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1、绪绪 论论材料科学基础材料科学基础A_2012-2013(1)Foundations of Materials Science1 1材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论一、材料和工程材料一、材料和工程材料1 1、材料、材料、材料、材料哥哥哥哥伦伦伦伦比比比比亚亚亚亚号号号号航航航航天天天天飞飞飞飞机机机机材料是指人类用以制造各种材料是指人类用以制造各种有用器件的物质。有用器件的物质。2 2材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论材料是人类生产和生活材料是人类生产和生活材料是人类生产和生活材料是人类生产和生活所必须的物质基础。所必须的物质基础。所必须的
2、物质基础。所必须的物质基础。手手锤锤锉刀锉刀“ “神舟神舟神舟神舟” ”四号飞船成功返四号飞船成功返四号飞船成功返四号飞船成功返回回回回国产涡喷国产涡喷-7涡轮喷气发动机涡轮喷气发动机3 3材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论石器石器铁器铁器 象形尊象形尊( (西周西周) )石器时代石器时代石器时代石器时代青铜器时代青铜器时代青铜器时代青铜器时代铁器时代铁器时代铁器时代铁器时代材料是人类进化的里程碑。材料是人类进化的里程碑。由于材料的重要性，由于材料的重要性，历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。4 4材料科学基础上海交大版讲义
3、绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论材料的发展水平和利用程度已成为人类文明材料的发展水平和利用程度已成为人类文明材料的发展水平和利用程度已成为人类文明材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。进步的标志。进步的标志。进步的标志。 材料的发展与人类社会简图材料的发展与人类社会简图5 5材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论龙芯龙芯联想计算机联想计算机没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前的没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前的没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前的没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前的计算机技术。计算机技术。计算机技术。计算机技术
4、。 高纯度大直径的硅单晶的研制成功，高纯度大直径的硅单晶的研制成功，促使了集成电路和计算机及其他电子设备的进步。促使了集成电路和计算机及其他电子设备的进步。6 6材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天的航空没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天的航空没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天的航空没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天的航空工业和宇航工业。工业和宇航工业。工业和宇航工业。工业和宇航工业。 （碳（碳（碳（碳/ /碳复合材料的发展促进了航碳复合材料的发展促进了航碳复合材料的发展促进了航碳复合材料的发展促进了航空航天技术
5、的进步。）空航天技术的进步。）空航天技术的进步。）空航天技术的进步。）在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片飞机发动机叶片飞机发动机叶片19421942年，镍基高温合金的研年，镍基高温合金的研制成功，促使了航空发动机的制成功，促使了航空发动机的进步。进步。7 7材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。现代光纤是在英籍华人高琨博士的研究现代光纤是在英籍华人高琨博士的研究工作基础
6、上发展起来的。工作基础上发展起来的。1966年高博士年高博士发现提高玻璃的纯度可以减少光传播过发现提高玻璃的纯度可以减少光传播过程中的损耗。程中的损耗。1970年美国康宁公司将这年美国康宁公司将这一科研成果开发为商品，用高纯石英玻一科研成果开发为商品，用高纯石英玻璃制造出了现代光导纤维。这种光纤是璃制造出了现代光导纤维。这种光纤是一种比头发还细的高纯度玻璃丝一种比头发还细的高纯度玻璃丝,一根一根细丝就能同时传输细丝就能同时传输2000路通话，并且不路通话，并且不失真、不受环境干扰、不易被窃听、还传输特别快，光缆一秒失真、不受环境干扰、不易被窃听、还传输特别快，光缆一秒钟传输的距离若改用铜缆则要
7、花上钟传输的距离若改用铜缆则要花上20个小时，快了个小时，快了72000倍倍。8 8材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论2009年年10月月6日瑞典皇家科学院宣日瑞典皇家科学院宣布，将布，将2009年诺贝尔物理学奖授予年诺贝尔物理学奖授予英国华裔科学家高锟以及美国科学英国华裔科学家高锟以及美国科学家威拉德家威拉德博伊尔和乔治博伊尔和乔治史密斯。史密斯。瑞典皇家科学院说，高锟在瑞典皇家科学院说，高锟在“有关有关光在纤维中的传输以用于光学通信光在纤维中的传输以用于光学通信方面方面”取得了突破性成就，他将获取得了突破性成就，他将获得今年物理学奖一半的奖金，共得今年物理学奖一半
8、的奖金，共500万瑞典克朗（约合万瑞典克朗（约合70万美元）；万美元）；博伊尔和史密斯发明了半导体成像博伊尔和史密斯发明了半导体成像器件器件电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD）图像传感器，将分享今年物理学奖图像传感器，将分享今年物理学奖另一半奖金。另一半奖金。“光纤之父光纤之父”高锟高锟9 9材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信息并列，二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信息并列，称作现代文明的三大支柱之一。称作现代文明的三大支柱之一。 材料是全球新技术革命的四大标志之一材料是全球新技术革命的四大标志之一（新材料技（新材料技术、新能
9、源技术、信息技术、生物技术）术、新能源技术、信息技术、生物技术）1010材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论中华民族在人类历史上为材料的发展和应用作出中华民族在人类历史上为材料的发展和应用作出中华民族在人类历史上为材料的发展和应用作出中华民族在人类历史上为材料的发展和应用作出过重大贡献。过重大贡献。过重大贡献。过重大贡献。早在公元前早在公元前早在公元前早在公元前6000 6000 50005000年的新石器时代，年的新石器时代，年的新石器时代，年的新石器时代，中华民族的先人就能用中华民族的先人就能用中华民族的先人就能用中华民族的先人就能用黏土烧制成陶器，到东黏土烧制成陶
10、器，到东黏土烧制成陶器，到东黏土烧制成陶器，到东汉时期又出现了瓷器，汉时期又出现了瓷器，汉时期又出现了瓷器，汉时期又出现了瓷器，并流传海外。并流传海外。并流传海外。并流传海外。 1111材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论40004000年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷、商年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷、商年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷、商年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷、商时期，我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平。时期，我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平。时期，我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平。时期，我国的青铜冶炼和铸造技术已
11、达到很高水平。 司母戊鼎司母戊鼎河南安阳晚商遗址出土河南安阳晚商遗址出土河南安阳晚商遗址出土河南安阳晚商遗址出土青铜铸造青铜铸造青铜铸造青铜铸造高高高高133133厘米厘米厘米厘米 重重重重875kg875kg饰纹优美饰纹优美饰纹优美饰纹优美1212材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论越王勾践剑越王勾践剑春秋晚期越国青铜兵器春秋晚期越国青铜兵器出土于湖北江陵楚墓出土于湖北江陵楚墓长长55.7厘米厘米剑锷锋芒犀利剑锷锋芒犀利锋能割断头发锋能割断头发1313材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论古代剑刃制造中的特殊技术古代剑刃制造中的特殊技术春秋战国时
12、代的春秋战国时代的青铜剑，剑身及青铜剑，剑身及剑锋由不同成分剑锋由不同成分的青铜组成，是的青铜组成，是复合材料很好的复合材料很好的例子例子梯梯度度材材料料古古已已有有之之这这是是古古代代剑剑刃刃截截面面图图1414材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论黄石铜矿遗址黄石铜矿遗址春秋晚期春秋晚期春秋晚期春秋晚期矿井深达矿井深达矿井深达矿井深达50m50m50m50m炼铜炉渣多达炼铜炉渣多达炼铜炉渣多达炼铜炉渣多达40404040万吨万吨万吨万吨实属罕见实属罕见实属罕见实属罕见 1515材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论我国从春秋战国时期便开始大量使用
13、铁器，明朝科学我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器，明朝科学我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器，明朝科学我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器，明朝科学家宋应星在家宋应星在家宋应星在家宋应星在天工开物天工开物天工开物天工开物一书中就记载了古代的渗碳一书中就记载了古代的渗碳一书中就记载了古代的渗碳一书中就记载了古代的渗碳热处理等工艺。这说明早在欧洲工业革命之前，我国热处理等工艺。这说明早在欧洲工业革命之前，我国热处理等工艺。这说明早在欧洲工业革命之前，我国热处理等工艺。这说明早在欧洲工业革命之前，我国在金属材料及热处在金属材料及热处在金属材料及热处在金属材料及热处理方面就已经有了较高的成就。理方
14、面就已经有了较高的成就。理方面就已经有了较高的成就。理方面就已经有了较高的成就。 生铁炒熟铁图生铁炒熟铁图宋应星宋应星1616材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论鞍钢攀钢夜景新中国成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、宝钢等大新中国成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、宝钢等大新中国成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、宝钢等大新中国成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、宝钢等大型钢铁基地。钢产量由型钢铁基地。钢产量由型钢铁基地。钢产量由型钢铁基地。钢产量由4949年的年的年的年的15.815.8万吨上升到现在的万吨上升到现在的万吨上升到现在的万吨上升到现在的一亿吨。一亿吨。一亿吨。一亿吨。
15、1717材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论中中国国第第一一颗颗人人造造卫卫星星长长征征火火箭箭大大家家族族中中国国第第一一颗颗原原子子弹弹爆爆炸炸中中国国第第一一颗颗氢氢弹弹爆爆炸炸原子弹、氢原子弹、氢弹的爆炸，弹的爆炸，卫星、飞船卫星、飞船的上天等都的上天等都说明了我国说明了我国在材料的开在材料的开发、研究及发、研究及应用等方面应用等方面有了飞跃的有了飞跃的发展。发展。1818材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论图 航天飞机1919材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论图 磁悬浮列车2020材料科学基础上海交大版讲义绪论
16、材料科学基础上海交大版讲义绪论图 复合材料2121材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论国家大剧院设计图（顶部采用纳米材料制造）国家大剧院设计图（顶部采用纳米材料制造）2222材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论新材料产业新材料产业“十二五十二五”发展规划发展规划我国新材料产业总体发展水平仍与发达国家有较大差距，我国新材料产业总体发展水平仍与发达国家有较大差距，产业发展面临一些亟待解决的问题，主要表现在：产业发展面临一些亟待解决的问题，主要表现在： （1 1）新材料自主开发能力薄弱，大型材料企业创新动力）新材料自主开发能力薄弱，大型材料企业创新动力
17、不强，关键新材料保障能力不足；不强，关键新材料保障能力不足；（2 2）产学研用相互脱节，产业链条短，新材料推广应用）产学研用相互脱节，产业链条短，新材料推广应用困难，产业发展模式不完善；困难，产业发展模式不完善；（3 3）新材料产业缺乏统筹规划和政策引导，研发投入少）新材料产业缺乏统筹规划和政策引导，研发投入少且分散，基础管理工作比较薄弱。且分散，基础管理工作比较薄弱。 2323材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论发达国家高度重视新材料产业的培育和发展：发达国家高度重视新材料产业的培育和发展： （1 1）发达国家高度重视新材料产业的培育和发展，）发达国家高度重视新材料产
18、业的培育和发展，具有完善的技术开发和风险投资机制；具有完善的技术开发和风险投资机制； （2 2）大型跨国公司以其技术研发、资金、人才和）大型跨国公司以其技术研发、资金、人才和专利等优势，在高技术含量、高附加值新材料产品中专利等优势，在高技术含量、高附加值新材料产品中占据主导地位占据主导地位。2424材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论战略性新兴产业对部分新材料的需求预测战略性新兴产业对部分新材料的需求预测 （1 1）新能源）新能源“十二五十二五”期间，我国风电新增装机期间，我国风电新增装机60006000万千瓦以上，万千瓦以上，建成太阳能电站建成太阳能电站1000100
19、0万千瓦以上，核电运行装机达到万千瓦以上，核电运行装机达到40004000万千瓦，预计共需要稀土永磁材料万千瓦，预计共需要稀土永磁材料4 4万吨、高性万吨、高性能玻璃纤维能玻璃纤维5050万吨、高性能树脂材料万吨、高性能树脂材料9090万吨，多晶硅万吨，多晶硅8 8万吨、低铁绒面压延玻璃万吨、低铁绒面压延玻璃60006000万平方米，需要核电万平方米，需要核电用钢用钢7 7万吨万吨/ /年，核级锆材年，核级锆材12001200吨吨/ /年、锆及锆合金铸年、锆及锆合金铸锭锭20002000吨吨/ /年。年。 2525材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论 （2 2）节能和新
20、能源汽车）节能和新能源汽车 20152015年，新能源汽车累计产销量将超过年，新能源汽车累计产销量将超过5050万辆，万辆，需要能量型动力电池模块需要能量型动力电池模块150150亿瓦时亿瓦时/ /年、功率型年、功率型3030亿亿瓦时瓦时/ /年、电池隔膜年、电池隔膜1 1亿平方米亿平方米/ /年、六氟磷酸锂电解年、六氟磷酸锂电解质盐质盐10001000吨吨/ /年、正极材料年、正极材料1 1万吨万吨/ /年、碳基负极材料年、碳基负极材料40004000吨吨/ /年；乘用车需求超过年；乘用车需求超过12001200万辆，需要铝合金万辆，需要铝合金板材约板材约1717万吨万吨/ /年、镁合金年、
21、镁合金1010万吨万吨/ /年。年。 2626材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论 （3 3）高端装备制造）高端装备制造 “十二五十二五”期间，航空航天、轨道交通、海洋工程期间，航空航天、轨道交通、海洋工程等高端装备制造业，预计需要各类轴承钢等高端装备制造业，预计需要各类轴承钢180180万吨万吨/ /年、年、油船耐腐蚀合金钢油船耐腐蚀合金钢100100万吨万吨/ /年、轨道交通大规格铝合年、轨道交通大规格铝合金型材金型材4 4万吨万吨/ /年、高精度可转位硬质合金切削工具材年、高精度可转位硬质合金切削工具材料料50005000吨。到吨。到20202020年，大型客机等
22、航空航天产业发年，大型客机等航空航天产业发展需要高性能铝材展需要高性能铝材1010万吨万吨/ /年，碳纤维及其复合材料年，碳纤维及其复合材料应用比重将大幅增加。应用比重将大幅增加。 2727材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论 （4 4）新一代信息技术）新一代信息技术 预计到预计到20152015年，需要年，需要8 8英寸硅单晶抛光片约英寸硅单晶抛光片约800800万片万片/ /年、年、1212英寸硅单晶抛光片英寸硅单晶抛光片480480万片万片/ /年，平板显年，平板显示玻璃基板约示玻璃基板约1 1亿平方米亿平方米/ /年，年，TFTTFT混合液晶材料混合液晶材料40
23、0400吨吨/ /年。年。 2828材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论 （5 5）节能环保）节能环保 “十二五十二五”期间，稀土三基色荧光灯年产量将超期间，稀土三基色荧光灯年产量将超过过3030亿只，需要稀土荧光粉约亿只，需要稀土荧光粉约1 1万吨万吨/ /年；新型墙体材年；新型墙体材料需求将超过料需求将超过230230亿平方米亿平方米/ /年，保温材料产值将达年，保温材料产值将达12001200亿元亿元/ /年年; ;火电烟气脱硝催化剂及载体需求将达到火电烟气脱硝催化剂及载体需求将达到4040亿元亿元/ /年年, ,耐高温、耐腐蚀袋式除尘滤材和水处理膜耐高温、耐腐蚀
24、袋式除尘滤材和水处理膜材料等市场需求将大幅增长。材料等市场需求将大幅增长。 2929材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论重大装备关键配套金属结构材料重大装备关键配套金属结构材料01 电力电力核电用汽轮机转子锻件、发电机转轴锻件、承压壳体材料、核电用汽轮机转子锻件、发电机转轴锻件、承压壳体材料、换热管材、堆内构件材料、锆合金包壳管等；超超临界火换热管材、堆内构件材料、锆合金包壳管等；超超临界火电机组锅炉管、叶片、转子；燃机用高温合金叶片、高温电机组锅炉管、叶片、转子；燃机用高温合金叶片、高温合金轮盘锻件；水电机组用大轴锻件、抗撕裂钢板、薄镜合金轮盘锻件；水电机组用大轴锻件
25、、抗撕裂钢板、薄镜板锻件等。板锻件等。02 交通运输交通运输轨道列车用大型多孔异型空心铝合金型材、高速铁路车轮轨道列车用大型多孔异型空心铝合金型材、高速铁路车轮车轴及轴承用钢；车辆用第三代汽车钢及超高强钢、高品车轴及轴承用钢；车辆用第三代汽车钢及超高强钢、高品质铝合金车身板、变截面轧制板、大型镁合金压铸件、型质铝合金车身板、变截面轧制板、大型镁合金压铸件、型材及宽幅板材等。材及宽幅板材等。3030材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论重大装备关键配套金属结构材料重大装备关键配套金属结构材料03船舶及海洋工程船舶及海洋工程船用高强度易焊接宽厚板、特种耐腐蚀船板、货油舱和压载
26、船用高强度易焊接宽厚板、特种耐腐蚀船板、货油舱和压载舱等相关耐蚀管系材料、殷瓦钢等；海洋工程用高强度特厚舱等相关耐蚀管系材料、殷瓦钢等；海洋工程用高强度特厚齿条钢、大口径高强度无缝管、不锈钢管及配件、深水系泊齿条钢、大口径高强度无缝管、不锈钢管及配件、深水系泊链、超高强度钢等。链、超高强度钢等。04航空航天航空航天高强、高韧、高耐损伤容限铝合金厚、中、薄板，大规格锻高强、高韧、高耐损伤容限铝合金厚、中、薄板，大规格锻件、型材、大型复杂结构铝材焊接件、铝锂合金、大型钛合件、型材、大型复杂结构铝材焊接件、铝锂合金、大型钛合金材、高温合金、高强高韧钢等。金材、高温合金、高强高韧钢等。3131材料科学
27、基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论建造中的建造中的Titanic Titanic 号，可以看到船身上长长的焊缝号，可以看到船身上长长的焊缝Titanic的沉没是必然还是偶然？的沉没是必然还是偶然？3232材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论Titanic Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果Titanic的沉没是必然还是偶然？的沉没是必然还是偶然？3333材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论1863186318631863年，光学显微镜首次应用年，光
28、学显微镜首次应用年，光学显微镜首次应用年，光学显微镜首次应用于金属研究，诞生了金相学，使于金属研究，诞生了金相学，使于金属研究，诞生了金相学，使于金属研究，诞生了金相学，使人们能够将材料的宏观性能与微人们能够将材料的宏观性能与微人们能够将材料的宏观性能与微人们能够将材料的宏观性能与微观组织联系起来。观组织联系起来。观组织联系起来。观组织联系起来。灰铸铁的显微组织灰铸铁的显微组织光学显微镜光学显微镜Pb-Sn共晶组织共晶组织人类对材料的认识是逐步深入的。人类对材料的认识是逐步深入的。3434材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论19121912年发现了年发现了年发现了年发现
29、了X-X-射线对晶体的作用并在随后被用于射线对晶体的作用并在随后被用于射线对晶体的作用并在随后被用于射线对晶体的作用并在随后被用于晶体衍射分析，使人们对固体材料微观结构的认识晶体衍射分析，使人们对固体材料微观结构的认识晶体衍射分析，使人们对固体材料微观结构的认识晶体衍射分析，使人们对固体材料微观结构的认识从最初的假想到科学的现实。从最初的假想到科学的现实。从最初的假想到科学的现实。从最初的假想到科学的现实。 Si表面的重构图象表面的重构图象X-射线衍射仪射线衍射仪3535材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论19321932年发明了电子年发明了电子年发明了电子年发明了电子
30、显微镜，把人们带显微镜，把人们带显微镜，把人们带显微镜，把人们带到了微观世界的更到了微观世界的更到了微观世界的更到了微观世界的更深层次（深层次（深层次（深层次（1010-7-7mm） 透射电子显微镜透射电子显微镜 扫描电子显微镜扫描电子显微镜 光镜下光镜下电镜下电镜下3636材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论19341934年位错理论的年位错理论的年位错理论的年位错理论的提出，解决了晶体理提出，解决了晶体理提出，解决了晶体理提出，解决了晶体理论计算强度与实验测论计算强度与实验测论计算强度与实验测论计算强度与实验测得的实际强度之间存得的实际强度之间存得的实际强度之间存得
31、的实际强度之间存在的巨大差别的矛盾，在的巨大差别的矛盾，在的巨大差别的矛盾，在的巨大差别的矛盾，对于人们认识材料的对于人们认识材料的对于人们认识材料的对于人们认识材料的力学性能及设计高强力学性能及设计高强力学性能及设计高强力学性能及设计高强度材料具有划时代的度材料具有划时代的度材料具有划时代的度材料具有划时代的意义。意义。意义。意义。 金属钛中的位错金属钛中的位错3737材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论2 2、材料科学、材料科学、材料科学、材料科学主要研究内容：主要研究内容：主要研究内容：主要研究内容： 研究材料的化学组成、结构与性能的关系；研究材料的化学组成、结构
32、与性能的关系；研究材料的化学组成、结构与性能的关系；研究材料的化学组成、结构与性能的关系； 研究材料的形成机理和制取方法；研究材料的形成机理和制取方法；研究材料的形成机理和制取方法；研究材料的形成机理和制取方法； 研究材料物理性能的测试方法和技术；研究材料物理性能的测试方法和技术；研究材料物理性能的测试方法和技术；研究材料物理性能的测试方法和技术； 分析材料的损坏机理；分析材料的损坏机理；分析材料的损坏机理；分析材料的损坏机理； 研究材料的合理加工方法和最佳使用方案研究材料的合理加工方法和最佳使用方案研究材料的合理加工方法和最佳使用方案研究材料的合理加工方法和最佳使用方案l材料科学是以材料为研
33、材料科学是以材料为研究对象的一门科学。究对象的一门科学。挑战者号爆炸瞬间挑战者号爆炸瞬间3838材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论二、材料的分类二、材料的分类按组成与结合键分：按组成与结合键分： 1、金属材料、金属材料 2、高分子材料、高分子材料 3、陶瓷材料、陶瓷材料 4、复合材料、复合材料3939材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论金属材料金属材料以金属键结合为主以金属键结合为主以金属键结合为主以金属键结合为主 良好的导电性、导良好的导电性、导良好的导电性、导良好的导电性、导热性、延展性和金热性、延展性和金热性、延展性和金热性、延展性和金属
34、光泽属光泽属光泽属光泽 用量最大、应用最用量最大、应用最用量最大、应用最用量最大、应用最广泛广泛广泛广泛黑色金属黑色金属有色金属有色金属轻金属轻金属, ,重金属重金属, ,贵金属贵金属, ,稀有金属稀有金属 4040材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界年产铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界年产铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界年产铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达量已达量已达量已达1010亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的亿吨，在机械产品中的用量已占整个
35、用材的亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的60%60%以上。以上。以上。以上。 带材带材异形材异形材板材板材管材管材4141材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论金属材料制品金属材料制品4242材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论陶瓷材料陶瓷材料以共价键和离子键以共价键和离子键以共价键和离子键以共价键和离子键为主为主为主为主熔点高、硬度高、熔点高、硬度高、熔点高、硬度高、熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大耐腐蚀、脆性大耐腐蚀、脆性大耐腐蚀、脆性大 分为传统陶瓷、特分为传统陶瓷、特分为传统陶瓷、特分为传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷种陶瓷和金属陶瓷种陶瓷和
36、金属陶瓷种陶瓷和金属陶瓷三类三类三类三类 4343材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论传统陶瓷传统陶瓷传统陶瓷传统陶瓷又称普通陶瓷，是以天然材料又称普通陶瓷，是以天然材料又称普通陶瓷，是以天然材料又称普通陶瓷，是以天然材料( ( ( (如黏土、石英、如黏土、石英、如黏土、石英、如黏土、石英、长石等长石等长石等长石等) ) ) )为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。特种陶瓷特种陶瓷特种陶瓷特种陶瓷又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的陶又称精细陶瓷，是以人工合成材料
37、为原料的陶又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的陶又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的陶瓷，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。瓷，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。瓷，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。瓷，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。 陶瓷制品陶瓷制品陶瓷发动机陶瓷发动机4444材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论高分子材料高分子材料 以分子键和共价键以分子键和共价键以分子键和共价键以分子键和共价键为主为主为主为主塑性、耐蚀性、电塑性、耐蚀性、电塑性、耐蚀性、电塑性、耐蚀性、电绝缘性、减振性好，绝缘性、减振性好，绝缘性、减振性好，绝缘性、减振性好，密度小
38、密度小密度小密度小 包括塑料、橡胶及包括塑料、橡胶及包括塑料、橡胶及包括塑料、橡胶及合成纤维等合成纤维等合成纤维等合成纤维等 分分子子键键共共价价键键4545材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论高分子材料高分子材料高分子材料高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业中被广泛应用。中被广泛应用。中
39、被广泛应用。中被广泛应用。 烯丙酰氯烯丙酰氯- -苯乙苯乙烯烯4646材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论复合材料复合材料 包括：包括：包括：包括：金属基复合材料金属基复合材料金属基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料高分子复合材料高分子复合材料高分子复合材料高分子复合材料 l是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。玻璃纤维增强高分子复合材料玻璃纤维增强高分子复合材料4747材料科学基础上海交大版讲义绪
40、论材料科学基础上海交大版讲义绪论现代航空发动机燃烧室现代航空发动机燃烧室现代航空发动机燃烧室现代航空发动机燃烧室温度最高的材料就是通温度最高的材料就是通温度最高的材料就是通温度最高的材料就是通过粉末冶金法制备的氧过粉末冶金法制备的氧过粉末冶金法制备的氧过粉末冶金法制备的氧化物粒子弥散强化的镍化物粒子弥散强化的镍化物粒子弥散强化的镍化物粒子弥散强化的镍基合金复合材料。很多基合金复合材料。很多基合金复合材料。很多基合金复合材料。很多高级游艇、赛艇及体育高级游艇、赛艇及体育高级游艇、赛艇及体育高级游艇、赛艇及体育器械等是由碳纤维复合器械等是由碳纤维复合器械等是由碳纤维复合器械等是由碳纤维复合材料制成
41、的，它们具有材料制成的，它们具有材料制成的，它们具有材料制成的，它们具有重量轻，弹性好，强度重量轻，弹性好，强度重量轻，弹性好，强度重量轻，弹性好，强度高等优点。高等优点。高等优点。高等优点。 航空发动机航空发动机4848材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论Properties:MechanicalAndFunctionalProcessing,Synthesis,AndphasetransformationStructureandcharacterizationTheoryandModeling4949材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论505
42、0材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学与工程及其与其他学科的关系材料科学与工程及其与其他学科的关系Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E5151材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论举例举例举例举例1 1金刚石（钻石）和石墨，都是由碳原子组成，但前金刚石（钻石）和石墨，都是由碳原子组成，但前金刚石（钻石）和石墨，都是由碳原子组成，但前金刚石（钻石）和石墨，都是由碳原子组成，但前者是自然界中最坚硬的固体，而后者却很软（因晶体结构者
43、是自然界中最坚硬的固体，而后者却很软（因晶体结构者是自然界中最坚硬的固体，而后者却很软（因晶体结构者是自然界中最坚硬的固体，而后者却很软（因晶体结构不同）。不同）。不同）。不同）。举例举例举例举例2 2同样长的一段铁丝和钢丝，经弯曲后发现铁丝易弯同样长的一段铁丝和钢丝，经弯曲后发现铁丝易弯同样长的一段铁丝和钢丝，经弯曲后发现铁丝易弯同样长的一段铁丝和钢丝，经弯曲后发现铁丝易弯曲，而钢丝不易弯曲，即塑性不同（因两者成分不同）。曲，而钢丝不易弯曲，即塑性不同（因两者成分不同）。曲，而钢丝不易弯曲，即塑性不同（因两者成分不同）。曲，而钢丝不易弯曲，即塑性不同（因两者成分不同）。举例举例举例举例3 3
44、两根锯条，同时加热（两根锯条，同时加热（两根锯条，同时加热（两根锯条，同时加热（800800），然后一根水冷，一），然后一根水冷，一），然后一根水冷，一），然后一根水冷，一根空冷，用手折时，发现前者很脆，后者很韧（因组织不根空冷，用手折时，发现前者很脆，后者很韧（因组织不根空冷，用手折时，发现前者很脆，后者很韧（因组织不根空冷，用手折时，发现前者很脆，后者很韧（因组织不同）。同）。同）。同）。举例举例举例举例4 4若断开一根铁丝，可反复弯曲，在应变处发热若断开一根铁丝，可反复弯曲，在应变处发热若断开一根铁丝，可反复弯曲，在应变处发热若断开一根铁丝，可反复弯曲，在应变处发热变变变变硬（脆）硬（脆
45、）硬（脆）硬（脆）断（因塑性变形）。断（因塑性变形）。断（因塑性变形）。断（因塑性变形）。5252材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论作为一名工程师，学习如何选择和应用金属材料作为一名工程师，学习如何选择和应用金属材料的一般原理，即金属材料的内部结构及对性能的的一般原理，即金属材料的内部结构及对性能的影响。只有掌握金属材料科学的基础理论和知识，影响。只有掌握金属材料科学的基础理论和知识，材料对任一种金属材料进行研究和应用。材料对任一种金属材料进行研究和应用。课程的主线（纲）课程的主线（纲）金属材料的性能与化学成分、相结构、组织结构金属材料的性能与化学成分、相结构、组织结
46、构之间的关系及其在各种条件下的变化规律。之间的关系及其在各种条件下的变化规律。材料科学基础的应用价值材料科学基础的应用价值5353材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论教学目的与要求：教学目的与要求：1 1 掌掌握握材材料料科科学学研研究究的的内内容容及及其其要要素素之之间间的的逻逻辑辑关系关系. .2 2 了解材料发展的现状与发展趋势了解材料发展的现状与发展趋势. .3 3 了解本课程的学习方法了解本课程的学习方法. .4 4 为为后后续续专专业业课课打打下下牢牢固固的的基基础础，同同时时为为将将来来从从事材料的研究与开发打下坚实的理论基础。事材料的研究与开发打下坚实的
47、理论基础。5454材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论课程性质课程性质专业基础课（考研需要）专业基础课（考研需要）研究对象：金属材料研究对象：金属材料先修课程要求：先修课程要求：物理化学；材料力学（固体力学），高等物理化学；材料力学（固体力学），高等数学。数学。5555材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论课程的特点：课程的特点：理论性和实践性很强的课程，与基础课相理论性和实践性很强的课程，与基础课相比，有很大不同：概念多，术语多；公式，定比，有很大不同：概念多，术语多；公式，定律少，定性的描述多；内容多，需要记忆和理律少，定性的描述多；内容多，需
48、要记忆和理解的知识多。解的知识多。学习方法：学习方法：认真听讲，勤看书，理解基本概念，掌握认真听讲，勤看书，理解基本概念，掌握基本知识，通过例题和习题，举一反三，加深基本知识，通过例题和习题，举一反三，加深理解。理解。5656材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论教学安排教学安排112学时，课堂授课学时，课堂授课104学时，实验学时，实验6学时（学时（3次次实验课）实验课）,2学时习题课。学时习题课。考核方式：考试考核方式：考试平时平时30，（包括上课纪律，回答问题，实验报，（包括上课纪律，回答问题，实验报告情况，平时作业等）告情况，平时作业等）期终笔试考核期终笔试考核705757材料科学基础上海交大版讲义绪论材料科学基础上海交大版讲义绪论
