材料科学基础说课.ppt

材料科学基础,说课曾荣昌教授,材料及材料科学的发展史材料科学基础课程简介材料科学基础教材和参考书材料科学基础内容和重点材料科学基础学习方法,什么是材料科学（materials science）？,材料科学是研究材料的成分、组织结构、制备工艺与材料性质和使用效能，以及它们之间相互关系的科学。材料科学是多学科交叉与结合的结晶，是一门与工程技术密不可分的应用科学。材料科学对生产、使用和发展新材料具有指导意义。,材料及材料科学的发展史,材料科学导论-融贯的论述，冯端、师昌绪、刘治国，化学工业出版社，2002,1.材料是人类赖以生存和发展的物质基础,材料是人类用来制造机器、构件、器件和其他产品的物质。材料广泛地应用于机械、交通运输、建筑、能源等各行各业等。材料按化学状态分为：金属材料、陶瓷材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料。,20世纪70年代，人们把信息、材料和能源作为社会文明的支柱。80年代，随着高技术群的兴起，又把新材料与信息技术、生物技术并列作为新技术革命的重要标志。现代社会，材料已成为国民经济建设、国防建设和人民生活的重要组成部分。,2.人类的文明史就是材料的发展史,材料是人类进化的里程碑，人类经历了：石器时代青铜器时代（公元前5000年）铁器时代（公元前1200年）19世纪中叶，钢铁时代20世纪中叶，高分子材料电子材料时代（20世纪初）,3.材料科学的形成是科学技术发展的结果,固体物理、无机化学、有机化学、物理化学等学科的发展，对物质结构和物性的深入研究，推动了对材料本质的研究和了解；同时，冶金学、金属学、陶瓷学等对材料本身的研究也大大加强，从而对材料的制备、结构和性能，以及它们之间的相互关系的研究也愈来愈深入，这为材料科学的形成打下了比较坚实的基础。,在材料科学这个名词出现以前，金属材料、高分子材料与陶瓷材料科学都已自成体系，它们之间存在着颇多相似之处，可以相互借鉴，促进本学科的发展。如马氏体相变本来是金属学家提出来的，而且广泛地用来作为钢热处理的理论基础。但在氧化锆陶瓷材料中也发现了马氏体相变现象，并用来作陶瓷增韧的一种有效手段。,各类材料的研究设备与生产手段也有很多相似之处。虽然不同类型的材料各有专用测试设备与生产装置，但更多的是相同或相近的，如显微镜、电子显微镜、表面测试及物理性能和力学性能测试设备等。在材料生产中，许多加工装置也是通用的。研究设备与生产装备的通用不但节约了资金，更重要的是相互得到启发和借鉴，加速了材料的发展。,科学技术的发展，要求不同类型的材料之间能相互代替，充分发挥各类材料的优越性，以达到物尽其用的目的。长期以来，金属、高分子及无机非金属材料学科相互 分割，自成体系。由于互不了解，习惯于使用金属材料的想不到采用高分子材料，即使想用，又对其不太了解，不敢问津。相反，习惯于用高分子材料的，也不想用金属材料或陶瓷材料。因此，科学技术发展对材料提出的新的要求，促进了材料科学的形成。,复合材料的发展，将各种材料有机地联成了一体。复合材料在多数情况下是不同类型材料的组合，通过材料科学的研究，可以对各种类型材料有一个更深入的了解，为复合材料的发展提供必要的基础。,材料科学是现代科学技术发展的基础、工业生产的支柱,在近代科学技术的推动下，材料品种日益增多，不同效能的新材料不断涌现，原有材料的性能也更为改善与提高。硅半导体材料的工业化生产，使计算机技术进入了超大规模集成电路时代；高温高强度材料的出现，促进了宇航工业的发展；隐形材料的研制成功，使现代战争扑朔迷离。,材料科学的作用,研发新材料，需要材料科学理论指导；发展材料科学理论，必须融合其他学科，如物理、化学、力学、生物医学、工程学的理论，进行交叉与渗透。如：材料与物理材料物理材料与化学材料化学材料与力学材料力学材料与生物医学生物材料材料与工程学材料工程,图3材料四要素（英国科学家）,材料要素,Synthesis/,Composition,成分/结构,合成/加工,表征,性能,效能,材料科学与工程所探讨的是材料的制备、结构、性能与功效之间的相互关系。,图4 材料要素（中国）,材料科学的形成历史,与人类使用材料的漫长历史相比，科学家研究材料科学的历史比较短暂。由于实用的金属与陶瓷材料多半是多组元的复相物质，使得习惯于研究简单物质的科学家望之而却步。因而长期以来，材料的发展依靠匠师们穷年累月里汇聚起来的手艺、诀窍和经验。到19世纪中叶以后，转炉与平炉炼钢相继问世，钢铁生产开始成为大规模的企业。而钢铁热处理过程是影响钢铁质量的关键问题，亟需科学研究。科学家首先应用光学显微镜来观察抛光金属表面的显微组织的变化，确定了一 些重要的物相，开辟了金相学这一学科。,材料科学导论,冯端、师昌绪、刘治国 主编,化学工业出版社,2006.01,在19世纪，热力学与经典统计力学相继问世，对于这两个学科都有杰出贡献的科学家JWGibbs于1878年发 表了著名的长篇论文“论复相物质的平衡”(On the Equilibrium of Heterogeneous Substances)，从而对物理化学产生深远的影响，同时也为理解材料的相平衡的规律(包括相律)，乃至相变动力学等重要问题，提供了必要的科学依 据。,材料科学导论,冯端、师昌绪、刘治国 主编,化学工业出版社,2006.01,由于Gibbs的论述抽象难懂，直到19世纪与20世纪之交，由于HWBRoozeboom等的阐述，才将合金热力学建立起来，并将相图研究付 诸实践，其中包括了一张大体上正确的铁碳相图。1912年之后X射线晶体结构分析技术的发展又将材料结构的研究推进到原子的尺度。这样，到20世纪 2030年代，基于物理化学的金属学作为一门学科得以建立。,材料科学导论,冯端、师昌绪、刘治国 主编,化学工业出版社,2006.01,在1925年后，微观世界的基本规律量子力学得以确立。在原子物理学范围内取得巨大成功之后，随将它应用于分子与化学键，开创了量子化学，又将它应用于固体，开创了固体物理学。这两门新学科的建立，为理解材料的键合与物性等问题，提供了充分的科学依据。,材料科学导论,冯端、师昌绪、刘治国 主编,化学工业出版社,2006.01,1936年Mott与Jones的专著“金属与合金性质的理论”(The Theory of Properties of Metals and Alloys)问世，表明了应用量子力学对理解金属材料物性所取得的突破。从20世纪3050年代，作为理解金属力学性质关键的位错理论得到科学界的确认。Cottrell的著作“理论结构金属学”(Theoretical Structural Metallurgy)于1948年问世，标志了基于当代科学成果的物理金属学或金属物理学已趋于成熟。,材料科学导论,冯端、师昌绪、刘治国 主编,化学工业出版社,2006.01,20世纪50年代电子显微镜薄膜透射技术的发展，为金属和其他材料的研究提供了强有力的工具，也收获了丰富的科学成果。1947年晶体管的发明，又使半导体材料的研究成为科技界注意的焦点。和实用的金属材料的复杂相对照，实用的半导体材料是非同寻常的单纯：超高纯度与超高完整性的单晶。其制备和表征都对材料研究工作者提出了强有力的挑战，也提供了前所未有的发展机遇，它使材料研究向纵深推进。,材料科学导论,冯端、师昌绪、刘治国 主编,化学工业出版社,2006.01,对金属材料行之有效的多种研究方法也成功地向陶瓷材料的领域延拓。铁氧体与铁电体等新型功能材料也丰富了陶瓷学的内涵。1960Kingery的著作“陶瓷学导论”(Introduction to Ceramics)的问世也标志了物理陶瓷学的成熟。,材料科学导论,冯端、师昌绪、刘治国 主编,化学工业出版社,2006.01,1957年，苏联人造地球卫星发射成功之后，美国政府及科技界为之震惊，并认识到先进材料对于高技术发展的重要性，于是在一些大学相继成立了十余个材料科学研究中心，从此，材料科学这一名词开始被人们广泛地引用。20世纪60年代初，美国许多大学建立了跨学科的材料研究中心，不同类型的材料在同一实验室平行地被研究，促进了不同材料学科的相互借鉴和融汇贯通。美国高校开始出现以“材料科学与工程”系取代原先的冶金系的变更，将专业范围由金属扩大到陶瓷，然后到高分子材料。,1949年创刊的“金属物理学进展”(Progress in Metal Physics)于1961年更名为“材料科学的进展”(Progress in Materials Science)，明确地指出，材料科学是在实用和理论上相当重要的领域，而金属物理学仅是其重要的组成部分，而非其全部。这是材料科学名称的首次提出。从此以后，许多大学的冶金系纷纷更名，有代表性的是MIT的冶金系，它于1966年更名为冶金与材料科学系，到1975年再度更名为材料科学与工程系。我国于20时间80年代初开始由热加工专业转为材料科学专业。,材料科学导论,冯端、师昌绪、刘治国 主编,化学工业出版社,2006.01,金属、半导体和陶瓷之间的共同点较多：以晶态为主，辅以非晶态的玻璃。而以高分子为主的有机材料的发展途径和研究工具和无机材料有较大差异。天然高分子材料如棉布和丝绸沿用已久。19世纪中硫化橡胶获得广泛应用，到19世纪末，人造丝也通行起来了。但高分子的科学研究始于20世纪。通过 H.Staudinger,R.Kuhn和P.J.Flory等化学家的努力，高分子科学也趋于成熟，可以用1953年Flory写的“聚合物化学原理”(Principles of Polymer Chemistry)一书为标志。,材料科学导论,冯端、师昌绪、刘治国 主编,化学工业出版社,2006.01,到20世纪70年代液晶物理学受到物理学界的关注，而随后液晶显示器走进了千家万户。也有不少物理学家介入高分子物 理学的研究。1991年，P Gde Gennes以其对液晶物理和高分子物理的贡献获得了诺贝尔奖，在其获奖演说中强调了软物质研究的重要性，得到学术界的热烈响应。20世纪末软物质科学蓬 勃发展，将液晶、高分子、胶体等研究领域贯通起来，和传统的硬物质科学成鲜明的对照。软硬兼顾，相得益彰，从而将无机材料科学与有机材料科学辩证地融合起来。,材料科学导论,冯端、师昌绪、刘治国 主编,化学工业出版社,2006.01,材料科学基础课程简介,材料科学基础是材料科学与工程、金属材料专业本科生的专业基础课。本课程从金属材料工程专业后续课程的需要及今后作为工程技术人员的需要出发，全面、系统 地介绍了材料科学的基础理论知识。本课程立足于材料科学的基本问题，从金属材料的基本现象、基本概念、基本规律、基本理论出发，注重知识的基础性、系统 性、前沿性，并尽可能的联系一些实际应用中的问题。通过课堂教学与实验教学，使学生掌握材料科学的基本知识和基本理论，善于分析和解决问题，同时也培养学生的动手能力、验证理论、探索新知识的能力。,材料科学基础是所有材料类专业课的基础。,学科型课程体系,材料科学基础是所有材料类专业课的核心,材料力学性能,材料的腐蚀与防护,材料性能测试技术,材料科学导论-初步认识了材料的基本概况及其在人类社会发展上的重要作用。物理化学-学会用基本理论工具研究科学问题。材料科学基础-材料的的基本理论、方法。材料科学与工程（双语）-运用科技英语的能力。固态相变原理、金属材料学等专业课均是本课程某个分支的延伸或者在此基础上的拓展。,教材,材料科学基础，胡赓祥、蔡珣、戎咏华 编，上海交通大学出版社，2010材料科学基础，石德柯 主编，机械工业出版社材料科学基础，陶杰等 编著，化学工业出版社Fundamentals of Materials Science and Engineering，W.D.Callister,Jr.，化学工业出版社材料科学基础双语辅导教材，曾荣昌编，待出版材料科学导论-融贯的论述，冯端、师昌绪、刘治国，化学工业出版社，2002走进材料科学，R.W.Cahn著，杨柯等译，化学工业出版社，2008,实验及参考教材,自编实验教材金属材料类专业实践教学指导，杨爱民、姚婷珍主编，中国石化出版社，2011金属学实验指导书，韩德伟，中南大学出版社，2000金属材料工程专业实验教程，那顺桑，冶金工业出版社，2005,教学目标,掌握材料科学的基本知识和基本理论；运用理论，分析问题和解决问题的能力；理解材料的成分、结构、制备及性能和服役之间的内在联系；了解材料科学研究的基本方法；培养动手能力、验证理论、探索新知识的能力。奠定从事材料领域的工作基础。,理论教学内容,第1章 原子结构与键合,1.1 原子结构1.2 原子间的键合1.3 高分子链,第2章 固体结构,2.1 晶体学基础2.2 金属的晶体结构2.3 合金相结构2.4 离子晶体结构2.5 共价晶体结构2.7 准晶、液晶和非晶,第3章 晶体缺陷,3.1 点缺陷3.2 位错3.3 表面及界面,第4章 固体中原子及分子的运动,4.1 表象理论4.2 扩散的热力学分析4.3 扩散的原子理论4.4 扩散激活能4.5 无规则行走与扩散距离4.6 影响扩散的因素4.7 反应扩散4.8 离子晶体中的扩散,第5章 材料的形变和再结晶,5.1 弹性和黏弹性5.2 晶体的塑性变形5.3 回复和再结晶5.4 热变形与动态回复、再结晶5.5 陶瓷和高聚物变形的特点,第6章 单组元相图及纯晶体的凝固,6.1 单元系相变的热力学及相平衡6.2 纯晶体的凝固6.3 气-固相变与薄膜生长,第7章 二元系相图和合金的凝固与制备原理,7.1 相图的表示和测定方法7.2 相图热力学的基本要点7.3 二元相图分析7.4 二元合金的凝固理论7.6 陶瓷合金概述,第8章 三元相图,8.1 三元相图的基础8.2 固态互不溶解的三元共晶相图8.3 固态有限互溶的三元共晶相图8.4 两个共晶型二元系和一个匀晶型二元系构成的三元相图8.5 包共晶型三元系相图8.6 具有四相平衡包晶转变的三元系相图8.7 形成稳定化合物的三元系相图,第9章 材料的亚稳态,9.1 纳米晶材料9.2 准晶态9.3 非晶态材料9.4 固体相变形成的亚稳相,双语教学,采用化学工业出版社引进的美国原版教材Fundamentals of materials science and engineering（William D.Callister,Jr.），并自编材料科学基础双语辅导教材。使用纯英文PPT，中英文对照讲授，课堂教学给学生提供一种英语语言环境，注重学生使用英语的能力培养，全方位提高学生听、说、读、写、译能力。,第一章 重点与难点,重要概念分子、原子；主量子数n、轨道角量子数li、磁量子数mi、自旋角动量量子数si；能量最低原理、Pauli不相容原理、Hund规则；元素、元素周期表、周期、族；结合键、金属键、离子键、共价键、范德华力、氢键；,第一章 重点与难点,1、描述原子中电子的空间位置和能量的4个量子数。2、核外电子排布遵循的原则。3、元素性质、原子结构和该元素在周期表中的位置三者之 间的关系。4、原子间结合键分类及其特点。,第二章 重点与难点,空间点阵的概念以及选取晶胞的原则七个晶系，十四种布拉维空间点阵的特征晶向指数与晶面指数的标定晶带定律的应用晶面间距的确定与计算,第三章 重点与难点,位错的基本类型与特征重要概念：刃位错、螺型位错、混合位错1、点缺陷的形成与平衡浓度；2、位错的基本类型和特征；3、柏氏矢量的确定、物理意义及守恒性；4、分析归纳位错运动的两种基本形式：滑移和攀移的特点；5、分析运动位错的交割及其所形成的扭折或割阶不同的情况；,6、比较螺型位错与刃型位错的应力场、应变能的异同点；7、外加切应力、位错附近原子实际所受的力、作用于位错的组态力、位错的线张力、位错间的交互作用力相互之间的关系与区别；8、位错的增殖机制；9、堆垛层错与不全位错、位错反应的条件、扩展位错的生成、宽度和运动；10、表面与界面；,第四章 重点和难点,菲克第一定律的含义和各参数的量纲。对于典型的扩散问题，利用菲克第二定律求解。可肯达尔效应。“上坡扩散”和“下坡扩散”的热力学判别条件。扩散的机制：间隙和空位机制。计算和求解扩散系数和扩散激活能的方法。无规行走的扩散距离与步长的关系。影响扩散的主要因素。反应扩散的特点和相类型确定的方法。,第五章 重点和难点,弹性变形的特点和胡克定律弹性的不完整性和黏弹性比较滑移和孪生的异同点滑移的临界分切应力滑移的位错机制多晶体塑性变形的特点细晶强化与Hall-Petch 公式屈服和应变时效弥散强化加工硬化,(11)形变织构与残余应力(12)回复动力学与回复机制(13)再结晶形核机制(14)再结晶动力学(15)再结晶温度及其影响因素(16)影响再结晶晶粒大小的因素(17)晶粒的正常长大及其影响因素(18)一次与二次再结晶，以及静态与动态再结晶的区别,重要概念,弹性变形 弹性模量包申格效应 弹性后效弹性滞后 黏弹性塑性变形 滑移 滑移系交滑移 双交滑移临界分切应力施密特因子 软取向硬取向 派-纳力孪生 孪晶 孪晶面 扭折固溶强化 屈服强度,应变时效 加工硬化 弥散强化 形变织构 丝织构板织构 残余应力 点阵畸变 带状组织 流线 回复再结晶晶粒长大 二次再结晶 冷加工 热加工 动态再结晶 储存能 多边化 再结晶温度 弓出形核 临界变形量 再结晶织构 退火孪晶,几个重要公式,虎克定律=E=G 滑移的临界分切应力=m 派-纳力（Peierls-Nabarro）,Hall-Petch equations=0+kd-1/2弥散强化关系式聚合物合金强化关系,加工硬化关系回复动力学再结晶动力学,再结晶的极限平均晶粒直径再结晶晶粒大小与温度之间的关系,阿累尼乌兹公式的应用,扩散系数空位浓度凝固形核率回复再结晶速率固态相变蠕变速率,第六章 重点与难点,1、相律的应用；2、明确结晶相变的热力学、结构及能量条件；3、了解过冷度在结晶过程中的意义，过冷度、临界过冷度、动态过冷度之间的区别；4、均匀形核与非均匀形核的成因及在生产中的应用，均匀形核时临界晶核半径和形核功推导；,5、润湿角的变化范围及其含义；6、液-固界面的分类及其热力学判据；7、晶体生长方式及其对生长速率的关系；8、液-固界面结构和液-固界面前沿液体的温度分布对晶体形态的影响；9、能用结晶理论说明生产实际问题，如晶粒细化工艺,1、成分的表示方法；2、相互作用参数的物理意义；3、多相平衡成分确定的公切线方法；4、杠杆法则；5、熟悉匀晶、共晶、共析、包晶等相图，并能应用它们分析相应合金的结晶过程；6、能认识一般的二元相图，利用相图能分析任一合金平衡态的组织及推断不平衡态可能的组织变化；7、熟悉铁碳合金平衡结晶过程及室温下所得到的组织；8、说明含碳量的改变怎样影响铁碳合金的组织和性能；9、成分过冷含义及判据；10、共晶组织形成机制；12、合金铸锭（件）的组织与缺陷,第七章 重点与难点,1、等边成分三角形表示成分的特点；2、直线法则、杠杆法则、重心定律的含义及应用；3、连接线的含义与性质；4、根据液、固相线投影判断合金凝固温度范围的方法；5、水平截面图的特征；6、根据固态完全不溶的三元共晶投影图，分析合金凝固过程和计算组织组、成物相对量的方法7、根据液相成分变温线的温度走向（降温方向），确定三元共晶四相平衡反应的类型。,第八章 重点与难点,介绍了纳米结构材料的结构、分类、性能和形成或制备。介绍了富勒烯、纳米碳管、石墨烯和准晶的发现、结构、特性、制备和可能的应用前景。介绍了非晶材料结构、制备、性能和特点和应用前景。,课程网站,课程简介；主讲教师介绍；教学大纲；教学计划；课件；网络资源；网上答疑；实验设备；实验指导书曾荣昌教授的博客（科学网-rczeng的博客）材料史话、材料大师、材料前沿、科研进展、材料之美,2、网络资源：,上海交通大学-材料科学基础精品课程西北工业大学-材料科学基础精品课程北京科技大学-材料科学基础精品课程郑州大学-材料科学基础精品课程中南大学材料科学基础精品课程西安交通大学-工程材料基础精品课程山东大学-材料科学基础精品课程麻省理工学院-开放课程,