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1、欢迎进入材料科学基础课程,材料科学与工程学院 章为夷,绪 论,一、 材料在人类社会发展中的作用和地位 二、材料分类 三、这门课的任务、内容和特点、学习方法,一、 材料在人类社会发展中的作用和地位,1 材料是划分人类历史阶段的标志 1、100万年前 旧石器时代，以石头做工具； 2、1万年前 新石器时代，对石头进行加工，发明了用黏土烧制陶器；会使用天然的金和铜； 3、6000年5000年前 青铜器时代、铁器时代和瓷器时代； 4、 19世纪初期发明了水泥，紧接着就进入钢铁材料时代；,5、20世纪初期人工合成高分子材料问世； 6、1950年 硅时代、半导体时代； 7、当代社会使用的材料已多样化，可称为
2、多元材料时代或新材料时代、纳米材料，复合材料，功能材料，智能材料等等。 目前人类发现的材料据称已达800余万种，每年还以25万种的速度增长，具有实际应用价值的也有8万余种。,2 材料的发展和进步推动了社会不断向前发展。,第一次工业革命： 从19世纪初期开始后短短的近100年的时间里，人类创造的物质财富就已超过了在这之前几千年内人类所创造的物质财富的总合，这与钢铁材料的兴起是密不可分的，没有钢铁工业的发展和崛起，要完成第一次工业革命是无法想象的。,1856年和1864年先后发明了转炉和平炉炼钢，使世界钢产量从1850年的6万吨猛增到2800万吨，为钢铁材料的普及应用奠定了基础，促进了机械、建筑、
3、造船、铁路的大发展，世界上第一艘钢板制造的轮船、第一座钢铁桥梁，第一座钢架结构摩天大楼相继问世。没有钢铁材料就没有铁路的发展，机械工业也无从谈起，其他工业也不可能建立和发展。可以毫不夸张的说，从19 世纪起，人类文明进入了鼎盛的钢铁时代，就是在现代社会，人类文明的大厦依然是建立在钢铁基础之上的。,第二次工业革命：19世纪后期开始，是以电力、石油开发为突破口，推动了汽车、飞机等工业的发展，其支撑依然是新材料的开发，如高强合金钢、铝合金、有色金属、高分子材料、非金属材料等。,第三次工业革命：20世纪后开始，以工业生产由机械化向自动化发展为标志。该阶段人类社会的进步与材料开发间的关系比历史上任何一个
4、时期都更加密切。,20世纪50年代镍基高温材料的出现，导致超音速飞机问世， 钛合金、纤维增强复合材料和高温陶瓷的出现，促进了航天工业的发展。 60年代高分子材料（塑料、合成橡胶、合成纤维）的问世，使人们的日常生活发生了翻天覆地的变化。 半导体材料的问世和发展和光缆的使用，为人类社会步入信息时代奠定了基础。,当今世界正面临又一场技术革命(第四次工业革命)，它是以信息科学、材料科学和生物科学为代表。世界权威人士认为，这场技术革命所带来的影响和创造的社会财富将超过历次工业革命，其中材料技术是基础，没有相应新材料的开发成功，任何科学技术开发便成为无米之炊，离开新材料来发展高新技术是无法想象的。,例如电
5、子计算机的发展，电子管，单晶硅，集成电路，目前正在开发的第二代半导体材料砷化镓，其集成度比现在的单晶硅还要高150倍，一旦开发成功，将给计算机带来一场新的革命。,3 新材料的开发与生产本身已成为一门新兴的产业，在国民经济中具有十分重要的地位。,90年代日本一家公司发明了能发蓝光的半导体材料GaN，带来了几十亿美元的市场，形成了高额的垄断利润。 树脂基复合材料近年来以年增长率16%的速率高速增长，全球市场规模已达120亿美元。 大连路明集团依托自主开发的自发光稀土材料，产品出口到世界20多个国家，年产值达几十亿人民币。,二、材料分类 什么是材料？,用来制造生产和生活物品的原料。 用来制造各种工程
6、设备的原料称为工程材料。,按组成分： 1）金属材料：钢铁和有色金属。 2）无机非金属材料（陶瓷材料，硅酸盐材料）：玻璃、水泥、普通陶瓷、特种陶瓷（先进陶瓷和精细陶瓷）。 3）高分子材料（有机非金属材料）：塑料、合成橡胶、各种人造纤维。 4）复合材料：由两种或两种以上不同性质的原料通过一定的工艺方法组成的多相固体材料。,按用途分： 1）结构材料 强调力学性能，使用时以承受载荷为主，用来制造各种工程构件、机器设备、生活用具等。以金属材料和高分子材料为主，陶瓷材料也有使用。从重量上看，是用量最大的一类材料。 2）功能材料 强调光学、电学和热学性能，使用时承受载荷较小，主要是利用它们的物理化学性能，以
7、陶瓷材料为主（各种金属氧化物），如气敏陶瓷、热敏陶瓷、压电陶瓷、半导体、超导体、磁性记录粉等。在微电子技术、通信、光电子、传感器、医疗设备等高科技领域有着广泛的用途。,三、这门课的任务、内容和特点、学习方法 1 任务 从事材料的生产、加工、开发、研究需具备什么条件？, 扎实的材料科学基础知识 掌握现有的材料制备技术 创新思想,具体任务： 学习材料科学基础知识，为后续课程和今后的工作奠定良好的基础； 学习材料科学的研究方法，从实验结果中归纳、总结，上升为理论，掌握专业课的学习方法； 为继续深造作准备。,是报考材料专业硕士生的必考科目。 是报考材料专业博士生的必考内容。,2 内容和特点,课程内容：
8、 不同的材料性能各异，决定材料性能的因素？ 研究这些因素构成了本课程的主要内容。,重点围绕材料的化学成分材料的组织、结构加工工艺性能应用这条主线进行讲述。,三大模块知识结构 1 材料的组织与结构（金属中的固态相变） 2 材料的变形与强化 3 材料中物质的输运,1 材料的组织与结构模块知识 主要包括下列知识点： 材料的原子结构、晶体结构、相结构、相和组织的关系、金属的结晶（凝固）、二元合金相图、铁碳合金相图、三元相图。 主干知识是材料的组织结构和影响因素,结构：材料内部质点（原子、分子、原子团） 的排列方式。 组织：肉眼或显微镜下观察到材料中具有特定 形貌的区域。 宏观组织：肉眼或放大镜观察到的
9、组织。 微观组织：显微镜观察到的组织。,通孔泡沫铝宏观组织,Nimonic 105 镍基超合金 1000X (可以看到氮化钛和晶界沉淀),微观组织丰富多彩,SiC颗粒增强铝基复合材料,球墨铸铁 400X,玻璃基复合材料 250X,Chinese-style landscape painting in microscope,monodisperse silica colloids assembled on glass,Nano Teddy Bear,The scanning electron microscopic image shows the ZnO nanostructures on an
10、 indium oxide coated glass substrate,2 材料的变形与强化模块知识,主要包括下列知识点： 晶体缺陷，弹性变形，塑性变形，强化理论和方法，再结晶。 主干知识是塑性变形基本规律、位错与塑性变形、位错与强度之间的关系。,3 材料中物质的输运模块知识,主要包括下列知识点： 扩散，扩散宏观规律，微观机制，扩散热力学，扩散动力学。 主干知识是扩散方程误差函数解的应用、扩散发生的条件和影响扩散快慢的因素。,3 课程特点： 材料科学是一门实验科学，理论、定理是大量实验结果的归纳总结，与公共基础课完全不同。 课程内容庞杂、概念抽象、定性叙述多，定量计算少，基本上无理论推导（多为半定量的经验式）。,4 学习方法 1主干学习法； 2在理解的基础上记忆； 3前后对照法学习（温故知新）； 4小结式学习； 5自我提问法学习； 6 独立完成课后作业； 7注重基本概念、基本原理的灵活应用。,5 学习窍门,只有勤劳的人才会捡到。,1. 天上不会掉,2. 如果天上掉,，（要学习）,（要努力学习）,成绩考核,平时成绩：20%（出勤10% 、作业10%）在随机抽查中有三次无故缺课，取消考试资格。 迟到、早退以及严重违反听课纪律者，计以缺课0.5次。 考试80%（期末笔试）,
