1材料概論 材料科學(xué)概論課件 雙語(yǔ)

November2011 IntroductiontoMaterials 材料學(xué)院 材料概論 IntroductiontoMaterials Content Definition材料的定義 Types材料的類(lèi)型 Structure材料的結(jié)構(gòu) Structure properties processing結(jié)構(gòu) 性能 工藝之間的關(guān)系 Chapter1IntroductiontoMaterials 1MaterialsandMaterialScience 材料的發(fā)展史 就是人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展史 石器時(shí)代 陶器時(shí)代 青銅器時(shí)代 鐵器時(shí)代 材料的重要性 無(wú)機(jī)非金屬材料 復(fù)合材料 高分子材料 金屬材料 木材皮革纖維 紙 青銅 鐵 鋼 金 皮膠 橡膠 賽璐珞 陶 玻璃 水泥 火石 合金鋼 耐熱合金 先進(jìn)功能陶瓷 各種基體復(fù)合材料 功能高分子 高溫高分子 高強(qiáng)高模高分子 通用高分子 韌性工程陶瓷 金屬陶瓷 耐火材料 時(shí)間 年 相對(duì)占有量 玻璃態(tài)金屬 5000公元前 0公元 1000 1500 1800 1900 1940 1960 1980 1990 2000 2010 纖維增強(qiáng)塑料 稻草桿磚 微合金鋼 骨 瓷 材料的發(fā)展歷史 石器時(shí)代 舊石器時(shí)代 原始人采用天然的石 木 竹 骨等材料作為狩獵工具 新石器時(shí)代 公元前6000年 人類(lèi)發(fā)明了火 掌握了鉆木取火技術(shù) 用以燒制陶瓷 瓷器的出現(xiàn)已成為中華民族文化的象征之一 對(duì)世界文化產(chǎn)生過(guò)深遠(yuǎn)的影響 原始人打造的石器 印地安人用的石斧 青銅器時(shí)代 這是人類(lèi)社會(huì)出現(xiàn)最早的金屬材料 中國(guó)歷史上曾有過(guò)燦爛的青銅文化 青銅鼎 青銅寶劍 青銅編鐘 chimes 3 鐵器時(shí)代 用鐵作為材料來(lái)制造農(nóng)具 鐵在農(nóng)業(yè)上的廣泛應(yīng)用 推動(dòng)了以農(nóng)業(yè)為中心的科學(xué)技術(shù)日益進(jìn)步 以鋼鐵為中心的金屬材料大規(guī)模發(fā)展 有力地摧毀了封建社會(huì)的生產(chǎn)方式 萌發(fā)了資本主義 hoe 鐵斧 鐵梨plow 4 聚合物時(shí)代二戰(zhàn)后各國(guó)致力于恢復(fù)經(jīng)濟(jì) 發(fā)展工農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 對(duì)材料提出了質(zhì)量輕 強(qiáng)度高 價(jià)格低等一系列要求 具有優(yōu)良性能的工程塑料部分地代替了金屬材料 合成高分子材料的問(wèn)世是材料發(fā)展的重大突破 從此以金屬材料 陶瓷材料 高分子材料為主體 建立了完整的材料體系 形成了材料科學(xué) PolymericBiomaterials 人工心臟 聚酯 聚氨酯 環(huán)氧樹(shù)脂人工肺 硅橡膠半透膜關(guān)節(jié) 肩 髖 膝 聚四氟乙烯人工腎 kidney 透析膜 AtrificalHeart ArtificalBone Resomer ResorbablePolyester Polylactide Polyglycolideorthecopolymers BoehringerIngelheimKG 1MaterialsandMaterialScience 影響材料使用的因素 materialsbehavior availability cost synthesisandproductionmethod processingtechniques environmentalacceptability 1 1 1DefinitionConstitute Thematerialsmakingupthesurroundingworldconsistofdiscreteparticles havingasubmicroscopicsize 組成 構(gòu)成物質(zhì)世界的材料由具有亞微觀尺度的各種微粒子組成 1MaterialsandMaterialScience Materials definedassolidsusedbymantoproduceitemswhichconstitutethesupportforhislivingenvironment Character materialshavecertaincompositions canbeformed withcertainshapeandcolor canbeusedandreusedorrecycled 特點(diǎn) 具有一定的成分和配比 可成型加工 保持一定形狀和外觀 具有使用價(jià)值并可回收再利用 可成型加工 保持一定形狀和外觀 具有使用價(jià)值 Essentialroleofmaterials indispensabletooursocietyasfood energyandinformation substance material differences 材料的應(yīng)用領(lǐng)域 戰(zhàn)機(jī) 艦船 導(dǎo)彈 火箭 人造衛(wèi)星 戰(zhàn)車(chē) 高速列車(chē) 汽車(chē) 高層建筑 1 1 2ClassificationBasisofclassification atomicstructuresnatureofchemicalbonds 金屬鍵Metallicbond離子鍵Ionicbond共價(jià)鍵Covalentbond次價(jià)鍵secondarybond范德華力VanderWaalsbond氫鍵Hydrogenbond Classification metalsandtheiralloys metallicbonding Classification organicpolymers covalentbonding secondarybonding Classification ceramics ionicbonding covalentbonding Typesofmaterials Metalsandtheiralloys aregoodconductorsofheatandelectricity areopaquetovisiblelight arehard rigid canundergoplasticdeformationhaveahighmeltingtemperature Tm Organicpolymers madeupoflong chainmolecules areelectricalandthermalinsulators arelightandeasilyformable andthebest knownorganicpolymersare poly vinylchloride PVC polyethylene PE polystyrene PS Ceramics inorganicnonmetallicmaterials thecombinationofmetallicelements Mg Al Ti withnon metallicelements o havehighmechanicalandthermalresistanceathightemperature areveryhardandusedasabrasives areelectricalandthermalinsulators butsomearethermalconductors orsemiconductors Compositematerials areconstitutedbytwoormoredifferentmaterials havespecificproperties glassfiberreinforcedresins lightweightcompositeswithhighmechanicalstrengthconcrete anagglomerationofcement sandandgravel 1 1 3PropertiesMechanicalproperties thebehaviorofmaterialsdeformedbyasetofforces 彈性Elasticity塑性Plasticity強(qiáng)度Strength硬度Hardness韌性Toughness疲勞特性Fatiguebehaviour耐磨性Abrasionresistance Physicalproperties thebehaviorofmaterialssubjectedtotheactionoftemperature electricormagneticfields orlight 電性能Electricproperties磁性能Magneticproperties熱性能Thermalproperties光性能Opticalproperties Chemicalproperties thebehaviorofmaterialinareactiveenvironment 抗腐蝕能力Corrosionresistance atmospherically chemically salts sour alkali 1 1 4UseofmaterialsFactorsrelatedtotheuseofamaterialare Quality propertiesandfunctionsEconomy costsrelatedtomaterials processingandenergyEnvironment environmentalbehaviorofthematerialResources Recycling resourcesandpossiblerecycling 1 1 5MaterialsScienceMaterialsScience toestablishtherelationbetweencomposition atomicormolecularorganization themicrostructureandthemacroscopicpropertiesofmaterials MaterialsSciencestudies 化學(xué)組成 化學(xué)鍵 合成方法 chemicalcomposition chemicalbondsandsynthesismethods特性 natureofmaterials結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系 describetherelationshipbetweenstructureandpropertiesbasedoncrystalphysicsandsolidphysics 材料科學(xué) 基于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù) 一方面 利用化學(xué)手段研究材料的化學(xué)成分 化學(xué)鍵和合成方法 另一方面 借助物理學(xué)方法 研究材料性質(zhì) 主要根據(jù)晶體物理和固體物理描述材料結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系 Thefourbasicaspectsofmaterialsscienceandtechnology MaterialsEngineering concernedwithmanufacturing transformationandshapingprocesses ResearchFields研究領(lǐng)域 MaterialsScience ScientificAspects TechnicalAspects SubstanceSynthesis PhenomenaDescription Nature Properties Preparation Fabrication PropertiesDeterminations Applications Formsofsolids crystalline amorphous 1 3StructuralCharacteristicofMaterials difference crystallinestateofsolidmorestablethanamorphousstate 1 3StructuralCharacteristicofMaterials Crystalline anorderedarrangementoftheelementaryparticles ions atomsormolecules 晶體結(jié)構(gòu) 晶體中原子 或離子 在空間規(guī)則排列的方式 PropertiesofcrystalsDependon theelectronicstructureofatomsthenatureoftheinteractionsinthecrystalthespatialarrangementofelementaryparticles andthecomposition sizeandshapeofcrystals 1 3 1CrystalLattice晶格 Arrangementofelementaryparticlesinacrystal a three dimensionalview b scheme MorphologyofPbScrystalwithNaClstructure 假設(shè) 1 elementaryparticles ions atomsormolecules arespheres 2 Inasimplermodel spheresarereplacedbypoints晶格 lattice 假想的格架晶胞anelementarycell thesmallestofparallelepipeds 晶體 晶格和晶胞示意圖 晶體 b 晶格 c 晶胞 Anelementarycell describedbythreesectionsa b andc andthreeanglesmadebyeachtwoofthesesections and 晶格常數(shù)latticeconstant latticespacings 晶胞的三條棱邊長(zhǎng)a b c Typesofelementarycell simplethree dimensionallatticebody centredcellfacecentredcell Coordinationnumber determinesthequantityofthenearestequidistantelementaryparticles 配位數(shù) 晶格中與任一原子處于相等距離并相距最近的原子數(shù)目 配位數(shù) body centredcubic BCC lattice foreachatomiseight C8 simplecubiclattice SC six C6 face centredcubic FCC lattice 12 C12 金屬三種典型晶格配位數(shù)示意圖 體心立方晶胞配位數(shù)8 面心立方晶胞配位數(shù)12 密排六方晶胞配位數(shù)12 Packingfactor 填充因子 Thepackingfactorisdeterminedastheratioofthevolumeofallelementaryparticlesperelementarycelltothetotalvolumeoftheelementarycell Packingfactor 填充因子 Octahedral a andtetrahedral b voidsinFCClatticemetals Packingfactor 填充因子 Closepackingofatomsincrystal ABA ABCA ATOMICPACKING Packingmode1 ABCABC Packingmode2 ABCABC Packingmode3 AaBbCcAaBbCc 1 3 2CrystallographicIndices coordinate 同等的 并列的 pl 坐標(biāo)originofcoordinates坐標(biāo)原點(diǎn)Indices index的復(fù)數(shù)形式Reciprocal 互惠的 相應(yīng)的 倒數(shù)的 彼此相反的n 倒數(shù) 互相起作用的事物Parenthese 圓括號(hào) 插入語(yǔ) 插曲slipplane 滑移面 滑動(dòng)面 滑面 側(cè)滑面Prism 棱柱 Term 1 3 2CrystallographicIndices HCPcrystals 1 3 2CrystallographicIndices Crystallographicindicesof a directions b planes Anisotropy Thepropertiesofcrystalsaredifferentinvariouscrystallographicdirections whichareassociatedwithanorderedarrangementofatoms ions molecules inspace Thisphenomenoniscalledanisotropy 1 3 3Anisotropy Virtuallyallpropertiesofcrystalsareanisotropic Thephenomenonishowevermorepronouncedincrystalswithstr