材料科學(xué)基礎(chǔ)輔導(dǎo)與習(xí)題-上交課件 緒論060218

ForewordMaterialsanditsclassifyingTheimportanceofMaterialsScienceMaterialsScienceandMaterialsEngineeringThemaincontentofthecourse什么是材料？

世界萬(wàn)物，凡于我有用者，皆謂之材料。材料是具有一定性能，可以用來(lái)制作器件、構(gòu)件、工具、裝置等物品的物質(zhì)。材料存在于我們的周圍，與我們的生活、我們的生命息息相關(guān)。材料是人類文明、社會(huì)進(jìn)步、科技發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。材料分類材料科學(xué)的重要地位人類進(jìn)化與物質(zhì)文明的標(biāo)志

石器時(shí)代公元前10萬(wàn)年

青銅器時(shí)代公元前3000年鐵器時(shí)代公元前1000年

水泥時(shí)代公元0年鋼時(shí)代1800年

硅時(shí)代1950年新材料時(shí)代1990年Eniac,the1940serapioneerofthemoderncomputer,had18,000vacuumtubesandoccupieda30-by50-footroom.Itcouldperform5,000calculationspersecond.Today,atypicalnotebookcomputeris200,000times-faster.考古發(fā)現(xiàn)藏族從青銅器時(shí)代邁入鐵器時(shí)代

重要物證新華網(wǎng)拉薩2004年６月１日電，據(jù)文物專家對(duì)新發(fā)現(xiàn)的西藏堆龍德慶縣嘎沖村遺址進(jìn)行調(diào)查勘探，首次在這個(gè)距今約為３０００年至３４００年的遺址中發(fā)現(xiàn)藏族先民早期冶煉的鐵塊，標(biāo)志著這一時(shí)期藏族先民從青銅器時(shí)代逐步邁入鐵器時(shí)代?？脊艑＜也粌H在遺址地層斷面周圍發(fā)現(xiàn)了金屬冶煉時(shí)使用的陶制器具，殘鐵塊、鐵渣子、獸骨、木炭、灰燼、房屋遺址等遺物，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了各種原始陶片，打制石器，這是西藏首次發(fā)現(xiàn)的金石器并用時(shí)代文化遺址。

嘎沖遺址發(fā)現(xiàn)的鐵塊，盡管可能是早期不太成熟的冶金技術(shù)產(chǎn)物，但這一發(fā)現(xiàn)是生活在高原上的藏族居民由青銅時(shí)代進(jìn)入鐵器時(shí)代的重要物證，對(duì)于研究西藏鐵器時(shí)代起源于何時(shí)具有重要價(jià)值。青銅與青銅器時(shí)代

青銅，古稱金或吉金，是紅銅與其它化學(xué)元素（錫、鎳、鉛、磷等）的合金。史學(xué)上所稱的“青銅時(shí)代”是指大量使用青銅工具及青銅禮器的時(shí)期。保守的估計(jì)，這一時(shí)期主要從夏商周直至秦漢，時(shí)間跨度約為兩千年左右，這也是青銅器從發(fā)展、成熟乃至鼎盛的輝煌期。青銅器以其獨(dú)特的器形、精美的紋飾、典雅的銘文向人們揭示了先秦時(shí)期的鑄造工藝，文化水平和歷史源流，因此被史學(xué)家們稱為"一部活生生的史書"。曾侯乙墓大編鐘（戰(zhàn)國(guó)早期）

全長(zhǎng):10.79米；高:2.7米；湖北隨縣出土。

此鐘是目前已知青銅編鐘中，器型最完整，數(shù)量最多的一組，共有大小編鐘65件，分八個(gè)音域。鐘的型制大體相同，只是大小有別，是研究我國(guó)古代樂器和聲樂學(xué)的重要實(shí)物資料。樂器紋飾劍：古代貴族和戰(zhàn)士隨身佩帶，用以自衛(wèi)防身進(jìn)行格斗、可斬可刺的兵器，出現(xiàn)于西周。劍一般由劍身（有血槽）和劍把兩部分組成，并配有鞘。

虎頭短劍（春秋晚期）通工：22cm

寬：2.5cm

山西省昔陽(yáng)縣博物館藏

一九八二年山西昔陽(yáng)大寨出土，劍柄為虎頭型，劍身呈柳葉狀，刃鋒利。材料科學(xué)的重要地位材料生產(chǎn)的數(shù)量、品種和質(zhì)量已成為衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)水平與工業(yè)水平，它關(guān)系到國(guó)家的綜合國(guó)力與安全，因此各發(fā)達(dá)國(guó)家無(wú)不把材料放在重要地位。1996年，1億噸鋼材

2004年，2.3億噸鋼材興澄特鋼1993年由江陰鋼廠與香港中信泰富有限公司建立的合資成立；具備180萬(wàn)噸優(yōu)特鋼生產(chǎn)能力，擁有全線引進(jìn)的、代表國(guó)際先進(jìn)水平的短流程優(yōu)特鋼生產(chǎn)線；國(guó)內(nèi)生產(chǎn)軸承鋼、齒輪鋼、合金彈簧鋼、油井管坯鋼、易切削非調(diào)制鋼等大型特鋼企業(yè)。軸承鋼、齒輪鋼、彈簧鋼的產(chǎn)銷量居國(guó)內(nèi)首位，2002年軸承鋼產(chǎn)銷量名列全球特鋼企業(yè)第三位；產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車、鐵道、船舶、石油、化工、電力和軍工等領(lǐng)域；占地1.59平方公里，員工3000名，總資產(chǎn)32億元，年創(chuàng)利稅超過4.8億元人民幣。材料科學(xué)的重要地位材料、能源和信息是現(xiàn)代文明的三大支柱，而材料又是基礎(chǔ)和先導(dǎo)；材料是全球新技術(shù)革命的四大標(biāo)志之一（新材料技術(shù)、新能源技術(shù)、信息技術(shù)、生物技術(shù)）。

一種新材料的出現(xiàn),往往會(huì)引起生產(chǎn)工具和生產(chǎn)方式的變革,從而使社會(huì)生產(chǎn)力獲得巨大發(fā)展.

Theworldofmaterialsisafastchangingworld.Itcontinuouslywidensitsscope:notonlybythedevelopmentofneworimprovedcompositionsandprocesses,butequallywellbyrespondingtoneweconomicandsocietalchallengesgraduallychangingpriorityfieldsofinterest.Theworldofmaterialsoffersarichandcoloured,aninspiringandmotivatinglandscapeforawholecommunityofyoungengineersandscientists.材料與社會(huì)生產(chǎn)力第一次產(chǎn)業(yè)革命的突破口是推廣應(yīng)用蒸汽機(jī)，但只有在開發(fā)了鐵和銅等新材料以后，蒸汽機(jī)才得以使用并逐步推廣。第二次產(chǎn)業(yè)革命一直延續(xù)到20世紀(jì)中葉，以石油開發(fā)和新能源廣泛使用為突破口，大力發(fā)展飛機(jī)、汽車和其他工業(yè)，支持這個(gè)時(shí)期產(chǎn)業(yè)革命的仍然是新材料開發(fā)。如合金鋼、鋁合金以及各種非金屬材料的發(fā)展。材料科學(xué)的重要地位開發(fā)新材料的意義

新材料技術(shù)與信息、生物、能源技術(shù)并列,被世界各國(guó)公認(rèn)為當(dāng)代以及今后相當(dāng)長(zhǎng)歷史時(shí)期內(nèi)總攬人類社會(huì)全局的高技術(shù).新材料技術(shù)既是一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)領(lǐng)域,又對(duì)其它領(lǐng)域起著引導(dǎo)、支撐和相互依存的關(guān)鍵性作用.美國(guó)500多位資深科學(xué)家,歷經(jīng)數(shù)年，對(duì)20世紀(jì)90年代國(guó)際上材料科學(xué)與工程的發(fā)展進(jìn)行了詳細(xì)的分析后指出:國(guó)際上材料的競(jìng)爭(zhēng)將更為激烈,因?yàn)樾虏牧霞夹g(shù)事關(guān)國(guó)家安危.呼吁美國(guó)政府重視新材料的規(guī)劃,強(qiáng)化對(duì)新材料的投資,迎接新材料技術(shù)的世界性挑戰(zhàn).發(fā)展新材料技術(shù)體現(xiàn)了國(guó)家利益，發(fā)展新材料技術(shù)是一項(xiàng)國(guó)家戰(zhàn)略。新材料技術(shù)對(duì)我國(guó)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造與升級(jí)及對(duì)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的形成和發(fā)展都起著舉足輕重的關(guān)健性作用。輕質(zhì)、高強(qiáng)、高韌和高溫、耐蝕的金屬材料,高質(zhì)量水泥,各種新型激光材料和半導(dǎo)體材料的大規(guī)模開發(fā)與推廣應(yīng)用,都將從根本上改變我國(guó)支柱產(chǎn)業(yè)的面貌,并優(yōu)化我國(guó)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu).

稀土材料的提純和質(zhì)量的提高必將帶動(dòng)我國(guó)的新型稀土永磁材料和二次電池等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，促進(jìn)我國(guó)電動(dòng)汽車工業(yè)的發(fā)展。

新材料是發(fā)展我國(guó)現(xiàn)代國(guó)防的堅(jiān)強(qiáng)后盾

由于受到以美國(guó)為首的西方國(guó)家的封鎖和禁運(yùn)，我國(guó)國(guó)防用關(guān)鍵新材料必須要走獨(dú)立自主、自力更生的道路。

如軍事通信用微電子、光電子材料,航空航天運(yùn)輸系統(tǒng)用的先進(jìn)合金、陶瓷、復(fù)合材料和低密度燒蝕材料,熱核聚變、激光武器和激光雷達(dá)用的高功率激光材料,新型戰(zhàn)斗機(jī)、主戰(zhàn)坦克和導(dǎo)彈運(yùn)輸車用隱身材料,導(dǎo)彈、火箭用高能量密度材料等.法國(guó)幻影4000戰(zhàn)斗機(jī)材料科學(xué)的重要地位新材料技術(shù)發(fā)展前沿微電子材料主要是大直徑(300mm)硅單晶及片材技術(shù),大直徑(200mm)硅片外延技術(shù),150mmGaAS和100mmInP晶片及其以它們?yōu)榛蘑蟆猇族半導(dǎo)體超晶格材料制備技術(shù),GeSi合金和寬禁帶半導(dǎo)體材料.材料科學(xué)的重要地位新型光子材料

大直徑、高光學(xué)質(zhì)量人工晶體制備技術(shù)和有機(jī)、無(wú)機(jī)新型非線性光學(xué)晶體探索,大功率半導(dǎo)體激光光纖模塊及全固態(tài)(可調(diào)諧)激光技術(shù),有機(jī)、無(wú)機(jī)超高亮度紅、綠、蘭三基色材料及應(yīng)用技術(shù),新型紅外、蘭、紫半導(dǎo)體激光材料以及新型光探測(cè)和光存儲(chǔ)材料.材料科學(xué)的重要地位稀土功能材料

高純稀土材料的制備技術(shù),超高磁能積稀土永磁材料的大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù),高性能稀土儲(chǔ)氫材料及相關(guān)技術(shù),高性能稀土催化劑材料制備與應(yīng)用技術(shù)。材料科學(xué)的重要地位

生物醫(yī)用材料

高可靠植入體內(nèi)的生物活性材料合成關(guān)鍵技術(shù),生物相容材料制備技術(shù),如組織器官替代材料,人造血液,人造皮和透析膜技術(shù),及生物新材料制品性能、質(zhì)量的在線監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)技術(shù).材料科學(xué)的重要地位先進(jìn)復(fù)合材料

復(fù)合材料的低成本制備技術(shù),復(fù)合材料的界面控制與優(yōu)化技術(shù),不同尺度不同結(jié)構(gòu)異質(zhì)材料復(fù)合新技術(shù),以及復(fù)合增強(qiáng)材料的高性能、低成本化技術(shù)。材料科學(xué)的重要地位新型金屬材料

交通運(yùn)輸用輕質(zhì)高強(qiáng)材料,能源動(dòng)力用高溫耐蝕材料,新型有序金屬間化合物的脆性控制與韌化技術(shù)以及高可靠性生產(chǎn)制備技術(shù)。材料科學(xué)的重要地位先進(jìn)陶瓷材料

信息功能陶瓷的多功能化及系統(tǒng)集成技術(shù)，高性能陶瓷薄膜、異質(zhì)薄膜的制備、集成與微加工技術(shù)；結(jié)構(gòu)陶瓷及其復(fù)合材料的補(bǔ)強(qiáng)、韌化技術(shù)，先進(jìn)陶瓷的低成本、高可靠性、批量化制備技術(shù)。材料科學(xué)的重要地位高溫超導(dǎo)材料

高溫超導(dǎo)薄膜及異質(zhì)結(jié)構(gòu)的薄膜制備、集成和微加工技術(shù),可實(shí)用化高溫超導(dǎo)線材制備技術(shù)，高溫超導(dǎo)體材(準(zhǔn)單晶和織構(gòu)材料)批量生產(chǎn)技術(shù)。

材料科學(xué)的重要地位環(huán)境材料

主要是發(fā)展與環(huán)境相協(xié)調(diào)的材料及評(píng)價(jià)技術(shù)，如可完全降解農(nóng)用塑料薄膜制備技術(shù)，材料的延壽、再生與綜合利用新技術(shù)，降低材料生產(chǎn)的資源和能源消耗新技術(shù)。

材料科學(xué)的重要地位納米材料

主要是納米材料制備與應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，固態(tài)量子器件的制備及納米加工技術(shù)。

智能材料主要是智能材料與智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制備及應(yīng)用技術(shù)。

材料科學(xué)的重要地位隱身材料主要是電磁波屏蔽或電磁波吸收材料，以及防信息泄漏電磁波屏蔽材料制備與應(yīng)用技術(shù)。材料科學(xué)的重要地位能源材料主要是新型高效能量轉(zhuǎn)換材料，新型儲(chǔ)能材料，以及能源技術(shù)用關(guān)鍵新材料制備與應(yīng)用技術(shù)。材料科學(xué)的重要地位先進(jìn)高分子材料主要是高性能工程塑料及高分子合金，高溫樹脂基體，超高強(qiáng)度有機(jī)纖維，及有機(jī)功能材料，如發(fā)光塑料，有機(jī)光電子材料等。材料科學(xué)的重要地位

材料的制備與評(píng)價(jià)技術(shù)材料智能合成與制備技術(shù);材料表面改性技術(shù)的低成本化途徑與批量生產(chǎn)技術(shù);原位復(fù)合技術(shù);仿生技術(shù);原子尺度上的設(shè)計(jì)與排布技術(shù);材料微觀結(jié)構(gòu)的模型化技術(shù)、智能化控制;動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析技術(shù);不同層次的材料設(shè)計(jì)、性能預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)表征新技術(shù).

什么是材料科學(xué)材料科學(xué)是一門以固體材料為研究對(duì)象，以固體物理、熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、量子力學(xué)、冶金、化工為理論基礎(chǔ)的邊緣交叉基礎(chǔ)應(yīng)用學(xué)科，它運(yùn)用電子顯微鏡、X-射線衍射、熱譜、電子離子探針等各種精密儀器和技術(shù)，探討材料的組成、結(jié)構(gòu)、制備工藝和加工使用過程與其機(jī)械、物理、化學(xué)性能之間的規(guī)律的一門基礎(chǔ)應(yīng)用學(xué)科，是研究材料共性的一門學(xué)科。什么是材料科學(xué)目的:提供材料結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一描繪或模型,解釋結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系.其核心問題是結(jié)構(gòu)和性能.材料的結(jié)構(gòu):亞原子結(jié)構(gòu);原子結(jié)構(gòu);結(jié)合鍵;原子在空間的排列方式(分晶體和非晶體);顯微組織;介觀結(jié)構(gòu);宏觀結(jié)構(gòu).材料的性能:工藝性能和使用性能

材料工程與材料科學(xué)關(guān)系材料工程是工程的一個(gè)領(lǐng)域,其目的在于經(jīng)濟(jì)地而又能為社會(huì)所能接受地控制材料的結(jié)構(gòu)、性能和形狀.

科學(xué)是研究“為什么”,而工程是解決“怎樣做”.材料科學(xué)基礎(chǔ)的理論,為材料加工指明方向,為更好地選擇材料,使用材料,發(fā)揮現(xiàn)有材料的潛力,發(fā)展新材料提供了理論基礎(chǔ),可以節(jié)約時(shí)間,少走彎路,提高質(zhì)量,降低成本和能耗,減少對(duì)環(huán)境污染.材料工程與材料科學(xué)關(guān)系材料科學(xué)和材料工程是緊密聯(lián)系、互相促進(jìn)的.材料工程為材料科學(xué)提出了豐富的研究課題,材料工程和技術(shù)為材料科學(xué)的發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ).材料科學(xué)和材料工程之間的區(qū)別主要在于各自強(qiáng)調(diào)的中心不同,它們之間并沒有一條明確的分界線.因此人們常將二者放在一起,采用一個(gè)復(fù)合名詞-----材料科學(xué)與工程(MSE),作為課程和專業(yè)的名稱.本課程主要內(nèi)容晶體學(xué)基礎(chǔ)固體材料的結(jié)構(gòu)單組元相圖及純晶體的凝固

二元相圖及其合金的凝固

三元相圖

TypesofMaterialsPlastics(LowTemp500-800°F)Metals(Mid-Temp1000-2000°F)Ceramics(HighTemp2000-3000°F)Composites(Alltemperatures)Plastics(LowTemp500-800°F)Plasticsarewidelyusedinjetenginestoday.However,whiletheycannotwithstandextremehightemperatures,theyhavepropertiesthatmakethemmoreversatile.Theyarelighterthanmanymaterialsofcomparablestrengthandalso,unlikemetals,donotrust.Andbecauseoftheirmolecularstability,plasticsdonotbreakeasily.Metals(Mid-Temp1000-2000°F)Manyoftheadvancedmetalsthatarecurrentlyinusetodaywerespecificallydesignedforapplicationsingasturbineengines.However,theincreasingperformanceanddurabilityrequirementsofgasturbineenginecomponentsledtotheresearchanddevelopementofnewalloys.Thesenewalloyscanwithstandover1800°Fwhileatthesametimeprovidinggreaterstructuralperformance.Superalloysarehigh-strength,complexalloysthatresisthightemperaturesandseveremechanicalstresswhileexhibitinghighsurfacestability.Therearethreemaincategoriesofsuperalloys:nickel-based,iron-based,andcobalt-based.Metals(Mid-Temp1000-2000°F)Titaniumalloys,modifiedtowithstandhightemperatures(upto1500°F),areseeingincreaseduseinturbineengines.Aluminum-lithiumalloysarelessdenseandstifferthanconventionalalloys.Alloysinthisgroupareoftenusedintheintermediatetohightemperaturerange(upto650°F).Nickelalloysaresomeofthebestmaterialsusedbetween1200°and1800°F.Theycanwithstandsuchhightemperaturesbecauseoftheiragehardeningcharacteristics.Cobalt-basealloysareusedinextremelyhightemperatureareas(upwardsof1800°F).Theyarecommonlyusedinafterburners噴射引擎等的加力燃燒室.Theiruseisoftenrestrictedduetohighmanufacturingcosts.Ceramics(HighTemp2000-3000°F)

Ceramicsofferahightemperaturerange.However,ceramicsarenotverystrong.Tocompensatefortheirlackofstrengthceramicsareusuallycombinedwithsomeothermaterialtoformaceramiccomposite.Youcanfindtheseceramiccompositesusedincombustor噴射引擎之燃燒室andnozzle管口,噴嘴componentsComposites(Alltemperatures)Compositematerialsoffergreatadvantagesovermetalsandceramics.Notonlyarecompositesab