材料概論材料科學(xué)概論雙語市公開課金獎(jiǎng)市賽課一等獎(jiǎng)?wù)n件

NovemberIntroductiontoMaterials材料學(xué)院《材料概論》IntroductiontoMaterials第1頁Content

－Definition 材料定義

－Types

材料類型 －Structure

材料結(jié)構(gòu) –Structure–properties–processing

結(jié)構(gòu)－性能－工藝之間關(guān)系Chapter1IntroductiontoMaterials第2頁1

MaterialsandMaterialScience材料發(fā)展史，就是人類社會(huì)發(fā)展史。石器時(shí)代陶器時(shí)代青銅器時(shí)代鐵器時(shí)代材料主要性第3頁無機(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)功效陶瓷各種基體復(fù)合材料功效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10001500180019001940196019801990纖維增強(qiáng)塑料稻草桿磚微合金鋼骨瓷材料發(fā)展歷史第4頁（１）石器時(shí)代：舊石器時(shí)代－－原始人采取天然石、木、竹、骨等材料作為狩獵工具；新石器時(shí)代－－公元前60，人類創(chuàng)造了火，掌握了鉆木取火技術(shù)，用以燒制陶瓷。瓷器出現(xiàn)已成為中華民族文化象征之一，對(duì)世界文化產(chǎn)生過深遠(yuǎn)影響。第5頁原始人打造石器印地安人用石斧第6頁第7頁（２）青銅器時(shí)代：這是人類社會(huì)出現(xiàn)最早金屬材料，中國歷史上曾有過燦爛青銅文化。第8頁青銅鼎青銅寶劍第9頁青銅編鐘(chimes)第10頁（3）鐵器時(shí)代：用鐵作為材料來制造農(nóng)具，鐵在農(nóng)業(yè)上廣泛應(yīng)用，推進(jìn)了以農(nóng)業(yè)為中心科學(xué)技術(shù)日益進(jìn)步；以鋼鐵為中心金屬材料大規(guī)模發(fā)展，有力地摧毀了封建社會(huì)生產(chǎn)方式，萌發(fā)了資本主義。hoe第11頁鐵斧鐵梨plow第12頁第13頁

（4）聚合物時(shí)代二戰(zhàn)后各國致力于恢復(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。含有優(yōu)良性能工程塑料部分地代替了金屬材料。合成高分子材料問世是材料發(fā)展重大突破，從此以金屬材料、陶瓷材料、高分子材料為主體，建立了完整材料體系，形成了材料科學(xué)。第14頁P(yáng)olymericBiomaterials人工心臟：聚酯、聚氨酯、環(huán)氧樹脂人工肺：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……第15頁AtrificalHeart聚醚型聚氨酯聚酯編織管環(huán)氧樹脂聚酯硅油第16頁ArtificalBoneResomer?ResorbablePolyester：Polylactide,Polyglycolideorthecopolymers—BoehringerIngelheimKG第17頁第18頁第19頁1

MaterialsandMaterialScience影響材料使用原因materialsbehavioravailabilitycostsynthesisandproductionmethodprocessingtechniquesenvironmentalacceptability第20頁

1.1.1Definition

Constitute: Thematerialsmakingupthesurroundingworldconsistofdiscreteparticles,havingasubmicroscopicsize.

組成:組成物質(zhì)世界材料由含有亞微觀尺度各種微粒子組成。

1

MaterialsandMaterialScience第21頁Materials:definedassolidsusedbymantoproduceitemswhichconstitutethesupportforhislivingenvironment.第22頁Character:materials

havecertaincompositions;canbeformed;withcertainshapeandcolor;canbeusedandreusedorrecycled.

特點(diǎn):含有一定成份和配比；可成型加工；保持一定形狀和外觀；含有使用價(jià)值并可回收再利用。第23頁可成型加工保持一定形狀和外觀含有使用價(jià)值第24頁Essentialroleofmaterials: indispensabletooursocietyas food,energyandinformation.substance~material:differences第25頁材料應(yīng)用領(lǐng)域戰(zhàn)機(jī)艦船導(dǎo)彈火箭人造衛(wèi)星戰(zhàn)車高速列車汽車高層建筑第26頁1.1.2Classification

Basisofclassification:

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第27頁第28頁

Classification:

metalsandtheiralloys: -metallicbonding第29頁

Classification:organicpolymers -covalentbonding&secondarybonding第30頁

Classification:ceramics -ionicbonding&covalentbonding第31頁Typesofmaterials第32頁

Metalsandtheiralloys:aregoodconductorsofheatandelectricity;areopaquetovisiblelight;arehard,rigid;canundergoplasticdeformationhaveahighmeltingtemperature(Tm).第33頁

Organicpolymers:madeupoflong-chainmolecules;areelectricalandthermalinsulators;arelightandeasilyformable;andthebest-knownorganicpolymersare:－poly(vinylchloride)(PVC);－polyethylene(PE);－polystyrene(PS).第34頁

Ceramics/inorganicnonmetallicmaterials:thecombinationofmetallicelements(Mg,Al,Ti,...)withnon-metallicelements(o);havehighmechanicalandthermalresistanceathightemperature;areveryhardandusedasabrasives;areelectricalandthermalinsulators;butsomearethermalconductors,or

semiconductors.第35頁Compositematerials:areconstitutedbytwoormoredifferentmaterials,havespecificproperties.glassfiberreinforcedresins:lightweightcompositeswithhighmechanicalstrengthconcrete:anagglomerationofcement,sandandgravel第36頁1.1.3Properties

Mechanicalproperties:thebehaviorofmaterialsdeformedbyasetofforces.彈性 Elasticity

塑性 Plasticity

強(qiáng)度 Strength

硬度 Hardness

韌性 Toughness疲勞特征Fatiguebehaviour耐磨性Abrasionresistance第37頁P(yáng)hysicalproperties:thebehaviorofmaterialssubjectedtotheactionoftemperature,electricormagneticfields,orlight.電性能

Electricproperties磁性能

Magneticproperties熱性能

Thermalproperties光性能

Opticalproperties第38頁Chemicalproperties:thebehaviorofmaterialinareactiveenvironment.抗腐蝕能力

Corrosionresistance： atmospherically,chemically(salts, sour,alkali)第39頁1.1.4UseofmaterialsFactorsrelatedtotheuseofamaterialare:

Quality:propertiesandfunctions

Economy:costsrelatedtomaterials,processingandenergy

Environment:environmentalbehaviorofthematerial

Resources&Recycling:resourcesandpossiblerecycling第40頁1.1.5MaterialsScienceMaterialsScience:toestablishtherelationbetweencomposition,atomicormolecularorganization,themicrostructureandthemacroscopicpropertiesofmaterials.

第41頁MaterialsScience

studies:

化學(xué)組成、化學(xué)鍵、合成方法:chemicalcomposition,chemicalbondsandsynthesis

methods

特征:

natureofmaterials

結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系:describetherelationshipbetweenstructureandpropertiesbasedoncrystalphysicsandsolidphysics第42頁材料科學(xué):

基于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，一方面，利用化學(xué)伎倆研究材料化學(xué)成分、化學(xué)鍵和合成方法；其次，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)和性能關(guān)系。第43頁Thefourbasicaspectsofmaterialsscienceandtechnology第44頁MaterialsEngineering:concernedwithmanufacturing,transformationandshapingprocesses.第45頁ResearchFields

研究領(lǐng)域MaterialsScienceScientificAspectsTechnicalAspectsSubstanceSynthesisPhenomenaDescriptionNature&PropertiesPreparation/FabricationPropertiesDeterminationsApplications第46頁Formsofsolids:crystalline&amorphous

1.3StructuralCharacteristicofMaterialsdifference:crystallinestateofsolidmorestablethanamorphousstate

第47頁1.3StructuralCharacteristicofMaterialsCrystalline:anorderedarrangementoftheelementaryparticles(ions,atomsormolecules).

晶體結(jié)構(gòu):晶體中原子（或離子）在空間規(guī)則排列方式。第48頁P(yáng)ropertiesofcrystalsDependon:theelectronicstructureofatomsthenatureoftheinteractionsinthecrystalthespatialarrangementofelementaryparticles,andthecomposition,sizeandshapeofcrystals.第49頁1.3.1CrystalLattice晶格Arrangementofelementaryparticlesinacrystal

(a):three-dimensionalview(b):scheme第50頁MorphologyofPbScrystalwithNaClstructure第51頁假設(shè):(1)elementaryparticles(ions,atomsormolecules)arespheres;(2)Inasimplermodel,spheresarereplacedbypoints晶格

(lattice)：假想格架

晶胞anelementarycell:thesmallestofparallelepipeds第52頁

晶體、晶格和晶胞示意圖

晶體(b)晶格

(c)晶胞

第53頁Anelementarycell:describedbythreesectionsa,b,andc,andthreeanglesmadebyeachtwoofthesesections,α,β,andγ.晶格常數(shù)latticeconstant/latticespacings:晶胞三條棱邊長a、b、c.第54頁

Typesofelementarycell:

simplethree-dimensionallattice

body-centredcell

facecentredcell第55頁

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原子數(shù)目。第56頁配位數(shù)：-body-centredcubic(BCC)lattice:foreachatomiseight(C8)-simplecubiclattice(SC):six(C6)-face-centredcubic(FCC)lattice:

12(C12)第57頁

金屬三種經(jīng)典晶格配位數(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第58頁P(yáng)ackingfactor(填充因子)：Thepackingfactorisdeterminedastheratioofthevolumeofallelementaryparticlesperelementarycelltothetotalvolumeoftheelementarycell.第59頁P(yáng)ackingfactor(填充因子)：Octahedral(a)andtetrahedral(b)voidsinFCClatticemetals第60頁P(yáng)ackingfactor(填充因子)：Closepackingofatomsincrystal第61頁ABAABCAATOMICPACKING第62頁P(yáng)ackingmode1(ABCABC…)第63頁P(yáng)ackingmode2(ABCABC…)第64頁P(yáng)ackingmode3(AaBbCcAaBbCc…)第65頁1.3.2CrystallographicIndicescoordinate:同等、并列（pl.）坐標(biāo)originofcoordinates坐標(biāo)原點(diǎn)Indices:index復(fù)數(shù)形式Reciprocal：互惠,對(duì)應(yīng),倒數(shù),彼此相反n.倒數(shù),相互起作用事物Parenthese:圓括號(hào),插入語,插曲slipplane:滑移面,滑動(dòng)面,滑面,側(cè)滑面Prism:棱柱Term:第66頁1.3.2CrystallographicIndicesHCPcrystalsABAcGraphite第67頁1.3.2CrystallographicIndicesCrystallographicindicesof(a):directions(b):planes第68頁Anisotropy:

Thepropertiesofcrystalsaredifferentinvariouscrystallographicdirections,whichareassociatedwithanorderedarrangementofatoms(ions,molecules)inspace.Thisphenomenoniscalledanisotropy.1.3.3Anisotropy第69頁Virtuallyallpropertieso