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材料科學(xué)基礎(chǔ) II 《 Fundamentals of Materials Science》 主講教師：王曉東 戎詠華 Email：xdwang77@sjtu.edu.cn yhrong@sjtu.edu.cn 辦公室：材料樓503 電 話：54745567 緒論 材料科學(xué)的基本概念 材料的歷史地位 材料科學(xué)與工程學(xué)科的建立 《材料科學(xué)基礎(chǔ)》的內(nèi)容 我國的發(fā)展情況 本課程的教學(xué)情況 “材料科學(xué)”的基本概念 材料是指人類社會能接受地，經(jīng)濟地制造有用物品的物質(zhì)。 材料科學(xué)是研究材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、制備工藝、加工工藝、材料的性能與材料應(yīng)用之間的相互關(guān)系的科學(xué)。材料科學(xué)是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)、工業(yè)生產(chǎn)的支柱，是當(dāng)今世界的帶頭學(xué)科之一。IT產(chǎn)業(yè)、生物技術(shù)和新材料并稱為21世紀(jì)三大主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。 材料科學(xué)基礎(chǔ)是進行材料科學(xué)研究的基礎(chǔ)理論，它將各種材料（包括金屬、陶瓷、高分子材料）的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)規(guī)律建立在共同的理論基礎(chǔ)上，用于指導(dǎo)材料的研究、生產(chǎn)、應(yīng)用和發(fā)展。它涵蓋了材料科學(xué)和材料工程的基礎(chǔ)理論。 材料的歷史地位 人類社會發(fā)展的歷史階段常常用當(dāng)時主要使用的材料來劃分，材料是時代進步的標(biāo)志。從古代到現(xiàn)代人類使用材料的歷史共經(jīng)歷了七個時代，各時代的開始時間： 石器時代（公元前10萬年） 青銅器時代（公元前3000年） 鐵器時代（公元前1000年） 水泥時代（公元0年） 鋼時代（1800年） 硅時代（1950年） 新材料時代（1990年） 鐵 器 時 代 鋼時代 新材料時代 材料科學(xué)與工程學(xué)科的建立 受1957年蘇聯(lián)人造衛(wèi)星上天（半年后美國人造衛(wèi)星也躍空巡視宇宙）的刺激，1959年美國成立委員會研究材料學(xué)科的設(shè)置。以MIT的Morris Cohen為主席的委員會認(rèn)為，按材料需要的發(fā)展，應(yīng)將當(dāng)時冶金學(xué)科、陶瓷學(xué)科和高分子材料學(xué)科合并為材料科學(xué)與工程學(xué)科。 材料科學(xué)與工程學(xué)科的建立 20世紀(jì)60年代至90年代，美國多數(shù)擁有上列學(xué)科的學(xué)校，以設(shè)立《冶金及材料學(xué)系》為過渡，相繼設(shè)立《材料科學(xué)與工程系》、《材料工程系》或《材料科學(xué)系》，其內(nèi)容無甚差別。 材料科學(xué)與工程學(xué)科的建立 表1 經(jīng)典學(xué)科和新拓學(xué)科一覽 材料科學(xué)與材料工程的關(guān)系 一般來講，科學(xué)是研究“為什么”的學(xué)問，而工程是解決“怎么做”的學(xué)問。材料科學(xué)的基礎(chǔ)理論，為材料工程指明方向，為更好地選擇、使用材料，發(fā)揮現(xiàn)有材料的潛力、發(fā)展新材料提供理論基礎(chǔ)。 材料科學(xué)與材料工程的關(guān)系 材料科學(xué) ：是一門科學(xué)，它從事與材料本質(zhì)的實驗揭示、理論分析方面的研究，以解釋或預(yù)測材料微觀結(jié)構(gòu)（點陣結(jié)構(gòu)和組織形態(tài)）與性能之間的關(guān)系。它包括下面的四個環(huán)節(jié)，微觀組織的設(shè)計和控制取代傳統(tǒng)“炒菜”方式，這是當(dāng)前研究新材料的發(fā)展方向。 材料科學(xué)與材料工程的關(guān)系 材料工程：是工程的一個領(lǐng)域，其目的在于經(jīng)濟地，而又為社會所能接受地控制材料的結(jié)構(gòu)、性能和形狀。它包括下面的五個環(huán)節(jié)。 材料科學(xué)與工程學(xué)科的內(nèi)容 在Cohen的報告中，闡明材料科學(xué)與工程學(xué)科的重要內(nèi)容為：“材料的成分、結(jié)構(gòu)、組織以及加工制造工藝和性能之間的關(guān)系”，強調(diào)“材料科學(xué)與工程是一個整體”。 材料科學(xué)與工程學(xué)科的內(nèi)容 材料科學(xué)與工程學(xué)科的內(nèi)容 如何將繁多的研究領(lǐng)域歸納成幾個方向，當(dāng)可各抒己見。徐祖耀院士認(rèn)為英國牛津大學(xué)材料系歸納得較為得體，他們將材料學(xué)科的內(nèi)容歸納成： 加工（processing）； 表征（characterization）； 性質(zhì)（property）； 理論和建模（theory and modeling）。 材料科學(xué)與工程學(xué)科的內(nèi)容 材料科學(xué)與工程學(xué)科的內(nèi)容 近年興起材料成分和加工（工藝）設(shè)計、材料理論和建模以及組織演變的計算機模擬，推進材料科學(xué)與工程學(xué)科向新領(lǐng)域發(fā)展。關(guān)于材料成分和加工（工藝）設(shè)計的方法有： 1 CALPHAD 2 相場（Phase Field）方法 3 多層次設(shè)計 材料科學(xué)與工程學(xué)科的內(nèi)容 材料理論與建模包括：材料熱力學(xué)、動力學(xué)及其建模，根據(jù)所建模型作出材料顯微組織演變的計算機模擬，有關(guān)的專業(yè)期刊有： CALPHAD Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering Computational Materials Science 相關(guān)材料計算軟件 ThermoCalc Jmatpro Panda 材料科學(xué)與工程學(xué)科的內(nèi)容 材料研究范圍廣寬，大致有下列幾個方面。 傳統(tǒng)材料性能改造 研究超高強度鋼， 超級鋼； 低晶界脆性銅，吸聲﹑防凍水泥 材料科學(xué)與工程學(xué)科的內(nèi)容 結(jié)構(gòu)和功能材料開發(fā)，包括 復(fù)合材料，超均質(zhì)材料，功能陶瓷； 低維材料，薄膜材料，梯度材料； 電子材料，非晶（大塊）材料； 準(zhǔn)晶材料，微米﹑納米材料（＜100nm）； 生物﹑仿生材料，智能材料； 形狀記憶材料，能源材料； 高阻尼材料，環(huán)境材料； 碳素材料（納米碳管﹑納米碳球） 新型建筑材料 節(jié)能﹑環(huán)保建筑材料 材料科學(xué)與工程學(xué)科的內(nèi)容 結(jié)構(gòu)材料之間關(guān)系 X射線衍射 1912 年Laue 等發(fā)明X射線衍射，接著Bragg 父子就把它應(yīng)用到金屬及一些簡單無機化合物的晶體結(jié)構(gòu)測定。到了二十年代，金相學(xué)的一些基本問題得以迎刃而解，如β-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。進入三十年代，略微復(fù)雜一些的晶體結(jié)構(gòu)問題也列入研究日程，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)開始用傅立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) 等專著。 目前，3維（3D）和4維（4D）組織和結(jié)構(gòu)（X射線衍射）的研究正在興起，見下圖。 材料科學(xué)與工程學(xué)科的內(nèi)容 應(yīng)用舉例： 材料成分和組織對性能的影響，近百年來已為人們說熟悉。Titanic號船體鋼由于Mn/S比不夠高而導(dǎo)致脆斷。 材料科學(xué)與工程學(xué)科的內(nèi)容 形狀記憶合金的應(yīng)用 形狀記憶合金的應(yīng)用 宇宙飛船的通信天線 l970年，美國首先將NiTi形狀記億合金用于宇宙飛船天線。在宇宙飛船發(fā)射之前的室溫條件下，將經(jīng)過形狀記憶處理的NiTi合金絲折成直徑在5cm以下的球狀放入飛船內(nèi)，飛船進入太空軌道后，通過加熱或者是利用太陽熱能，使合金絲升溫，達(dá)到77OC被折成球狀的臺金絲就完全打開，成為原先設(shè)定的拋物面形狀，充當(dāng)天線，克服了需大型天線的飛船發(fā)射困難。 超高強度汽車用鋼 TRIP鋼、TWIP鋼、Q-P鋼等 納米材料的應(yīng)用 航天液體火箭的渦輪泵及燃?xì)馔ǖ赖汝P(guān)鍵零件表面需經(jīng)受高溫、高壓和富氧燃?xì)鉀_刷，要求零件表面涂鍍耐高溫、抗氧化、耐沖刷的高溫?zé)o機涂層材料，而納米陶瓷復(fù)合涂料就是良好的新材料。 我國材料科學(xué)與工程學(xué)科發(fā)展的情況 我國在上世紀(jì)80年代初期就相繼改設(shè)《材料科學(xué)與工程系》（徐祖耀院士于1982年任上海交大材料科學(xué)系首任系主任），標(biāo)志這個學(xué)科的建立。目前有幾十所大學(xué)設(shè)立這個系或?qū)W院，但多數(shù)并不完整，即不具備金屬、陶瓷和高分子材料的綜合學(xué)科體系。 我國材料科學(xué)與工程學(xué)科發(fā)展的情況 在我國另一個顯著的特點是眾多的二級學(xué)科。本科生有冶金學(xué)科的幾個二級學(xué)科及材料學(xué)科的幾個二級學(xué)科，名目繁多，均為以前的專業(yè)或?qū)ｉT化；研究生則設(shè)材料學(xué)、材料加工以及材料物理與化學(xué)三個二級學(xué)科。 我國材料科學(xué)與工程學(xué)科發(fā)展的情況 由于我國材料學(xué)科的研究生設(shè)有《材料物理與化學(xué)》二級學(xué)科，一些擁有物理系和化學(xué)系的大學(xué)，包括師范大學(xué)和學(xué)院就設(shè)立或申請《材料物理與化學(xué)》的碩士點、博士點。設(shè)有電子工程專業(yè)和其他有關(guān)專業(yè)的也競相爭取設(shè)立有關(guān)的二級學(xué)科博士點，有的學(xué)校設(shè)有材料科學(xué)與工程學(xué)院，但在化工（化學(xué)）學(xué)院內(nèi)又成立高分子材料系。 《材料科學(xué)基礎(chǔ)》教材的編寫 本教材是按金屬、陶瓷、高分子材料在微觀組織和性能的異同性來編排的，同時涉及結(jié)構(gòu)材料和功能材料的基礎(chǔ)知識，以期對各種材料的本質(zhì)有更全面和深刻的認(rèn)識。 本課程的主要內(nèi)容 本課程的主要內(nèi)容： 固體中原子和分子的運動（擴散） 材料組織結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，包括單元系的相變、二元合金系的相變規(guī)律、三元合金系的相變規(guī)律。 功能材料介紹 實驗內(nèi)容： 二元合金的制備和顯微組織分析 課程安排 性質(zhì)：必修課，專業(yè)基礎(chǔ)課 學(xué)時：45學(xué)時（授課45學(xué)時，另加實驗12學(xué)時） 考核成績：平時成績40%（出勤、課堂練習(xí)、作業(yè)） + 考試成績60% 參考書目 胡庚祥等. 材料科學(xué)基礎(chǔ)，上海交通大學(xué)出版社，2006 第二版 蔡珣，戎詠華. 材料科學(xué)基礎(chǔ)輔導(dǎo)與習(xí)題，上海交通大學(xué)出版社，2008，第三版 侯增壽，盧光熙主編. 金屬學(xué)原理. 上�？茖W(xué)技術(shù)出版社， 1990. 徐祖耀，李麟. 材料熱力學(xué)，科學(xué)出版社，2000 第二版 石德柯. 材料科學(xué)基礎(chǔ). 機械工業(yè)出版社. 2002第二版. 劉智恩. 材料科學(xué)基礎(chǔ). 西北工業(yè)大學(xué)出版社. 2003. 徐恒鈞. 材料科學(xué)基礎(chǔ). 北京工業(yè)大學(xué)出版社. 2001. 科學(xué)的發(fā)展 科學(xué)是沿著“經(jīng)驗事實→假說→理論”的途徑發(fā)展 鋼的熱處理技術(shù) 公元前1000年左右，鐵器時代 我國在戰(zhàn)國時代已進行鋼的淬火 假說 1868年切爾諾夫發(fā)現(xiàn)鋼在加熱或冷卻時存在相變 發(fā)展為科學(xué)理論 晶體缺陷－－位錯 The older generation， in its generosity， leaves much unanswered， undone to provoke the new!Dmr紅軟基地

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