材料科学基础

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人类对材料微观结构认识的发展过程
逻辑推理(古代哲学家， 1）逻辑推理(古代哲学家，432 BC.) 宏观形貌观察、观测（ 1669） 2）宏观形貌观察、观测（by eye, 1669） 3）数学理论计算 科学测定（ diffraction,等 4）科学测定（X-ray diffraction, electron diffraction,等） 古代中国有： 古代中国有： 日取其半，万世不竭” “日取其半，万世不竭” 道生一，一生二，二生三，三生万物” 老子》 “道生一，一生二，二生三，三生万物”（《老子》）； 以土与金、 火杂以成百物” 国语·正语 正语》 “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” “太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦，八卦交而生万物” 易经》 （《易经》）
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三、学习料料科学基础的意义
1、材料科学的内涵
使用性能
10/5/2011 Water - icosahedron
Ether - dodecahedron
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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 晶体的X 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） 电子显微镜（SEM、TEM） 扫描探针显微术***（STM、AFM） 扫描探针显微术***（STM、AFM） ***
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六出” 六花” 雪花 — “六出”、“六花” 六出 960A.D.） 楼钥 楼钥, 谢林景思和韵》 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。 黄昏门外六花飞，因倚胡床醉不知。 南朝•陈 557A.D.） 徐陵 徐陵， 咏雪》 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。 岂苦天庭瑞，轻雪带风斜。三农喜盈尺，六出舞崇花。 西汉（ B.C.- A.D.） 韩诗外传》 西汉（206 B.C.-24 A.D.）,《韩诗外传》： 凡草木花五出， 凡草木花五出，独雪花六出
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； 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， 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； 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， 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。 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、 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， 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。 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 年美国总统的科学顾问Allany.Bromley明确指出“ 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” 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 年日本为未来工业规划技术列举的11项主要项目中有7 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。 先进材料之上。 可见，材料科学历来是技术进步的支柱. 可见，材料科学历来是技术进步的支柱.
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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， 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） 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 观结构和宏观结构规律建立在共同的理论基础上， 于指导材料的研究、生产、应用和发展。它涵盖了材 于指导材料的研究、生产、应用和发展。 料科学和材料工程的基础理论。 料科学和材料工程的基础理论。 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、 材料工程是研究、开发、生产和应用金属材料、 是研究 无机非金属材料、 无机非金属材料、高分子材料和复合材料的工程领域。
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2、材料的发展史，就是科学技术的发展史 材料的发展史， 中国的四大发明：纸、火药、指南针、活字印刷 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 无线电 X光 雷达 原子堆 半导体 激光 10/5/2011 1821 1882 1887 1895 1935 1939 1948 1958 成品 1886 1915 1922 1913 1940 1942 1951 1960 发展时间 65 33 35 18 5 3 3 2
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一. 《材料科学基础》的基本概念 材料科学基础》
1、什么是材料 材料是指人类社会能接受的， 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。 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、 材料是具有一定性能，可以用来制作器件、构件、工 装置等物品的物质。材料存在于我们的周围， 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， 我们的生活、我们的生命息息相关） 。卫星发射，节 公斤重量将降低费用$20000 $20000。 省1公斤重量将降低费用$20000。一次发射节约费用 20%。 20%。 铝合金的主要应用领域如下： 铝合金的主要应用领域如下：
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石器时代（ ）：石斧 箭头纺轮 纺轮、 石器时代（ Stone Age）：石斧、凿、刀、铲、箭头纺轮、钵等 ）：石斧、 西安半坡遗址） （西安半坡遗址） 10/5/2011
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青铜器时代（公元前 青铜器时代（公元前3000年） 年
巨型司母戊大方鼎 （河南安阳晚商遗址） 河南安阳晚商遗址）
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二、材料科学基础的地位
1、材料的发展史，就是人类社会的发展史 材料的发展史， 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 从古代到现在人类使用材料的历史共经历了七个时代， 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： 时代的开始时间： 石器时代（公元前10万年） 10万年 石器时代（公元前10万年） 青铜器时代（公元前3000 3000年 炉火纯青) 青铜器时代（公元前3000年）(炉火纯青) 铁器时代（公元前1000 1000年 铁器时代（公元前1000年） 水泥时代（公元0 水泥时代（公元0年） 钢时代（1800年 钢时代（1800年） 硅时代（1950年） 硅时代（1950年 新材料时代（1990年 新材料时代（1990年）
《材料科学基础》 材料科学基础》
《Foundations of Materials
Science》
主讲: 主讲: 刘先兰
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绪
论
材料科学基础》 一.《材料科学基础》的基本概念 材料科学基础》 二.《材料科学基础》的地位 学习《材料科学基础》 三.学习《材料科学基础》的意义 材料科学基础》 四.《材料科学基础》的内容 如何学好《材料科学基础》 五.如何学好《材料科学基础》
湖北江陵楚墓出土 越王勾践宝剑
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《考工记》——成书于春秋时期 ，作为我国第一部手工 考工记》 成书于春秋时期 业工艺技术典籍，包含着大量的手工制作技术、 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。 丰富的科技思想。 考工记》的精彩、经典之处在“金有六齐” 《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， 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； 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； 居一，谓之大刃之齐；五分其金而锡居二，谓之削杀矢之齐； 锡半，谓之鉴（意为镜）燧之齐。 成分—— 金、锡半，谓之鉴（意为镜）燧之齐。 ——成分 成分 凡铸金之状，金与锡，黑浊之气竭，黄白次之； 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。 气竭，青白次之； 青白之气竭，青气次之； 然后可铸也。 炉火纯青） （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。这种用肉眼来观 准确地记述了冶铜过程中颜色随炉温变化的规律。
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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
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汽车
高速列车
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塑料的应用
塑料水管
电线被覆
塑料膜
日常用品
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主机外壳
汽车侧板料的成分、 材料科学是研究材料的成分、组织 结构、制备工艺、加工工艺、 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。 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、 材料科学是当代科学技术发展的基础、 工业生产的支柱， 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 20世纪 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 年代发展起来的新兴学科， 21世 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。 纪新技术的主导中心。 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、 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， 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、 射线衍射、热谱、 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（ 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， ）、物理 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。 料共性的一门学科。
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。 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。
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铁器时代（ 铁器时代（Iron Age） ）
湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄
中国古代铁器的金相组织
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长征三号运载火箭在发射架上
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1 mm
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2、Europe: (428(330Plato (428-348 B.C.) and Euclid (330-275? B.C.) 5 regular polyhedrons stand for 5 original elements (fire, air, earth, water, ether) which were used for describing every thing in the world. Fire Air Earth tetrahedron octahedron cube