度等结构特征。
2.陶瓷材料的分析方法包括X射线衍射分析、扫描电子显微镜观察、热膨胀系数测量等。
3.陶瓷材料的特点之一是其晶体结构复杂，有的陶瓷材料甚至没有明确的晶粒边界。
因此，陶瓷材料的分析方法需要考虑其非晶结构和各向同性特性。
4.陶瓷材料的分析方法中，X射线衍射分析可以确定陶瓷材料的晶体结构和结晶度。
此外，扫描电子显微镜观察可以用于研究陶瓷材料的表面形貌和微观结构。
热膨胀系数测量可以提供有关陶瓷材料的热稳定性和热膨胀性的信息。
高分子材料分析的特点和规律：1.高分子材料分析主要关注其分子结构、分子量、热稳定性、耐化学腐蚀性等物理特性，以及晶体结构、微观结构等结构特征。
2.高分子材料的分析方法包括核磁共振、红外光谱、热重分析等。
3.高分子材料的特点之一是其分子结构复杂，具有分子链的自由度和活动性。
因此，高分子材料的分析方法需要考虑其分子链的特性和相互作用。
4.高分子材料的分析方法中，核磁共振可以确定高分子材料的分子结构和分子量。
材料物理化学
材料物理化学材料物理化学是研究材料的结构、性质和变化规律的一门学科，它涉及了物理学和化学两个领域的知识。
在材料科学领域中，物理化学的研究对于材料的设计、制备和性能优化具有重要意义。
本文将从材料物理化学的基本概念、研究方法和应用领域等方面进行介绍。
材料物理化学的基本概念。
材料物理化学是研究材料表面、界面及内部结构的物理化学过程的学科。
它主要包括材料的结构与性能、材料的相变规律、材料的表面与界面现象等内容。
材料的结构与性能研究了材料的晶体结构、缺陷结构、晶体生长机理等与材料性能之间的关系；材料的相变规律研究了材料在不同条件下的相变行为和相变动力学规律；材料的表面与界面现象研究了材料的表面活性、表面能、界面扩散等现象对材料性能的影响。
材料物理化学的研究方法。
材料物理化学的研究方法主要包括实验研究和理论计算两种。
实验研究是通过对材料进行各种物理化学性质的测试和分析，来揭示材料的结构与性能之间的关系。
常用的实验手段包括X射线衍射、电子显微镜、原子力显微镜等。
理论计算则是通过建立材料的物理化学模型，利用量子力学、分子动力学等方法，计算材料的结构、能量、振动等性质。
这两种方法相辅相成，共同推动了材料物理化学的发展。
材料物理化学的应用领域。
材料物理化学的研究成果在许多领域都有着重要的应用价值。
在材料制备方面，材料物理化学的研究可以指导材料的合成方法和工艺参数的选择，提高材料的制备效率和性能。
在材料性能优化方面，材料物理化学的研究可以帮助人们理解材料的性能来源，为材料的性能改进提供科学依据。
在材料应用领域，材料物理化学的研究可以拓展材料的应用范围，提高材料的使用寿命和稳定性。
总结。
材料物理化学作为一个重要的交叉学科，对于材料科学的发展和应用具有重要意义。
通过对材料的结构、性能和变化规律的研究，可以为材料的设计、制备和应用提供科学依据，推动材料领域的发展。
希望本文的介绍能够帮助读者更好地了解材料物理化学这一学科，并对材料科学有更深入的认识。
材料科学与工程专业研究课题
材料科学与工程专业研究课题一、材料性能研究材料性能研究是材料科学与工程领域中的核心内容，它涉及到材料的物理、化学和机械性能等方面。
为了满足不同应用领域的需求，我们需要对各种材料的性能进行深入研究，探究其性能与微观结构、制备工艺、环境因素等之间的关系。
此外，还需要关注新型材料的性能表现，以及如何通过改性手段提高现有材料的性能。
通过系统的性能研究，可以深入了解材料的内在规律，为新型材料的开发和应用提供理论支持。
二、材料制备技术材料制备技术是实现材料科学与工程研究成果转化的关键环节。
不同的材料需要采用不同的制备方法和技术，因此，研究和开发新的制备技术对于材料科学的发展至关重要。
这包括控制材料的组成、结构、相态、颗粒尺寸等，以达到优化材料性能的目的。
同时，制备技术的研究还需要关注环保和可持续发展，开发低能耗、低污染的绿色制备技术，以实现材料产业的可持续发展。
三、材料微观结构材料的微观结构对其宏观性能起着决定性的作用。
因此，对材料微观结构的研究是材料科学与工程领域中的重要课题。
通过研究材料的晶体结构、相变行为、界面特性等微观结构特征，可以深入了解材料的物理和化学性质，为新型材料的开发提供理论支持。
同时，微观结构的研究还可以为制备技术的优化提供指导，从而实现材料性能的进一步提升。
四、材料与环境关系随着环境问题的日益严重，材料与环境关系的研究已经成为材料科学与工程领域中的热点话题。
这涉及到材料的环境适应性、可降解性、生物相容性等方面。
为了实现可持续发展，我们需要研究和开发具有优异环保性能的新型材料，以替代传统的高污染、高能耗的材料。
同时，还需要关注材料的循环利用和废弃物处理问题，以降低对环境的负面影响。
五、新型材料开发新型材料的开发是推动材料科学与工程领域发展的重要动力。
随着科技的不断发展，新型材料的需求越来越大。
这包括高强度轻质材料、高温超导材料、纳米材料、生物医用材料等。
通过系统的理论计算和实验研究，可以发现和开发具有优异性能的新型材料，满足不同领域的需求。
材料科学!!!研究方法
材料科学研究方法概述一．材料的定义、特点与分类1.定义物质经材料合成或材料化后才成为材料，材料具有指定工作条件下使用要求的形态和物理状态的物质。
2.分类材料按物理化学属性可分为：金属、无机非金属、高分子材料、复合材料；按来源可分为：天然材料和人造材料；按用途可分为：功能材料和结构材料；按状态可分为：气态、固态和液态。
3.材料的几大效应（1）材料的界面效应材料的界面有晶界、相界、亚晶界、孪晶界等。
材料的力学性能、物理性能及化学、电化学性能都与材料的各种界面有着非常密切的关系。
材料的形变、断裂与失效过程，起源于各种界面的占了大部分，材料加工过程中的各种变化也基本上都与界面有关。
界面的研究在材料科学中有着重要的地位。
不同材料的界面有以下几种效应。
A.分割效应。
是指一个连续体被分割成许多小区域，其尺寸大小、中断程度、分散情况等对基体力学性能及力学行为的影响；B.不连续效应。
界面上引起的结构、物理、化学等性质的不连续和界面摩擦出现的现象，如电阻、介电特性、耐热性、尺寸稳定性等；C.散射和吸收效应。
界面处对声波、光波、热弹性波、冲击波等各种波产生的散射和吸收，影响材料的透光性、隔热性、隔音性、耐冲击性等；D.感应效应。
界面产生的感应效应，特别是应变、内部应力及由此产生的某些现象，如高的弹性、低的热膨胀性、耐热性等。
界面问题涉及界面两侧原子的对势、电子态和电子结构、界面原子键合的性质、结合能、界面两侧晶体结构和界面晶体结构的关系、界面切变模量、界面位错形核与反应、环境对界面过程的影响等多方面的问题。
界面的热力学、界面偏析、界面扩散、界面化学反应等都是材料科学中的重要问题，特别是纳米材料的界面及其新的效应、复合材料的界面更是现代材料科学研究中的热点。
（2）材料的表面效应晶体表面也是材料界面的一种，只是材料的固体表面和周围介质（气体、液体）的界面。
材料表面的原子、分子或离子具有未饱和键，并且由于结构的不对称而造成晶格畸变，所以材料表面都具有很高的反应活性和表面能，而且具有强烈降低其表面能，力求处于更稳定能量状态的倾向。
材料科学分析技术(材料科学研究与测试方法-绪论)
X射线的物理基础
（3）X射线的吸收
dIx ＝ Ix+dx－Ix
dIx I x dx I x ＝ Ix Ix
＝ -l· dx
X光减弱规律的图示
l为线吸收系数（cm-1)，与入射X射线束的波长
及被照射物质的元素组成和状态有关。
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X射线的物理基础
X射线与物质的作用
X射线通过整个物质厚度的衰减规律：
6
performance
Tetrahedron
synthesis-processing
properties
composition-structure
7
Hexahedron
8
结构决定性能是自然界永恒的规律
“相” (phase)
在体系内部物理性质和化学性质完全均匀的一部分 成分和结构完全相同的部分才称为同一个相
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检测分析
信号发生
分析仪器
信号发生器
分析过程
产生分析信号
信号检测 信号处理
信号读出
检测器 信号处理器
读出装置
测量信号 放大、运算、 比较 记录、显示
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检测信号与材料的特征关系
1.2 衍射分析方法概述
衍射分析主要用于物相分析和晶体结构的测定。
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定义:光在传播过程中能绕过障碍物的边缘而偏 离直线传播，并且在屏幕上形成明暗相间的条 纹分布的现象。 光的衍射不易发生的原因： （1）无线电波：波长几百米，天涯若比邻 （2）声波，波长几十米，未见其人先闻其声
I/I0 = exp(-l • d)
式中I/I0称为X射线透射系数， I/I0 ＜1。 I/I0愈小,表示X射线被衰减的程度愈大。
材料力学中的有限元方法分析
材料力学中的有限元方法分析材料力学是研究物质初始状态至最终破坏状态之间的力学行为及其规律的科学。
有限元分析是一种数值计算方法，可以求解各种工程问题的数学模型。
有限元方法在材料力学研究中有着重要的应用，本文将从有限元方法的基本原理、材料力学中的有限元分析、有限元模拟在材料力学中的应用等方面进行分析。
一、有限元方法的基本原理有限元方法是一种通过建立复杂结构的有限元模型，将一个复杂的连续问题转化为离散问题来求解的方法。
其基本思想是将一个连续物体分割成很多小的单元，使用一些简单的解析方法求解每个小单元内的力学问题，然后将所有小单元的解组合在一起来求解整体力学问题。
有限元方法求解的过程分为以下基本步骤：1.建立有限元模型2.离散化3.施加约束4.建立刚度矩阵和荷载向量5.求解未知量二、材料力学中的有限元分析材料力学中的有限元分析是指通过有限元方法对材料力学问题进行分析、计算和评估的方法。
材料力学问题中的目标是通过施加荷载或外界力，来得到物体内部的应力和应变状态，以及其随时间和载荷变化的规律。
在建立材料力学有限元模型时，需要考虑以下因素：1.应力集中和应变集中的位置和程度2.物理边界和几何结构3.材料的力学性质和力学参数材料力学中的有限元分析包含以下几个方面：1.静态分析：研究物体在静态等效荷载下的应力状态，计算物体的静态变形。
2.动态分析：研究物体在动态载荷下的应力和应变状态，计算物体的动力响应。
3.疲劳分析：研究物体在周期性载荷下的损伤状态、损伤机理和寿命预估。
4.热力耦合分析：研究物体在温度场和应力场的共同作用下的应力和应变状态。
5.多物理场分析：研究物体在电、磁、声、液、气、红外、光、辐射等多个物理场的共同作用下的应力和应变状态。
三、有限元模拟在材料力学中的应用有限元模拟在材料力学中的应用范围非常广泛，包括了以下几个方面：1.材料的结构设计和分析2.材料的性质和参数的测试和评估3.材料的制造和加工工艺的模拟4.材料的破坏和损伤机理的研究5.材料的寿命评估和振动疲劳分析最终，有限元分析的结果可以在材料设计、材料优化和制造流程等方面提供准确的数据支持，帮助人们更好地理解材料的力学行为和性质，促进材料科学的发展。
材料力学教案
材料力学教案材料力学是工程学和材料科学中的重要基础学科，它研究材料在外力作用下的力学性能和变形规律。
本教案将介绍材料力学的基本概念、理论模型和应用技术，帮助学生全面理解材料力学的基本原理和应用方法。
一、材料力学基本概念。
材料力学是研究材料在外力作用下的力学性能和变形规律的学科。
它包括静力学、动力学和弹性力学等内容，主要研究材料的应力、应变、弹性模量、屈服强度、断裂韧性等力学性能。
二、材料力学理论模型。
1. 应力分析。
材料在外力作用下会产生内部应力，主要包括拉伸应力、压缩应力、剪切应力等。
应力分析是材料力学的重要内容，通过分析应力分布规律可以预测材料的破坏形式和破坏条件。
2. 应变分析。
材料在外力作用下会发生变形，主要包括弹性变形和塑性变形。
应变分析是材料力学研究的重点之一，通过分析应变规律可以评估材料的变形能力和变形稳定性。
3. 弹性模量。
材料在受力时会产生弹性变形，弹性模量是衡量材料抗弹性变形能力的重要参数。
不同材料的弹性模量不同，可以通过弹性模量来评估材料的弹性性能。
4. 屈服强度。
材料在受力时会产生塑性变形，屈服强度是衡量材料抗塑性变形能力的重要参数。
不同材料的屈服强度不同，可以通过屈服强度来评估材料的塑性性能。
5. 断裂韧性。
材料在受力时会产生断裂现象，断裂韧性是衡量材料抗断裂能力的重要参数。
不同材料的断裂韧性不同，可以通过断裂韧性来评估材料的断裂性能。
三、材料力学应用技术。
1. 材料力学测试。
材料力学测试是评估材料力学性能的重要手段，包括拉伸试验、压缩试验、弯曲试验、冲击试验等。
通过测试可以获取材料的应力-应变曲线和力学性能参数，为材料设计和选择提供依据。
2. 材料力学模拟。
材料力学模拟是预测材料力学性能的重要手段，包括有限元分析、分子动力学模拟、离散元法等。
通过模拟可以预测材料的应力分布、应变分布和破坏形式，为材料设计和优化提供参考。
3. 材料力学设计。
材料力学设计是根据材料力学性能进行工程设计的重要手段，包括材料选择、结构设计、寿命评估等。
化学与新材料研究
化学与新材料研究化学与新材料研究是一门探索物质性质、组成、结构与变化规律的科学，旨在为人类社会提供新型、高性能、环保的材料。
以下是相关知识点的详细介绍：1.化学基本概念：化学是一门研究物质的组成、结构、性质以及变化规律的基础自然科学。
化学研究的对象是原子、分子、离子等微观粒子，以及它们之间的相互作用。
2.物质的组成与结构：物质是由原子、分子、离子等微观粒子组成的。
原子是物质的基本单位，由核子（质子和中子）和电子组成。
分子是由两个或多个原子通过化学键连接而成的。
离子是带电的原子或分子。
3.物质的性质：物质的性质分为物理性质和化学性质。
物理性质是指物质在不发生化学变化的情况下所表现出的性质，如颜色、状态、密度、硬度等。
化学性质是指物质在发生化学变化时所表现出的性质，如氧化性、还原性、酸碱性等。
4.化学反应：化学反应是指物质之间发生原子、离子或分子重新组合，生成新物质的过程。
化学反应遵循质量守恒定律、能量守恒定律和电荷守恒定律。
5.材料的分类：材料可分为无机材料、有机材料和复合材料。
无机材料包括金属材料、陶瓷材料和无机非金属材料（如玻璃、沙子等）。
有机材料包括塑料、橡胶、纤维等。
复合材料是由两种或多种不同材料组合而成的具有特殊性能的材料。
6.新材料的研究与发展：新材料是指具有传统材料所不具备的优异性能或特殊功能的材料。
新材料研究旨在为人类社会提供具有高性能、环保、可持续发展的材料。
常见的新材料包括纳米材料、生物材料、能源材料、高性能复合材料等。
7.化学与生活：化学在生活中的应用十分广泛，如日用品、食品、医疗、环保等方面。
了解化学知识有助于我们更好地保护身体健康、提高生活质量。
8.化学与环保：化学在环境保护中起着重要作用。
通过化学手段可以治理污染、回收废旧物质、开发绿色能源等，为保护地球环境作出贡献。
9.化学与新技术：化学在新技术领域具有重要作用，如半导体材料、光电子材料、生物芯片等。
这些新技术的发展为人类社会带来巨大的变革。
材料科学基础名词解释
材料科学基础名词解释材料科学基础名词解释：1.材料科学：研究材料的性质、结构、制备、加工和应用的学科，旨在揭示材料的内在规律并推动材料的发展与应用。
2.材料：指一切可供人类使用的物质，包括金属、塑料、陶瓷、玻璃、复合材料等，是制造各种产品的基础。
3.性质：材料固有的特征或行为，如机械性能、热性能、电性能、磁性能等。
材料的性质决定了其在特定应用中的适用性能。
4.结构：材料内部的组织和排列方式。
结构包括原子、晶格、晶体、晶粒、晶界等层次，它们的不同排列方式和组织特征决定了材料的性质。
5.制备：指通过一系列的加工工艺将原材料或中间体转化为特定形状和性能的材料。
制备方法包括合成、提炼、熔炼、溶解、固化、烧结等。
6.加工：指对已制备好的材料进行形状和性能的改变，以满足特定应用需求。
加工方法包括锻造、轧制、深冲、焊接、切割等。
7.应用：指材料在各个领域中的具体使用场景和目的，如材料在电子、航空、化工、医疗等行业中的应用。
合理的材料选择和应用能够提高产品的性能和效益。
8.机械性能：材料在外力作用下的抗力和变形能力，包括强度、韧性、硬度、弹性等。
机械性能决定了材料的承载能力和使用寿命。
9.热性能：材料在高温或低温条件下的变化和表现，包括热膨胀系数、导热性、热稳定性等。
热性能影响着材料在高温环境下的应用和稳定性。
10.电性能：材料对电流和电磁场的响应和传导能力，包括导电性、绝缘性、电化学性能等。
电性能决定了材料在电子器件和电力系统中的应用。
11.磁性能：材料对磁场的吸引力和响应能力，包括磁导率、磁感应强度、磁饱和度等。
磁性能决定了材料在磁记录、传感器等领域的应用。
12.复合材料：由两种或两种以上材料组成的复合体。
通过不同材料的组合，利用各自的优点来提升整体性能，如强度、刚度、耐腐蚀性等。
综上所述，材料科学基础名词解释给出了材料科学中一些重要的概念和术语的定义，对于理解和应用材料科学具有重要的指导作用。
同济材料科学基础6页
重点一、论述四种强化的强化机理、强化规律及强化方法。
1、形变强化形变强化：随变形程度的增加，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降的现象叫形变强化或加工硬化。
机理：随塑性变形的进行，位错密度不断增加，因此位错在运动时的相互交割加剧，结果即产生固定的割阶、位错缠结等障碍，使位错运动的阻力增大，引起变形抗力增加，给继续塑性变形造成困难，从而提高金属的强度。
规律：变形程度增加，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，位错密度不断增加，根据公式Δσ=αbG ρ1/2，可知强度与位错密度（ρ）的二分之一次方成正比，位错的柏氏矢量（b）越大强化效果越显著。
方法：冷变形（挤压、滚压、喷丸等）。
形变强化的实际意义（利与弊）：形变强化是强化金属的有效方法，对一些不能用热处理强化的材料可以用形变强化的方法提高材料的强度，可使强度成倍的增加；是某些工件或半成品加工成形的重要因素，使金属均匀变形，使工件或半成品的成形成为可能，如冷拔钢丝、零件的冲压成形等；形变强化还可提高零件或构件在使用过程中的安全性，零件的某些部位出现应力集中或过载现象时，使该处产生塑性变形，因加工硬化使过载部位的变形停止从而提高了安全性。
另一方面形变强化也给材料生产和使用带来麻烦，变形使强度升高、塑性降低，给继续变形带来困难，中间需要进行再结晶退火，增加生产成本。
2、固溶强化随溶质原子含量的增加，固溶体的强度硬度升高，塑性韧性下降的现象称为固溶强化。
强化机理：一是溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，对滑移面上运动的位错有阻碍作用；二是位错线上偏聚的溶质原子形成的柯氏气团对位错起钉扎作用，增加了位错运动的阻力；三是溶质原子在层错区的偏聚阻碍扩展位错的运动。
所有阻止位错运动，增加位错移动阻力的因素都可使强度提高。
固溶强化规律：①在固溶体溶解度范围内，合金元素的质量分数越大，则强化作用越大；②溶质原子与溶剂原子的尺寸差越大，强化效果越显著；③形成间隙固溶体的溶质元素的强化作用大于形成置换固溶体的元素；④溶质原子与溶剂原子的价电子数差越大，则强化作用越大。
材料科学基础教案PPT学习教案精选全文
教学难点
1. 晶体结构； 2. 合金相结构 3. 高分子材料、陶瓷材料的结构特点；
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教学过程
一、复习上一节内容 二、导入新课 三、讲授新课 四、小结 五、思考题 六、作业
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复习上一节内容
1、材料科学在国民经济中的重要地位是什么？ 2、如何对工程材料进行分类？
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学时分配
1．讲课 50 2．实验 10 3．课堂讨论 2 4．机动 1
总学时 63
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教学过程
1. 后次复习前次概念 2. 本次讲授内容的引 入 3. 新教学内容的讲授 过程 4. 小结 5. 思考题 第11页/共125页 6． 作业
实验内容
1．金相试样的制备 2．金相显微镜的使用 3．铁碳合金平衡组织观察 4．金相摄影 5．金属塑性变形与再结晶 6．位错腐蚀坑观察
属工艺学和金工教学实习为基础的课程，在学习时应联系上述基 础课程的有关内容，以加深对本课程内容的理解。同时本课程是 材料科学与工程的基础，在今后学习有关专业课程时，还应经常 联系本书的有关内容，以便进一步掌握所学的知识。
第5页/共125页
教学指导思想
1. 从材料科学与工程材料应用的角度出发讲授《 材料科学基础》，体现21世纪教学理念、教学改 革精神和世界工程教育思想。 2. 严格按《材料科学基础》教学大纲及《材料科 学基础实验大纲》进行教学，注意课程内容的准确 定位和整体优化。 3. 开设的实验及课堂讨论应有利于学生分析问题 、解决问题的能力及创新能力培养。
材料科学基础教案PPT课件
会计学
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第一部分 前言
材料科学是研究材料的化学成分、组织结构、加 工工艺与性能之间关系及变化规律的一门科学。材料 科学基础的任务是根据工程和科学技术发展的需要设 计研制新型工程材料；解决材料制备原理和工艺方法， 获取可供使用的工程材料；解决材料在加工和使用过 程中组织结构和性能变化的微观机理，从中找出合宜 的加工工艺、强化工艺和延寿措施；创新测试材料成 分、组织结构和性能的方法，完善测试技术；合理地 选择和使用工程材料。
材料科学及工程方法论—2材料科学及工程研究客观规律
中南大学 王德志
提纲
一 方法论概述 二 材料科学与工程研究的客观规律性 三 材料科学与工程的整体观 四 材料结构、性能与表征的因果关系 五 材料设计与制备的统一性 六 环境、能源、信息、军工、铁道材料的发展观
二、材料科学与工程研究的客观规律
1. 科研程序
【提出问题】 【文献检索】 【建立假说】 【确定方案】 【确定题目】 【开题报告】
③ 具有个人的初步实践经验 体会；
④ 可被重复验证。
力求科学假说符合“思路 新、起点高、意义大”的 基本原则。
1. 科研程序
【建立假说】
假设内容的整理 ——问题是什么？ ——研究对象 ▲材料：一般需有研究基础 ▲工艺 ▲其他 ——措施或研究因素 ——产生什么结局或效应
1. 科研程序
【确定方案】
证实较高的科学假说的内容。 构思合理、巧妙，选择试验手段要从科学逻辑上考虑和推敲，使观察的
试验内容真正反映假说内容，性能指标与处理因素之间有实际性联系， 有充分理由说明指标能真正反映效应。
1. 科研程序
【确定题目】
有了以上的思路及工作基础，就要给拟研究的内容进行立题。 课题题目是整个课题研究内容的全部概括，是指导课题研究的主题，贯穿
新颖
即创新性，所研究的新理论、新 技术及新方法等创新之处及特点， 应尽可能在题目上体现出来，读 后使人留下深刻印象。
醒目
文字精湛传神，引人入胜，使人 读后产生要立刻读下去的欲望。 一般应确定几个题目，反复比较 后选取一个比较贴切的，再进行 修订。在实验完成后还要进行一 番思考，题目是否确切合适，还 可以进一步修改完善。
要善于捕捉、善于联想、善于比较，培养观察力和注意力，及 时捕捉思维活动中刹那间暴发出来的思想火花，把握机遇。 Fleming发现青霉素（1928年），1945年获诺贝尔医学奖。 “……我宁愿告诉你们真实的情况，即青霉素的发现始于对一 个现象的意外观察，而我唯一的功劳仅仅是没有忽略观察。” 1988年，彼得·阿格雷在研究孕妇体内的Rh排斥性时意外发 现细胞膜水通道。（2003年获诺贝尔化学奖）
材料科学与工程主要研究对象和内容
材料科学与工程主要研究对象和内容材料科学与工程是一门研究物质结构、性能、制备和应用的学科。
它主要研究的对象是各种材料，包括金属、陶瓷、高分子材料、复合材料等。
材料科学与工程的研究内容涉及材料的组成、结构、性能以及制备和加工技术等方面。
材料科学与工程研究的一个重要方向是材料的组成和结构。
材料的组成决定了它的化学成分和元素组合，而材料的结构则决定了它的晶体结构、晶粒大小和晶界形貌等。
通过对材料的组成和结构进行研究，可以揭示材料的基本性质和行为规律，为材料的性能改进和应用提供理论依据。
材料科学与工程关注材料的性能。
材料的性能包括力学性能、热学性能、电学性能、光学性能等多个方面。
力学性能包括材料的强度、韧性、硬度等指标，热学性能包括材料的导热性、热膨胀系数等指标，电学性能包括材料的导电性、介电性等指标，光学性能包括材料的透明度、折射率等指标。
通过对材料性能的研究，可以评价材料的优劣，并优化材料的设计和制备过程。
材料科学与工程还涉及材料的制备和加工技术。
材料的制备包括合成、熔炼、溶液法、固相法等多种方法，通过这些方法可以获得具有特定组成和结构的材料。
材料的加工技术包括铸造、锻造、深冲压、焊接、涂覆等多种方法，通过这些方法可以对材料进行形状和结构的调控，以满足不同的工程需求。
材料科学与工程还关注材料的应用。
材料的应用涉及到各个领域，如航空航天、汽车、电子、能源等。
材料科学与工程通过研究不同材料的特性和制备加工技术，为不同领域的应用提供支持。
例如，研究新型金属材料的力学性能和耐蚀性，可以为航空航天领域的材料选择和设计提供参考；研究新型光电材料的光学性能和电学性能，可以为电子领域的材料开发和器件设计提供支持。
材料科学与工程主要研究的对象是各种材料，研究内容涉及材料的组成、结构、性能以及制备和加工技术等方面。
通过对材料的研究，可以揭示材料的基本性质和行为规律，并为材料的性能改进和应用提供理论依据。
材料科学与工程在各个领域的应用中起到了重要的支撑作用，为社会经济的发展做出了重要贡献。
无机材料科学基础
无机材料科学基础无机材料科学是一门研究无机材料的结构、合成、性能、制备及应用的学科。
无机材料包括金属、陶瓷、无机玻璃以及无机纳米材料等。
无机材料科学的发展对于现代工业、能源、环境保护以及生物医学等领域的发展有着重要的影响。
无机材料的特点是具有高硬度、高熔点、耐磨耗，同时也具有良好的导电性和热导性。
无机材料除了具有传统材料的性质外，还可以通过改变其微观结构和形貌来调控其性能。
因此，无机材料科学的基础研究对于新材料的设计和制备具有重要意义。
无机材料的结构研究是无机材料科学的关键领域之一、通过研究无机材料的晶体结构，可以揭示其物理性质和化学性质之间的关系。
常用的结构表征方法包括X射线衍射、电子显微镜和扫描探针显微镜等。
基于结构研究的探索，可以发现新材料的结构规律和优化设计材料的结构。
无机材料的合成是另一个重要的研究领域。
合成方法的选择和优化对于材料的性能和应用有着重要的影响。
常用的合成方法包括溶剂热法、溶胶凝胶法、水热合成和溶液法等。
通过合成方法的调控，可以制备出具有特殊结构和性能的无机材料。
无机材料的性能研究是无机材料科学的核心内容之一、包括物理性能、化学性能、机械性能以及光电性能等。
例如，研究材料的导电性能可以指导材料的电子器件的应用，研究材料的光电性能可以指导光电器件的设计和制备。
因此，性能研究是无机材料科学的重要研究领域之一无机材料的制备是无机材料科学的重要环节。
无机材料的制备方法可以分为物理制备和化学制备两类。
物理制备方法包括磁控溅射、蒸发、激光熔融等，化学制备方法包括溶液法、凝胶法、水热法等。
合适的制备方法可以提高材料的纯度和结晶度，同时还可以控制其形貌和尺寸。
无机材料的应用涵盖了众多领域。
例如，金属材料广泛用于机械、航空，能源等领域；陶瓷材料被广泛应用于建筑、电子、医疗等方面；无机纳米材料则在微电子、光电子、生物医学等领域有着重要的应用价值。
总之，无机材料科学是研究无机材料的结构、合成、性能、制备及应用的学科。
材料科学中的热力学理论
材料科学中的热力学理论材料科学作为一个交叉学科，涉及多个领域，其中热力学理论是不可或缺的一部分。
热力学理论主要研究热力学基本规律和热力学过程，包括物质的热力学性质、热平衡和热非平衡现象的分析等。
在材料科学中，热力学理论的应用主要是对物质的热力学性质进行研究和分析，以探究材料的性能和行为。
一、热力学基本规律在材料科学中的应用热力学基本规律是热力学理论的核心内容，其中包括热力学第一定律和热力学第二定律。
热力学第一定律指出，能量守恒，即在一个孤立系统中，能量不能被创造或被破坏，只能被转化为其他形式。
在材料科学中，这条基本规律被广泛应用于材料加工和生产过程中的能量转化及利用，例如金属加工中的热处理、材料烧结、热能利用等。
热力学第二定律则指出了热力学过程中不可逆的性质，如热传导、熵增加等。
在材料科学中，这个规律常被用于材料的热稳定性和热失稳性分析，以及对各种热力学过程的优化和控制。
例如，热稳定性分析能够帮助材料工程师优化材料陈化和处理过程，以防止材料热失稳导致结构破坏和性能下降。
二、热力学性质分析在材料科学中的应用材料的热力学性质包括热容、热导率、扩散系数和热膨胀系数等，这些性质对于材料的性能和行为都起着至关重要的作用。
例如，热导率和扩散系数决定了材料的热传导和质量传递，而热膨胀系数则影响材料的热胀冷缩和材料结构的稳定性。
在材料科学中，热力学性质分析的方法包括实验测量和理论计算。
实验测量常用的仪器有差热分析仪、热重分析仪、热扩散仪和热膨胀仪等，这些仪器能够测定材料的热容、热导率、扩散系数和热膨胀系数等热力学性质。
理论计算则是通过模拟和计算分析材料的热力学性质，借助计算机技术，能够精确计算材料的热力学性质及其随温度、压力和组成的变化规律。
借助热力学性质分析，材料科学家能够更加深入地了解材料的性质和行为，为制定材料设计和选材方案提供依据。
三、热力学非平衡现象的分析热非平衡现象是指材料在高温、大应变等极端条件下，出现失稳、破裂和形变等不可逆变化的现象，这些现象对材料的应用和安全性都有着重要的影响。
材料科学研究方法
物质：是指在人类生活环境内所能获取的单元素的单质或多元素的化合物，物质是制备材料的原料，材料是物质，但不是所有物质都是材料。
材料的分类：根据材料的化学组成：金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料根据材料用途：结构材料和功能材料材料学科的交叉和渗透(论述):1、三大材料的交叉，衍生出许多的复合材料；以金属为基体加入陶瓷等无机物组成为具有优异性能的金属基复合材料。
2、基础学科向各材料学科的交叉和渗透；物理、化学、力学、热力学、动力学等与金属材料的结合形成物理冶金。
3、各材料学科之间的相互渗透、移植与借鉴；金属冶金上的结构、亚结构等概念在科学观念上和工业生产上开始向非金属渗透。
4、在制造技术上也是相互渗透、移植和借鉴；粉末冶金借鉴了传统的陶瓷制造技术，所以被称为金属陶瓷术。
5、新技术在各类材料中都得到了广泛的应用；等离子技术在冶金工业、金属材料焊接、表面化学热处理、气相沉积、高分子和无机非金属材料等许多技术得到广泛的应用。
材料科学与工程的定义：材料科学与工程是关于材料成分、结构、工艺和他们性能与应用之间有关知识开发和应用的科学。
它是从科学岛工程的一个专业连续领域，其间，各专业广传贯串整个体系。
材料科学与工程五要素的模型：成分、合成/制备、组织结构、性质和效能。
材料的成分、工艺、组织结构、性能是密切相关的。
材料科学研究分类：基础研究又分为纯基础研究（没有商业目的而进行的为了使科学知识进展的原始性研究）和应用基础研究（有广泛应用背景，但以针对技术中存在的普遍性问题进行理论探索）两类、应用研究（运用基础研究成果，探索、开辟应用的新途径）、开发研究（应用基础研究和应用研究的成果，从事某一新产品或工程设计、试验和试制所涉及到的一些列技术工作）科学研究选题的基本原则1、需要性原则：满足社会需要和科学自身发展的需要，有实际生产的需要、社会生活的需要和科学本身发展的需要。
2、科学性原则：研究选题必须有科学理论依据。
材料科学研究的基本方法
2、生吞鱼胆丧人命
鸡苦胆→治百日咳； 猪苦胆→治气管炎； 蛇苦胆→治风湿→鱼胆能美容 一妇女生吞鱼胆丧人命 —《卫生与生活报》（1993.1）报道
厚德
弘毅
博学
笃行
演绎法
定义：从已知的一般原理、定理、法则、公理或科学概念出发， 推论出某些事物或现象具有某种属性或规律的新结论的 一种科学研究方法。
3.1.3
基本通 式
规律；
其中，a1、b1、c1分别于a、b、c相同或相 似。
结论：d1与d的相同或相似
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3.3.2 型
类比法的基本类
数学相似类比法
综合类比法
基本类型
因果类比法
对称类比法
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例如：泡沫金属材料的发明
面包的多孔疏松→自身释放气体形成小气泡 因果类比：在金属中增加一些添加剂、改变制造工艺，发明了泡沫金属 材料
厚德
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博学
笃行
归纳与演绎法领域的三位著名科学家代表
培根（英国）
厚德
笛卡尔（法国）
弘毅 博学
伽利略（意大利）
笃行
例如：形状记忆材料的开发
形状记忆现象 1958年发现Ni-Ti合金具有具有形状记忆特性
机理：热弹性马氏体 归纳 凡是具有热弹性马氏体的合金都能做形状记忆合金 演绎 开发研制CuZn；Cu，Al，Ni；CuAu，Zn形状记忆合金
厚德
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博学
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拉链工艺品
左上——拉链胸针 左下——拉链项链 右上——拉链手镯
厚德
弘毅
博学
笃行
例如：稀土在材料领域的辐射移植 球铁 灰铸铁 农用稀土 化肥
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材料科学研究的基本方法与规律
摘要本文首先从广义和狭义上对材料研究方法进行了定义，从材料的组成和结构出发，根据不同的应用场合和不同的结构层次对材料进行层次划分。
对非宏观层次的材料按信息形式分为图像分析法和非图像分析法，并对它们进行了阐述和讨论。
关键词材料结构层次，图像分析法，非图像分析法
Methods and Rules of Materials Science Research
LIU Chensi
Sochow University, Mechanical and Electrical Engineering
ABSTRACT In this paper, materials research methods from the broad and narrow are defined at first, then according to different applications and different structural levels of materials the material composition and structure of the hierarchy divided. Forms of information into non-macro-level materials are divided into image analysis and image analysis, and they are elaborated and discussed.
KEY WORDS l evel of the material structure, image analysis, non- image analysis
材料科学的主要任务是研究材料，而研究材料必须以正确的研究方法为前提。
研究方法从广义来讲，包括技术路线、实验技术、数据分析等。
具体来说，就是充分了解研究对象所处的现状的基础上，根据具体目标，详细制定研究内容、工作步骤及所采用的实验手段，并将实验获得的数据进行数学分析和处理，最后得出规律或建立数学模型。
其中，技术路线的制定是至关重要的，实验方法的选择也是非常关键的。
譬如说，虽然制定出完整的技术路线，但若没有相应的实验方法或先进的测试手段与之对应，则难以达到预期的目的；反过来，若仅有先进的测试手段，而没有正确的技术路线，也同样难以达到预期目的。
两者相辅相成，缺一不可。
从狭义上来说，研究方法就是某一种测试方法。
如X射线衍射分析、电子显微技术、红外光谱分析等，包括实验数据（信息）获取和分析。
因为每一种实验方法均需要一定的仪器，所以也可以说，研究方法指测试材料组成和结构的仪器方法。
图1 材料结构分析研究方法
Figure 1 Aalysis Methods of Mterial Structure
如图1 (参考［1］) 所示，材料的组成和结构的测试方法有多种，应根据不同的应用场合进行选择。
材料的结构，是指材料系统内各组成单元之间的相互联系和相互作用方式。
材料的结构从存在形式上来讲，无非是晶体结构、非晶体结构、孔结构及它们不同形式且错综复杂的组合或复合；而从尺度上来讲，又分为微观结构、亚微观结构、显微结构和宏观结构等四个不同的层次。
每个层次上观察所用的结构组成单元均不相同。
材料层次大体上是按观察用具或设备的分辨率范围来划分的，如宏观与显微结构的划分以人眼的分辨率为界，显微结构和亚显微结构的划分以光学显微镜的分辨率为界，亚显微结构和微观结构的分界相当于普通扫描电子显微镜的分辨率。
表1 材料结构层次的划分及所用观察设备
Table 1 Classification and Observation Equipment of Material Structure Level
除宏观结构可直接用肉眼观察外，其他层次结构的研究手段一般需要借助仪器。
仪器分析按信息形式可分为图像分析法和非图像分析法；按工作原理，前者主要是显微术，后者主要是衍射法和成分谱分析。
显微术和衍射法均基于物理方法，其工作原理是以电磁波（可见光、电子、离子和X射线等）轰击样品激发产生特征物理信息，这些信息包括电磁波的透射信息、反射信息和吸收信息（图2 (参考［2］) ），将其收集并加以分析从而确定物相组成和结构特征。
基于这种物理原理的具体仪器有光学显微镜、电子显微镜、场离子显微镜、X射线衍射仪、电子衍射仪、中子衍射仪。
图2 样品特征物理信息示意图
图像分析法是材料结构分析的重要研究手段，以显微术为主体。
光学显微术是在微米尺度观察材料结构的较普及的方法，扫描电子显微术可达到亚微观结构的尺度，透射电子显微术把观察尺度推进到纳米甚至原子尺度（高分辨电子显微术可用来研究原子的排列情况）。
图像分析法既可根据图像的特点及有关的性质来分析和研究固体材料的相组成，也可形象地研究其结构特征和各项结构参数的测定。
其中最有代表性的是形态学和体现学研究。
形态学是研究材料中组成相的几何形状及其变化，进一步探究它们与生产工艺及材料性能间关系的科学。
体视学是研究材料中组成相的二维形貌特征，通过结构参数的测量，确定各物相三维空间的颗粒的形态和大小以及各相百分含量的科学，它需借助于辅助接口将显微镜与其他电子仪
器及计算程序结合起来，构成自动的结构图像分析系统。
场离子显微术利用被检测材料做成针尖表面原子层轮廓边缘的电场不同，借助惰性气体离子轰击荧光屏可以得到对应原子排布的投影像，也达到原子尺度的分辨率。
20世纪80年代中期发展起来的扫描隧道显微镜和原子力显微镜，在材料表面的高度方向和平面方向的分辨率分别达到0.05nm和0.2nm，为材料表面的表征技术开拓了新的领域。
电子显微术还可与微区分析方法（如电子探针显微分析、波谱、能谱等）相结合，定性甚至定量研究材料的化学组成及其分布情况。
如前所示，非图像分析法分为衍射法和成分谱分析，前者主要用来研究材料的结晶相及晶格常数，后者主要测定材料的化学成分。
（1）衍射法
衍射法包括X射线衍射、电子衍射和中子衍射等三种分析方法。
无机非金属材料的结构测定仍以X射线衍射法为主。
这一技术包括德拜粉末照相，背发射和透射劳厄照相，高温、常温、低温衍射仪法，四圆衍射仪等。
X射线衍射分析物相较简便、快捷，适于多相体系的综合分析，也能对尺寸在微米量级的单颗晶体材料进行结构分析。
由于电子与物质的相互作用比X射线强4个数量级，而且电子束又可以在电磁场作用下会聚得很细小，所以微细晶体或材料的亚微米尺度结构测定特别适于用电子衍射来完成。
与X射线、电子受原子的电子云或势场散射的作用机理不同，中子受物质中的原子核的散射，所以轻重原子对中子的散射能力差别比较小，中子衍射有利于测定材料中轻原子的分布。
总之，这三种衍射法各有特点，应视分析材料的具体情况作选择。
不过目前中子衍射仪价格较高，只有少数实验室能进行试验。
（2）成分谱分析
成分谱用于材料的化学成分分析，成分谱种类很多：①光谱，包括紫外光谱、红外光谱、荧光光谱、激光拉曼光谱等。
光谱分析技术是基于物质与辐射能作用时，测量由物质内部发生量子化能级之间的跃迁而产生的发射、吸收或者散射辐射的波长和强度进行材料分析的技术，可分为原子光谱和分子光谱原子光谱分为原子发射光谱法、原子吸收光谱法、原子荧光光谱法以及X射线荧光光谱法等。
分子光谱包括紫外—可见光光度法、红外光谱法、分子荧光光谱法和分子磷光光谱法。
（［2］）②色谱，包括气相色谱、液相色谱、凝胶色谱等；③热谱，包括差热分析仪、热重分析仪、示差扫描量熱计等；此外，还有原子吸收光谱、质谱。
与此不同的是用于表面分析的能谱和探针，前者有X射线光电子能谱、俄歇电子能谱等，后者包括电子探针、原子探针、离子探针、激光探针等。
另有一类谱分析是基于材料受激发的发射谱与具体缺陷附近的原子排列状态密切相关的原理而设计的，如核磁共振谱、电子自旋共振谱、穆斯堡尔谱、正电子湮没分析等。
参考文献
[1] Wang P M，Xu Q W. Research Methods of Materials. Beijing: Science Press,2005:3
(王培铭，许乾慰.材料研究方法.北京：科学出版社，2005:3)
[2]Zhu H G, Wang H Z. Timber Materials Science and Testing Methods. Nanjing: Southeast University Press, 2008:300
(朱和国，王恒志.材料科学研究与测试方法.南京：东南大学出版社，2008:300)。