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材料科學(xué)基礎(chǔ) The Fundamentals(Elements,Principles )of Materials Science An Introduction to Materials Science 主講 李克 *1材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克 緒論 第一章 原子結(jié)構(gòu)與鍵合 第二章 固體結(jié)構(gòu) 第三章 晶體缺陷 第四章 固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng) 第五章 材料的形變與再結(jié)晶 第六章 單組元相圖及純晶體的凝固 第七章 二元相圖及其合金的凝固 材料科學(xué)基礎(chǔ) Date2材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克 緒論 Introduction 材料的發(fā)展是社會(huì)文明的標(biāo)志： 石器時(shí)代、陶器時(shí)代、銅器時(shí)代和硅片時(shí)代 Date3材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克 1. 歷史進(jìn)程 漫長(zhǎng)而又曲折的歷程： 石器時(shí)代（從古猿到原始人）： 石斧、鑿、刀、鏟、箭頭、 紡輪、缽等（西安半坡遺址） 石斧 陶器時(shí)代（從原始社會(huì)末期)：-高燃燒值的煤、炭 從新石器時(shí)代的仰韶文化和紅山文化時(shí)期燒制的紅陶、 黑陶和白陶，到殷、周時(shí)期的釉瓷，直至東漢出現(xiàn)的瓷器，制陶 技術(shù)并于九世紀(jì)傳至非洲東部和阿拉伯世界，十三世紀(jì)傳至日本 ，十五世紀(jì)傳至歐洲。瓷器（china）成為中國(guó)文化的象征，對(duì)世 界文明產(chǎn)生了極大的影響。 Date4材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克 宋代早期龍泉青瓷 南宋后代龍泉青瓷 南宋白胎龍泉青瓷 （浙江） 陶器和瓷器文化： 從新石器時(shí)代的仰韶文化和龍山文化時(shí)期燒制的紅陶、 黑陶和白陶，到殷、周時(shí)期的釉瓷，直至東漢出現(xiàn)的瓷器，制陶 技術(shù)并于九世紀(jì)傳至非洲東部和阿拉伯世界，十三世紀(jì)傳至日本 ，十五世紀(jì)傳至歐洲。瓷器（china）成為中國(guó)文化的象征，對(duì)世 界文明產(chǎn)生了極大的影響。 Date5材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克 巨型司母戊鼎 （河南安陽(yáng)晚商遺址） 銅器時(shí)代（約公元2140年間） ：-金屬冶煉溫度 我國(guó)青銅的冶煉在夏（約公元 2140年間）以前就開(kāi)始了，雖 然晚于古埃及和西亞，但發(fā)展較 快。著名的有：晚商遺址出土的 司母戊鼎，湖北江陵楚墓中發(fā)掘 出的越王勾踐劍，湖北隋縣出土 的戰(zhàn)國(guó)青銅編鐘，這些均構(gòu)成了 青銅器是中國(guó)古文明的象征。 Date6材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克 湖北江陵楚墓出土越王勾踐寶劍 Date7材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克 湖南長(zhǎng)沙砂子塘戰(zhàn)國(guó)凹形鐵鋤 鐵器時(shí)代（春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期)- 我國(guó)從春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期（公元前770 221年）開(kāi)始大量使用鐵器。公元前 六世紀(jì)末葉，我國(guó)在世界上首先掌 握了生鐵鑄造方法，使生鐵的利用 比西歐約早一千八百年。公元一世 紀(jì)，我國(guó)發(fā)明了煉鋼方法，比西歐 也約早一千八百年；公元二世紀(jì)末 ，刀師蒲元已掌握了水質(zhì)對(duì)淬火的 影響，當(dāng)時(shí)他在今陜西南部造刀時(shí) ，要用成都的水，并深知水質(zhì)與淬 硬的關(guān)系。它預(yù)演了十五、六個(gè)世 紀(jì)以后美國(guó)為淬火要從英國(guó) Sheffield取水的故事。 金屬冶煉溫度更高 Date8材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克 l 材料技術(shù)到材料科學(xué)的轉(zhuǎn)變 技術(shù)與科學(xué)的概念 科學(xué)-science源于拉丁文的“知識(shí)”?？茖W(xué)是理性地、系統(tǒng)地探索自然，目的 是尋求真理、發(fā)現(xiàn)新知識(shí)。從事基礎(chǔ)科學(xué)研究的人往往是受好奇心的驅(qū)使 ，不可能預(yù)知所研究的東西有沒(méi)有用，其成果通過(guò)發(fā)表在同行評(píng)議的期刊 上得到科學(xué)界的承認(rèn)，有些成果會(huì)有意想不到的應(yīng)用，有些則可能永遠(yuǎn)也 不能應(yīng)用。 技術(shù)-technology-由希臘文的“藝術(shù)或技巧”和“學(xué)問(wèn)”兩個(gè)字根構(gòu)成， technology是有關(guān)實(shí)用技藝和工業(yè)藝術(shù)的學(xué)問(wèn)，研究的是知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用 ，目的是發(fā)明，其成果往往可以申請(qǐng)專(zhuān)利，也能在研究期刊上發(fā)表，但不 一定馬上能成為產(chǎn)品。一項(xiàng)發(fā)明從概念的模型或設(shè)計(jì)到形成產(chǎn)品，還要經(jīng) 過(guò)大量的技術(shù)開(kāi)發(fā)工作，包括改進(jìn)設(shè)計(jì)、優(yōu)化制造工藝或程序等。 科學(xué)只有通過(guò)技術(shù)才能轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力 Date9材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克 l 古代科技名著：“考工記” （先秦）， “夢(mèng)溪筆談”（宋代 沈 括）， “天工開(kāi)物”（明代 宋應(yīng)星）。 “考工記”中的“六齊”之律的論述 :“金有六齊，六分其金而錫居一，謂 之鈡鼎之齊；五分其金而錫居一，謂之斧斤之齊；四分其金而錫居一，謂之 戈戟之齊；三分其金而錫居一，謂之大刃之齊；五分其金而錫居二，謂之削 殺矢之齊；金、錫半，謂之鑒燧之齊?！?兩種理解：一種是將“金”看成是青銅，則錫含量為：16.7、20、25 、33.3、40、50；另一種是將“金”看成是純銅，則錫含量為： 14.3、16.7、20、26、28.6、33.3。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳玉方和美國(guó)華盛頓史密森博物學(xué)院的C. W. Chase選用 后一種作為“六齊”模擬試驗(yàn)成分，運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段研究，證實(shí)“ 六齊”之律的科學(xué)性（文物保護(hù)與考古科學(xué)，1991，第3卷）。 Date10材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克 n n 明代以后，由于封建社會(huì)的腐朽沒(méi)落約束了明代以后，由于封建社會(huì)的腐朽沒(méi)落約束了 生產(chǎn)力，冶金技術(shù)沒(méi)有能進(jìn)一步提高，沒(méi)有像生產(chǎn)力，冶金技術(shù)沒(méi)有能進(jìn)一步提高，沒(méi)有像 西方那樣在十八世紀(jì)以后得到很快發(fā)展，更沒(méi)西方那樣在十八世紀(jì)以后得到很快發(fā)展，更沒(méi) 能在十九世紀(jì)以后像西方那樣將科學(xué)技術(shù)、教能在十九世紀(jì)以后像西方那樣將科學(xué)技術(shù)、教 學(xué)、物理、化學(xué)、力學(xué)應(yīng)用于冶金，使之從一學(xué)、物理、化學(xué)、力學(xué)應(yīng)用于冶金，使之從一 門(mén)門(mén)技術(shù)技術(shù)發(fā)展成為一門(mén)發(fā)展成為一門(mén)科學(xué)科學(xué)。 n n 十八世紀(jì)后，工業(yè)迅速發(fā)展，對(duì)材料特別是十八世紀(jì)后，工業(yè)迅速發(fā)展，對(duì)材料特別是 鋼鐵的需求急速增長(zhǎng)。為了適應(yīng)這一需要，西鋼鐵的需求急速增長(zhǎng)。為了適應(yīng)這一需要，西 方在化學(xué)、物理、材料力學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)上，方在化學(xué)、物理、材料力學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)上， 產(chǎn)生了一門(mén)新的科學(xué)產(chǎn)生了一門(mén)新的科學(xué)物理冶金（物理冶金（Physical Physical MetallurgyMetallurgy），），中國(guó)叫中國(guó)叫“ “金屬學(xué)金屬學(xué)” ” 它明確地提出它明確地提出 了金屬的外在性能取決于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的概念。近了金屬的外在性能取決于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的概念。近 一百多年來(lái)，光學(xué)顯微鏡、一百多年來(lái)，光學(xué)顯微鏡、X X射線技術(shù)、電子顯射線技術(shù)、電子顯 微鏡等新儀器和新技術(shù)的相繼出現(xiàn)和發(fā)展，為微鏡等新儀器和新技術(shù)的相繼出現(xiàn)和發(fā)展，為 揭示材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)（從肉眼揭示材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)（從肉眼原子）提供了原子）提供了 有力的手段，金屬學(xué)得到了長(zhǎng)足進(jìn)步。有力的手段，金屬學(xué)得到了長(zhǎng)足進(jìn)步。 長(zhǎng)征三號(hào)運(yùn)載火箭在發(fā)射架上 Date11材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克 Widmanstabtten 在19 世紀(jì)初用硝酸水溶液腐刻鐵隕石切片, 觀察 到片狀Fe-N i 奧氏體的規(guī)則分布(魏氏組織) , 預(yù)告金相學(xué)即將誕生。 Sorby 在1863 年用反射式顯微鏡觀察拋光腐刻的鋼鐵試樣, 不但看到珠 光體中的滲碳體和鐵素體的片狀組織, 還對(duì)鋼的淬火和回火作了初步探 討, 金相學(xué)已基本形成。到19- 20 世紀(jì)之交,Martens (馬氏) 和Osmond 對(duì)金相學(xué)的發(fā)展和金相檢驗(yàn)在廠礦中的推廣做了重要貢獻(xiàn), 同時(shí)Roberts -Austen (奧氏) 和Roogzeboom 初步繪制出Fe-C 平衡圖, 為金相學(xué)奠定 了理論基礎(chǔ)。到了二十世紀(jì)中葉, 金相學(xué)已逐步發(fā)展成金屬學(xué)、物理冶 金和材料科學(xué)。 1912 年Laue 等發(fā)明X射線衍射,接著B(niǎo)ragg 父子就把它應(yīng)用到金屬 及一些簡(jiǎn)單無(wú)機(jī)化合物的晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定。到了二十年代,金相學(xué)的一些基 本問(wèn)題得以迎刃而解,如-Fe 不存在(1922) ,有序固溶體(1923) ,單晶 體的滑移系統(tǒng)(1922 - 1925) ,織構(gòu)(1925) ,電子化合物(1926) ,馬氏體 的四方度(1926) ,等等。進(jìn)入三十年代,略微復(fù)雜一些的晶體結(jié)構(gòu)問(wèn)題也 列入研究日程,如間隙化合物(1930) ,取向關(guān)系(1930) ,G. P. 區(qū)(1939) ,等等。到了四十年代,不但已經(jīng)開(kāi)始用富里葉分析研究金屬冷加工產(chǎn)生 的晶粒碎化及晶格畸變(1948) ,并已出現(xiàn)“金屬的結(jié)構(gòu)”(C. S. Barrett ,1943) 、“X射線金相學(xué)”(A. Taylor ,1945) 等專(zhuān)著。 Date12材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克 Ruska 在三十年代研制出第一臺(tái)電子顯微鏡,戰(zhàn)后(1954 年) 又發(fā) 展出帶有電子衍射功能的高分辨電鏡Elmiskop I。他在1986 年獲得這 個(gè)遲到的但卻是當(dāng)之無(wú)愧的諾貝爾物理獎(jiǎng)。 材料科學(xué)的幾次突破性進(jìn)展充分說(shuō)明電子顯微鏡的重要性。首先是 電子衍射與成像的結(jié)合使位錯(cuò)的直接觀察得以實(shí)現(xiàn)。位錯(cuò)等晶體缺陷因 此得以成為六、七十年代的研究熱點(diǎn)。選區(qū)衍射使晶體結(jié)構(gòu)分析進(jìn)入到 微米甚至到納米層次。高分辨電鏡已發(fā)展到分辨單個(gè)原子的水平,這就 為九十年代發(fā)現(xiàn)和研究納米碳管創(chuàng)造了條件,開(kāi)辟了納米技術(shù)的新紀(jì)元. Date13材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克 材料分類(lèi)(Classification of Materials) 2. 材料的定義和分類(lèi) 材料具有某種用途的物質(zhì) Date14材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克 材料科學(xué)基礎(chǔ)是研究材料的成分、組織結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的科學(xué) 為什么不同類(lèi)型材料會(huì)體現(xiàn)不同的性質(zhì)，如金屬材料的強(qiáng)度、韌性和塑 性；陶瓷材料的強(qiáng)度、脆性；高分子材料的韌性和延展性； n舉例 Date15材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克 3. 3. 材料科學(xué)與工程學(xué)科的定義及演變材料科學(xué)與工程學(xué)科的定義及演變 材料科學(xué)研究材料的組織結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系 的學(xué)科 材料工程基于材料組織結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系 來(lái)設(shè)計(jì)材料組織結(jié)構(gòu)以獲得預(yù)期的材料性能 Date16材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克 材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的演變 機(jī)械工 程系 學(xué)習(xí)蘇 聯(lián) 機(jī)械制造系，設(shè) 立金屬熱處理(鑄 鍛焊)專(zhuān)業(yè)材料 成型及控制工程 專(zhuān)業(yè) 材料科學(xué)與工程學(xué)院（大部 分院校）材料科學(xué)與工程 專(zhuān)業(yè) 80 年 代 Date17材料科學(xué)基礎(chǔ)CAI課件-李克 第一章 原子結(jié)構(gòu)與鍵合 第二章 固體結(jié)構(gòu) 第三章 晶體缺陷 第四章 固體中原子及分子的運(yùn)動(dòng) 第五章 材料的形變與再結(jié)晶 第六章 單組元相圖及純晶體的凝固 第七章 二元相圖及其合金的凝固 材料科學(xué)基礎(chǔ)-章節(jié)內(nèi)容 Date1