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材料科學基礎 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 材料科學的基本概念 材料的歷史地位 材料科學與工程學科的建立 《材料科學基礎》的內容 我國的發(fā)展情況 本課程的教學情況 “材料科學”的基本概念 材料是指人類社會能接受地，經濟地制造有用物品的物質。 材料科學是研究材料的成分、組織結構、制備工藝、加工工藝、材料的性能與材料應用之間的相互關系的科學。材料科學是當代科學技術發(fā)展的基礎、工業(yè)生產的支柱，是當今世界的帶頭學科之一。IT產業(yè)、生物技術和新材料并稱為21世紀三大主導產業(yè)。 材料科學基礎是進行材料科學研究的基礎理論，它將各種材料（包括金屬、陶瓷、高分子材料）的微觀結構和宏觀結構規(guī)律建立在共同的理論基礎上，用于指導材料的研究、生產、應用和發(fā)展。它涵蓋了材料科學和材料工程的基礎理論。 材料的歷史地位 人類社會發(fā)展的歷史階段常常用當時主要使用的材料來劃分，材料是時代進步的標志。從古代到現代人類使用材料的歷史共經歷了七個時代，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 材料科學與工程學科的建立 受1957年蘇聯人造衛(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科的設置。以MIT的Morris Cohen為主席的委員會認為，按材料需要的發(fā)展，應將當時冶金學科、陶瓷學科和高分子材料學科合并為材料科學與工程學科。 材料科學與工程學科的建立 20世紀60年代至90年代，美國多數擁有上列學科的學校，以設立《冶金及材料學系》為過渡，相繼設立《材料科學與工程系》、《材料工程系》或《材料科學系》，其內容無甚差別。 材料科學與工程學科的建立 表1 經典學科和新拓學科一覽 材料科學與材料工程的關系 一般來講，科學是研究“為什么”的學問，而工程是解決“怎么做”的學問。材料科學的基礎理論，為材料工程指明方向，為更好地選擇、使用材料，發(fā)揮現有材料的潛力、發(fā)展新材料提供理論基礎。 材料科學與材料工程的關系 材料科學 ：是一門科學，它從事與材料本質的實驗揭示、理論分析方面的研究，以解釋或預測材料微觀結構（點陣結構和組織形態(tài)）與性能之間的關系。它包括下面的四個環(huán)節(jié)，微觀組織的設計和控制取代傳統(tǒng)“炒菜”方式，這是當前研究新材料的發(fā)展方向。 材料科學與材料工程的關系 材料工程：是工程的一個領域，其目的在于經濟地，而又為社會所能接受地控制材料的結構、性能和形狀。它包括下面的五個環(huán)節(jié)。 材料科學與工程學科的內容 在Cohen的報告中，闡明材料科學與工程學科的重要內容為：“材料的成分、結構、組織以及加工制造工藝和性能之間的關系”，強調“材料科學與工程是一個整體”。 材料科學與工程學科的內容 材料科學與工程學科的內容 如何將繁多的研究領域歸納成幾個方向，當可各抒己見。徐祖耀院士認為英國牛津大學材料系歸納得較為得體，他們將材料學科的內容歸納成： 加工（processing）； 表征（characterization）； 性質（property）； 理論和建模（theory and modeling）。 材料科學與工程學科的內容 材料科學與工程學科的內容 近年興起材料成分和加工（工藝）設計、材料理論和建模以及組織演變的計算機模擬，推進材料科學與工程學科向新領域發(fā)展。關于材料成分和加工（工藝）設計的方法有： 1 CALPHAD 2 相場（Phase Field）方法 3 多層次設計 材料科學與工程學科的內容 材料理論與建模包括：材料熱力學、動力學及其建模，根據所建模型作出材料顯微組織演變的計算機模擬，有關的專業(yè)期刊有： CALPHAD Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering Computational Materials Science 相關材料計算軟件 ThermoCalc Jmatpro Panda 材料科學與工程學科的內容 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 材料科學與工程學科的內容 結構和功能材料開發(fā)，包括 復合材料，超均質材料，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 材料科學與工程學科的內容 結構材料之間關系 X射線衍射 1912 年Laue 等發(fā)明X射線衍射，接著Bragg 父子就把它應用到金屬及一些簡單無機化合物的晶體結構測定。到了二十年代，金相學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(1925)，電子化合物(1926) ，馬氏體的四方度(1926)，等等。進入三十年代，略微復雜一些的晶體結構問題也列入研究日程，如間隙化合物(1930)，取向關系(1930) ，G. P. 區(qū)(1939)，等等。到了四十年代，不但已經開始用傅立葉分析研究金屬冷加工產生的晶粒碎化及晶格畸變(1948) ，并已出現“金屬的結構”(C. S. Barrett ，1943) 、“X射線金相學”(A. Taylor ，1945) 等專著。 目前，3維（3D）和4維（4D）組織和結構（X射線衍射）的研究正在興起，見下圖。 材料科學與工程學科的內容 應用舉例： 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比不夠高而導致脆斷。 材料科學與工程學科的內容 形狀記憶合金的應用 形狀記憶合金的應用 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，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，達到77OC被折成球狀的臺金絲就完全打開，成為原先設定的拋物面形狀，充當天線，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 納米材料的應用 航天液體火箭的渦輪泵及燃氣通道等關鍵零件表面需經受高溫、高壓和富氧燃氣沖刷，要求零件表面涂鍍耐高溫、抗氧化、耐沖刷的高溫無機涂層材料，而納米陶瓷復合涂料就是良好的新材料。 我國材料科學與工程學科發(fā)展的情況 我國在上世紀80年代初期就相繼改設《材料科學與工程系》（徐祖耀院士于1982年任上海交大材料科學系首任系主任），標志這個學科的建立。目前有幾十所大學設立這個系或學院，但多數并不完整，即不具備金屬、陶瓷和高分子材料的綜合學科體系。 我國材料科學與工程學科發(fā)展的情況 在我國另一個顯著的特點是眾多的二級學科。本科生有冶金學科的幾個二級學科及材料學科的幾個二級學科，名目繁多，均為以前的專業(yè)或專門化；研究生則設材料學、材料加工以及材料物理與化學三個二級學科。 我國材料科學與工程學科發(fā)展的情況 由于我國材料學科的研究生設有《材料物理與化學》二級學科，一些擁有物理系和化學系的大學，包括師范大學和學院就設立或申請《材料物理與化學》的碩士點、博士點。設有電子工程專業(yè)和其他有關專業(yè)的也競相爭取設立有關的二級學科博士點，有的學校設有材料科學與工程學院，但在化工（化學）學院內又成立高分子材料系。 《材料科學基礎》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，同時涉及結構材料和功能材料的基礎知識，以期對各種材料的本質有更全面和深刻的認識。 本課程的主要內容 本課程的主要內容： 固體中原子和分子的運動（擴散） 材料組織結構的變化規(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 實驗內容： 二元合金的制備和顯微組織分析 課程安排 性質：必修課，專業(yè)基礎課 學時：45學時（授課45學時，另加實驗12學時） 考核成績：平時成績40%（出勤、課堂練習、作業(yè)） + 考試成績60% 參考書目 胡庚祥等. 材料科學基礎，上海交通大學出版社，2006 第二版 蔡珣，戎詠華. 材料科學基礎輔導與習題，上海交通大學出版社，2008，第三版 侯增壽，盧光熙主編. 金屬學原理. 上海科學技術出版社， 1990. 徐祖耀，李麟. 材料熱力學，科學出版社，2000 第二版 石德柯. 材料科學基礎. 機械工業(yè)出版社. 2002第二版. 劉智恩. 材料科學基礎. 西北工業(yè)大學出版社. 2003. 徐恒鈞. 材料科學基礎. 北京工業(yè)大學出版社. 2001. 科學的發(fā)展 科學是沿著“經驗事實→假說→理論”的途徑發(fā)展 鋼的熱處理技術 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)現鋼在加熱或冷卻時存在相變 發(fā)展為科學理論 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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