1、绪论绪论材料引言材料引言n什么是材料什么是材料?q材料与人类文明材料与人类文明q什么是材料科学？什么是材料科学？n0.1材料分类材料分类n0.2组成组成-结构结构-性质性质-工艺过程之间的关系工艺过程之间的关系什么是材料什么是材料?世界万物，世界万物，凡于我有用者，皆谓之材料。材料凡于我有用者，皆谓之材料。材料是具有一定性能，可以用来制作器件、构件工具、是具有一定性能，可以用来制作器件、构件工具、装置等物品的物质。材料存在于我们的周围与我们装置等物品的物质。材料存在于我们的周围与我们的生活我们的生命息息相关材料是人类文明、社会的生活我们的生命息息相关材料是人类文明、社会进步科技发展的物质基础。
2、进步科技发展的物质基础。材料与人类文明材料与人类文明材材料料是是人人类类文文明明、社社会会进进步步、科科学学技技术术发发展展的的物物质质基基础础和和技技术术先先导导。在在历历史史上上，人人们们将将石石器器、青青铜铜器器、铁铁器器等等当当时时的的主主导导材材料料作作为为时时代代的的标标志志，称称其其为为石石器器时时代代、青青铜铜器器时时代代和和铁铁器器时时代代。在在近近代代，材材料料的的种种类类及及其其繁繁多多，各各种种新新材材料料不不断断涌涌现现，很很难难用一种材料来代表当今时代的特征。用一种材料来代表当今时代的特征。第第一一次次产产业业革革命命的的突突破破口口是是推推广广应应用用蒸蒸汽汽机机
3、，但但只只有有在在开开发发了了铁铁和和铜铜等等新新材材料料以以后后，蒸蒸汽汽机机才才得得以使用并逐步推广。以使用并逐步推广。第第二二次次产产业业革革命命一一直直延延续续到到20世世纪纪中中叶叶，以以石石油油开开发发和和新新能能源源广广泛泛使使用用为为突突破破口口，大大力力发发展展飞飞机机、汽汽车车和和其其他他工工业业，支支持持这这个个时时期期产产业业革革命命的的仍仍然然是是新新材材料料开开发发。如如合合金金钢钢、铝铝合合金金以以及及各各种种非非金金属属材材料的发展。料的发展。n材料是当代文明的三大支柱之一材料是当代文明的三大支柱之一材料、能源、信息材料、能源、信息是当代社会文明和国民经是当代社
4、会文明和国民经济的三大支柱，是人类社会进步和科学技术发展济的三大支柱，是人类社会进步和科学技术发展的物质基础和技术先导。的物质基础和技术先导。n材料是全球新技术革命的材料是全球新技术革命的四大标志四大标志之一（之一（新材新材料技术、新能源技术、信息技术、生物技术料技术、新能源技术、信息技术、生物技术）。）。什么是材料科学？什么是材料科学？材料科学是一门以固体材料为研究对象，以固体物理、材料科学是一门以固体材料为研究对象，以固体物理、热力学、动力学、量子力学、冶金、化工为理论基础的边缘热力学、动力学、量子力学、冶金、化工为理论基础的边缘交叉基础应用学科，它运用电子显微镜、交叉基础应用学科，它运用
5、电子显微镜、X-射线衍射、热谱、射线衍射、热谱、电子离子探针等各种精密仪器和技术，探讨材料的组成、结电子离子探针等各种精密仪器和技术，探讨材料的组成、结构、制备工艺和加工使用过程与其机械、物理、化学性能之构、制备工艺和加工使用过程与其机械、物理、化学性能之间的规律的一门基础应用学科，是研究材料共性的一门学科。间的规律的一门基础应用学科，是研究材料共性的一门学科。材料科学基础课程的教学内容材料科学基础课程的教学内容材料科学基础课程是材料科学与工程专业的重要的学科材料科学基础课程是材料科学与工程专业的重要的学科基础课之一，主要介绍材料科学中的共性规律，即材料的组成基础课之一，主要介绍材料科学中的共
6、性规律，即材料的组成-形成（工艺）条件形成（工艺）条件-结构结构-性能性能-材料用途之间相互关系及制约材料用途之间相互关系及制约规律。内容主要包括：材料种类、晶体结构、缺陷化学、非晶规律。内容主要包括：材料种类、晶体结构、缺陷化学、非晶体结构、材料的表面与界面、体结构、材料的表面与界面、相图相图、扩散、相变、固相反应、扩散、相变、固相反应、烧结和材料的环境效应等基础知识。烧结和材料的环境效应等基础知识。n0.1.1材料按化学组成（或基本组成）分类材料按化学组成（或基本组成）分类n0.1.2根据材料的性能分类根据材料的性能分类n0.1.3材料按服役的领域来分类材料按服役的领域来分类n0.1.4材
7、料按结晶状态分类材料按结晶状态分类n0.1.5材料按材料的尺寸分类材料按材料的尺寸分类0.1材料分类材料分类n按按物物理理性性质质可可分分为为：导导电电材材料料、绝绝缘缘材材料料、半半导导体体材材料料、磁磁性性材材料料、透透光光材材料料、高高强强度度材材料料、高高温温材材料料、超超硬硬材材料料等。等。n按按物物理理效效应应分分为为：压压电电材材料料、热热电电材材料料、铁铁电电材材料料、非非线线性性光光学学材材料料、磁磁光光材材料料、电电光光材材料料、声声光光材材料料、激激光光材材料料等。等。n按按用用途途分分为为：电电子子材材料料、电电工工材材料料、光光学学材材料料、感感光光材材料料、耐耐酸酸
8、材材料料、研研磨磨材材料料、耐耐火火材材料料、建建筑筑材材料料、结结构构材材料料、包装材料等包装材料等。0.1.1按化学组成（或基本组成）分类：按化学组成（或基本组成）分类：1.金属材料金属材料2.无机非金属材料无机非金属材料3.高分子材料（聚合物）高分子材料（聚合物）4.复合材料复合材料1.金属材料金属材料金属材料是由化学元素周期金属材料是由化学元素周期表中的金属元素组成的材料。可表中的金属元素组成的材料。可分为由一种金属元素构成的单质分为由一种金属元素构成的单质（纯金属）；由两种或两种以上（纯金属）；由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素的金属元素或金属与非金属元素构成的合金。合金又
9、可分为固溶构成的合金。合金又可分为固溶体和金属间化合物体和金属间化合物。在在103种元素中，除种元素中，除He,Ne,Ar等等6种惰性元素种惰性元素和和C、Si、N等等16种非金属元素外，其余种非金属元素外，其余81种为金属元素。种为金属元素。除除Hg之外，单质金属在之外，单质金属在常温下呈现固体形态，外观不透明，具有特殊的金属光泽及良好常温下呈现固体形态，外观不透明，具有特殊的金属光泽及良好的导电性和导热性。在力学性质方面，具有较高的强度、刚度、的导电性和导热性。在力学性质方面，具有较高的强度、刚度、延展性及耐冲击性。延展性及耐冲击性。合合金金是是由由两两种种或或两两种种以以上上的的金金属属
10、元元素素，或或金金属属元元素素与与非非金金属属元元素素熔熔合合在在一一起起形形成成的的具具有有金金属属特特性性的的新新物物质质。合合金金的的性性质质与与组组成成合合金金的的各各个个相相的的性性质质有有关关，同同时时也也与与这这些些相相在在合合金金中中的的数数量量、形状及分布有关。形状及分布有关。合金合金又分为又分为固溶体固溶体和和金属间化合物。金属间化合物。当金属的晶体结构保持溶剂组元的晶体结构时，当金属的晶体结构保持溶剂组元的晶体结构时，这种合金称为一次固溶体或端际固溶体，简称为这种合金称为一次固溶体或端际固溶体，简称为固溶固溶体体。金属元素与其它金属元素或非金属元素之间形成金属元素与其它金
11、属元素或非金属元素之间形成合金时，除固溶体外，还可能形成合金时，除固溶体外，还可能形成金属间化合物金属间化合物。合金中的固溶体：合金中的固溶体：根根据据溶溶质质原原子子在在溶溶剂剂晶晶体体结结构构中中的的位位置置，固固溶溶体体可可分分为为置置换换固溶体固溶体和和间隙固溶体间隙固溶体。在在置置换换固固溶溶体体中中，溶溶质质原原子子位位于于溶溶剂剂晶晶体体结结构构的的晶晶格格格格点点上上；在在间间隙隙固固溶溶体体中中，溶溶质质原原子子位位于于溶溶剂剂晶晶体体结结构构的的晶晶格格间间隙隙。溶溶质质原原子子在在固固溶溶体体中中的的分分布布可可以以是是随随机机的的，即即呈呈统统计计分分布布；也也可可以以
12、是是部部分分有有序序或或完完全全有有序序，在在完完全全有有序序固固溶溶体体中中，异异类类原原子子趋趋于于相相邻邻，这种结构亦称为超点阵或超结构。这种结构亦称为超点阵或超结构。此外，合金中溶质原子还可能形成丛聚，即同类此外，合金中溶质原子还可能形成丛聚，即同类原子趋于相邻。丛聚可以呈随机弥散分布。事实上，实原子趋于相邻。丛聚可以呈随机弥散分布。事实上，实验中还没有见到溶质原子呈完全随机分布的固溶体。因验中还没有见到溶质原子呈完全随机分布的固溶体。因此，只能在宏观尺度上认为处于热力学平衡态的固溶体此，只能在宏观尺度上认为处于热力学平衡态的固溶体是真正均匀的，而原子尺度上并不要求它也是均匀的。是真正
13、均匀的，而原子尺度上并不要求它也是均匀的。不同类型固溶体中原子排列情况示于不同类型固溶体中原子排列情况示于图图0.1。图图0.1不同类型固溶体中原子排列示意图不同类型固溶体中原子排列示意图（a）随机置换固溶体随机置换固溶体（b）有序置换固溶体有序置换固溶体（c）随机间隙固溶体随机间隙固溶体（d）固溶体中的溶质丛聚固溶体中的溶质丛聚合金中的金属间化合物：合金中的金属间化合物：金金属属间间化化合合物物可可分分为为三三类类，即即由由负负电电性性决决定定的的原原子子价价化化合合物物（简简称称价价化化合合物物）、由由电电子子浓浓度度决决定定的的电电子子化化合合物物（亦亦称称为为电电子子相相）以以及及由由
14、原原子子尺尺寸寸决决定定的的尺尺寸寸因因素素化化合合物物。除除了了这这三三类类由由单单一一元元素素决决定定的的典典型型金金属属间间化化合合物物外外，还还有有许许多多金金属属间间化化合合物物，其其结结构构由由两两个个或多个因素决定，称之为复杂化合物。或多个因素决定，称之为复杂化合物。2.无机非金属材料无机非金属材料无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼盐、锗酸盐等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工
15、艺制备而成的材料。是除金属材料、高分子材料以外所有材料的而成的材料。是除金属材料、高分子材料以外所有材料的总称。它与广义的陶瓷材料有等同的含义。无机非金属材总称。它与广义的陶瓷材料有等同的含义。无机非金属材料种类繁多，用途各异，目前还没有统一完善的分类方法。料种类繁多，用途各异，目前还没有统一完善的分类方法。一般将其分为传统的（普通的）和新型的（先进的）无机一般将其分为传统的（普通的）和新型的（先进的）无机非金属材料两大类。非金属材料两大类。传传统统的的无无机机非非金金属属材材料料主主要要是是指指由由SiO2及及其其硅硅酸酸盐盐化化合合物物为为主主要要成成分分制制成成的的材材料料，包包括括陶陶
16、瓷瓷、玻玻璃璃、水水泥泥和和耐耐火火材材料料等等。此此外外，搪搪瓷瓷、磨磨料料、铸铸石石（辉辉绿绿岩岩、玄玄武武岩岩等等）、碳碳素素材材料料、非非金金属属矿矿（石石棉棉、云云母母、大大理理石石等等）也属于传统的无机非金属材料。也属于传统的无机非金属材料。先进（或新型）无机非金属材料先进（或新型）无机非金属材料是用氧化物、是用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各种无机非金属化合物经特殊的先进工艺制成的材料。种无机非金属化合物经特殊的先进工艺制成的材料。主要包括先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、无机主要包括先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、无机涂层、无机纤维等。涂层、无机纤维等。陶瓷按其概念和用途不同，陶瓷按其概念和用途不同，可分为两大类，即可分为两大类，即普通陶瓷普通陶瓷和和特特种陶瓷种陶瓷。根据陶瓷坯体结构及其基本根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能的差异，陶瓷制品可分物理性能的差异，陶瓷制品可分为为陶器陶器和和瓷器瓷器。传统的无机非金属材料传统的无机非金属材料之一：陶瓷之一：陶瓷n普通陶瓷普通陶瓷即传统陶瓷，是指以粘土为主要原料与其
