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1、同学们大家好，祝贺同学们考入辽宁工程技术大学材料学院。相信在座同学除了对大学生活怎么进行规划感到迷茫，也会对自己所学专业仍然存在疑虑：材料学是研究什么的？我们可以在材料学里学到什么呢？学了这个学科有什么用处呢？因此我们开设这门材料科学与工程专业概论以解答同学们的这些问题，让咱们对材料学从一个感性认识上升到理性认识。一、材料的定义首先第一节我们介绍一下材料的定义。材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料。如燃料和化学原料、工业化学品、食物和药物，一般都不算是材料。材料是人类赖以生存和发展的物质基础。二材料的分类然后我们看材料的分类。材
2、料可按其成分及物理化学性质可分为：a金属材料(铸铁、碳钢、铝合金)、b无机非金属材料(水泥、玻璃、陶瓷)、c有机高分子材料(塑料、合成橡胶、合成纤维)d复合材料（由两种或两种以上物理、化学、力学性能不同的物质，经人工组合而成的多相固体材料，如石墨/铝复合材料、碳/陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料）。按使用用途材料可分为结构材料（主要利用材料的强度、韧性、弹性等力学性能，用于制造在不同环境下工作时承受载荷的各种结构件和零部件的一类材料，即机械结构材料和建筑结构材料）和功能材料（由两种或两种以上物理、化学、力学性能不同的物质，经人工组合而成的多相固体材料）。按照应用领域来分材料可以分为电子材料、航空
3、航天材料、核材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。按来源可分为人工材料和天然材料。三、材料的地位和作用1. 材料是人类文明的里程碑我们中学阶段学过经济发展史，纵观人类利用材料的历史，材料起着举足轻重的作用，是一切生产和生活的物质基础，是生产力的标志，是人类进步的里程碑。石器时代：早在一百万年以前，人类开始进入旧石器时代，可以使用石头作为工具。一万年以前，人类开始进入新石器时代，将石头加工成器具和工具如左下角图，在8000年前，开始人工烧制成陶器，用于器皿和装饰品如彩陶双耳罐。青铜器时代：五千年以前，人类开始进入青铜器时代，青铜烧注成型，人类开始大量使用金属，越王勾践曾使用的青铜剑，中国商代司母
4、戊鼎。铁器时代：3000年以前人类开始进入铁器时代，生铁冶炼及处理技术推动了农业、水利、和军事的发展和人类社会进步，直至18世纪进入了近代工业快速发展时代。材料是人类进化和文明的标志。石器、青铜器、铁器这些具体的材料被历史学家作为划分时代的重要标志。材料的发展创新是各个高新技术领域发展的突破口，新型材料是当代社会发展进步的促进剂，是现代社会经济的先导，是现代工业和现代农业发展的基础，也是国防现代化的保证。材料的发展深刻地影响着世界经济、军事和社会的发展，同时也改变着人们在社会活动中的实践方式和思维方式，由此极大地推动了社会进步。2. 材料是经济和社会发展的先导第一次工业革命，钢铁工业的发展为蒸
5、汽机的发明和利用奠定了基础。转炉和平炉炼钢的发明促进了机械制造和铁路运输等行业发展.第二次工业革命，合金钢、铝合金及其他非金属材料的发展是此次工业革命的支撑，为电动机的发明奠定基础.使制造业大力迈入电气化时代第三次工业革命，人工合成高分子材料问世；单晶硅材料为电子技术的发展起到核心作用；航空材料不断进步也是有着新材料研发不可磨灭的功劳3. 材料是现代文明的基石材料是人类赖以生存和发展的物质基础。进人20世纪80年代以来，在世界范围内高新技术迅猛发展，国际上展开激烈的竟争，各国都想在生物技术、信息技术、空间技术、能源技术、海洋技术等高技术领域占有一席之地。发展高新技术的关键是材料，因此新型材料的
6、开发本身就成为一种.荡新技术，称为新材料技术，其标志技术是材料设计，即根据需要来设计具有特定功能的新材料。材料的重要性已被人们充分地认识，能源、信息、材料已被世人公认为当今社会发展的三大支柱。21世纪的人类科学技术，将以先进材料技术、先进能源技术、信息技术和生物技术等四大学科为中心，通过其相互交叉和相互影响，为人类创造出完全不同的物质环境。未来的材料，将是与生物和自然具有很好的适应性、相容性和环境友好的材料。因此，性能不断提高、来源越来越广泛、能满足人类生活和社会日益增长需要的新材料，将会以更快的速度、更高的质量获得发展。 四、材料科学与工程概述1、定义 材料科学与工程专业是研究材料成分、结构
7、、加工工艺与其性能和应用的学科。主要专业方向有金属材料、无机非金属材料、耐磨材料、表面强化、材料加工等其目的在于揭示材料的行为。材料科学与工程属于工学学科门类之中的其中一个一级学科，下设3个二级学科，分别是：材料物理与化学、材料学、材料加工工程。2、材料科学与工程的内涵：材料工程研究材料在制备过程中的工艺和工程技术问题。 材料科学与工程研究材料组成、结构、生产过程、材料性能与使用性能以及他们之间的关系。 四要素：组织结构、成分工艺、材料性能与使用性能 下面给同学们材料科学的模型，来帮同学解释下材料科学与工程的内涵。如图所示为材料4个要素之间的关系。4个要素反映了材料科学与工程研究中的共性间题，
8、其中合成和加工、受加工影响的使用性能是两个普遍的关键要素，正是在这4个要素上，各种材料相互借鉴、相互补充、相互渗透。抓住了这4个要素，就抓住了材料科学与工程研究的本质。而各种材料，是其特征所在，反映了该种材料与众不同的个性。如果这样去认识，则许多长期困扰材料科技工作者的问题都将迎刃而解。可以依据这4个基本要索评估材料研究中的机遇，以新的或更有效的方式研制和生产材料，这4个要素的相对重要性，而不必拘泥子材料类别、功用或从基础研究到工程化过程中所处的地位。同时，也使材料科技工作者可以识别和跟踪材料科学与工程研究的主要发展趋势。材料性能是材料功能特性和效用(如电、磁、光、热、力学等性质)的定量度量和
9、描述。任何一种材料都有其特征的性能和应用。例如.金属材料具有刚性和硬度，可以用作各种结构件;它也具有延性，可以加工成导线或受力用线材;一些特种合金，如不锈钢、形状记忆合金、超导合金等，以用作耐腐蚀材料、智能材料和超导材料等。陶瓷有很高的熔点、高的强度和化学惰性，可用作高温发动机和金属切削刀具等;而具有压电、介电、半导体、磁学、机械等特性的特种陶瓷，在相应的领域发挥作用，但陶瓷的脆性则限制了它的应用，开发具有高延伸率的韧性陶瓷成了材料科技作者追求的目标。利用金刚石的耀度和透明性，可制成光灿夺目的宝石和性能光学涂层;而利用其硬度和导热性，可用作切削工具和传导材料。高分子材料以其各种独特的性能使其在
10、各种不同的产品上发挥作用。材料的性能是由材料的内部结构决定的，材料的结构反映了材料的组成基元及其排列和运动的方式。材料的组成基元一般为原子、离子和分子等，材料的排列方式在很大程度上受组元间结合类型的影响，如金属键、离子键、共价键、分子键等。组元在结构中不是静止不动的，是在不断的运动中，如电子的运动、原子的热运动等。描述材料的结构可以有不同层次，包括原子结构、原子的排列、相结构、显微结构、结构缺陷等，每个层次的结构特征都以不同的方式决定着材料的性能。物质结构是理解和控制性能的中心环节。组成材料的原子结构，电子围绕着原子核的运动情况对材料的物理性能有重要影响，尤其是电子结构会影响原子的键合，使材料
11、表现出金属、无机非金属或高分子的固有属性。使用性能是材料性能在工作状态（受力、气氛、温度）下的表现，材料性能可以视为材料的固有性能，而使用效能则随工作环境不同而异，但它与材料的固有性能密切相关。理论及材料与工艺设计位于多面体的中心，它直接和其它5个要素相连，表明它在材料科学中的特殊地位。 使用性能包括可靠性、有效寿命、速度(器件或车辆的)、能量利用率(机器或常用运载工具的)、安全性和寿命期费用等。因此，建立使用性能与材料基本性能相关联的模型，了解失效模式，发展合理的仿真试验程序，开展可靠性、耐用性、预测寿命的研究，以最低代价延长使用期，对先进材料研制、设计和工艺是至关重要的。这些问题，不仅对大
12、型结构和机器用的材料，而且对电子器件、磁性器件和光学器件中的结构元件和其他元件所用的材料，都是十分必要的。组织与结构每个特定的材料都含有一个以原子和电子尺度到宏观尺度的结构体系，对于大多数材料，所有这些结构尺度上化学成分和分布是立体变化的，这是制造该种特定材料所采用的合成和加工的结果。而结构上几乎无限的变化同样会引起与此相应的一系列复杂的材料性质。因此，在各种尺度上对结构与成分的深人了解是材料科学与工程的一个主要方面。材料科学的核心内容是结构与性能。为了深入理解和有效控制性能和结构，人们常常需要了解各种过程的现象，如屈服过程、断裂过程、导电过程、磁化过程、相变过程等。材料中各种结构的形成都涉及
13、能量的变化，因此外界条件的改变也将会引起结构的改变，从而导致性能的改变。因此可以说，过程是理解性能和结构的重要环节，结构是深入理解性能的核心，外界条件控制着结构的形成和过程的进行。金属、无机非金属和某些高分子材料在空间均具有规则的原子排列，或者说具有晶体的格子构造。晶体结构会影响到材料的诸多物理性能，如强度、塑性、韧性等。石墨和金刚石都是由碳原子组成，但二者原子排列方式不同，导致强度、硬度及其它物理性能差别明显。当材料处于非晶态时，与晶体材料相比，性能差别也很大，如玻璃态的聚乙烯是透明的，而晶态的聚乙烯是半透明的。又如某些非晶态金属比晶态金属具有更高的强度和耐蚀性能。此外，在晶体材料中存在的某
14、些排列的不完整性，即存在结构缺陷，也对材料性能产生重要影响。我们在研究晶体结构与性能的关系时，除考虑其内部原子排列的规则性，还需要考虑其尺寸的效应。具有高强度特征的一维材料的有机纤维、光导纤维，作为二维材料的金刚石薄膜、超导薄膜等都具有特殊的物理性能。成分工艺 工艺是指建立原子、分子和分子聚集体的新排列，在从原子尺度到宏观尺度的所有尺度上对结构进行控制以及高效而有竞争力地制造材料和零件的演变过程。合成常常是指原子和分子组合在一起制造新材料所采用的物理和化学方法。合成是在固体中发现新的化学现象和物理现象的主要源泉，合成还是新技术开发和现有技术改进中的关键性要素。合成的作用包括合成新材料、用新技术
15、合成已知的材料或将已知材料合成为新的形式、将已知材料按特殊用途的要求来合成3个方面。而加工(这里所指的加工实际上是成型加工)，除了上述为生产出有用材料对原子和分子控制外，还包括在较大尺度上的改变，有时也包括材料制造等工程方面的问题。对企业来说，材料的合成和加工是获得高质量和低成本产品的关键，把各种材料加工成整体材料、元器件、结构或系统的方法都将关系到工作的成败，材料加工能力对于把新材料转变成有用制品或改进现有材料制品都是十分重要的。材料加工涉及许多学科，是科学、工程以及经验的综合，是制造技术的一部分，也是整个技术发展的关键一步，它利用了研究与设计的成果，同时也有赖于经验总结和广泛的试验工作。一
16、个国家保持强有力的材料加工技术研究能力，对各个工业部门实现高质量、高效率是至关重要的。3、材料科学与材料工程的关系 材料科学的核心问题是结构与性能的关系。一般地说，科学是属于研究“为什么”的范畴。材料科学的基础理论体系，能为材料工程提供必要的设计依据，为更好地选择材料、使用材料、发挥材料的潜力、发展新材料等提供理论基础。并可以节省时间、提高可靠性、提高质量、降低成本和能耗、减少对环境的污染等。 材料工程是属于工程性质的领域，而工程是属于解决“怎样做”的问题。其目的在于经济地而又能为社会所接受地控制材料的结构、性能和形状。 材料科学和材料工程是紧密联系、互相促进的。材料工程为材料科学提出了丰富的研究课题，材料工程技术也为材料科学的发展提供了客观物质基础。材料科学和材料工程间的不同主要在于各自强调的核心问题不同，它们之间并没有一条明显的分界线，在解决实际问题时，很难将科学因素和工程因素独立出来考虑。因此，人们常常将二者放在一起，
