上交材料科学基础ppt下载

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材料科学基础 II 《 Fundamentals of Materials Science》 主讲教师：王晓东 戎咏华 Email：xdwang77@sjtu.edu.cn yhrong@sjtu.edu.cn 办公室：材料楼503 电 话：54745567 绪论 材料科学的基本概念 材料的历史地位 材料科学与工程学科的建立 《材料科学基础》的内容 我国的发展情况 本课程的教学情况 “材料科学”的基本概念 材料是指人类社会能接受地，经济地制造有用物品的物质。 材料科学是研究材料的成分、组织结构、制备工艺、加工工艺、材料的性能与材料应用之间的相互关系的科学。材料科学是当代科学技术发展的基础、工业生产的支柱，是当今世界的带头学科之一。IT产业、生物技术和新材料并称为21世纪三大主导产业。 材料科学基础是进行材料科学研究的基础理论，它将各种材料（包括金属、陶瓷、高分子材料）的微观结构和宏观结构规律建立在共同的理论基础上，用于指导材料的研究、生产、应用和发展。它涵盖了材料科学和材料工程的基础理论。 材料的历史地位 人类社会发展的历史阶段常常用当时主要使用的材料来划分，材料是时代进步的标志。从古代到现代人类使用材料的历史共经历了七个时代，各时代的开始时间： 石器时代（公元前10万年） 青铜器时代（公元前3000年） 铁器时代（公元前1000年） 水泥时代（公元0年） 钢时代（1800年） 硅时代（1950年） 新材料时代（1990年） 铁 器 时 代 钢时代 新材料时代 材料科学与工程学科的建立 受1957年苏联人造卫星上天（半年后美国人造卫星也跃空巡视宇宙）的刺激，1959年美国成立委员会研究材料学科的设置。以MIT的Morris Cohen为主席的委员会认为，按材料需要的发展，应将当时冶金学科、陶瓷学科和高分子材料学科合并为材料科学与工程学科。 材料科学与工程学科的建立 20世纪60年代至90年代，美国多数拥有上列学科的学校，以设立《冶金及材料学系》为过渡，相继设立《材料科学与工程系》、《材料工程系》或《材料科学系》，其内容无甚差别。 材料科学与工程学科的建立 表1 经典学科和新拓学科一览 材料科学与材料工程的关系 一般来讲，科学是研究“为什么”的学问，而工程是解决“怎么做”的学问。材料科学的基础理论，为材料工程指明方向，为更好地选择、使用材料，发挥现有材料的潜力、发展新材料提供理论基础。 材料科学与材料工程的关系 材料科学 ：是一门科学，它从事与材料本质的实验揭示、理论分析方面的研究，以解释或预测材料微观结构（点阵结构和组织形态）与性能之间的关系。它包括下面的四个环节，微观组织的设计和控制取代传统“炒菜”方式，这是当前研究新材料的发展方向。 材料科学与材料工程的关系 材料工程：是工程的一个领域，其目的在于经济地，而又为社会所能接受地控制材料的结构、性能和形状。它包括下面的五个环节。 材料科学与工程学科的内容 在Cohen的报告中，阐明材料科学与工程学科的重要内容为：“材料的成分、结构、组织以及加工制造工艺和性能之间的关系”，强调“材料科学与工程是一个整体”。 材料科学与工程学科的内容 材料科学与工程学科的内容 如何将繁多的研究领域归纳成几个方向，当可各抒己见。徐祖耀院士认为英国牛津大学材料系归纳得较为得体，他们将材料学科的内容归纳成： 加工（processing）； 表征（characterization）； 性质（property）； 理论和建模（theory and modeling）。 材料科学与工程学科的内容 材料科学与工程学科的内容 近年兴起材料成分和加工（工艺）设计、材料理论和建模以及组织演变的计算机模拟，推进材料科学与工程学科向新领域发展。关于材料成分和加工（工艺）设计的方法有： 1 CALPHAD 2 相场（Phase Field）方法 3 多层次设计 材料科学与工程学科的内容 材料理论与建模包括：材料热力学、动力学及其建模，根据所建模型作出材料显微组织演变的计算机模拟，有关的专业期刊有： CALPHAD Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering Computational Materials Science 相关材料计算软件 ThermoCalc Jmatpro Panda 材料科学与工程学科的内容 材料研究范围广宽，大致有下列几个方面。 传统材料性能改造 研究超高强度钢， 超级钢； 低晶界脆性铜，吸声﹑防冻水泥 材料科学与工程学科的内容 结构和功能材料开发，包括 复合材料，超均质材料，功能陶瓷； 低维材料，薄膜材料，梯度材料； 电子材料，非晶（大块）材料； 准晶材料，微米﹑纳米材料（＜100nm）； 生物﹑仿生材料，智能材料； 形状记忆材料，能源材料； 高阻尼材料，环境材料； 碳素材料（纳米碳管﹑纳米碳球） 新型建筑材料 节能﹑环保建筑材料 材料科学与工程学科的内容 结构材料之间关系 X射线衍射 1912 年Laue 等发明X射线衍射，接着Bragg 父子就把它应用到金属及一些简单无机化合物的晶体结构测定。到了二十年代，金相学的一些基本问题得以迎刃而解，如β-Fe 不存在(1922) ，有序固溶体(1923) ，单晶体的滑移系统(1922 - 1925)，织构(1925)，电子化合物(1926) ，马氏体的四方度(1926)，等等。进入三十年代，略微复杂一些的晶体结构问题也列入研究日程，如间隙化合物(1930)，取向关系(1930) ，G. P. 区(1939)，等等。到了四十年代，不但已经开始用傅立叶分析研究金属冷加工产生的晶粒碎化及晶格畸变(1948) ，并已出现“金属的结构”(C. S. Barrett ，1943) 、“X射线金相学”(A. Taylor ，1945) 等专著。 目前，3维（3D）和4维（4D）组织和结构（X射线衍射）的研究正在兴起，见下图。 材料科学与工程学科的内容 应用举例： 材料成分和组织对性能的影响，近百年来已为人们说熟悉。Titanic号船体钢由于Mn/S比不够高而导致脆断。 材料科学与工程学科的内容 形状记忆合金的应用 形状记忆合金的应用 宇宙飞船的通信天线 l970年，美国首先将NiTi形状记亿合金用于宇宙飞船天线。在宇宙飞船发射之前的室温条件下，将经过形状记忆处理的NiTi合金丝折成直径在5cm以下的球状放入飞船内，飞船进入太空轨道后，通过加热或者是利用太阳热能，使合金丝升温，达到77OC被折成球状的台金丝就完全打开，成为原先设定的抛物面形状，充当天线，克服了需大型天线的飞船发射困难。 超高强度汽车用钢 TRIP钢、TWIP钢、Q-P钢等 纳米材料的应用 航天液体火箭的涡轮泵及燃气通道等关键零件表面需经受高温、高压和富氧燃气冲刷，要求零件表面涂镀耐高温、抗氧化、耐冲刷的高温无机涂层材料，而纳米陶瓷复合涂料就是良好的新材料。 我国材料科学与工程学科发展的情况 我国在上世纪80年代初期就相继改设《材料科学与工程系》（徐祖耀院士于1982年任上海交大材料科学系首任系主任），标志这个学科的建立。目前有几十所大学设立这个系或学院，但多数并不完整，即不具备金属、陶瓷和高分子材料的综合学科体系。 我国材料科学与工程学科发展的情况 在我国另一个显著的特点是众多的二级学科。本科生有冶金学科的几个二级学科及材料学科的几个二级学科，名目繁多，均为以前的专业或专门化；研究生则设材料学、材料加工以及材料物理与化学三个二级学科。 我国材料科学与工程学科发展的情况 由于我国材料学科的研究生设有《材料物理与化学》二级学科，一些拥有物理系和化学系的大学，包括师范大学和学院就设立或申请《材料物理与化学》的硕士点、博士点。设有电子工程专业和其他有关专业的也竞相争取设立有关的二级学科博士点，有的学校设有材料科学与工程学院，但在化工（化学）学院内又成立高分子材料系。 《材料科学基础》教材的编写 本教材是按金属、陶瓷、高分子材料在微观组织和性能的异同性来编排的，同时涉及结构材料和功能材料的基础知识，以期对各种材料的本质有更全面和深刻的认识。 本课程的主要内容 本课程的主要内容： 固体中原子和分子的运动（扩散） 材料组织结构的变化规律，包括单元系的相变、二元合金系的相变规律、三元合金系的相变规律。 功能材料介绍 实验内容： 二元合金的制备和显微组织分析 课程安排 性质：必修课，专业基础课 学时：45学时（授课45学时，另加实验12学时） 考核成绩：平时成绩40%（出勤、课堂练习、作业） + 考试成绩60% 参考书目 胡庚祥等. 材料科学基础，上海交通大学出版社，2006 第二版 蔡珣，戎咏华. 材料科学基础辅导与习题，上海交通大学出版社，2008，第三版 侯增寿，卢光熙主编. 金属学原理. 上海科学技术出版社， 1990. 徐祖耀，李麟. 材料热力学，科学出版社，2000 第二版 石德柯. 材料科学基础. 机械工业出版社. 2002第二版. 刘智恩. 材料科学基础. 西北工业大学出版社. 2003. 徐恒钧. 材料科学基础. 北京工业大学出版社. 2001. 科学的发展 科学是沿着“经验事实→假说→理论”的途径发展 钢的热处理技术 公元前1000年左右，铁器时代 我国在战国时代已进行钢的淬火 假说 1868年切尔诺夫发现钢在加热或冷却时存在相变 发展为科学理论 晶体缺陷－－位错 The older generation， in its generosity， leaves much unanswered， undone to provoke the new!Dmr红软基地

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