材料方法0～绪论.答案

R——组元间关系（Relationship）的集合。
材料学科的分化图
社会科学 地质
1879 1888
采矿
物理
1986
物冶
矿
1888
矿冶
1937 1937
物冶
冶金
1966
材 料 学
1989
化工
力冶 化冶
陶瓷 化学 力学
M S E
1975
高分子
美国MIT矿冶及材料学名称的演变
时间(年) 1865~1879 1879~1884 1884~1888 1888~1890 学科名称 地质与采矿工程 采矿工程 采矿工程(地质、采矿、冶金) 采矿与冶金
（performance）。 如果把它们连接起来，则形成一个六面体 （hexahedron），『如下图』
材料的五要素
性质
受环境影响 （气氛温度受力状态）
成分 合成/制备 效能 （使用性能）
组织 结构 理论及 材料与工艺设计
在实际应用中，材料更被分为很多不同的种类，如金 属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料、 生物材料等等不一而足。 各行业对材料的要求不尽相同，其对材料性能的关注
(3)中子衍射： 采用中子源用于氢元素(H、Li)等的探测,但 造价高。 (4)高分辨率电子显微镜：
常用于测定晶格的微观分析方法。
(5)场离子电子显微镜： 能清晰地显示样品表层的原子排列和缺陷, 在研究原子的位置、大小方面很有优势。
3.2 显微分析
进行几千个原子的晶粒大小、表面形态、相的形成等分析。
绪
论
§1.材料及其学科的演变
§2.各种工程材料概况
§3.材料研究内容及其显微分析测试方法 §4.本课程内容及要求 §5.主要参考资料
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§1百度文库材料及其学科的演变
1.1 材料的诞生与人类社会的进步
历史上，人们把材料作为人类进步的里程碑，如
“石器时代”、“铜器时代”和“铁器时代”等（如
图）。到了20世纪60年代，人们把材料、信息与能源誉 为当代文明的三大支柱；70年代又把新型材料、信息技 术和生物技术认为是新技术革命的主要标志。这都说明 材料的发展与社会文明的进步有着十分密切的关系。
1890~1927 1927~1937 1937~1966 1966~1975
1975~至今
采矿工程与冶金 采矿与冶金 冶金 冶金与材料科学
材料科学与工程(MSE)
金属材料科学发展的阶段与人类思维方式的演变
19世纪以前 朴素整体论时期 19世纪 分解论初期 1900~1980 分解论盛期 1980~ 分解论向系统论转变期
与“工程”相提并论，而称为“材料科学与工程”。这里的材料包括金
属材料、陶瓷材料（无机非金属材料）、有机高分子材料以及由几种材 料组合在一起的复合材料。
材料科学与工程是研究材料组成、结构、性能、合成或生产流程和
材料使用效能及它们之间关系的科学与技术。 广义的说，材料科学与工程（MSE）是研究材料结构/性质/工艺/性 能（structure/properties/processing/performance）间关系的学科，具体 主要是解释或控制以下四个方面的问题（材料科学与工程的四要素的关 系图）：
3.2.1光学显微镜
最常用的也是最简单的观察材料显微组织的工具， 能直观地反映材料样品的组织形态(如晶粒大小、珠光体还是马氏
知识和应用的科学。
显然，这一定义的内涵比“材料科学、材料工程与MSE”三者均少。
自然现象有“宏观”与“微观”之分，这两个概念移用于经济学， 在20世纪60—70年代，美国经济学界风靡一时地将经济学分为“宏观经 济学(Macro-economics)”与“微观经济学（Micro-economics）”。前者 着眼于分析整个国民经济活动；后者则侧重于分析单个经济单位。
• 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。
比较上述两个定义可知：材料科学的核心问题是结构，有什么样的 结构，就有什么样的性能， “不计成本” ；而材料工程则要全面考虑
前述的材料的五个判据（资源、能源、环境、经济、性能）。
作为MSE整体，美国MSE调查委员会（COMAT）给出如下定义： • MSE是关于材料成分、结构、工艺和它们的性能与用途之间有关的 对于Metallurgy（材料学），顾名思义，可定义如下： • 研究材料的学科叫材料学。
也不相同，提出问题的角度和解决问题的思路更是不相同。
由于不同国家地区技术发展水平不同，其对材料的使 用要求也很不相同。 正因为材料科学覆盖面广泛，又处于各传统学科交叉 边缘，所以有关材料科学技术信息的分布也是很杂乱的， 这就给有关材料科学技术的信息收集、整理与分析带来更 大的难度。
20世纪以来，学科运动中的分化与综合速度比 以往任何时候都迅速，新学科层出不穷。特别是随 着科学技术的发展，交叉学科作为一个新的学科增
• 科学——对于现象的观察、描述、确认、实验研究及理论解释，叫 科学。 • 工程——将科学原理应用到实际目标，如设计、组装、运转经济而 有效的结构、设备或系统，叫工程。 将材料作为研究对象的材料科学和材料工程。便有如下相应的定义：
• 材料科学——是一门科学，它从事材料本质的发现、分析和了解的 研究。它的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 与材料性能之间的关系。
考虑在四要素中的组成/结构并非同义词，即相同成分
或组成通过不同的合成或加工方法，可以得出不同的结构， 从而材料的性质或使用效能都不会相同。 因此，我国有人提出一个五个基本要素的模型，即成 分（composition）、合成/加工（synthesis/processing）、
结构（structure）、性质（properties）和使用效能
各种材料的特征
金属材料：良好的力学性能和理化性能，较好的加工 工艺性能，价格便宜或适中，性能覆盖面大、广泛。但资 源有限，特殊环境下，金属不能胜任。 陶瓷材料：优良的理化性能，极好的耐高温性能，但 脆，加工性能差，高级陶瓷材料昂贵，可靠性差。
高分子材料：高弹性，耐磨性好，原料丰富。但导电 导热性差，强度低，不耐高温，易老化、易燃烧。 复合材料：具有单一材料的复合性能，可按需要进行 人为的设计制造。但低档、高档多，缺少中挡。
趋势：三足鼎立；由于科技的发展，金属材料的地位，与 20世纪相比有所下降；传统材料的地位难以被取代。
§3 .材料研究内容及其显微分析测试方法
何为“材料”？材料是一类有用的物质。 (肖纪美语) 这里“有用”即指材料的某一种可为人类所利用的“性能”，而 性能必然与物质的“结构”密切相关。那么，材料不言而喻就是探讨 “某种材料的结构与性能之间的关系”。当然，研究之目的并非仅是 揭示其关系或机制，更重要的在于控制“结构”得到人们所期望的 “性能”。 3.1 显微组织结构的主要内容及结构分析
材料表面与界面科学 粒子光学 多功能电子显微镜 电子微区探针分析器 场离子发射显微镜 场电子发射显微镜
§2.各种工程材料概况
金属材料（黑色金属、有色金属）
按化学组成分
陶瓷材料 （工程陶瓷、结构陶瓷）
复合材料
高分子材料（塑料、合成纤维、橡胶、涂料等）
结构材料 ：多用金属材料
按应用及其功能分
功能材料：多用陶瓷材料、高分子材料
材料科学与工程
“材料学的体系”及“材料的应用与发展”
1引论 材料学
2失效
微观材料学
宏观材料学
3性能
4结构
5工艺
7选用
6经济
8科研
9系统
10展望
材料按空间尺度从大到小有：宇观→宏观→细观→微观→介观
宏观材料学（Macro-Materialogy）——着眼于从整体
上分析材料问题。即以材料的整体作为研究对象——系统,
(5)界面(表面、相界与晶界)
(6)位向关系(惯习面、孪生面、新相与母相) (7)夹杂物 (8)内应力(畸变内应力或组织应力、喷丸表面、焊缝热影响区等)
结构分析方法
（1）
电磁波
粒子束
由于遵从布拉格衍射定律，两者 一样的，即波-粒二象性
如用X射线衍射分析(XRD)进行晶体结构分 析,只能对毫米级、不能对微米及纳米级微区进行 分析,无法把形貌观察与晶体结构分析微观同位地 结合起来。 （2）电子衍射：对薄膜.薄晶的结构分析要用电子 衍射.而不能用XRD测定。
材料科学与工程四要素关系
★从材料的内部结构，可分为四个层次：
原子结构 结合键 原子 排列方式 显微组织
★材料的四要素
效 能
合成/制备
性 质
结构/成分
★组成与结构：从宏观、微观及介观尺度上 （annoy-、memo-、micro-、macro-scale）考虑原
子及其排列。（金属学）
★合成与制备：即原子的特定排列。 ★性质：由原子及其排列决定的材料特性或有用性。 ★使用性能：在生产实际中的有用性，包括经济、 环境及社会的因素。
学科独立而出，它又趋向于与它密切相关的基础科学的结合， 发展成为基础科学的应用部分。 中文“冶金”与英文“Metallurgy”相对应，若狭义的“冶金” 理解为“冶炼金属”，那么冶金学的三个分支也可命名为： 化学冶金 金属化学
物理冶金
力学冶金
金属物理
金属力学
关于材料科学与工程（MSE），从已知“材料”定义，答复什么是 “科学”，什么是“工程”？
微观材料学中的三个基础概念
环境[e(Enviroment)]、结构[S(Structure)]、性能 [P(Property)]，从哲学角度考虑，e及S分别是事物变 化的外因及内因，P是变化的结果。从这三个基础概 念，可总结出两个基本方程： P = f(e，S)
S = {E，R}
E——事物（或系统）内组元（Element）的集合。
材料科学的重要地位
青铜器时代
铁器时代
石器时代
七个时代造就材料辉煌
新材料时代
硅时代 钢时代
水泥时代
材料虽然这样重要，发展也很快，但就研究材料整体来说，认为它 已构成为一门学科，还是近30多年的事，那就是20世纪50年代末，60年
代初，美国学者首先提出材料科学这个名词。
由于材料的获得、质量的改进使材料成为人们可用的器件或构件都 离不开生产工艺和制造技术等工程知识，所以人们往往把“材料科学”
长点已成为学科增长的主流。
一门新学科的建立，必须有本学科特有的定义 和研究对象；必须有经过精心研究而建立起来的理 论体系；必须有能回答新问题、新情况、新挑战的 逻辑起点和学科方法，以及展现新的发展领域和科
学层次的能力。
1.2 材料学科的形成与演变
以金属材料为例，在英、美等国，研究它的科 学叫“Metallurgy”，包括两个定义: ①Metallurgy是一门学科，从事于从矿石中提取 金属，精炼及提纯金属，从金属制备有用物品，译
考虑它与环境（自然的及社会的）之间的交互作用；分析在 环境的作用下,材料内部宏观组元（各类材料、各种材料）
的自组织问题。
微观材料学（Micro-Materialogy）——着眼于材料在 自然环境（力、热、电、磁、光、化学等）作用下所表现出
来的各种行为（即性能）,以及这些行为与材料内部结构之
间的关系。 “行为”——材料的性能,用于表征材料在给定外界条件 下的行为。
为“冶金学”；
②Metallurgy是一门科学，它从宏观到原子的层
次研究金属结构与性能间的关系，宜译为“金属
学”。
大学专业的设置，反映了学科的发展和变迁。 40年代初：矿冶专业 （分）采矿和冶金两个专业； 以后：冶金 （分）物理冶金（金属锭到制品）和化学冶 金（矿石到金属锭）； 再以后：物理冶金 （分）力学冶金（金属力学性能）， 正如力学从物理中分出一样。
3.2 显微分析 3.3 成分分析 3.4 宏观物理性质的研究分析
3.5 极端条件下的性能探测
3.6 能谱分析
3.1 显微组织结构的主要内容及结构分析
(1)显微化学成分(不同相的成分，基体与析出相的成分，偏析等)
(2)晶体结构与晶体缺陷(面心立方、体心立方、位错、层错等) (3)晶粒大小与形态(等轴晶、柱状晶、枝晶等) (4)相的成分、结构、形态、含量及分布(球、片、棒、沿晶界聚集或 均匀分布等)
物理金属学孕育阶 段
化学冶金学 冶金学
物理金属学生长阶 物理金属学成熟 物理金属学向金属材料 段 阶段 系统科学转变阶段
金相学—— —金相电子显微镜 宏观热力 物理冶金学 学及相图— —合金统计热力学及相图计算 晶体学— —晶体X射线衍射学 材料力学— —弹性、塑性及断裂力学 金属与合金电子理论 晶体的缺陷及位错理论 固体中原子扩散及相变理论 材料的物理性质理论 （电、磁、热、光等）