前《材料科学基础》以材料科学和工程专业本科生为对象的一门专业基础课程，它以物理学、物理化学、化学等为基础，涉及材料晶体结构、材料热力学、材料动力学、材料性能等系统的材料科学知识。课程内容分为三部分：1)材料内部的微观结构，包括原子态到聚合态，从理想的完整结构到存在各种缺陷的不完整晶体结构，原子和分子在固体中的运动，以及材料在受力变形时组织结构的变化和恢复过程；2)材料组织结构的转变规律，包括单元系转变，二组元间的相互作用和转变以及三元系的相互作用规律：3)介绍实际材料特别是近年来在亚稳态研究中一些新成就，如纳米晶，准晶及非晶态材料等，以便学生了解材料科学发展的一些新动态。学生通过本课程的学习，可以全面了解材料的结构和性能、材料制造过程中的热力学过程和动力学过程，为今后学习各种材料及其制备打下基础。材料科学基础作为一门专业基础课程，其中有大量实验和许多抽象理论知识，这些都是在课堂上教师难以用语言描述、学生又难以想象的内容。本课件以武汉理工大学出版社2008年出版的《材料科学基础》一书为文本，采用图、文、声、像、动画等计算机多媒体技术来加强教学效果，再结合使用动态HTML技术和VRML虚拟现实技术，期望使材料类课程的教学真正实现交互式多媒体远程教育。本课件系以材料科学基础各知识点为单元的开放式网络课程，可供材料和治金、机电类学生远程学习，又可供教师在课堂教学中辅助教学，满足资源共享的需要。0.1材料科学及其重要性材料就是人类社会所能接受的、可经济地制造有用器件（或物品）的物质。材料科学的核心问题是材料的结构和性能的关系。它从事于材料本质的发现、分析和了解方面的研究，其目的在于提供材料结构的统一描绘或模型，以及解释这种结构和性能之间的关系。材料科学的研究对象为材料的结构和性能，结构可分为三个层次，第一层次为原子（离子）的结构，即原子中电子围绕原子核运动的情况；第二层次为原子在空间的排列，第三层次为材料的显微结构，即显微镜下所观察到构成材料的各相的组合图像。人类的发展历史和材料的发展密切相关，从旧石器时代人们懂得利用材料到科技发达的现代社会，经历了新石器时代、青铜器时代，铁器时代、水泥时代、钢时代、半导体时代，现在人们正处于新材料时代。每一种材料的发现和利用，都使人类支配和改造自然的能力得到了提高，成为人类进步的一个里程碑。中国古代精湛的陶瓷材料和金属材料制造技术使古代中华民
前 言 《材料科学基础》以材料科学和工程专业本科生为对象的一门专业基础课程，它以物理 学、物理化学、化学等为基础，涉及材料晶体结构、材料热力学、材料动力学、材料性能等系 统的材料科学知识。课程内容分为三部分：1)材料内部的微观结构，包括原子态到聚合态，从 理想的完整结构到存在各种缺陷的不完整晶体结构，原子和分子在固体中的运动，以及材料在 受力变形时组织结构的变化和恢复过程；2)材料组织结构的转变规律，包括单元系转变，二组 元间的相互作用和转变以及三元系的相互作用规律；3)介绍实际材料特别是近年来在亚稳态研 究中一些新成就，如纳米晶，准晶及非晶态材料等，以便学生了解材料科学发展的一些新动态。 学生通过本课程的学习，可以全面了解材料的结构和性能、材料制造过程中的热力学过程和动 力学过程，为今后学习各种材料及其制备打下基础。 材料科学基础作为一门专业基础课程，其中有大量实验和许多抽象理论知识，这些都是在课 堂上教师难以用语言描述、学生又难以想象的内容。本课件以武汉理工大学出版社2008年出版 的《材料科学基础》一书为文本，采用图、文、声、像、动画等计算机多媒体技术来加强教学 效果，再结合使用动态HTML技术和VRML虚拟现实技术，期望使材料类课程的教学真正实现交互 式多媒体远程教育。本课件系以材料科学基础各知识点为单元的开放式网络课程，可供材料和 冶金、机电类学生远程学习，又可供教师在课堂教学中辅助教学，满足资源共享的需要。 0.1材料科学及其重要性 材料就是人类社会所能接受的、可经济地制造有用器件（或物品）的物质。材料科学的核 心问题是材料的结构和性能的关系。它从事于材料本质的发现、分析和了解方面的研究，其目 的在于提供材料结构的统一描绘或模型，以及解释这种结构和性能之间的关系。材料科学的研 究对象为材料的结构和性能，结构可分为三个层次，第一层次为原子（离子）的结构，即原子 中电子围绕原子核运动的情况；第二层次为原子在空间的排列，第三层次为材料的显微结构， 即显微镜下所观察到构成材料的各相的组合图像。 人类的发展历史和材料的发展密切相关，从旧石器时代人们懂得利用材料到科技发达的现 代社会，经历了新石器时代、青铜器时代，铁器时代、水泥时代、钢时代、半导体时代，现在 人们正处于新材料时代。每一种材料的发现和利用，都使人类支配和改造自然的能力得到了提 高，成为人类进步的一个里程碑。中国古代精湛的陶瓷材料和金属材料制造技术使古代中华民
族持久处于世界先进民族之林，推动了整个世界文明的发展。以China一词为载体，中国作为陶瓷之国誉满世界，秦代的兵马佣、唐代的唐三彩、宋代的汝、定、钧、官、哥窑瓷、元代开始繁荣的有着“白如玉、薄如纸、明如镜、声如磐”之美誉的景德镇陶瓷，记录了中国久远的陶瓷发展历史。商周时代中国进入青铜器发展的鼎盛时期，技术水平处于世界的前列，春秋时期，中国的治铁技术得到了很大的发展，已经懂得利用生铁退火制造韧性铸铁并且掌握钢的治炼技术，遥遥领先于世界上的其它地区，这些技术推动了整个世界文明的发展，同时也促进了文化的发展，百炼成钢、削铁如泥等朗朗上口的成语以其丰富的技术和文化内涵流传至今。材料的发展在某种程度上决定了一个国家的发达水平，为现代社会的发展奠定了基础。新材料的发展是现代科学技术发展的先导。随着金属材料、无机非金属材料有机材料、复合材料的发展，材料工业的发展为现代社会的发展奠定了基础（全塑汽车）。以半导体材料为核心的计算机制造技术、以光导纤维为基础的光纤通讯技术、以超导材料为基础的磁悬浮技术以及以耐热轻质材料为结构材料的航空航天技术等，构成了现代科学技术的基础（航天飞机图）。新型材料、生物工程和信息作为产业革命的重要标志，而新型材料的发展是产业革命的基础。新型材料的研究、开发与应用反映着一个国家的科学技术与工业水平。当今世界各国政府都非常重视材料的发展，20世纪80年代人们把新型材料、生物工程和信息作为产业革命的重要标志，世界上各国都把材料的研究放在非常重要的地位。例如，2000年1月美国提出“国家纳米技术计划”把纳米材料作为一个重点发展领域，我国的国家自然科学基金、863计划、973项目都将材料作为重点资助领域，对材料发展的长期重视使我国的新材料研究在某些方面达到了世界先进水平。图01一01秦代的兵马佣
族持久处于世界先进民族之林，推动了整个世界文明的发展。以China一词为载体，中国作为陶 瓷之国誉满世界，秦代的兵马俑、唐代的唐三彩、宋代的汝、定、钧、官、哥窑瓷、元代开始 繁荣的有着 “白如玉、薄如纸、明如镜、声如磬”之美誉的景德镇陶瓷，记录了中国久远的陶 瓷发展历史。 商周时代中国进入青铜器发展的鼎盛时期，技术水平处于世界的前列，春秋时期，中国的 冶铁技术得到了很大的发展，已经懂得利用生铁退火制造韧性铸铁并且掌握钢的冶炼技术，遥 遥领先于世界上的其它地区，这些技术推动了整个世界文明的发展，同时也促进了文化的发展， 百炼成钢、削铁如泥等朗朗上口的成语以其丰富的技术和文化内涵流传至今。 材料的发展在某种程度上决定了一个国家的发达水平，为现代社会的发展奠定了基础。新材 料的发展是现代科学技术发展的先导。随着金属材料、无机非金属材料有机材料、复合材料的 发展，材料工业的发展为现代社会的发展奠定了基础（全塑汽车）。以半导体材料为核心的计算 机制造技术、以光导纤维为基础的光纤通讯技术、以超导材料为基础的磁悬浮技术以及以耐热 轻质材料为结构材料的航空航天技术等，构成了现代科学技术的基础（航天飞机图）。 新型材料、生物工程和信息作为产业革命的重要标志，而新型材料的发展是产业革命的基础。 新型材料的研究、开发与应用反映着一个国家的科学技术与工业水平。当今世界各国政府都非 常重视材料的发展，20世纪80年代人们把新型材料、生物工程和信息作为产业革命的重要标志， 世界上各国都把材料的研究放在非常重要的地位。例如，2000年1月美国提出“国家纳米技术计 划”把纳米材料作为一个重点发展领域，我国的国家自然科学基金、863计划、973项目都将材 料作为重点资助领域，对材料发展的长期重视使我国的新材料研究在某些方面达到了世界先进 水平。 图01－01 秦代的兵马俑
图01一02宋代的汝、定、钧、官、哥窑瓷图01-03景德镇陶瓷图01一04唐代的唐三彩图01一05航天飞机发射
图01－02 宋代的汝、定、钧、官、哥窑瓷 图01－03 景德镇陶瓷 图01－04 唐代的唐三彩 图01－05 航天飞机发射
图01-06全塑汽车1.1材料的分类材料种类繁多，可以根据化学组成、状态、作用和使用领域分类。但以其最基本结构单元一原子间的主要化学键可分为三类：以金属健结合的金属材料，以离子键和共价键为主要键合的无机非金属材料和以共价健为主要键合的高分子材料，还有一类材料将上述三种材料进行复合，以界面特征为主的复合材料。钢铁、陶瓷、塑料和玻璃钢分别为这四种材料的典型代表。1.1.1金属材料（metals）1.1.1.1分类(1)黑色金属材料一主要是指钢铁材料。钢（Stee1）按化学成分分碳素钢、合金钢等；按品质分普通、优质、高级优质钢等：按金相组织或组织结构分珠光体、贝民体、马氏体和奥氏体钢等；按用途分建筑工程、结构、工具、特殊性能、专业用钢等：按冶炼方法分平炉、转炉、电炉、沸腾炉钢等。铸铁（Castiron）按石墨形态及性能又分为灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、螨墨铸铁、特殊性能铸铁等。（2）有色金属一常分五大类①轻金属（p4.58g/cm3），如铜、镍、铅、锌等③贵金属如金、银、铂、等：④类（半）金属，如硅、硒、绅、硼等；③稀有金属，如钛、锂、钨、钼、镭等。1.1.1.2基本特性a.金属键，常规法生产的为晶体结构；b.常温下固体熔点较高；c.金属光泽；d.纯金属范性大、展性、延性大；e.强度较高；f.导热、导电性好；g.空气中易氧化，如钢、铁等生成氧化膜，合金可改性抗氧化。1.1.1.3用途a.结构材料：如机床、建筑机械设备、工程交通工具；b.导体材料，电线芯（铜）c.工具等。1.1.2无机非金属材料（Inorganicnonmetals）1.1.2.1分类按成分，化学结构和用途分四大类：混凝土（水泥）、玻璃（Glass）硅及耐火材料（Silane）陶瓷（器）（Ceramics）。其中陶瓷又分为：传统陶瓷（天然硅酸盐矿，各中粘土烧制而成，SilicateCeramics）和特种陶瓷（人工化合物：氧化物、氮化物、硼化物、碳化物）。1.1.2.2基本特性以陶瓷为例（其它有较大差别）a.离子键、共价键及其混合键；b.硬而
图01－06 全塑汽车 1.1 材料的分类 材料种类繁多，可以根据化学组成、状态、作用和使用领域分类。但以其最基本结构单元 －原子间的主要化学键可分为三类：以金属健结合的金属材料，以离子键和共价键为主要键合 的无机非金属材料和以共价健为主要键合的高分子材料，还有一类材料将上述三种材料进行复 合，以界面特征为主的复合材料。钢铁、陶瓷、塑料和玻璃钢分别为这四种材料的典型代表。 1.1.1 金属材料（metals） 1.1.1.1分类 (1)黑色金属材料－主要是指钢铁材料。 钢（Steel） 按化学成分分碳素钢、合金钢等；按品质分普通、优质、高级优质钢等；按金 相组织或组织结构分珠光体、贝氏体、马氏体和奥氏体钢等；按用途分建筑工程、结构、工具、 特殊性能、专业用钢等；按冶炼方法分平炉、转炉、电炉、沸腾炉钢等。 铸铁（Cast iron） 按石墨形态及性能又分为灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁、特殊性能铸铁等。 (2)有色金属－常分五大类 ①轻金属（ρ4.58 g/cm3) ，如铜、镍、铅、 锌等③贵金属 如金、银、铂、铑等；④类（半）金属，如硅、硒、绅、硼等；⑤稀有金属，如 钛、锂、钨、钼、镭等。 1.1.1.2基本特性 a.金属键，常规法生产的为晶体结构；b.常温下固体熔点较高；c.金属 光泽；d.纯金属范性大、展性、延性大；e.强度较高；f.导热、导电性好；g.空气中易氧化， 如钢、铁等生成氧化膜，合金可改性抗氧化。 1.1.1.3用途 a.结构材料：如机床、建筑机械设备、工程交通工具；b.导体材料，电线芯 （铜）c.工具等。 1.1.2 无机非金属材料（Inorganic nonmetals） 1.1.2.1分类 按成分，化学结构和用途分四大类：混凝土（水泥）、玻璃（Glass）硅及耐火 材料（Silane）陶瓷（器）（Ceramics）。其中陶瓷又分为：传统陶瓷（天然硅酸盐矿,各中粘土 烧制而成,Silicate Ceramics)和特种陶瓷（人工化合物：氧化物、氮化物、硼化物、碳化物）。 1.1.2.2基本特性 以陶瓷为例（其它有较大差别）a.离子键、共价键及其混合键； b.硬而
脆；c.熔点高、耐高温抗氧化d.导热、导电性差；e.耐化学腐蚀性性好；f.耐磨；g.成型方式为粉末制坏、烧制成型。三、用途建筑卫生陶瓷：瓷砖、浴缸等。工程陶瓷工程结构陶瓷反应釜（耐酸、耐腐蚀）、绝缘瓷瓶；功能陶瓷：磁性、导电材料。1.1.3高分子材料（polymers，Macromolecules）1.1.3.1分类按主链结构分为碳链-C-C-C、杂链-C-N-C=0-C-O-C-等按使用性质分为塑料（Plastics）：橡胶（Rubber）：合成纤维（Fiber：粘合剂（Adhesive）：涂料（Coating）等。1.1.3.2基本特性：a.共价键，部分范氏键b.分子量大，无明显容点，有玻璃化转变温度Tg和粘流温度Tf；c.力学状态有三态玻璃态、高弹态、粘流态d.比重小e.绝缘性好f.优越的化学稳定性g.成型方法多。三、用途：结构材料：电视机壳体、冰箱壳体、轴承、机械零件等；绝缘材料：漆包线、电缆、绝缘版、电器零件等：建筑材料：贴面板、地贴：包装材料等：塑料袋、薄膜、泡沫塑料等：涂装：涂料等；粘合剂：粘合剂等：日用：织物（衣服）胶鞋等；运输：轮胎，传送带等。1.1.4复合材料（composites）定义：由两种以上组分组成，并且具有与其组成不同的新的性能的材料1.1.4.1分类按性能分为结构复合材料、功能复合材料：按增强剂形状及增强机理分为粒子增强纤维增强复合材料；按基体材料分为树脂基复合材料（RMCResinMatrixComposite）、金属基复合材料（MMCMetalMatrixComposite）和陶瓷基复合材料（CMCCeramicMatrixComposite)。1.1.4.2基本性质质a.抗疲劳性能良好；b.结构件减震性好；c.比强度和比量高；d.耐烧能性和耐高温性能好e.具有良好的减摩、耐摩和耐润滑性能。三、用途对于无机一一高分子玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）可用于汽车，游艇等：碳纤维增强塑料可用于飞机机翼、高尔夫球棍、撑杆跳杆等；金属一陶瓷复合材料可用于飞机螺旋桨叶等：高分子-高分子复合材料如橡胶增韧塑料可用于抗冲PSABS树脂等减震材料。1.2材料的性能及影响因素材料的性能指的是材料受到外界作用时的行为，材料的结构决定了材料的性能。如在受力时体现强度、受电压作用时体现导电能力大小。材料的性能可分为简单性能和复杂性能二大类
脆； c.熔点高、耐高温抗氧化d.导热、导电性差； e.耐化学腐蚀性性好；f.耐磨；g.成型方 式为粉末制坏、烧制成型。三、用途 建筑卫生陶瓷：瓷砖、浴缸等。工程陶瓷 工程结构陶瓷： 反应釜（耐酸、耐腐蚀）、绝缘瓷瓶；功能陶瓷：磁性、导电材料。 1.1.3高分子材料 （polymers, Macromolecules） 1.1.3.1分类 按主链结构分为碳链–C–C–C、杂链–C–N–C=O –C–O–C–等；按使用性质分为塑料 （Plastics）；橡胶（Rubber）；合成纤维（Fiber；粘合剂（Adhesive）；涂料（Coating）等。 1.1.3.2基本特性： a.共价键，部分范氏键b.分子量大，无明显容点，有玻璃化转变温度Tg 和粘流温度Tf；c.力学状态有三态 玻璃态、高弹态、粘流态d.比重小e.绝缘性好f.优越的化学 稳定性g.成型方法多。三、用途：结构材料：电视机壳体、冰箱壳体、轴承、机械零件等；绝 缘材料：漆包线、电缆、绝缘版、电器零件等；建筑材料：贴面板、地贴；包装材料等：塑料 袋、薄膜、泡沫塑料等；涂装：涂料等；粘合剂：粘合剂等；日用：织物（衣服）胶鞋等；运 输：轮胎，传送带等。 1.1.4复合材料（composites） 定义：由两种以上组分组成，并且具有与其组成不同的新的 性能的材料 1.1.4.1分类 按性能分为结构复合材料、功能复合材料；按增强剂形状及增强机理分为粒 子增强纤维增强复合材料；按基体材料分为树脂基复合材料（RMC Resin Matrix Composite）、 金属基复合材料（MMC Metal Matrix Composite）和陶瓷基复合材料（CMC Ceramic Matrix Composite）。 1.1.4.2基本性质 a.抗疲劳性能良好；b.结构件减震性好；c.比强度和比量高；d.耐烧能 性和耐高温性能好e.具有良好的减摩、耐摩和耐润滑性能。三、用途 对于无机-高分子 玻璃 纤维增强塑料(玻璃钢)可用于汽车,游艇等；碳纤维增强塑料可用于飞机机翼、高尔夫球棍、 撑 杆跳杆等；金属—陶瓷复合材料可用于飞机螺旋桨叶等；高分子-高分子复合材料如橡胶增韧塑 料可用于抗冲PS ABS树脂等减震材料。 1.2材料的性能及影响因素 材料的性能指的是材料受到外界作用时的行为，材料的结构决定了材料的性能。如在受力 时体现强度、受电压作用时体现导电能力大小。材料的性能可分为简单性能和复杂性能二大类
简单性能包括物理性能、化学性能和力学性能。其中包括材料的导热率、吸声性能、折射率、、介电常数、磁导率、抗辐射性能、强度、弹性、塑性、韧性、抗氧化性、抗腐蚀能力、抗渗入性等性能。复杂性能是指工艺性、使用性能和简单性能的复合性能，其中包括：切削性、耐磨性和高温疲劳强度等。材料科学的研究任务是对材料的结构和性能进行分析，并研究结构和材料性能的关系，为材料性能的改进和新材料的开发提供指导，材料科学研究方法分为理论研究方法和实验研究。实验研究的手段包括材料性能测试和微观性能测试。材料性能测试设备包括材料的力学性能、光学性能等各种测试手段。材料的微观测试手段包括扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X-射线衍射仪，电子探针等，这些测量仪器单独使用或联合使用，可很好分析材料的结构，近年来，扫描隧道显微镜的应用促进了纳米材料的发展。材料的结构决定了材料的性能。例如，原子的结构结构决定原子间化学键的类型，从而对材料的性能如电导率、磁性、绝缘性能、介电常数、折光率产生重要的影响。金刚石和石墨，尽管由同样的碳原子组成，由于其原子在空间的排列不同，导致金刚石较石墨具有较小的导电性能和较高的硬度。在常温下，细晶结构较粗晶结构具有更好的力学性能。图01—07X-射线仪REB图01一08材料拉伸疲劳试验仪及其控制柜
简单性能包括物理性能、化学性能和力学性能。其中包括材料的导热率、吸声性能、折射率、 介电常数、磁导率、抗辐射性能、强度、弹性、塑性、韧性、抗氧化性、抗腐蚀能力、抗渗入 性等性能。复杂性能是指工艺性、使用性能和简单性能的复合性能，其中包括：切削性、耐磨 性和高温疲劳强度等。 材料科学的研究任务是对材料的结构和性能进行分析，并研究结构和材料性能的关系，为材 料性能的改进和新材料的开发提供指导，材料科学研究方法分为理论研究方法和实验研究。实 验研究的手段包括材料性能测试和微观性能测试。材料性能测试设备包括材料的力学性能、光 学性能等各种测试手段。材料的微观测试手段包括扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X-射线 衍射仪，电子探针等，这些测量仪器单独使用或联合使用，可很好分析材料的结构，近年来， 扫描隧道显微镜的应用促进了纳米材料的发展。材料的结构决定了材料的性能。例如，原子的 结构结构决定原子间化学键的类型，从而对材料的性能如电导率、磁性、绝缘性能、介电常数、 折光率产生重要的影响。金刚石和石墨，尽管由同样的碳原子组成，由于其原子在空间的排列 不同，导致金刚石较石墨具有较小的导电性能和较高的硬度。在常温下，细晶结构较粗晶结构 具有更好的力学性能。 图01－07 X-射线仪 图01－08 材料拉伸疲劳试验仪及其控制柜
图01-09单晶拉制图01-10扫描电镜图01-11电子探针图01-12透射电子显微镜
图01－09 单晶拉制 图01－10 扫描电镜 图01－11 电子探针 图01－12 透射电子显微镜
图01-13单晶硅材料
图01－13 单晶硅材料