材料科学基础教案

材料科学基础(Foundations of Materials Science)

材料工程系

材料成型与控制工程

专业

任课教师-张敬尧

绪论

(Introduction)

一.什么是《材料科学基础》

二. 材料科学的重要地位

三.学习《材料科学基础》的必要性

四.《材料科学基础》涵盖的主要内容

五.怎样学好《材料科学基础》

一.什么是《材料科学基础》

什么是材料科学？什么是材料科学基础？

材料科学是研究材料的成分、组织结构、制备工艺、材料的性能与应用之间的相互关系的科学。其核心为研究材料组织结构与性能的关系。它是当代科技发展的基础、工业生产的支柱，是当今世界的带头学科之一。作为分支之一的新兴的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。

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）的微观特性和宏观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。

二、材料科学的重要地位

●人类社会发展的历史阶段常常根据当时使用的主要材料来划分。从古代到现在人类使用材料的历史共经历了6个时代：石器时代→青铜器时代→铁器时代→钢时代→半导体时代→新材料时代

●20世纪70年代，人们把信息、材料和能源称为当代文明的三大支柱；80年代，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志；90年代以来，把材料、信息、能源和生物技术作为国民经济发展的四大支柱产业。

●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项是基于先进材料基础之上。

故材料科学是科技发展的基础、技术进步和工业化生产的支柱。

三. 学习《料料科学基础》的必要性

（一）材料科学的核心问题

材料科学是以物理、化学、物理化学等学科为基础，涉及材料晶体结构、材料热力学、材料动力学、材料性能等系统的材料科学知识。

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。下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？

1/28/2011 3:16:38 PM 扬州大学机械工程学院16

Synthesis

+processing Structure

Performance/Application

Properties

●材料的结构包括晶体结构和非晶体结构，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。

●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

●材料的性能包括物理性能、化学性能、力学性能。

（二）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”的问题。

●材料科学：是一门科学，它从事材料本质的发现、分析和了

解，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：

●材料科学和材料工程之间的区别主要在于着眼点的不同或者

为说各自强调的重点不同，它们之间并没有一条明确的界限；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。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）

（三）材料的分类

（І）根据服役要求分类—结构材料和功能材料

●结构材料：以强度，硬度，刚度，韧性，疲劳强度等力学性能为特征的材料。

●功能材料：以声，光，电，磁，热等物理性能为特征的材料（如电子材料、光电子材料、超导材料等）。

（Π）按物理化学属性（结合键种类）分类—金属、陶瓷、高分子和复合材料

●金属材料：黑色金属（钢铁）、有色金属（除钢铁以外的）

●陶瓷材料：氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷

●高分子材料：塑料、橡胶、合成纤维

●复合材料：金属基、陶瓷基、树脂基复合材料

（四）材料的应用

●计算机与材料

1、计算机经历：电子管→晶体管→集成电路时代

2、个人电脑移动存储器的比较

材料科学的发展是计算机飞速发展的基础。

●飞机和材料

●材料和生活用品

如钛合金自行车、形状记忆合金百叶窗等。

四.《材料科学基础》涵盖的主要内容

●理论课程的主要内容：

1. 材料的微观结构，包括原子的排列方式，固体结构、晶体缺

陷、固体中原子和分子的运动（扩散）、材料的变形和回复再结晶。

2. 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。

3. 实际材料的状态，包括晶体、非晶体、亚稳态。

●实验内容：