1、 School of materials Science and engineering Prof.Y.X.Li材料科学基础材料科学基础FUNDAMENTALSOFMATERIALSSCIENCE李玉香 105-1-4马 雪 101-1-311Email:liyuxiangswust.edu maxueswust.edu专业基础课程西南科技大学西南科技大学 School of materials Science and engineering Prof.Y.X.Li 课程性质：课程性质：专业基础课专业基础课(学位课学位课)。教学目的教学目的：使学生掌握：使学生掌握材料组成结构性能材料组成结构性
2、能材料用途之间相互关系及制约规律材料用途之间相互关系及制约规律的基本理论。的基本理论。通过本课程的学习，学生可以得到应用所学理论通过本课程的学习，学生可以得到应用所学理论分析实际问题的方法和思路的训练，为按预定性分析实际问题的方法和思路的训练，为按预定性能设计材料奠定基础，在一定层次上研制开发新能设计材料奠定基础，在一定层次上研制开发新材料及为后续课程的学习打下理论基础。材料及为后续课程的学习打下理论基础。特点特点：具有较强的理论性，又与生产实际有紧密具有较强的理论性，又与生产实际有紧密的联系。的联系。School of materials Science and engineering Pr
3、of.Y.X.Li 相平衡与相图相平衡与相图表面结构与性质表面结构与性质材料动态条件材料动态条件下的结构形成下的结构形成 材料科学基础材料科学基础多相系统静态多相系统静态条件下相平衡条件下相平衡 环境效应环境效应结结 晶晶 结结 构构非晶态结构与性质非晶态结构与性质晶体结构缺陷晶体结构缺陷扩扩散散相相变变固态反应固态反应烧烧结结组成、结构、组成、结构、性质关系性质关系 School of materials Science and engineering Prof.Y.X.Li学习方法学习方法你教我的，我全忘了我自己学的，还记得一点我自己想出来的，都还记得本杰明本杰明福兰克林福兰克林:被硬塞的
4、，未“通”自己生吞的，不易消化 充分消化、吸收、储存p 诚实和勤勉，应该成为你永久的伴侣诚实和勤勉，应该成为你永久的伴侣 School of materials Science and engineering Prof.Y.X.Li 1、冯端、师昌绪等、冯端、师昌绪等材料科学导论材料科学导论化学工业出版社化学工业出版社2、J.W.Mullin Crytallization 世界图书出版公司世界图书出版公司3、M.V.斯温主编斯温主编陶瓷的结构与性能陶瓷的结构与性能科学出版社科学出版社4、陆佩文等、陆佩文等硅酸盐物理化学硅酸盐物理化学东南大学出版社东南大学出版社5、赵品等、赵品等材料科学基础材料
5、科学基础哈尔滨大业大学出版社哈尔滨大业大学出版社6、周亚栋等、周亚栋等无机材料物理化学无机材料物理化学武汉理工大学出版社武汉理工大学出版社7、William D.Callister,Jr.著著FUNDAMENTALSOFMATERIALSSCIENCEANDENGINEERING School of materials Science and engineering Prof.Y.X.Li课程考核方式课程考核方式本课程主要采用本课程主要采用期末考试，结合平时上课期末考试，结合平时上课出勤及完成作业情况综合考评出勤及完成作业情况综合考评。2、学生出勤：、学生出勤：并非每次课均点名，而是采用上课并
6、非每次课均点名，而是采用上课回答问题或随机点名的方式进行，点名回答问题或随机点名的方式进行，点名1次不次不到，扣到，扣1分。分。School of materials Science and engineering Prof.Y.X.Li3、课程的成绩构成、课程的成绩构成：期末考试（：期末考试（70%）平时）平时考核考核(出勤出勤10%+作业作业10%+章节总结章节总结10%)。4、关于重修学生：关于重修学生：原则上要求必须到课，所有原则上要求必须到课，所有成绩评定与成绩评定与1212级学生相同。如有特殊情况，需在级学生相同。如有特殊情况，需在本周本周5 5上课前与老师书面说明情况，经批准后酌
7、上课前与老师书面说明情况，经批准后酌情决定）情决定）School of materials Science and engineering Prof.Y.X.Li1 1材料引言材料引言1.1材料的概念、发展与分类材料的概念、发展与分类1.2材料类型材料类型1.3材料科学的形成与内涵材料科学的形成与内涵 1.4材料组成、结构、性质、工艺及其材料组成、结构、性质、工艺及其与环境的关系与环境的关系1.5材料的选择材料的选择 School of materials Science and engineering Prof.Y.X.Li1.11.1材料的概念、发展与分类材料的概念、发展与分类p 定义定义
8、1 1：材料是人类用于制造物品、器件、构：材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其它产品的那些物质件、机器或其它产品的那些物质（师昌旭院（师昌旭院士，材料科学导论）士，材料科学导论）。p 定义2：材料是指人类社会可接受、能经济地制造有用器件(或物品)的固体物质。（1）概念：）概念：School of materials Science and engineering Prof.Y.X.Li 中国古代的四大发明中国古代的四大发明纸、火药、指南针、活字印刷纸、火药、指南针、活字印刷 现代社会的三大支柱：现代社会的三大支柱：材料、信息和能源，材料、信息和能源，其中，其中，材料是人类生产和生活的物
9、质基础。材料是人类生产和生活的物质基础。材料的使用和发展与生产力及科学技术密切材料的使用和发展与生产力及科学技术密切相关。相关。全球新技术革命的全球新技术革命的四大标志四大标志（新材料技术、新材料技术、新能源技术、信息技术、生物技术新能源技术、信息技术、生物技术）材料的重要性：材料的重要性：School of materials Science and engineering Prof.Y.X.Li（2 2）材料的发展史）材料的发展史人类文明史人类文明史9000石器石器时代时代青铜器青铜器时代时代铁器铁器时代时代电子材电子材料时代料时代30002000018001900195009902000
10、公元前公元前公元公元中中国国欧欧美美石镞（石镞（z）School of materials Science and engineering Prof.Y.X.Li商代司母戊鼎商代司母戊鼎公园前公园前16-11世世纪，青铜方鼎纪，青铜方鼎用于王室祭祀。用于王室祭祀。青铜：铜、锡、铅合金。青铜：铜、锡、铅合金。School of materials Science and engineering Prof.Y.X.Li唐三彩：马唐三彩：马釉色为：釉色为：黄、黄、白、绿三色。白、绿三色。（以铜、铁、钴、锰、锑等（以铜、铁、钴、锰、锑等为着色剂，经过焙烧形成）为着色剂，经过焙烧形成）School of
11、 materials Science and engineering Prof.Y.X.Li沧州铁狮子沧州铁狮子建于公元建于公元953年，年，距今距今1000多年历多年历史。史。School of materials Science and engineering Prof.Y.X.Li硅芯片硅芯片集成电路集成电路 School of materials Science and engineering Prof.Y.X.Li 石器时代：公元前石器时代：公元前1010万年万年 青铜器时代：公元前青铜器时代：公元前60006000年年 铁器时代：大约在公元前铁器时代：大约在公元前15001500年
12、年 水泥时代水泥时代 ：公元前：公元前8000800060006000年、新石器时代年、新石器时代早期开始制作陶器；公元元年左右，瓷器。早期开始制作陶器；公元元年左右，瓷器。钢时代：钢时代：1717世纪世纪 硅时代：硅时代：2020世纪中叶世纪中叶 新材料时代：进入新材料时代：进入2020世纪世纪9090年代年代 School of materials Science and engineering Prof.Y.X.Li材料具有重要性、普遍性和多样性。材料具有重要性、普遍性和多样性。目前，世界上传统材料已有几十万种，目前，世界上传统材料已有几十万种，而新材料的品种正在以每年大约而新材料的品种
13、正在以每年大约5%5%的速度增长；的速度增长；世界上现有世界上现有800800多万种人工合成的化合物，多万种人工合成的化合物，而且还在以每年而且还在以每年2525万种的速度增长，其中相当万种的速度增长，其中相当一部分将成为工业化生产的新材料。一部分将成为工业化生产的新材料。School of materials Science and engineering Prof.Y.X.Li（3 3）分类：）分类：按物理化学属性：按物理化学属性：金属材料金属材料无机非金属材料无机非金属材料有机高分子材料有机高分子材料由不同类型材料所组成的复合材料。由不同类型材料所组成的复合材料。按用途：按用途：电子材料
14、电子材料航空航天材料航空航天材料核材料核材料建筑材料建筑材料能源材料能源材料生物材料等。生物材料等。其他：结构材料和功能材料；其他：结构材料和功能材料；传统材料与新型材料。传统材料与新型材料。（四大家族）（四大家族）School of materials Science and engineering Prof.Y.X.Li1.2.1金属材料金属材料金属材料是由元素周期表中的金属元素组成的金属材料是由元素周期表中的金属元素组成的材料。可分为一种金属元素构成的材料。可分为一种金属元素构成的单质单质；由两种或；由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素构成的两种以上的金属元素或金属与非金属元素构
15、成的合合金金。合金又称可分为固溶体和金属间化合物。合金又称可分为固溶体和金属间化合物。合金合金：由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与：由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素形成的具有金属特性的新物质。非金属元素形成的具有金属特性的新物质。金属间化合物金属间化合物：是指金属和金属之间，类金属和金属：是指金属和金属之间，类金属和金属原子之间以共价键形式结合生成的化合原子之间以共价键形式结合生成的化合物。物。1.21.2材料类型材料类型（略讲）（略讲）School of materials Science and engineering Prof.Y.X.Li1.2.21.2.2无机
16、非金属材料无机非金属材料无机非金属材料无机非金属材料：由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、：由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和磷酸盐、锗酸盐等原料和（或）氧化物、氮化物、碳（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料，是的工艺制备而成的材料，是除金属材料、高分子材料以除金属材料、高分子材料以外 所 有 材 料 的 总 称。外 所 有 材 料 的 总 称。School of materials Science and engineering Prof.Y.X.Li（1 1）传统无机非）传统无机非金
17、属材料金属材料：（由由SiO2SiO2及及其硅酸盐化其硅酸盐化合物为主要合物为主要成分制成的成分制成的材料）材料）a a、陶瓷：、陶瓷：以粘土为主要原料与其他天然矿以粘土为主要原料与其他天然矿物原料经过粉碎、混练、成型、物原料经过粉碎、混练、成型、煅烧等过程制成的各种制品。煅烧等过程制成的各种制品。b b、玻璃：、玻璃：由熔体过冷所制得的非晶态材料。由熔体过冷所制得的非晶态材料。c c、水泥：、水泥：是指加入适量水后可成塑性浆体，是指加入适量水后可成塑性浆体，既能在空气中硬化又能在水中硬既能在空气中硬化又能在水中硬化，并能够将砂、石等材料牢固化，并能够将砂、石等材料牢固地胶结在一起的细粉状水硬
18、性材地胶结在一起的细粉状水硬性材料。料。d d、耐火材料：、耐火材料：指耐火度不低于指耐火度不低于15801580的无的无机非金属材料。机非金属材料。School of materials Science and engineering Prof.Y.X.Li（2 2）新型无机非金属材料：）新型无机非金属材料：是用氧化物、氮化物、碳是用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各种无机非金属化合物物以及各种无机非金属化合物经特殊的先进工艺制成的材料经特殊的先进工艺制成的材料。如：先进陶瓷、非晶态材料、如：先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、无机涂层、无机纤人工晶体
19、、无机涂层、无机纤维等。维等。School of materials Science and engineering Prof.Y.X.Li1.2.3 1.2.3 有机高分子材料有机高分子材料(聚合物聚合物)(1)(1)概念概念有机高分子材料有机高分子材料(聚合物聚合物)由一种或几种简单低由一种或几种简单低分子化合物经聚合面组成的分子量很大的化合物。分子化合物经聚合面组成的分子量很大的化合物。(2)(2)分类分类按来源：天然高分子材料、合成高分子材料按来源：天然高分子材料、合成高分子材料按性能和用途：橡胶、纤维、塑料按性能和用途：橡胶、纤维、塑料、胶粘剂、胶粘剂 School of mater
20、ials Science and engineering Prof.Y.X.Li1.2.41.2.4复合材料复合材料 按按基材基材分类：金属基复合材料、陶瓷基复合材分类：金属基复合材料、陶瓷基复合材料、水泥混凝土基复合材料、塑料料、水泥混凝土基复合材料、塑料基复合材料、橡胶基复合材料等。基复合材料、橡胶基复合材料等。按按增强剂增强剂形状：粒子、纤维及层状复合材料。形状：粒子、纤维及层状复合材料。按按功能功能：结构复合材料、功能复合材料。：结构复合材料、功能复合材料。School of materials Science and engineering Prof.Y.X.Li基础科学研究：基础科
21、学研究：被理解为研究材料的组成、结被理解为研究材料的组成、结构与性能（性质）的关系，探索自然规律。构与性能（性质）的关系，探索自然规律。“材料工程研究材料工程研究”是指研究材料在制备过程中是指研究材料在制备过程中的工艺和工程技术问题。的工艺和工程技术问题。内涵内涵材料科学与工程四要素图：材料科学与工程四要素图：效能效能合成与合成与制备制备结构与结构与组成组成性质性质1.31.3材料科学的形成与内涵材料科学的形成与内涵“材料科学材料科学”是是2020世纪世纪6060年代初提出的。年代初提出的。背景：背景：1957年前年前苏联卫星上天。苏联卫星上天。三属性三属性：多学科交叉、与实：多学科交叉、与实
22、际应用关系密切、发展中的际应用关系密切、发展中的科学。科学。School of materials Science and engineering Prof.Y.X.Li1.41.4材料组成、结构、性质、工艺及其与环境的关系材料组成、结构、性质、工艺及其与环境的关系材料的结构决定材料的性质，性质是结构的外材料的结构决定材料的性质，性质是结构的外在反映，对材料的使用性能有决定性的影响，而使在反映，对材料的使用性能有决定性的影响，而使用性能又与材料的使用环境密切相关。用性能又与材料的使用环境密切相关。组成组成（化学、矿物、（化学、矿物、相）相）使用环境使用环境性能性能性质性质结构结构制备与制备与加
23、工加工 School of materials Science and engineering Prof.Y.X.Li根据理论建立模型，通过模型可以进行根据理论建立模型，通过模型可以进行材料设计或工艺设计，以在达到提高性能及材料设计或工艺设计，以在达到提高性能及使用效能、节约资源、减少污染或降低成本使用效能、节约资源、减少污染或降低成本的最佳状态。的最佳状态。这是材料科学与工程工这是材料科学与工程工作者追求的目标！作者追求的目标！School of materials Science and engineering Prof.Y.X.Li新技术的成熟与应用依赖于：新技术的成熟与应用依赖于：新材
24、料的探索、发展和研制，新材料的探索、发展和研制，并对新材料性能、并对新材料性能、结构提出要求；结构提出要求；新材料的发展则要求：新材料的发展则要求：新技术的推动；制作技术的发展创新；基础学科新技术的推动；制作技术的发展创新；基础学科的研究进展，从而具有相应的理论指导；的研究进展，从而具有相应的理论指导；材料的应用取决于：材料的应用取决于：材料材料性能性能、材料、材料结构结构与制备。与制备。时代的发展，技术的进步时代的发展，技术的进步探索新材料探索新材料 School of materials Science and engineering Prof.Y.X.Li制约因素制约因素（美）（美）“哥
25、伦比亚号哥伦比亚号”三次推迟升空，三次推迟升空，2019年失年失事事“泰坦尼克号泰坦尼克号”：钢中硫磷含量：钢中硫磷含量 重庆綦江大桥：伪劣钢材重庆綦江大桥：伪劣钢材哥伦比亚号爆炸解体后哥伦比亚号爆炸解体后 1981年发射 School of materials Science and engineering Prof.Y.X.Li材料选择的核心材料选择的核心：在技术、经济合理以及环境协调在技术、经济合理以及环境协调的前提下，使材料的使用性能与的前提下，使材料的使用性能与产品的设计功能相适应。产品的设计功能相适应。选择原则：使用性能、工艺性能、经济性选择原则：使用性能、工艺性能、经济性及环境协
26、调性及环境协调性。1.51.5材料的选择材料的选择（自学）（自学）School of materials Science and engineering Prof.Y.X.Li1.5.11.5.1使用性能原则使用性能原则使用性能是材料在使用过程中，能够安全可靠地工作所必使用性能是材料在使用过程中，能够安全可靠地工作所必需具备的性能。（力学、物理和化学性能）需具备的性能。（力学、物理和化学性能）1.5.21.5.2工艺性能原则工艺性能原则工艺性能是指材料在不同的制造工艺条件下所表现出的承工艺性能是指材料在不同的制造工艺条件下所表现出的承受加工的能力。受加工的能力。1.5.31.5.3经济性选材原
27、则经济性选材原则在满足器件性能要求前提下，选材时应考虑材料的价格、在满足器件性能要求前提下，选材时应考虑材料的价格、加工费用和国家资源等情况，以降低产品成本。加工费用和国家资源等情况，以降低产品成本。1.5.41.5.4环境协调性原则环境协调性原则地球是所有材料的来源和最终归宿。原矿原材料工业地球是所有材料的来源和最终归宿。原矿原材料工业用材料产品废弃物。尽量做到再循环利用。目前，循环用材料产品废弃物。尽量做到再循环利用。目前，循环经济强调的就是这一点。经济强调的就是这一点。School of materials Science and engineering Prof.Y.X.Li本章小结及
28、要求本章小结及要求1、了解材料的概念、类型、了解材料的概念、类型2、掌握、掌握“材料科学与工程的内涵材料科学与工程的内涵”，了解材料的组成、结构、性质、制了解材料的组成、结构、性质、制备与加工、使用性能之间的关系。备与加工、使用性能之间的关系。3、了解材料的选用原则。、了解材料的选用原则。School of materials Science and engineering Prof.Y.X.Li School of materials Science and engineering Prof.Y.X.Li School of materials Science and engineering Prof.Y.X.Li School of materials Science and engineering Prof.Y.X.Li
