材料科学基础 1绪论

《材料科学基础》教材的编写
本教材是按金属、陶瓷、高分子材料在微观组织和 性能的异同性来编排的，同时涉及结构材料和功能 材料的基础知识，以期对各种材料的本质有更全面 和深刻的认识。
本课程的主要内容

本课程的主要内容：

固体中原子和分子的运动（扩散） 材料组织结构的变化规律，包括单元系的相变、二元 合金系的相变规律、三元合金系的相变规律。 功能材料介绍

在Cohen的报告中，阐明材料科学与工程学科的 重要内容为：“材料的成分、结构、组织以及加 工制造工艺和性能之间的关系”，强调“材料科 学与工程是一个整体”。
材料科学与工程学科的内容
Cohen, Flemings, R. Cahn 师昌绪 图1 材料科学与工程学科内容示意图
材料科学与工程学科的内容
石
器
时 代
青 铜 器 时 代
铁 器 时 代
钢时代
新材料时代
航天飞机集火箭，卫星和飞机的技术特Байду номын сангаас于一身
材料科学与工程学科的建立

受1957年苏联人造卫星上天（半年后美国人造卫星也跃 空巡视宇宙）的刺激，1959年美国成立委员会研究材料 学科的设置。以MIT的Morris Cohen为主席的委员会认 为，按材料需要的发展，应将当时冶金学科、陶瓷学科和 高分子材料学科合并为材料科学与工程学科。
形状记忆合金的应用
NiTiNb管接头与传统的管接头
Ni-Ti记忆合金的骨折固定
温室温度控制元件
形状记忆合金铆钉连接
形状记忆合金的应用

宇宙飞船的通信天线 l970年，美国首先将NiTi形状记亿 合金用于宇宙飞船天线。在宇宙飞船发射之前的室温条件 下，将经过形状记忆处理的NiTi合金丝折成直径在5cm以 下的球状放入飞船内，飞船进入太空轨道后，通过加热或 者是利用太阳热能，使合金丝升温，达到77OC被折成球 状的台金丝就完全打开，成为原先设定的抛物面形状，充 当天线，克服了需大型天线的飞船发射困难。

3 多层次设计
材料科学与工程学科的内容

材料理论与建模包括：材料热力学、动力学及其建模，根 据所建模型作出材料显微组织演变的计算机模拟，有关的 专业期刊有：

CALPHAD Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering Computational Materials Science ThermoCalc Jmatpro
目前，3维（3D）和4维（4D）组织和结构（X射线衍射）的 研究正在兴起，见下图。
3D显微组织图像
电子显微镜发展
Ruska 在三十年代研制出第一台电子显微镜,战后(1954 年) 又在 极端困难条件下发展出带有电子衍射功能的高分辨电镜Elmiskop I。他 在1986 年获得这个迟到的但却是当之无愧的诺贝尔物理奖。材料科学 的几次突破性进展充分说明电子显微镜的重要性。首先是电子衍射与成 像的结合使位错的直接观察得以实现。位错等晶体缺陷因此得以成为六、 七十年代的研究热点。选区衍射使晶体结构分析进入到微米甚至到纳米 层次。高分辨电镜已发展到分辨单个原子的水平,这就为九十年代发现 和研究纳米碳管创造了条件,开辟了纳米技术的新纪元.

材料的历史地位

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，材料是时代进步的标志。从古代到现代人类使用材料 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） 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）
我国材料科学与工程学科发展的情况

在我国另一个显著的特点是众多的二级学科。本科生有冶 金学科的几个二级学科及材料学科的几个二级学科，名目 繁多，均为以前的专业或专门化；研究生则设材料学、材 料加工以及材料物理与化学三个二级学科。
我国材料科学与工程学科发展的情况

由于我国材料学科的研究生设有《材料物理与化学》二级 学科，一些拥有物理系和化学系的大学，包括师范大学和 学院就设立或申请《材料物理与化学》的硕士点、博士点。 设有电子工程专业和其他有关专业的也竞相争取设立有关 的二级学科博士点，有的学校设有材料科学与工程学院， 但在化工（化学）学院内又成立高分子材料系。
材料科学基础 II
主讲教师：王晓东 戎咏华
Email：xdwang77@sjtu.edu.cn yhrong@sjtu.edu.cn 办公室：材料楼503 电 话：54745567
《 Fundamentals of Materials Science》
绪论

材料科学的基本概念
材料的历史地位 材料科学与工程学科的建立 《材料科学基础》的内容 我国的发展情况

新型建筑材料

材料科学与工程学科的内容

结构材料之间关系
材料结构的表征方法
•
金相法
Widmanstabtten 在19 世纪初用硝酸水溶液腐刻铁陨石切片, 观察到片 状Fe-N i 奥氏体的规则分布(魏氏组织) , 予告金相学即将诞生。 Sorby 在1863 年用反射式显微镜观察抛光腐刻的钢铁试样, 不但看到 珠光体中的渗碳体和铁素体的片状组织, 还对钢的淬火和回火作了初步 探讨, 金相学已基本形成。到19- 20 世纪之交,Martens (马氏) 和 Osmond 对金相学的发展和金相检验在厂矿中的推广做了重要贡献, 同 时Roberts-Austen (奥氏) 和Roogzeboom 初步绘制出Fe-C 平衡图, 为 金相学奠定了理论基础。到了二十世纪中叶, 金相学已逐步发展成金属 学、物理冶金和材料科学。

材料科学 ：是一门科学，它从事与材料本质的实 验揭示、理论分析方面的研究，以解释或预测材 料微观结构（点阵结构和组织形态）与性能之间 的关系。它包括下面的四个环节，微观组织的设 计和控制取代传统“炒菜”方式，这是当前研究 新材料的发展方向。
材料科学
成分
工艺
结构
性能
材料科学与材料工程的关系

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。
材料工程 设备 工艺 结构 性能 构件行为
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）
材料科学与工程学科的内容
如何将繁多的研究领域归纳成几个方向，当可各抒己见。 徐祖耀院士认为英国牛津大学材料系归纳得较为得体，他 们将材料学科的内容归纳成： 加工（processing）； 表征（characterization）； 性质（property）； 理论和建模（theory and modeling）。

200
400
600 屈服强度 (MPa )
800
1000
1200
• IF:无间隙原子钢 • Mild:低碳铝镇静钢 • HSSIF:高强度IF钢 • BH:烘烤硬化钢 • IS:各向同性钢 • CMn：碳锰钢 • HSLA:高强度低合金钢 • DP:双相钢 • CP：复相钢 • TRIP:相变诱发塑性钢 • Mart：马氏体钢 • TWIP：孪晶诱发塑性钢 • Stainless：不锈钢 • B steel：热冲压用钢


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材料科学与工程学科的内容
材料研究范围广宽，大致有下列几个方面。

传统材料性能改造

研究超高强度钢， 超级钢；

低晶界脆性铜，吸声﹑防冻水泥
材料科学与工程学科的内容

结构和功能材料开发，包括

复合材料，超均质材料，功能陶瓷； 低维材料，薄膜材料，梯度材料； 电子材料，非晶（大块）材料； 准晶材料，微米﹑纳米材料（＜100nm）； 生物﹑仿生材料，智能材料； 形状记忆材料，能源材料； 高阻尼材料，环境材料； 碳素材料（纳米碳管﹑纳米碳球） 节能﹑环保建筑材料
无机非金属材料学
陶瓷学 陶瓷工学 高分子材料学 高分子工学
材料科学与工程
材料科学与材料工程的关系

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。
材料科学与材料工程的关系
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
D HSL P, CP A
BH
CM n
MART
纳米材料的应用

航天液体火箭的涡轮泵及燃气通道等关键零件表 面需经受高温、高压和富氧燃气冲刷，要求零件 表面涂镀耐高温、抗氧化、耐冲刷的高温无机涂 层材料，而纳米陶瓷复合涂料就是良好的新材料。
我国材料科学与工程学科发展的情况

我国在上世纪80年代初期就相继改设《材料科学与工程系》 （徐祖耀院士于1982年任上海交大材料科学系首任系主 任），标志这个学科的建立。目前有几十所大学设立这个 系或学院，但多数并不完整，即不具备金属、陶瓷和高分 子材料的综合学科体系。

本课程的教学情况
“材料科学”的基本概念

材料是指人类社会能接受地，经济地制造有用物品的物质。 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。IT产业、生物技术和新材料并 称为21世纪三大主导产业。 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）
材料科学与工程学科的内容
应用举例：
材料成分和组织对性能的影响，近百年来已为人们说熟悉。 Titanic号船体钢由于Mn/S比不够高而导致脆断。 表2 Titanic、Lock Gate 及现代船用三种船体钢的成分
材料科学与工程学科的内容
图3 ASTM A36钢和Titanic船体钢纵、横向试样夏比冲击功与温度的关系
材料科学与工程学科的内容
图2 现代材料科学与工程的四个基元组成
材料科学与工程学科的内容

近年兴起材料成分和加工（工艺）设计、材料理 论和建模以及组织演变的计算机模拟，推进材料 科学与工程学科向新领域发展。关于材料成分和 加工（工艺）设计的方法有：

1 CALPHAD 2 相场（Phase Field）方法
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。