第一節(jié)課一、姓名：趙國(guó)仙E–mail:zhaoguoxianxian@二、課程情況

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》是材料科學(xué)與工程專業(yè)一級(jí)學(xué)科公共主干專業(yè)基礎(chǔ)課。本課程將系統(tǒng)、全面地介紹材料基礎(chǔ)理論知識(shí)，諸如材料的結(jié)合鍵、材料的晶體結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)缺陷、材料的相結(jié)構(gòu)與相圖、材料的凝固、材料中的擴(kuò)散、材料的塑性變形與強(qiáng)化、材料的亞穩(wěn)態(tài)。本課程為后續(xù)課程，如材料加工成型、材料熱處理、材料性能、工程材料學(xué)、材料測(cè)試、材料的近代研究方法、計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用等提供理論基礎(chǔ)。1西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院第一節(jié)課1西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院三、專業(yè)課學(xué)習(xí)方法一、二年級(jí)：公共課和基礎(chǔ)課程，三年級(jí)：專業(yè)基礎(chǔ)課和部分專業(yè)課，四年級(jí)：專業(yè)課和畢業(yè)設(shè)計(jì)、做畢業(yè)論文。專業(yè)課授課特點(diǎn)：1）介紹思路多，詳細(xì)講解少。主要講授重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容，授課速度快。2）抽象理論多，直觀內(nèi)容少。3)參考書目多，課外習(xí)題少。4)講授比較少，不會(huì)照本宣科。西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院三、專業(yè)課學(xué)習(xí)方法西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)課的學(xué)習(xí)方法1）了解本專業(yè)方向所要求的專業(yè)課，包括每門專業(yè)課的修前預(yù)備課程，心中有數(shù)。2）學(xué)習(xí)目標(biāo)明確具體，不斷提高學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和學(xué)習(xí)興趣，主動(dòng)克服各種學(xué)習(xí)困難。3）課前預(yù)習(xí)：專業(yè)課課時(shí)安排少，信息量大。事先預(yù)習(xí)，以便抓住重點(diǎn)、難點(diǎn)。4）課堂聽講、提問：對(duì)課堂上不易懂的內(nèi)容應(yīng)及時(shí)提問。5）課后的作業(yè)、討論：對(duì)課堂教學(xué)的內(nèi)容，至少兩倍的時(shí)間消化吸收。6）利用互聯(lián)網(wǎng)，查閱相關(guān)專業(yè)資料。7）理論聯(lián)系實(shí)際。西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)課的學(xué)習(xí)方法西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院四、課程學(xué)習(xí)的意義

1、材料科學(xué)在人類歷史發(fā)展中的重要地位：材料是人類進(jìn)步的里程碑。歷史學(xué)家：制造工具的原材料作為社會(huì)發(fā)展的標(biāo)志。

石器時(shí)代：公元前100萬(wàn)年

青銅器時(shí)代：公元前3000年。商周時(shí)代，對(duì)青銅器的使用達(dá)到鼎盛

鐵器時(shí)代：公元前1000年

鋼時(shí)代：1800年

半導(dǎo)體時(shí)代：1950年

新材料時(shí)代：1990年:納米材料、復(fù)合材料、功能材料4西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院6個(gè)時(shí)代四、課程學(xué)習(xí)的意義4西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院623:335西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院20世紀(jì)70年代，人們把材料、信息和能源稱為當(dāng)代文明的三大支柱；20世紀(jì)80年代，又把材料、信息和生物并列為新技術(shù)革命的重要標(biāo)志；20世紀(jì)90年代以來(lái)，把材料、信息、能源和生物技術(shù)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的四大支柱產(chǎn)業(yè)。1986年，《科學(xué)的美國(guó)人》雜志指出“先進(jìn)材料對(duì)未來(lái)的宇航、電子設(shè)備、汽車以及其他工業(yè)的發(fā)展是必要的，材料科學(xué)的進(jìn)步?jīng)Q定了經(jīng)濟(jì)關(guān)鍵部門增長(zhǎng)速率的極限范圍。”1990年，美國(guó)總統(tǒng)的科學(xué)顧問Allany.Bromley明確指出“材料科學(xué)在美國(guó)是最重要的學(xué)科”。1991年，日本為未來(lái)工業(yè)規(guī)劃技術(shù)列舉的11項(xiàng)主要項(xiàng)目中有7項(xiàng)基于先進(jìn)材料基礎(chǔ)之上。

材料科學(xué)歷來(lái)是技術(shù)進(jìn)步的支柱！23:335西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院20世紀(jì)70年代，五、材料科學(xué)關(guān)心的核心問題

材料科學(xué)是以物理、化學(xué)等學(xué)科為基礎(chǔ)，涉及材料晶體結(jié)構(gòu)、材料熱力學(xué)、材料動(dòng)力學(xué)、材料性能等系統(tǒng)的材料科學(xué)知識(shí)。材料科學(xué)的核心問題是材料的成分（Composition）、組織結(jié)構(gòu)（Structure）和材料性能（Property）和使用性能（Performance）之間的關(guān)系。23:336西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院五、材料科學(xué)關(guān)心的核心問題23:336西安石油大學(xué)材料科學(xué)23:337西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院圖1材料科學(xué)與工程四要素23:337西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院圖1材料科學(xué)與材料科學(xué)與材料工程的關(guān)系科學(xué)是研究“為什么”的學(xué)問，而工程是解決“怎么做”的學(xué)問。

材料科學(xué)

：是一門科學(xué)，從事材料本質(zhì)的發(fā)現(xiàn)、分析和了解方面的研究，其目的在于提供材料結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一描繪或模型，以及解釋結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。

材料工程：是工程的一個(gè)領(lǐng)域，其目的在于經(jīng)濟(jì)地、而又為社會(huì)所能接受地控制材料的結(jié)構(gòu)、性能和形狀。材料科學(xué)與工程（MSE，MaterialScienceandEngineering）8西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與材料工程的關(guān)系8西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院六、材料的應(yīng)用a、飛機(jī)材料1903年美國(guó)萊特兄弟實(shí)現(xiàn)飛行夢(mèng)想：木材和帆布，時(shí)速16公里/小時(shí)波音737和空中客車A320能達(dá)到800

1000公里/小時(shí)，最先進(jìn)的飛機(jī)時(shí)速可達(dá)10000公里/小時(shí)。材料的比強(qiáng)度，即強(qiáng)度/比重之比是飛機(jī)速度的關(guān)鍵。若用高強(qiáng)度高分子纖維芳綸制成飛機(jī)，從紐約到東京只需要2小時(shí)。9西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院六、材料的應(yīng)用9西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院六、材料的應(yīng)用b、鈦合金鈦合金自行車。通常用于需要抗腐蝕、耐疲勞、高彈性的場(chǎng)合。鈦合金的人工關(guān)節(jié)、義眼和義齒等。鈦合金的鉆桿。10西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院六、材料的應(yīng)用10西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院11西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院11西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院12西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院12西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院c、9－11事件與世貿(mào)大廈的坍塌：2001年秋，美國(guó)東部時(shí)間9月11日(星期二)。8時(shí)50分，一架遭到劫持的波音767飛級(jí)撞向紐約市最高建筑物和紐約市象征的世界貿(mào)易中心，撞擊北塔后發(fā)生劇烈爆炸。距離北塔被撞爆炸僅僅18分鐘，另一架載有64人的飛機(jī)掠過北塔樓撞向南塔(樓)，引發(fā)連續(xù)爆炸，大樓方圓數(shù)公里灑滿玻璃碎片。到10時(shí)30分時(shí)，世貿(mào)中心雙塔曾經(jīng)聳立的地方已是一片廢墟。兩座塔樓相繼坍塌時(shí)，大樓金屬骨架歪曲和斷裂發(fā)出巨大聲響。距離世貿(mào)中心40公里外的氣象臺(tái)用地震儀記錄下了塔樓坍塌形成的地震波，相當(dāng)于里氏2.3級(jí)地震。13西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院c、9－11事件與世貿(mào)大廈的坍塌：13西安石油大學(xué)材料科學(xué)與世貿(mào)中心這樣的鋼鐵混凝土巨人為什么經(jīng)受不起一架飛機(jī)的襲擊?據(jù)世界最權(quán)威的科技雜志之一《科學(xué)》雜志報(bào)道：塔樓坍塌的原因：高溫下材料強(qiáng)度迅速降低的連鎖反應(yīng)。14西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院世貿(mào)中心這樣的鋼鐵混凝土巨人為什么經(jīng)受不起一架飛機(jī)的襲擊?1c、9－11事件與世貿(mào)大廈的坍塌：飛機(jī)上約有3萬(wàn)公升的油料爆炸后，在局部形成了1000℃以上的高溫，引燃了某些可燃的建筑材料及樓內(nèi)可燃物質(zhì)。幾乎任何材料一旦在較高溫度時(shí)其強(qiáng)度都會(huì)迅速降低。支撐塔樓的鋼梁鋼柱經(jīng)過600℃以上的持續(xù)烘烤，必然發(fā)生嚴(yán)重軟化，原有的強(qiáng)度幾乎喪失殆盡。暴露在高溫下的那層樓板率先脫落，壓在下一層樓板上，引起負(fù)重增加，再加上相繼帶來(lái)的持續(xù)高溫效應(yīng)，從而引起下一層樓板再脫落，如此引發(fā)連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致塔樓最終坍塌。15西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院c、9－11事件與世貿(mào)大廈的坍塌：15西安石油大學(xué)材料科學(xué)與原子結(jié)構(gòu)與鍵合-東華ppt課件七、本課程的主要內(nèi)容1.材料的微觀結(jié)構(gòu)：包括原子的排列方式、固體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷、固體中原子和分子的運(yùn)動(dòng)（擴(kuò)散）、材料的變形和回復(fù)再結(jié)晶。2.材料組織結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律：包括單元系的相變、二元合金系的相變規(guī)律、三元合金系的相變規(guī)律。17西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院七、本課程的主要內(nèi)容17西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院八、本課程的特點(diǎn)及學(xué)習(xí)方法1、本課程特點(diǎn)：概念術(shù)語(yǔ)多、需要記憶的知識(shí)多、涉及相關(guān)學(xué)科多2、學(xué)習(xí)方法：掌握基礎(chǔ)理論和基本概念，注意重點(diǎn)，做好筆記；掌握例題的解題方法，還要理論聯(lián)系實(shí)際；學(xué)以致用，善于歸納總結(jié)，通過綜合實(shí)驗(yàn)加以鞏固；獨(dú)立完成作業(yè)。九、課程安排課程性質(zhì)：必修課，專業(yè)基礎(chǔ)課總學(xué)時(shí)72學(xué)時(shí)，講授64學(xué)時(shí)?？荚嚽闆r：期末成績(jī)占70%，平時(shí)的出勤和作業(yè)占30%。18西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院八、本課程的特點(diǎn)及學(xué)習(xí)方法18西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院十、教材和參考書目1、教材：胡賡祥主編《材料科學(xué)基礎(chǔ)》；上海交通大學(xué)出版社，2010年5月第三版，2011年7月第17次印刷2、主要參考書目：謝希文等編．《材料科學(xué)基礎(chǔ)》．北京航空航天大學(xué)出版社．1999．張聯(lián)盟等編．《材料科學(xué)基礎(chǔ)》．武漢理工大學(xué)出版社．2004．崔忠圻編．《金屬學(xué)與熱處理》．機(jī)械工業(yè)出版社．1989．趙品主編《材料科學(xué)基礎(chǔ)教程》；哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2006年3、自學(xué)輔導(dǎo)參考網(wǎng)址：/netcourse/36/fms/（上海交大精品課程網(wǎng)）19西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院十、教材和參考書目19西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院20十一、材料界著名的院士

師昌緒

2004年6月4日，“第五屆光華工程科技獎(jiǎng)”在人民大會(huì)堂揭曉，我國(guó)著名材料科學(xué)專家、兩院院士師昌緒榮獲“光華工程科技獎(jiǎng)成就獎(jiǎng)”，獎(jiǎng)金高達(dá)100萬(wàn)元人民幣。

師昌緒是一位愛國(guó)科學(xué)家。建國(guó)初期排除萬(wàn)難回到祖國(guó)，是當(dāng)時(shí)美國(guó)國(guó)務(wù)院明令禁止回到“紅色中國(guó)”的35名中國(guó)學(xué)者之一。1980年當(dāng)選為中國(guó)科學(xué)院學(xué)部委員、中國(guó)工程院發(fā)起人及籌備組副組長(zhǎng)之一，1994年當(dāng)選為首批工程院院士并擔(dān)任副院長(zhǎng)，1995年當(dāng)選為第三世界科學(xué)院院長(zhǎng)，現(xiàn)為國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)研究員、特邀顧問，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所名譽(yù)所長(zhǎng)。中國(guó)高溫合金開拓者之一，發(fā)展了中國(guó)第一個(gè)鐵基高溫合金。

西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院20十一、材料界著名的院士

師昌緒

2004年6月4日21盧柯

2003年11月24日，中科院金屬研究所研究員、37歲的盧柯成為改革開放以后當(dāng)選的最年輕的中科院院士。而且，值得驕傲的是，納米專家盧柯是地地道道在中國(guó)打造出爐的。

盧柯說，自然界是公平的，它給每個(gè)人的時(shí)間是一樣的，做了這個(gè)，就不能做那個(gè)。有的人活得很輕松，一天的活兒用兩天的時(shí)間干，我則希望用半天的時(shí)間就能把一天的活兒干完。如果這樣算來(lái)，我干一天的活兒等于別人干兩天的活兒。我在金屬所干了18年，等于干了三四十年的活兒，那么，我37歲當(dāng)院士，這樣算起來(lái)也并不年輕。

西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院21盧柯

2003年11月24日，中科院金屬研究所研究22李鶴林

1961年畢業(yè)于西安交通大學(xué)。1997年當(dāng)選為中國(guó)工程院院士。

李鶴林院士是材料科學(xué)與工程專家。他長(zhǎng)期從事石油用鋼及石油管工程科技工作，是我國(guó)這一領(lǐng)域的開拓者之一。主持研制10余種新材料，使一批石油機(jī)械的性能躍居國(guó)際先進(jìn)水平。他提出并建立了“石油管工程”學(xué)科領(lǐng)域，開展了大量系統(tǒng)的、有創(chuàng)造性的研究。西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院22李鶴林

1961年畢業(yè)于西安交通大學(xué)。1923張立同

2005年3月27日，在北京人民大會(huì)堂，我國(guó)連續(xù)6年空缺的國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)?wù)Q生，由我國(guó)西北地區(qū)高校惟一的女院士、西北工業(yè)大學(xué)張立同教授率領(lǐng)的科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在“耐高溫長(zhǎng)壽命抗氧化陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)研究”領(lǐng)域的成果獲得。西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院23張立同

2005年3月27日，在北京人民大會(huì)堂，第一章原子結(jié)構(gòu)和鍵合1.1原子結(jié)構(gòu)1.1.1物質(zhì)的組成

一切物質(zhì)都是由無(wú)數(shù)微粒按一定的方式聚集而成的。這些微?？赡苁欠肿印⒃踊螂x子。第一章原子結(jié)構(gòu)和鍵合1.1原子結(jié)構(gòu)原子電子：核外高速旋轉(zhuǎn)，帶負(fù)電。按能量高低排列，電子的質(zhì)量約9.11×10-28g，僅為質(zhì)子的1/1836原子核:位于原子中心，帶正電質(zhì)子，正電荷，質(zhì)量1.672610-24g中子，電中性，質(zhì)量1.674810-24g分子：能單獨(dú)存在、且保持物理化學(xué)特性的一種微粒。體積很小、質(zhì)量變化大。分子由原子組成。原子是化學(xué)變化中最小的微粒。原子結(jié)構(gòu)直接影響原子間的結(jié)合方式。原子的體積很小，直徑約為10-10m數(shù)量級(jí)，而其原子核直徑更小，僅為10-15m數(shù)量級(jí)。原子電子：核外高速旋轉(zhuǎn)，帶負(fù)電。按能量高低排列，電子的質(zhì)量約1.1.3原子的電子結(jié)構(gòu)電子云：電子在原子核外高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，好像帶負(fù)電荷的云霧籠罩在原子核周圍。電子既具有粒子性又具有波動(dòng)性，即具有波粒二象性。電子運(yùn)動(dòng)無(wú)固定的軌道，可根據(jù)能量高低統(tǒng)計(jì)在核外空間區(qū)域出現(xiàn)的概率。描述原子中一個(gè)電子的空間位置和能量可用四個(gè)量子數(shù)表示。1.1.3原子的電子結(jié)構(gòu)1.主量子數(shù)n

決定原子中電子能量以及與核的平均距離，即電子所處的量子殼層。它的取值為1、2、3…n，n越大，電子離原子核的距離越遠(yuǎn)，電子的能量越高。當(dāng)n＝1、2、3、4、5、6、7時(shí)，分別用符號(hào)K、L、M、N、O、P、Q表示。1.主量子數(shù)n

2.軌道角動(dòng)量量子數(shù)li

電子在同一個(gè)量子殼層內(nèi)所處的能級(jí)（電子亞層），取值為0、1、2…、n-1。例如：n=2，兩個(gè)角動(dòng)量量子數(shù)l2=0、l2=1。即L殼層中，有兩個(gè)電子亞層。能量按照s、p、d、f、g的次序遞增。不同電子亞層的電子云形狀不同。碳、氮、氧原子的電子層排布2.軌道角動(dòng)量量子數(shù)li

電子在同一個(gè)量子殼層內(nèi)所處的能3.磁量子數(shù)mi每個(gè)軌道角動(dòng)量量子數(shù)的能級(jí)數(shù)和軌道數(shù)。每個(gè)li下的磁量子總數(shù)2li+1。磁量子數(shù)的取值為0、±1、±2、±3。li

=0時(shí)，m只能取0，s亞層只有1個(gè)軌道；li

=1時(shí)，m可取-1、0、+1，p亞層有3個(gè)軌道。s、p、d、f四個(gè)殼層分別有1、3、5、7個(gè)軌道。碳、氮、氧原子的電子層排布3.磁量子數(shù)mi碳、氮、氧原子的電子層排布4.自旋角量子數(shù)si

描述電子的自旋方向，它的取值為+1/2和-1/2，常用箭號(hào)↑和↓表示順時(shí)針和逆時(shí)針兩種自旋方向。碳、氮、氧原子的電子層排布4.自旋角量子數(shù)si

描述電子的自旋方向，它的取值為原子的核外電子排布:原子的核外電子排布遵守：能量最低原理、泡利不相容原理、洪德定則。1、能量最低原理：電子的排布總是盡可能使體系的能量最低。2.泡利不相容原理：在一個(gè)原子中，不可能有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同的兩個(gè)電子。由泡利不相容原理，可知一個(gè)原子軌道最多只能容納兩個(gè)電子，而且這兩個(gè)電子的自旋必須相反。碳、氮、氧原子的電子層排布原子的核外電子排布:碳、氮、氧原子的電子層排布3.洪德定則：在同一個(gè)亞層的各個(gè)能級(jí)中，電子的排布盡可能分占不同的能級(jí)。而且自旋方向相同。碳、氮、氧原子的電子層排布3.洪德定則：在同一個(gè)亞層的各個(gè)能級(jí)中，電子的排布盡可能分占元素：具有相同核電荷數(shù)（質(zhì)子所帶的正電荷數(shù)叫核電荷數(shù)）的同一類原子總稱，共116種元素的外層電子結(jié)構(gòu)隨著原子序數(shù)（核中帶正電荷的質(zhì)子數(shù)）的遞增而呈周期性的變化規(guī)律稱為元素周期律。7個(gè)橫行：周期，按原子序數(shù)遞增的順序從左至右排列。18個(gè)縱行：16族。最外層的電子數(shù)相同，按電子殼層數(shù)遞增的順序從上而下排列。元素周期表元素：具有相同核電荷數(shù)（質(zhì)子所帶的正電荷數(shù)叫核電荷數(shù)）的同一同周期的元素：左核電荷數(shù)增加，原子半徑減小電離能增強(qiáng)，失去電子能力降低右，金屬性降低，非金屬性增強(qiáng)同主族元素：上最外層電子數(shù)相同，電子層數(shù)增加，原子半徑增加電離能增強(qiáng)，失去電子能力增強(qiáng)下，金屬性增強(qiáng)，非金屬性降低同周期的元素：左核電荷數(shù)增加，原子半徑減小電離能增強(qiáng)，失去電1.2原子間的鍵合分為：物理鍵和化學(xué)鍵?；瘜W(xué)鍵包括：金屬鍵、離子鍵、共價(jià)鍵。物理鍵：范德瓦爾斯鍵。氫鍵：介于兩者之間。1.2.1金屬鍵金屬中的自由電子和金屬正離子相互作用所構(gòu)成鍵合稱為金屬鍵。金屬鍵的基本特點(diǎn)是電子的共有化。金屬鍵示意圖1.2原子間的鍵合金屬鍵示意圖金屬鍵示意圖金屬鍵既無(wú)飽和性又無(wú)方向性。當(dāng)金屬受力變形而改變?cè)又g的相互位置時(shí)，不至于使金屬鍵破壞，這就使金屬具有良好延展性，并且，由于自由電子的存在，金屬一般都具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。金屬鍵示意圖金屬鍵既無(wú)飽和性又無(wú)方向性。當(dāng)金屬受力1.2.2離子鍵金屬原子將自己最外層的價(jià)電子給了非金屬原子，使自己