材料科学基础 绪论共44页
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材料科学基础绪论
高分子材料
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。
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。
材料科学基础完整ppt课件
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
离子% 结 ）= [-1 e 合 -1 4(X A 键 X B )（ 2 1% 00
另一种混合键表现为两种类型的键独立 纯在例如一些气体分子以共价键结合，而 分子凝聚则依靠范德瓦力。聚合物和许多 有机材料的长链分子内部是共价键结合， 链与链之间则是范德瓦力或氢键结合。石 墨碳的上层为共价键结合，而片层间则为 范德瓦力二次键结合。
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经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
八.材料科学研究的内容：材料结构的基础知识、
晶体结构、晶体缺陷、材料的相结构及相图、材
料的凝固、材料中的原子扩散、热处理、工程材
料概论等主要内容。 .
子，因此，它们都是良好的电绝缘体。但当
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处在
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
高温熔融状态时，正负离子在外电场作用 下可以自由运动，即呈现离子导电性。
2.共价键
（1）通过共用电子对形成稳定结构
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经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
三.结论
1.原子核周围的电子按照四个量子数的规定 从低能到高能依次排列在不同的量子状态 下，同一原子中电子的四个量子数不可能 完全相同。
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。
材料科学基础绪论PPT课件
• 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
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（二）材料科学与材料工程的关系
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学习料料科学基础的意义 （一）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？
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材料结构关系
第24页/共26页
• 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。
• 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。”
• 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。
《济地的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。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
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（二）材料科学与材料工程的关系
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学习料料科学基础的意义 （一）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？
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材料结构关系
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• 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。
• 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。”
• 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。
《济地的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。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。
材料科学基础简介PPT课件
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发展期
当高分子理论促进了合成高分子工 业的发展后，出现了一大批商品化 的合成材料，这些合成高分子（合 成材料）的出现，又为理论研究提 供了大量的实验依据和积累了丰富 的数据，促进了高分子物理学的迅 速发展。
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第38页/共47页
30～40年代，高物领域最有代表性的工作： W．Kuhn、E.Guth和H.Mark等把统计力学用于高 分子链的构象统计，建立了橡胶高弹性统计理论 Svedbergy用超离心技术测定蛋白质的分子量 1942年，Flory和Huggins用似晶格模型推导出高分 子溶液的热力学性质，理论上的解释了高分子稀溶 液的依数性质 Debeye和Zimm用光散射法研究高分子溶液性质， 测定了Mw
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第二节 材料的类别
1. 金属材料（metals）
1.1分类 (1)黑色金属材料－主要是指钢铁材料。 钢（Steel） 按化学成分分碳素钢、合金钢等；按品
质分普通、优质、高级优质钢等；按金相组织或组织结 构分珠光体、贝氏体、马氏体和奥氏体钢等；按用途分 建筑工程、结构、工具、特殊性能、专业用钢等；按冶 炼方法分平炉、转炉、电炉、沸腾炉钢等。
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2.2 结构
1、离子键：大多数盐类、碱类和金属氧化物主要 以离子键的方式结合。离子键键合的基本特点是以 离子而不是以原子为结合单元。
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一般离子晶体中正负离子静电引力较强， 结合牢固。因此。其熔点和硬度均较高。另 外，在离子晶体中很难产生自由运动的电子， 因此，它们都是良好的电绝缘体。但当处在 高温熔融状态时，正负离子在外电场作用下 可以自由运动，即呈现离子导电性。 2.共价键
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发展期
当高分子理论促进了合成高分子工 业的发展后，出现了一大批商品化 的合成材料，这些合成高分子（合 成材料）的出现，又为理论研究提 供了大量的实验依据和积累了丰富 的数据，促进了高分子物理学的迅 速发展。
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30～40年代，高物领域最有代表性的工作： W．Kuhn、E.Guth和H.Mark等把统计力学用于高 分子链的构象统计，建立了橡胶高弹性统计理论 Svedbergy用超离心技术测定蛋白质的分子量 1942年，Flory和Huggins用似晶格模型推导出高分 子溶液的热力学性质，理论上的解释了高分子稀溶 液的依数性质 Debeye和Zimm用光散射法研究高分子溶液性质， 测定了Mw
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第二节 材料的类别
1. 金属材料（metals）
1.1分类 (1)黑色金属材料－主要是指钢铁材料。 钢（Steel） 按化学成分分碳素钢、合金钢等；按品
质分普通、优质、高级优质钢等；按金相组织或组织结 构分珠光体、贝氏体、马氏体和奥氏体钢等；按用途分 建筑工程、结构、工具、特殊性能、专业用钢等；按冶 炼方法分平炉、转炉、电炉、沸腾炉钢等。
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2.2 结构
1、离子键：大多数盐类、碱类和金属氧化物主要 以离子键的方式结合。离子键键合的基本特点是以 离子而不是以原子为结合单元。
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一般离子晶体中正负离子静电引力较强， 结合牢固。因此。其熔点和硬度均较高。另 外，在离子晶体中很难产生自由运动的电子， 因此，它们都是良好的电绝缘体。但当处在 高温熔融状态时，正负离子在外电场作用下 可以自由运动，即呈现离子导电性。 2.共价键
材料科学基础张代东chap0 绪论ppt课件
HR=(k-h)/0.002 注：h: 压痕深度 k:常数，0.2或0.26mm; 0.002mm: 一个洛氏硬度单位
材料力学性能——硬度
维氏硬度HV
用对面夹角136度四棱锥金刚石压头，在力P 作用下压入材料，用压痕单位面积上承受的 力作为材料硬度的度量。力的大小从980N、 490N、297N到…0.192N不等。压痕小用显微 镜来观察，用于测量表层或微区。
概念补充
应力 有些材料在工作时,其所受的外力不随时间而变化,这时其 内部的应力大小不变,称为静应力 还有一些材料,其所受的外力随时间呈周期性变化,这时内 部的应力也随时间呈周期性变化,称为交变应力。材料在 交变应力作用下发生的破坏称为疲劳破坏.通常材料承受 的交变应力远小于其静载下的强度极限时,破坏就可能发 生. 另外材料会由于截面尺寸改变而引起应力的局部增大,这 种现象称为应力集中.对于组织均匀的脆性材料,应力集中 将大大降低构件的强度
试样拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积之比 ψ= (A原始- A断后)/ A原始×%=ΔA / A0 ×%
δ 、ψ越高，材料的塑性越好
通常ψ < 5% 为 脆性材料
材料力学性能——硬度
衡量材料软硬程度的指标，反映材料抵抗局部塑性变形的 能力
硬度与强度间存在一定关系
莫氏硬度（矿物硬度标准） 布氏硬度(HB) 洛氏硬度(HR) 维氏硬度(HV) 显微硬度(HV)
材料力学性能——拉伸试验
外力增加，试样伸长，得到P－L曲线，换算为-曲线 材料表现为弹性变形、均匀塑性变形、颈缩、断裂
金属的拉伸实验视频链接：
材料力学性能——弹性与刚度
弹性变形 特点
应力撤消后, 变形消失； 应力与应变成正比关系； 总变形量很小：<1% （金属）
材料力学性能——硬度
维氏硬度HV
用对面夹角136度四棱锥金刚石压头，在力P 作用下压入材料，用压痕单位面积上承受的 力作为材料硬度的度量。力的大小从980N、 490N、297N到…0.192N不等。压痕小用显微 镜来观察，用于测量表层或微区。
概念补充
应力 有些材料在工作时,其所受的外力不随时间而变化,这时其 内部的应力大小不变,称为静应力 还有一些材料,其所受的外力随时间呈周期性变化,这时内 部的应力也随时间呈周期性变化,称为交变应力。材料在 交变应力作用下发生的破坏称为疲劳破坏.通常材料承受 的交变应力远小于其静载下的强度极限时,破坏就可能发 生. 另外材料会由于截面尺寸改变而引起应力的局部增大,这 种现象称为应力集中.对于组织均匀的脆性材料,应力集中 将大大降低构件的强度
试样拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积之比 ψ= (A原始- A断后)/ A原始×%=ΔA / A0 ×%
δ 、ψ越高，材料的塑性越好
通常ψ < 5% 为 脆性材料
材料力学性能——硬度
衡量材料软硬程度的指标，反映材料抵抗局部塑性变形的 能力
硬度与强度间存在一定关系
莫氏硬度（矿物硬度标准） 布氏硬度(HB) 洛氏硬度(HR) 维氏硬度(HV) 显微硬度(HV)
材料力学性能——拉伸试验
外力增加，试样伸长，得到P－L曲线，换算为-曲线 材料表现为弹性变形、均匀塑性变形、颈缩、断裂
金属的拉伸实验视频链接：
材料力学性能——弹性与刚度
弹性变形 特点
应力撤消后, 变形消失； 应力与应变成正比关系； 总变形量很小：<1% （金属）
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
材料科学基础课件-绪论
2021/3/18
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三、材料的分类
◎ 按物质种类区分 金属材料
无机非金属材料
高分子材料
2021/3/18
钢铁材料 铜基材料 铝基材料
镍基材料 钛基材料 镁基材料
氧化物材料 氮化物材料 碳化物材料 砷化物材料 硅化物材料 硼化物材料
硅酸盐材料
聚甲醛塑料 环氧树脂 聚酰胺塑料 氨基树脂
聚砜塑料 有机硅树脂
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◎ 按性质特征区分
结构材料
力学性能
硬度
强度 塑性
韧性 耐疲劳
高强度、超塑性、 强韧性、高断裂韧 性材料，高温合金， 低温合金，超硬材
料，耐磨材料
功能材料
物理化 学性能
磁性 芯片，永磁，软磁，
电性 导电，超导，光导
光学性 纤维，热电偶，膨
热学 胀材料，热磁材料，
热电性
磁记录，
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◎ 按用途区分（以钢铁材料为例）
建筑用钢 工字钢 角钢 槽钢
工程结构钢
大型构件用钢 桥梁 球罐 车体 钢轨用钢 重轨 轻轨 道岔
造船钢
船舰艇
管线钢 机器制造钢
输油 输气
汽车部件用钢 机床部件用钢
其他机器用钢
工具钢
切削工具 模具 量具
不锈耐热钢
耐酸 耐碱 耐热 生活装饰
磁钢
硅钢 纯铁
2021/3/18
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结构材料
硬度
强度 塑性
韧性 耐疲劳
大型交通工具壳体
2021/3/18
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结构材料
硬度
强度 塑性
韧性 耐疲劳
大型结构骨架
2021/3/18
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中国矿业大学《材料科学基础》绪论
• 电能损耗小: 磁场强度为万高斯,常规电磁铁耗电7兆 瓦,而超导体仅需15千瓦。
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。
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
Bi2Sr2CaCu2O8
C60 K
1987:91K
1989:130K
1996,美国朱经武161K
美国杜克大学锂硼化合物Tc=39K 磁悬浮 快离子导体:电池 光电材料：太阳能电池 压电材料：遥控，超声，精密测量，地震预报
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b.与磁性能有关的材料 铁氧体(尖晶石，石榴石) 天线 磁材料 : ，钕硼铁(王震西) 磁记录材料 计算机存储 巨磁阻效应：利用磁场变换，电阻率发生变化， 高存储密度的硬盘。 6G硬盘，650M光盘，1999年IBM公司实现商业化
21
3.高分子材料
塑料：薄膜，包装用品，工程塑料等 合成纤维：尼龙 橡胶
4.复合材料
塑料基复合材料：玻璃钢，玻璃纤维增强树脂 金属基复合材料：金属陶瓷，航空航天，汽车 陶瓷基复合材料：航天
22
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。
历史时期的划分 以材料为标志 新石器时代(原始社会） 青铜器时代（奴隶社会） 铁器时代（封建社会） 水泥时代 钢时代 半导体时代
材料科学的发展推动了整个世界文明的发展，在某 种程度上决定了一个国家的发达水平。
3
材料科学，信息科学，与能源科学是新技术 革命的三个支柱，是实现新技术革命的关键。 2.材料是各种物理效应产生的物质基础 周光召：材料是高技术发展以及现代文明的物质 基础。材料科学一直是活跃的科学前沿。 从科学与技术关系来看，材料往往是科学 理论过渡到技术应用的成败关键，直接影响着许 多科技领域的进展。
材料科学基础PPT课件
第35页/共52页
Y-Sialon
材料观-结构
宏观结构 微观结构
第36页/共52页
结构的含义
宏观结构（眼睛观察范围-0.1mm） 显微结构（晶粒尺寸、分布、100m-0.1
m) 晶体结构（晶胞、晶格、Angstron） 原子结构（电子+质子+中子）
第37页/共52页
结构分析的工具
第38页/共52页
性能
材料性能：材料对外界作用的响应 力学性质：形变与断裂 热学性质：热容量、热导率、热膨胀 电学性质：电导率，介电性质 磁学性质：磁化率等 光学性质：折射或反射 劣化：材料的化学活性
第39页/共52页
组成-工艺过程-结构-性质之间关系 材料科学核心内 容
组成+加工工艺
微观组织结构
性能
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
第17页/共52页
3. 有机高分子材料（高聚物）
高聚物是由一种或几种简单 低分子化合物经聚合而组成 的分子量很大的化合物
高聚物的种类繁多，性能各 异，其分类的方法多种多样
按高分子材料来源分为天然
高分子材料和合成高分子材
℃，具有良好的塑性，能承受冷热加工 第27页/共52页
工艺过程－结构（显微结构）
aluminium before refinement
aluminium after refinement
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不同加工方法的工件组织与性能
第29页/共52页
结构的含义
宏观结构（眼睛观察范围0.1mm）
第10页/共52页
金属材料
在103种元素中，除6种惰性元素和16种非金属元素 外，81种为金属元素。
第0章材料科学基础绪论
05:17
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
05:17
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。
05:17
2024/5/4
05:17
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）。
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
05:17
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）。