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1、第一章材料科学概述,一、材料与材料科学 二、材料结构简述 三、材料的性能 四、材料工艺及其与结构和性能的关系 五、材料的强化机制,一、材料与材料科学,1.材料科学基础的基本概念 2.材料科学基础的地位 3. 学习材料科学基础的意义,1. 材料科学基础的基本概念,材料是指人类社会能接受地，经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
2、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。,2、材料科学基础的地位,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： w 石器时代（公元前10万年） w 青铜器时代（公元前3000年） w 铁器时代（公元前1000年） w 水泥时代（公元0年） w 钢时代（1800年） w 硅时代（1950年） w 新材料时代（1990年）,3. 学习料料科学基础的意义,（一）材料科学的内涵,材
3、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？,材料结构关系,w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。 w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,w 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
4、词广泛应用。 w 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。 w 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说各自强调的中心不同，它们之间并没有一条明确的界线，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）,材料科学 ：是一门科学，它从事与材料本质的发现、分析和了解方面的研究，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
5、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。,(三） 材料的分类,通常根据材料的结构和用途来分类。 结构材料是以强度，刚度，韧性，耐劳性，硬度，疲劳强度等力学性能为特征的材料。 功能材料是以声，光，电，磁，热等物理性能为特征的材料。 又可按金属、陶瓷、高分子和它们的复合材料来。,结构材料实际上是一种按结合键种类来分类的方法。由此可将材料分为金属、陶瓷、高分子和由金属、陶瓷和高分子分别组合成的各种复合材料材料。,金属材料：黑色金属材料（钢铁）、有色黑色金属材料（除钢铁以外的） 陶瓷材料：氧化物
6、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：金属基复合材料、陶瓷基复合材料、树脂基复合材料 功能材料：电子材料、光电子材料、超导材料,（四）材料的应用,让我们回顾几项有影响的事例，以便加深理解材料的发展在人类社会发展中起了举足轻重的作用。 w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。,w飞机和材料 从莱特兄弟实现飞行的梦想以来，航空和航天器发生了巨变。为了飞得快和远，就要采用强度高和比重小的材料，重视材料的比强度，即强度/比重之比。因此，航空和航天器中铝、镁合金用量大。随着航空技术的进一步发展，
7、轻质和高比强度的钛合金、碳纤维,美国待升空的航天飞机,材料和生活用品 钛结构自行车：“自行车发烧友” 选择钛合金制自行车。钛合金的应用场合很特殊。通常用于需要抗腐蚀，耐疲劳，高弹性的场合,生命科学材料 原来使用专用的汞合金，为防止金属合金的分解已经开发出一种可以满足口腔中特殊的物理及化学环境的新型陶瓷。具体来讲，它需要满足下列要求：耐口腔中的酸；低热导率（这对你吃冷饮有好处）；尽得住数年的咀嚼力；耐骤冷骤热；当然还要口感舒适,复合科学材料 碳、硼纤维及环氧化合物复合材料非常轻，可以在某特定方向上增加强度（用于特殊目的）。,航空材料 材料的主要性能取决于母体，加入合金元素成分将改善金属的物理及机
8、械性能强度、耐力、使用寿命。在飞机发动机中一种掺镍化合物制成称作718合金被广泛的用于制造波音777客机上的发动机的压缩机、叶片及紧固件。,形状记忆合金,超级钢 近来，钢铁工业已经开发出一种汽车用钢，比原先的轻24%，而强度高34%，称为超级钢。其优点是：高撞击能量吸收率；高强度-质量比；实用新型制造工艺；可以有多种不同性能(寿命、防锈等）。,新材料阶段的特征,w 是一个由多种材料决定社会和经济发展的时代； w 新材料以人造为特征，非自然界中现成有的; w 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； w 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
9、业的出现和发展，从而使国家财富和就业增加。,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。” w 可见，材料科学历来是技术进步的支柱,二、材料结构简述,1.原子结构 2.结合键 3.固体结构 4.结构缺陷,1原子结构 （Atomic Structure ）,一、物质的组成（Substance Constructio
10、n） 物质由无数微粒（Particles）聚集而成 分子（Molecule）：单独存在 保存物质化学特性 dH2O=0.2nm M(H2)为2 M（protein）为百万 原子（Atom）： 化学变化中最小微粒,1、原子结构,1879年 J.J Thomson 发现电子（electron),揭示了原子内部秘密 1911年 E.Rutherford提出原子结构有核模型 1913年 N.Bohr将 Bohr atomic model,核外电子的排布（electron configuration)规律,描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数（quantum numbers）表示,2结合键(
11、Bonding type with other atom),一、金属键（Metallic bonding）,典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（valence electron）极易 挣脱原子核之束缚而成为自由电子（Free electron），形成电子云（electron cloud）金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键,特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构,性质：良好导电、导热性能，延展性好,二、离子键（Ionic bonding) 多数盐类、碱类和金属氧化物,特点：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列， 且无方向性，无饱和性,性质
12、：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体,三、共价键（covalent bonding） 亚金属（C、Si、Sn、 Ge），聚合物和无机非金属材料 实质：由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对而成,特点：饱和性 配位数较小 ，方向性（s电子除外） 性质：熔点高、质硬脆、导电能力差,实质： 金属原子 带正电的正离子（Cation） 非金属原子 带负电的负离子（anion）,e,四、范德华力（Van der waals bonding),包括：静电力(electrostatic)、诱导力(induction)和色散力(dispersive force) 属物理键 ，系次价键，不如化学键强大，但能很
13、大程度改变材料性质,五、氢键（Hydrogen bonding） 极性分子键 存在于HF、H2O、NH3中 ，在高分子中占重要地位， 氢 原子中唯一的电子被其它原子所共有（共价键结合），裸露原子核 将与近邻分子的负端相互吸引氢桥 介于化学键与物理键之间，具有饱和性,3.固体结构（Solid Structure）,金的AFM 照片, 1晶体学基础 （Basis Fundamentals of crystallography） 晶体结构的基本特征：原子（或分子、离子）在三维空间 呈周期性重复排列（periodic repeated array） ， 即存在长程有序（long-range order
14、） 性能上两大特点： 固定的熔点（melting point）, 各向异性（anisotropy）,一、晶体的空间点阵（Space lattice） 1. 空间点阵的概念 将晶体中原子或原子团抽象为纯几何点（阵点 lattice point）， 即可得到一个由无数几何点在三维空间排列成规则的阵列 空间点阵（space lattice） 特征：每个阵点在空间分布必须具有完全相同的周围环境(surrounding) 2晶胞（Unite cells） 代表性的基本单元（最小平行六面体）small repeat entities,选取晶胞的原则：,)选取的平行六面体应与宏观晶体具有同样的对称性； ）平
15、行六面体内的棱和角相等的数目应最多； ）当平行六面体的棱角存在直角时，直角的数目应最多； ）在满足上条件，晶胞应具有最小的体积。,简单晶胞（初级晶胞）：只有在平行六面体每个顶角上有一阵点 复杂晶胞： 除在顶角外，在体心、面心或底心上有阵点,3.晶系与布拉菲点阵（Crystal System and Bravais Lattice） 七个晶系，14个布拉菲点阵,底心单斜,简单三斜,简单单斜,底心正交,简单正交,面心正交,体心正交,简单菱方,简单六方,简单四方,体心四方,简单立方,体心立方,面心立方,4. 晶体结构与空间点阵,二、晶向指数和晶面指数 （Miller Indices of Cryst
16、allographic Direction and Planes） 1阵点坐标,晶向族：具有等同性能的晶向归并而成；,（x1,y1,z1）,(x2,y2,z2)二点连线的晶向指数：x2-x1,y2-y1,z2-z1,*指数看特征，正负看走向,求法： 1） 确定坐标系 2） 过坐标原点，作直线与待求晶向平行； 3） 在该直线上任取一点，并确定该点的坐标（x，y，z） 4） 将此值化成最小整数u，v，w并加以方括号u v w即是。 （代表一组互相平行，方向一致的晶向）,2.晶向指数（Orientation index）,晶面族h k l中的晶面数： a）h k l三个数不等，且都0，则此晶面族中有 b）h k l有两个数字相等 且都0，则有， 如1 1 2 c) h k l三个数相等，则有， d）h k l 有一个为0，
