? 绪论
1.课程设置的意义和目的
(1)材料的定义与分类 （2）材料的地位和作用 （3）材料科学与工程的形成和发展 （4）本课程设置和北工大材料科学与工程学科改革 2.课程的内容和讲法
材料是人类用于制造机器、构 件和产品的物质，是人类赖以 生存和发展的物质基础。
(1)材料的分析(2)金属材料(3)无机非金属材料(4)高分子材料(5)复合材料 材料的地位和作用
材料是人类社会发展的基础和先导，是人类社会进步的里程碑和划时代的标志。材料和能源、信息被称为人类社会的“三大支柱”。 一种重要新材料的发现和使用，都把人类支配自然的能力提高到一 个新水平，材料科学技术的每一次重大突破都会引起生产技术的重大变革，甚至引起一次世界性的技术变革，从而把人类物质文明和精神文明推向前进。 材料科学与工程的形成和发展
材料科学与工程的形成与发展，反映了学科发展从细分到整合（综合）的基本规律。 材料科学
（1）钢铁冶金（2）有色金属冶金（3）冶金物理化学（4）金属材料与热处理（5）金属压力加工（6）无机非金属材料（7）硅酸盐工程（8）高分子材料与工程（9）粉末冶金（10）复合材料（11）服饰与防护（12）材料科学与工程（13）铸造（14）焊接
结论：
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不同的材料二级学科曾为社会培养了大量的专业人才； 已不能满足21世纪人才培养的需求，必须进行改革； 按照“四要素”原则重新构建材料科学与工程的大材料学科。
第一章 材料及其在人类社会发展
进程中的地位和作用
1-1.材料是人类社会进步的里程碑 1-2.材料是经济和社会发展的基础和先导 1.新材料技术是工业革命和产业发展的先导 2.新材料技术是高技术发展的基础
纵观人类利用材料的历史，可以清楚地看到，每一种重要新材料的发现和应用，都把人类支配自然的能力提高到一个新的水平。材料科学技术的每一次重大突破都会引起生产技术的重大变革，甚至引起一次世界性的技术革命，大大地加速社会发展的进程，给社会生产力和人类生活带来巨大的变革，把人类物质文明推向前进。
第一次工业革命（18世纪）：制钢工业的发展为蒸汽机的发明和应用奠定了物质基础。 第二次工业革命（20世纪中叶以来）：单晶硅材料对电子技术的发明和应用起了核心作用。
1．信息科学技术2．新能源科学技术3．生物科学技术4．空间科学技术5．生态环境科学技术信息材料新能源材料生物材料空间技术用材料环保材料6．用高技术改造、更新现有材料，发展材料科学技术
21世纪重点发展的高技术领域的材料选择
? 信息科学技术正在发生结构性变革，仍然是经济持续增长的主导力量 ? 通信网络技术为信息产业注入强大活力 ? 宽带通信已成为国际上应用最广的通信技术 ? 半导体技术进入纳米时代 ? 计算机智能技术日新月异
? 生物技术正经历着一场前所未有的技术革命，一个庞大的生物产业正在孕育和形成
对生命现象本质和过程研究，进入了定量和系统整合阶段
? 基因组学、蛋白质科学、干细胞及再生医学的研究成为生命科学的前沿与热点 ? 蛋白质科学正向深度和广度迅速发展
? 干细胞及再生医学的研究及应用为人类健康开辟了新道路 ? 生物芯片在医疗和科研领域发挥巨大作用 ? 转基因技术及应用呈现出高速发展的态势
生物技术正经历着一场前所未有的技术革命，一个庞大的生物产业正在孕育和形成
? 对生命现象本质和过程研究，进入了定量和系统整合阶段
? 基因组学、蛋白质科学、干细胞及再生医学的研究成为生命科学的前沿与热点 ? 蛋白质科学正向深度和广度迅速发展
? 干细胞及再生医学的研究及应用为人类健康开辟了新道路 ? 生物芯片在医疗和科研领域发挥巨大作用 ? 转基因技术及应用呈现出高速发展的态势
生物技术正经历着一场前所未有的技术革命，一个庞大的生物产业正在孕育和形成
? 对生命现象的本质和过程研究，进入了定量和系统整合阶段；
? 基因组学、蛋白质科学、干细胞及再生医学的研究成为生命科学的前沿与热点； ? 蛋白质科学正向深度和广度迅速发展。
? 干细胞及再生医学的研究及应用为人类健康开辟了新道路生物芯片在医疗和科研领域发挥巨大作用 ? 转基因技术及应用呈现出高速发展的态势 航天技术快速发展，不断开辟人类探索的新空间
? 太空探索带动太空探索技术加速发展
? 研制多种用途的人货分离的新一代航天飞行器成未来趋势。 ? 小卫星技术日趋成熟并将广泛应用。
? 太空攻防技术成为未来航天技术发展的重要领域。 能源技术将变革未来社会的动力基础，促进人类实现可持续发展
? 煤炭的高效清洁利用成为化石能源技术研发热点。 ? 核能技术酝酿新的突破。 ? 氢能技术研发和商业应用加速
? 新能源和可再生能源技术展现良好前景
? 天然气水合物的开发受到重视用能技术发展前景广阔
先进制造技术向绿色制造、高技术化、信息化、极端制造方向发展，成为提升产业竞争力的关键技术
? 光机电一体化技术 ? 微电子光刻技术 ? 重大装备制造技术
新材料技术出现群体性突破，将对21世纪基础科学和几乎所有工业领域产生革命性影响
? 纳米技术是前沿技术中最具前瞻性和带动性的重点领域之一
? 电子信息材料技术进展迅速，光电子材料、光子材料将成为发展最快和最有前途的电子信息材料。 ? 新型功能材料及其应用技术面临新的突破（超导材料、智能材料、生物医用材料）
? 新型结构材料发展前景乐观（高温合金、难熔金属、金属间化合物、金属基复合材料、高分子材料、钛合金、镁合金）
计算机的核心部件是集成电路其容量和速度每年以50%发展，计算速度已大约每秒万亿次，2000年可达100万亿次。 计算外设装置莫不决定于材料，如存储（光盘，磁盘等），显示（液晶、GaAs）。 计算机的控制精度与灵敏度决定于敏感材料（传感器）的灵敏度、精度与稳定性。
总结：
正是由于这两类材料的发明和应用技术的主要缘故，才可能有当今“第三次革命”---信息革命的产生；使人类进入了一个新的时代---信息时代。
上述事例雄辩的表明，新材料是人类社会进步、世界革命和提高人类生活品质中具有特别重要的基础和先导作用，其发展对提高国家的综合国力和国际实力具有巨大的推动作用和深远的影响。
§2.1 性质与使用性能
结构材料性质的表征----材料力学性质
强度：材料抵抗外应力的能力。
塑性：外力作用下，材料发生不可逆的永久性变形而不破坏的能力。 硬度：材料在表面上的小体积内抵抗变形或 破裂的能力。 刚度：外应力作用下材料抵抗弹性变形能力.
结构材料性质的表征----材料力学性质
疲劳强度：材料抵抗交变应力作用下断 裂破坏的能力。
抗蠕变性：材料在恒定应力（或恒定载 荷）作用下抵抗变形的能力 韧性：材料从塑性变形到断裂全过程中 吸收能量的能力。 物理性质的交互性----材料应用的关键点
现代功能材料不仅仅表现出单一的物理性质，更重要的是具备了特殊的物理交互性。例如： 电学----机械 电学----光学
电致伸缩 机械----电学 压电特性 磁学----机械 磁致伸缩 电学----磁学 巨磁阻效应 电致发光
使用性能：是指材料在最终使用状态（产品、元 件）下表现出的行为。 使用性能描述符
可靠性、耐用度、寿命、性能价格比、安全性，及材料固化为产品后，表征产品优良程度的各种性能指标，如飞行速度.使用温度等。
性能定义
在某种环境或条件作用下，为描述材料的行为或结果，按照特定的规范所获得的表征参量。
材料力学性能
1·强度表征
弹性极限 屈服强度 比例极限 2·塑性表征
延伸率δ 断面收缩率φ 冲杯深度 h 3. 硬度表征：
布氏硬度 洛氏硬度 维氏硬度 弹性模量 杨氏模量 剪切模量 疲劳极限 疲劳寿命 蠕变极限 持久强度 断裂韧性 KIC 断裂韧性 JIC 4. 刚度表征： 5. 疲劳强度表征： 6. 抗蠕变性表征： 7. 韧性表征： 材料物理性能 1. 电学性能表征：
导电率 电阻率 介电常数 磁导率 矫顽力 磁化率 光反射率 光折射率 光损耗率 热导率 热膨胀系数 熔点 比热
性能是随着外因的变化而不断变化，是个渐变过程，在这个过程中发生量变的积累，而性质保持质的相对稳定性；当量变达到一个“度”时，将发生质变，材料的性质发生根本的变化。 在材料科学研究及工程化应用中，材料人员应具备这样一种能力： 能针对不同的使用环境，提取出关键的材料性质并选择优良性能的材料。 2. 磁学性能表征： 3. 光学性能表征： 4. 热学性能表征：
3. 失效分析
----材料使用性能的重要研究内容
失效性质 力学 化学 失效环境 低温、过载荷 化学介质 失效行为 脆断、疲劳、断裂 腐蚀破坏
三类主要的材料力学失效形式
断裂 磨损 腐蚀
传统方式： 结构与功能 确定材料的性质 完成设计 先进方式： （结构与功能 材料的性质 ） 完成设计
5. 材料性能数据库
从事材料工程的人们必须注重材料性能数据库，因为：
– 材料性能数据库是材料选择的先决条件；
– 材料性能数据库是实现计算机辅助选材（CAMS）、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）的基础。
国际材料数据库建设简况
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英、美金属学会合建金属材料数据库
西方七国组成有关新材料数据及标准的“凡尔赛计划”
原苏联及东欧各国组成了COMECON材料数据系统，包括16个数据库 北京科技大学等单位联合建成材料腐蚀数据库 武汉材料保护研究所建成材料磨损数据库 北京钢铁研究总院建立合金钢数据库 航天航空部材料研究所建立航天材料数据库
§2.2 成分与结构
1. 材料的结构 2. 成分结构检测技术 3.与其它要素的关系 4.材料的成分.结构数据库 5.新的机遇
1·材料的结构
键合结构 晶体结构 组织结构
材料的结构----键合结构
化学键 1·离子键 2·共价键 3·金属键 物理键1·氢键2·分子键
晶 体：原子排列长程有序，有周期 非晶体：原子排列短程有序，无周期 准晶体：原子排列长程有序，无周期
定义：组成材料的不同物质表示出的某种形态特征
2.成分、结构检测技术
现代材料科学家对材料成分、结构的认识是由分析、检测实现的。
3.与其它要素的关系
是材料性质的原因 是合成加工的结果
材料的强度
金属材料的尺寸减小到一定值时，材料的工程强度值不再恒定，而是迅速增大，原因有两点：1）按统计学原理计算单位面积上的位错缺陷数目，由于截面减小而不能满足大样本空间时，这个数值不再恒定；2）晶体结构越来越接近无缺陷理想晶体，强度值也就越接近于理论强度值-----结构是性能的原因。
塑性加工
金属材料随塑性加工量的增大，组织结构发生明显的变化：
等轴晶---带状组织---细晶组织 ------是加工的结果
材料的强韧化------位错理论的建立
固溶强化 加工硬化 弥散强化 第二相强化 相变增韧
4.成分、结构数据库
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X衍射数据库：建立了结构---测定参数的关系 相图 数据库：建立了 成分---相 的关系 准晶
– 准晶的结构 – 潜在的应用价值
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纳米材料
– 纳米碳管 – C60(巴基球)，等
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界面科学
– 超导体与基体的界面结构 – 功能复合材料的梯度界面 – 半导体材料与封装材料的界面 – 纤维增强体与基体的结合界面
5.成分、结构研究领域的新机遇
§2.3 合成与加工
1.定义
“合成”与“加工”是指建立原子、分子和分子团的新排列，在所有尺度上（从原子尺寸到宏观尺度）对结构的控制，以及高效而有竞争力地制造材料与元件的演化过程。
合成是指把各种原子或分子结合起来制成材料所采用的各种化学方法和物理方向。 加工可以同样的方式使用，还可以指较大尺度上的改变，包括材料制造。
需要说明的问题
在材料科学与工程中，合成和加工之间的区别变得越来越模糊 合成是新技术开发和现有技术改进的关键性要素 现代材料合成技术是人造材料的唯一实现途径
2 . 合成与加工的主要内容 一·材料的制备
冶金过程 熔炼与凝固 粉末烧结 高分子聚合
? 冶金过程（化学冶金）
目的： 从原料中提取出金属
内容：火法冶金（炼铁、炼铜）熔盐电冶金（电解铝、镁）湿法冶金（水溶液电解锌）
? 熔炼与凝固（物理冶金）
目的: １．金属的精练提纯 ２．材料的“合金化” ３．晶体的生长
内容: 1. 平衡凝固 4. 区域熔炼 2. 快速凝固 5. 玻璃的熔炼 3. 定向凝固 6. 熔融法提拉单晶
? 粉末烧结
目的: １. 粉末成型 2 . 粉末颗粒的结合 内容: 1 . 粉末冶金技术 2 . 现代陶瓷材料的制备
? 高分子聚合