2023年绪论精简（教学课件）.ppt

2023/3/20 1 材料科学根底材料科学根底 魏健宁魏健宁 理学院理学院 2023/3/20 2 魏健宁简介魏健宁简介 1998年西北师范大学物理教育专业年西北师范大学物理教育专业 学士学士 2000年中国科学技术大学材料学专业年中国科学技术大学材料学专业 硕士硕士 2003年中国科学院固体物理研究所凝聚态物理年中国科学院固体物理研究所凝聚态物理专业专业 博士博士 教授教授 博士研究生导师博士研究生导师 指导研究生指导研究生7人人 科研课题科研课题6项项 科研经费科研经费1000万元万元 ：13870278973 E-mail:cl_weijianningjju.edu 2023/3/20 3 本课程的主要内容本课程的主要内容 材料的结构与缺陷材料的结构与缺陷 材料的凝固与相图材料的凝固与相图 塑变与再结晶塑变与再结晶 扩散扩散 2023/3/20 4 材料的结合方式，晶体学根底，材料的晶体结构材料的结合方式，晶体学根底，材料的晶体结构 。2023/3/20 5 点缺陷，线缺陷，面缺陷点缺陷，线缺陷，面缺陷。2023/3/20 6 纯金属的结晶过程，纯金属的结晶过程，结晶的热力学条件，结晶的热力学条件，形核规律，长大规律，形核规律，长大规律，结晶理论的某些实际结晶理论的某些实际应用应用。2023/3/20 7 相图的根本相图的根本知识，二元知识，二元相图的根本相图的根本类型，二元类型，二元相图的分析相图的分析和使用。和使用。2023/3/20 8 铁碳相图铁碳相图 2023/3/20 9 三元相图的成分表示法，三元系平衡转变的定量法那三元相图的成分表示法，三元系平衡转变的定量法那么，三元匀晶相图，三元共晶相图，三元相图的四相平衡么，三元匀晶相图，三元共晶相图，三元相图的四相平衡转变，具有化合物的三元相图及三元相图的简化分割，三转变，具有化合物的三元相图及三元相图的简化分割，三元相图应用举例。元相图应用举例。(自学自学)2023/3/20 10 弹性变形，单弹性变形，单晶体的塑性变形，晶体的塑性变形，多晶体的塑性变形，多晶体的塑性变形，塑性变形对金属组塑性变形对金属组织与性能的影响，织与性能的影响，金属及合金强化的金属及合金强化的位错解释，断裂。位错解释，断裂。2023/3/20 11 形变金属及合金在退火过程中的变化，回复，形变金属及合金在退火过程中的变化，回复，再结晶，晶粒长大，金属的热变形再结晶，晶粒长大，金属的热变形。2023/3/20 12 扩散定律，扩散机制，影响扩散的因素，反响扩散。扩散定律，扩散机制，影响扩散的因素，反响扩散。2023/3/20 13 高锰钢高锰钢ZGMn13)受到剧烈摩擦或剧烈冲击时，其外表局部就会产生受到剧烈摩擦或剧烈冲击时，其外表局部就会产生微量塑性变形，随之产生强烈的加工硬化，使其硬度和强度快速提高，微量塑性变形，随之产生强烈的加工硬化，使其硬度和强度快速提高，从而能够作为耐磨钢使用。从而能够作为耐磨钢使用。2023/3/20 14 建造中的建造中的Titanic Titanic 号，可以看到船身上长长的焊缝号，可以看到船身上长长的焊缝 Titanic的漂浮是必然还是偶然？的漂浮是必然还是偶然？2023/3/20 15 Titanic Titanic 号钢板号钢板左图左图和近代船用钢板和近代船用钢板右图右图的冲击试验结果的冲击试验结果 Titanic的漂浮是必然还是偶然？的漂浮是必然还是偶然？矿石矿石S S、P P含量太高含量太高 2023/3/20 16 课程要求课程要求 考勤考勤 提问提问 记笔记记笔记 课堂表现课堂表现 思考题思考题 作业作业 课程论文课程论文 辅导答疑辅导答疑(地点地点:文友楼文友楼311B;时间时间:周五上午周五上午)2023/3/20 17 考试形式考试形式 闭卷闭卷 总分值总分值100100分分 试卷情况：试卷情况：选择题、判断题选择题、判断题 填空题、名词解释填空题、名词解释 简答题、计算题简答题、计算题 2023/3/20 18 什么是材料什么是材料 广义的材料广义的材料：所有的生命物质所有的生命物质和非生命物质和非生命物质 狭义的材料狭义的材料：传统材料传统材料 新材料新材料 2023/3/20 19 绪绪 论论 2023/3/20 20 一、材料的重要性一、材料的重要性 人类进化的标志人类进化的标志 社会现代化的物质根底与先导社会现代化的物质根底与先导 现代文明的三大支柱现代文明的三大支柱能源、信息与材料能源、信息与材料 国家科学技术与工业水平综合国力与平安国家科学技术与工业水平综合国力与平安 19781978年我国科学大会年我国科学大会为为8 8个新兴的综合性个新兴的综合性之一之一 2023/3/20 21 二、材料的结构与性能二、材料的结构与性能 制造某种产品选择适宜材料制造某种产品选择适宜材料 选择最正确的加工工艺选择最正确的加工工艺 改善现有材料或者研制新材料改善现有材料或者研制新材料 材料的结构与材料的性能之间的关系材料的结构与材料的性能之间的关系 材料的结构材料的结构 材料的性能材料的性能 2023/3/20 22 三、什么是材料科学三、什么是材料科学 “材料科学材料科学的提出：的提出：2020世纪世纪6060年代年代 19571957年，前苏联人造卫星上天年，前苏联人造卫星上天 美国在一些大学相继成立了十余个材料美国在一些大学相继成立了十余个材料科学研究中心科学研究中心 “材料科学材料科学的定义？的定义？争论争论 2 2种定义种定义 2023/3/20 23 一一材料科学的定义材料科学的定义 材料科学是研究各种材料的结构、制备加工工艺材料科学是研究各种材料的结构、制备加工工艺与性能之间关系的科学与性能之间关系的科学 结构结构 表示材料结构所表示材料结构所包含的四个层次：包含的四个层次：原子结构、结合原子结构、结合键、原子排列方键、原子排列方式式(晶体与非晶晶体与非晶体体)和组织和组织 制备加工工艺制备加工工艺 性能性能 固有性能固有性能 服役性能服役性能 物理性能物理性能 化学性能化学性能 力学性能力学性能 寿命、速度寿命、速度 能量利用率能量利用率 平安可靠程度和本钱平安可靠程度和本钱 2023/3/20 24 二二材料科学的定义材料科学的定义 材料科学是自然科学的一个分支，它从事于材料本质材料科学是自然科学的一个分支，它从事于材料本质的发现、分析和了解方面的研究，其目的在于提供材的发现、分析和了解方面的研究，其目的在于提供材料结构的统一描绘或模型，以及解释这种结构与性能料结构的统一描绘或模型，以及解释这种结构与性能之间的关系之间的关系 如何控制性能和结构之间的关系如何控制性能和结构之间的关系 屈服过程、断裂过程、屈服过程、断裂过程、导电过程、磁化过程、导电过程、磁化过程、相变过程相变过程 过程是理解性能和结构的重要环节过程是理解性能和结构的重要环节 2023/3/20 25 四、材料的结构四、材料的结构 2023/3/20 26 五、材料的性能五、材料的性能 材料的性能是一种参量，用于表征材料在给定外界条件下的行为材料的性能是一种参量，用于表征材料在给定外界条件下的行为 外界条件是指温度、载荷、电场、磁场、化学介质等外界条件是指温度、载荷、电场、磁场、化学介质等 外力作用下拉伸行为的载荷外力作用下拉伸行为的载荷位移曲线或应力一应变曲线，位移曲线或应力一应变曲线，采用屈服、颈缩、断裂等行为判据，便分别有屈服强度、采用屈服、颈缩、断裂等行为判据，便分别有屈服强度、抗拉强度、断裂强度等力学性能抗拉强度、断裂强度等力学性能 外磁场作用下，磁化及退磁行为的磁滞回线，采用不同的行为外磁场作用下，磁化及退磁行为的磁滞回线，采用不同的行为 判据，便分别有矫顽力、剩余磁感、贮藏的磁能等磁学性能判据，便分别有矫顽力、剩余磁感、贮藏的磁能等磁学性能 2023/3/20 27 六、材料性能的分类六、材料性能的分类 简单性能简单性能 物理性能、力学性物理性能、力学性能和化学性能能和化学性能 复杂性能复杂性能 复合性能、工艺性复合性能、工艺性能、使用性能能、使用性能 热热 光光 声声 电电 磁磁 强度强度 弹性弹性 塑性塑性 韧性韧性 抗氧化性抗氧化性 耐腐蚀性耐腐蚀性 简单性能的组合简单性能的组合 铸造性、可焊性、切削性铸造性、可焊性、切削性 耐磨性、抗弹穿入性、刀刃锋利性耐磨性、抗弹穿入性、刀刃锋利性 2023/3/20 28 七、复合材料七、复合材料 复合材料由异质、异性或异形材料复合所形成复合材料由异质、异性或异形材料复合所形成 光电管、热电偶、电阻应变片、压电晶体光电管、热电偶、电阻应变片、压电晶体 复合的相乘效应复合的相乘效应(非简单相加非简单相加)自控发热功自控发热功能复合材料能复合材料 导电粉末导电粉末(如碳粉如碳粉)分散在高分子树脂中分散在高分子树脂中 热热-变形与变形变形与变形-变阻的相乘效果成为热变阻的相乘效果成为热-变阻变阻 航天服航天服 2023/3/20 29 八、材料科学的形成八、材料科学的形成 1、材料科学的形成是科学技术开展的结果材料科学的形成是科学技术开展的结果 固体物理、无机化学、有机化学、物理化学固体物理、无机化学、有机化学、物理化学 冶金学、金属学、陶瓷学、高分子科学冶金学、金属学、陶瓷学、高分子科学 2 2、研究设备与生产设备的通用不但节约资金，研究设备与生产设备的通用不但节约资金，相互得到启发和借鉴，加速材料的开展相互得到启发和借鉴，加速材料的开展 各类材料的研究设备与生产手段颇多共同之处各类材料的研究设备与生产手段颇多共同之处 挤压机挤压机 2023/3/20 30 九、材料科学与材料工程的关系九、材料科学与材料工程的关系 1 1、材料工程的定义材料工程的定义 材料工程是工程的一个领域，其目的在于经济地而又材料工程是工程的一个领域，其目的在于经济地而又能为社会所能接受地控制材料的结构、性能和形状能为社会所能接受地控制材料的结构、性能和形状 5 5个判据个判据 “经济经济是经济判据是经济判据 “为社会所能接受为社会所能接受包括资源判据、环保判据、能源判据包括资源判据、环保判据、能源判据 “结构、性能和形状结构、性能和形状那么分别是质量判据中的内在质量和外那么分别是质量判据中的内在质量和外表质量表质量 2023/3/20 31 2 2、材料科学与材料工程的关系材料科学与材料工程的关系 1 1 材料科学的根底理论，为材料工程指明方向材料科学的根底理论，为材料工程指明方向 19061906年德国工程师威尔姆年德国工程师威尔姆(Wilm(Wilm，A.)A.)偶然地发现了铝偶然地发现了铝铜合金自然时效硬化现象铜合金自然时效硬化现象 位错理论位错理论 2 2 材料科学和材料工程是紧密联系、互相促进的材料科学和材料工程是紧密联系、互相促进的 2023/3/20 32 十、材料科学的重要地位十、材料科学的重要地位 1、过日子离不开材料过日子离不开材料 2、技术离不开材料技术离不开材料 3、材料是一切事物的物质根底材料是一切事物的物质根底 人类人类历史长河历史长河 2023/3/20 33 石器时代石器时代 青铜器时代青铜器时代 铁器时代铁器时代 水泥时代水泥时代 钢时代钢时代 硅时代硅时代 新材料时代新材料时代 人类历史的划分人类历史的划分 2023/3/20 34 石器时代石器时代公元前公元前10万年万年 石矛头石矛头 有槽石有槽石 环砥石环砥石 石戈石戈 愚昧时代愚昧时代 2023/3/20 35 青铜器时代青铜器时代公元前公元前3000年年 青铜器的创造，对农林家而言，巩固了他们的刀、犁、青铜器的创造，对农林家而言，巩固了他们的刀、犁、铲等；对渔猎家而言，那么锋利了他们的矛、箭等铲等；对渔猎家而言，那么锋利了他们的矛、箭等 湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑 2023/3/20 36 铁器时代铁器时代公元前公元前1000年年 铁犁冠铁犁冠 铁铧铁铧 将人类带入农业社会将人类带入农业社会 湖南长沙砂子塘战国凹形