材料导论第一章绪论.ppt

材料科学导论 Introduction to Materials Science,Department of Environmental and Chemical Engineering, Nanchang Hangkong university,Fu maosheng,Good morning, every students. Firstly, let me introduce myself. My mobile telephone code is Secondly, let me introduce briefly its teaching development .This course have two features (aviation special feature & bilingual teaching).,This course adopts an English textbook with an original edition, namely, Fundamentals of materials science and engineering (Fifth Edition), which is authorized by William D.Callister, Jr. This English photocopy version is published by the chemical industry publisher. This course adopts a bilingual teaching with C type , namely, using a foreign language teaching textbook, English writing on the blackboard, but mainly Chinese teaching with help of multimedia method.,Whether your English is good or poor, if only you take account of studying this course seriously and can do homework independently, do not worry about not passing its examination, otherwise, you will suffer a unqualified defeat. In spite of my poor colloquial English and listening English, I will try my best to its bilingual teaching, and I believe that we will achieve success in bilingual teaching with help of your cooperation.,为适应经济全球化和科技国际化的挑战， 培养出既懂外语又懂专业知识的高级复合型经济建设人才，这是摆在当前我国高等学校面前的一个非常重要的课题。高校实施双语教学是培养新时代复合型人才的必然需求。 高校教师双语教学能力欠缺和大学生双语学习能力不强已成为我国高校双语教学面临的两大瓶颈，突破这两大瓶颈，是增强高校双语教学实效性的关键。,Textbook,William D. Callister , Jr. Fundamentals of materials science and engineering ,the fifth edition, New York: John wiley & sons, inc.,2001.,材料科学与工程基础 / 美凯里斯特著. 英文影印版. 北京：化学工业出版社，2002.12 -国外名校名著,教材特点： 教材内容和英文难易程度适中,关于课程,熟悉现有材料的类型与结构，从材料科学的角度认识材料，了解材料的一般行为、性能及其变化规律。,关于教学安排,课程安排 总学时：72学时 理论授课： 64课时 材料力学性能实验： 8课时,理论授课方式 英文板书 、中文讲授 （C类双语教学） 多媒体授课 辅助黑板板书,1. Introduction 2. Atomic Structure and Interatomic Bonding 3. Structures of Materials , Ceramics and polymers 4. Imperfections in Solids 5. Diffusion 6. Mechanical Properties 7. Deformation and Strengthening Mechanisms 8. Failure 9. Phase Diagrams 10. Phase Transformations 11. Types and Applications of Materials,贯穿本课程的主线,工艺,结构,性能,材料力学性能实验安排,授课人： 飞行器学院力学实验中心 地 点： G栋一楼 授课时间：教学系统查询,材料力学性能实验内容 （8学时）,1. 拉伸实验 2. 拉伸时金属材料弹性常数的测定 3. 压缩实验 4. 圆轴扭转实验 5. 圆轴扭转时材料弹性常数G的测定 6. 纯弯曲梁正应力测定 7. 梁弯曲变形与转角的测定,关于课程考核,成绩的评定 期末成绩 平时成绩 实验成绩 ,考试的方式 试卷采用英文命题（全英文） 开卷，只准带英文教科书； 或闭卷,References,.石德珂，材料科学基础（第2版），北京：机械出版社， 2003 .顾宜，材料科学与工程基础，北京：化学工业出版社，2004 .冯端等，材料科学导论，北京：化学工业出版社，2004 4. 郑子樵，材料科学基础，长沙：中南大学出版社，2005 5. 唐小真等，材料化学导论，北京：高等教育出版社，2003 6. 刘智恩，材料科学基础，西安：西北工业大学出版社， 2000 7.匡少平等，材料科学与工程专业英语，北京：化学工业出版社，2005,国家精品课程材料科学常用网站,材料科学与工程基础 (四川大学 顾宜) 1 材料科学基础 ( 西北工业大学 陈铮) /jp2004/07/index.htm 材料科学基础 （上海交通大学 蔡 珣） 36/fms/ 上海交大材料科学基础网络课程 /fms/WebCourse/,Chapter 1 / Introduction,绪论,Chapter 1 / Introduction 绪论,Learning objectives,Definition of the discipline of materials science and engineering Interrelationships between the four components of the discipline of materials science and engineering classification of materials and its distinctive features,本章基本要求,教学目的：使学生了解材料科学的重要地位，认识和理解材料的化学成分、组织结构、工艺与性能之间的关系。 主要内容：了解材料科学与材料科学工程的内涵和重要地位。理解材料性能与结构、工艺的关系。掌握材料的分类及其各自特性。 重点与难点： 重点：材料的分类及其各自特性。材料性能与结构、工艺的关系。 难点：材料性能与结构、工艺的关系的理解 教学方法与手段 授课方式：讲课、讲座、课堂讨论、自学 教学手段：多媒体授课 课时安排： 2,主要讲述内容,1.1、Historical perspective （材料发展简史） 1.2、Status and influence of materials （材料的地位与作用） 1.3、 Objectives of materials science and engineering （材料科学与工程研究内容） 1.4、 Classification of materials （材料的分类）,1.1 HISTORICAL PERSPECTIVE,Materials are probably more deep-seated in our culture than most of us realize. Transportation, housing, clothing, communication, recreation, and food productionvirtually every segment of our everyday lives is influenced to one degree or another by materials.,Historically, the development and advancement of societies have been intimately tied to the members ability to produce and manipulate materials to fill their needs.,人类发展的历史证明，材料是社会进步的物质基础 和先导，是人类进步的里程碑。可分为以下几个时代：,1.1 HISTORICAL PERSPECTIVE 材料发展简史,石器时代 Stone Age,高分子时代,陶器时代 Pottery Age,青铜时代 Bronze Age,铁器时代 Iron Age,陶瓷时代,复合材料时代,人类使用材料的七个时代的开始时间,材料是人类社会进步的里程碑,新材料时代,旧石器时代早在100万年以前，人类开始以石头做工具,1.1.1 stone age 石器时代,1.1.1 stone age 石器时代,新石器时代1万年前，人类对石头进行加工,孟津妯娌新石器时代聚落遗址,金坛三星村新石器时代遗址,1.1.2 pottery age陶器时代,新石器后期，人类发明了用粘土成型，再火烧固化而制成陶器，从而进入陶器时代 。 亚洲: （公元前8000年左右） 江西省万年县大源乡仙人洞 日本最早的绳纹陶； 欧洲：（公元前6000至5000年） 希腊半岛 美洲：公元前6000年前左右。,1.1.2 pottery age陶器时代,陶器时代是人类文明史上的重要飞跃，陶器的发明不仅成为这一阶段的最重要的物质文明的创造，同时也成为这一时期最重要的生产工具。,彩陶 釉陶,烧制陶器过程中还原出金属铜和锡，创造了炼铜技术，生产出各种青铜器物，进入了青铜时代。古希腊大约在公元前3000年以前，埃及是公元前2500年前，中国是夏代（公元前2000年左右），欧洲是公元前1800年前后进入青铜器时代。这是人类大量利用金属的开始，是人类文明发展的重要里程碑。,1.1.3 bronze age 青铜时代,人们开始使用铁来制造工具和武器的时代。 炼铜技术 冶炼铁的技术 世界上最早小亚细亚的赫梯人在公元前1400年左右 古希腊和古罗马开始普遍使用在公元前1000年 中国最早在春秋战国晋国（大致公元前700年） 铁器的广泛使用，使人类的工具制造进入了一个全新的领域，生产力得到极大的提高。,1.1.4 iron age 铁器时代,铁器的使用，导致了世界上一些民族从原始社会发展到奴隶社会，也推动了一些民族脱离了奴隶制的枷锁而进入了封建社会。,长沙战国凹形铁锄 湖北当阳宋代铁塔 沧州铁狮,1.1.4 iron age 铁器时代,高分子时代20世纪初，人工合成高分子材料,如 1909年的酚醛树脂，如今，世界年产量已超过钢 陶瓷时代20世纪50年代后，先进陶瓷，比重小、耐高温、耐磨等优点，很有发展前途。 复合材料时代 最具有发展前途的是复合材料，因为这类材料具有每种单质材料所不具备的性能。,1.1.5 new materials age新材料时代,材料是人类社会发展的基础和先导，是人类社会进步的里程碑和划时代的标志。材料和能源、信息被称为人类社会的“三大支柱”。,1.2、STATUS AND INFLUENCE OF MATERAIS,第一次工业革命（18世纪）：制钢工业的发展为蒸汽机的发明和应用奠定了物质基础。,第二次工业革命（20世纪中叶以来）：单晶硅材料对电子技术的发明和应用起了核心作用。,新材料技术是工业革命和产业发展的先导,现代先进材料的强度密度比已比原始材料提高了约50倍,比强度,19世纪内现代材料使发动机工作温度急剧上升，因而发动机的理论效率大大提高,1950,1960,1970,1980,1990,2000,2010,2020,900,1100,1500,1300,材料的表面温度(),1700,单晶合金,普通铸件,定向凝固超级合金,共晶合金,弥散强化超级合金,隔热涂层,陶瓷复合材料 碳-碳,叶片材料的发展历程,纤维增强超级合金,火箭壳体材料与导弹射程,探索智力,探索宇宙空间,探索物质结构,探索生命本质,探索海洋奥秘,环境科学技术,空间科学技术,新材料科 学技术,新能源与再生能源,信息科学技术,生物科学技术,海洋科学技术,人,新材料技术是高科技技术发展的基础,六大技术群体,高技术体系示意图,特点:1.特殊性（超强度、超塑性、超导性等） 2.制备和生产和新技术、新工艺紧密相关 3.更新换代快，式样多变 4.发展和理论的关系比传统材料更密切,新材料的特点、趋势,趋势： 1.从均质材料 复合材料 2.由结构材料 功能材料,多功能材料并重 3.材料结构的尺度向越来越小的方向发展 4.由被动性材料 具有主动性的智能材料 5.通过仿生途径来发展新材料,新材料技术出现群体性突破，将对21世纪基础科学和几乎所有工业领域产生革命性影响 纳米技术是前沿技术中最具前瞻性和带动性的重点领域之一 电子信息材料技术进展迅速，光电子材料、光子材料将成为发展最快和最有前途的电子信息材料。 新型功能材料及其应用技术面临新的突破（超导材料、智能材料、生物医用材料） 新型结构材料发展前景乐观（高温合金、难熔金属、金属间化合物、金属基复合材料、高分子材料、钛合金、镁合金）,航空材料的特点,1）种类、品种、规格多 航空材料按用途分有结构材料、功能材料及工艺与辅助材料三大类 按化学成分分有金属材料、有机高分子材料、无机非金属材料以及各种复合材料。,2）高的比强度（/）和高的比刚度（/）是航空结构材料的重要特点。减轻结构重量既可增加飞机、直升机的运载能力，提高机动性，加大航程，又可减少燃油消耗。因此，高强度铝合金、钛合金以及先进复合材料在航空上得到广泛的应用。,3）高温合金是航空材料极其重要的组成部分。燃气涡轮（包括涡轮喷气、涡轮风扇、涡轮螺旋桨、涡轮轴）发动机是现代飞机、直升机的主要动力装置，而各类高温合金则是制造现代航空燃气涡轮发动机的关键材料。随着发动机推重比（或功重比）的提高，涡轮前温度也随之升高，对材料的耐温要求也愈来愈高。,4）质量要求高。对使用可靠性、安全性有着极其严格的要求。 5）抗疲劳性能是航空材料的另一个突出特点。大量的事实说明，在飞机、发动机所发生的失效事件中，约80%以上是各种形式的疲劳损伤所引起。航空材料的抗疲劳性能是关系到航空产品使用可靠性和使用寿命的一项非常重要的性能指标。,（6）成本高、价格贵。由于航空产品品种多样而批量小，相应地航空材料的牌号品种也多，批量也小，难以形成规模化生产，同时质量要求又高，从而导致材料的成本高，价格贵。材料费用在航空产品成本中占有很大比重。如何降低其价格是航空材料发展的一个重要努力方向。,大名鼎鼎的美国武装攻击直升机阿帕奇其螺旋桨部位就采用了新式的智能记忆合金，其PZT驱动/感知元件对 飞机的机动性能有 很大的提升！,“永不忘本”的形状记忆合金,Ti50Ni,T=60,1.3 Objectives of materials science and engineering,1.3.1 Definition of materials science and engineering 1.3.2 Concepts of structure and property 1.3.3 Concepts of processing and performance 1.3.4 Four components relationships of materials science and engineering,The discipline of materials science involves investigating the relationships that exist between the structures and properties of materials.,1） Materials science（材料科学）,1.3.1 Definition of materials science and engineering,材料科学的由来,60年代初由美国学者提出。以前分属冶金、陶瓷、有机化学等各专业，但均以物理、化学为基础，如冶金方面的提取是以化学为主，但金属结构、性能及使用方面的研究以物理为主；有机合成材料、陶瓷材料的制备以化学为主，但物性和力学性质则偏重物理。,金属材料金相学金属学 无机材料无机化学陶瓷学 高分子材料高分子化学高分子物理 对材料本身的研究大大加强，从而对材料制备、结构和性能，以及它们之间的相互关系的研究也愈来愈深入，为材料科学的形成打下了比较坚实的基础。, 找出共性：材料中的界面与表面、晶体结构与微观缺陷、材料中的扩散与相变等；, “材料研究中心”的成立；“材料科学”名词的产生；“材料科学系”的建立,材料科学内涵,以固体物理、合成化学、化学热力学与动力学等为理论基础，结合冶金、机械、陶瓷等学科，从理论上研究金属、无机非金属和有机高分子等材料的成分、结构、 加工工艺同材料性能及材料应用之间的相互关系，是一门覆盖广而辐射面宽的多学科交叉的新兴学科。,2）Materials engineering (材料工程）,In contrast , materials engineering is ,on basis of these structure property correlations, designing or engineering the structure of a material to produce a predetermined set of properties. 材料工程属技术的范畴，目的在于采用经济的、而又能为社会所接受的生产工艺、加工工艺控制材料的结构、性能和形状以达到使用要求。,材料科学与工程是研究有关材料的成份、结构和制造工艺与其性能和使用性能间相互关系的知识及这些知识的应用，是一门应用基础科学。 材料的成份、结构，制造工艺，性能及使用性能被认为是材料科学与工程的四个基本要素。,3） 材料科学与工程 (materials science and engineering),the structure of a material usually relates to the arrangement of its internal components such as electron, atom, molecules. The notion of structure usually includes microscopic structure and macroscopic structure.,1.3.2 Concepts of structure and property,Property is a material trait that in terms of the kind and magnitude of response to a specific imposed stimulus. Generally, definitions of properties are made independent of material shape and size.,Types of properties,Virtually all important properties of solid materials may be grouped into six different categories: mechanical, electrical, thermal, magnetic, optical, and deteriorative.,材料性质：是功能特性和效用的描述符，是材料 对电.磁.光.热.机械载荷的反应。,材料性质描述,力学性质,物理性质,化学性质,材料的物理性质,磁学性质,光学性质,电学性质,热学性质,注：上面只列出了材料的主要物理性质,物理性质的交互性-材料应用的关键点,现代功能材料不仅仅表现出单一的物理性质，更重要的是具备了特殊的物理交互性。例如：,电学-机械 电致伸缩 机械-电学 压电特性 磁学-机械 磁致伸缩 电学-磁学 巨磁阻效应 电学-光学 电致发光 -,With regard to the relationships of these four components, the structure of a material will depend on how it is processed. Furthermore, a materials performance will be a function of its properties.,1.3.3 Performance 使用性能,使用性能：是指材料在最终使用状态（产品、元 件）下表现出的行为。在某种环境或条件作用下，为描述材料的行为或结果，按照特定的规范所获得的表征参量。,可靠性、耐用度、寿命、性能价格比、安全性，及材料固化为产品后，表征产品优良程度的各种性能指标，如飞行速度.使用温度等。,性质与使用性能的区别与关系,环境,性质,规范,使用 性能,所以，性能是包括材料在内的整个系统特征的体现；性质则是材料本身特征的体现。,需要注意的一点,在材料科学研究及工程化应用中，材料人员应具备这样一种能力： 能针对不同的使用环境，提取出关键的材料性质并选择优良性能的材料。,Four components of the discipline of materials science and engineering: composition-structure(组成与结构) synthesis-processing(合成与制备) properties(固有性能或性质) performance(使用性能),1.3.4 Four basic essentials interrelationships,Linear interrelationship of four components,Performance,Properties,Synthesis and Processing,Compositions and Structures,Tetrahedron (pyramid),材料科学研究核心中的中心问题,微观,宏观,结构-性能-工艺,材料的性能,材料科学研究的核心,控制材料结构和性能的必要手段,结构,工艺,结构-性能-工艺,工艺,结构,性能,1.4 Classification of Materials,材料是人类用以制成用于生活和生产的物品、器件、构件、机器和其它产品的那些物质。材料是物质，但不是所有的物质都可以成为材料。如燃料和化学原料、工业化学品、食品和药物，一般都不称作材料。,Definition of materials,目前世界上传统材料已有十万种，而新材料品种正以每年大约5%的速度在增长。 从1950年到现在，已知的化合物已从200万种增至1000万种，而且还在以每年25万种速度递增，其中相当一部分有发展成为新材料的潜力。,Circular utilization and recycle of materials,材 料 的 分 类,材料尺寸：一维、二维、三维 材料内部原子排布：晶态与非晶态 材料热力学状态：稳态与亚稳态,按材料的特性和用途来分, 结构材料 以力学性能为基础，用以制造以受力为主的构件。 功能材料 具有能适应外界条件而改变自身性能并具有独特的物理性能、化学性能等的材料，如磁性材料、发光材料、记忆材料、光导材料、超导材料等。,金属 （metals) 陶瓷 (ceramics) 聚合物 (polymers) 复合材料(composites),按材料组成分 (大多教材),When a scheme is based primarily on chemical makeup and atomic structure , solid material has been conveniently grouped into three basic classifications: metals, ceramics, polymers. (in the textbook),Classification of materials,METALS,Metallic materials are normally combinations of metallic elements. They have large numbers of nonlocalized electrons; that is, these electrons are not bound to particular atoms. Many properties of metals are directly attributable to these electrons. Metals are extremely good conductors of electricity and heat and are not transparent to visible light; a polished metal surface has a lustrous appearance. Furthermore, metals are quite strong, yet deformable, which accounts for their extensive use in structural applications.,CERAMICS,Ceramics are compounds between metallic and nonmetallic elements; they are most frequently oxides, nitrides, and carbides. The wide range of materials that falls within this classification includes ceramics that are composed of clay minerals, cement, and glass. These materials are typically insulative to the passage of electricity and heat, and are more resistant to high temperatures and harsh environments than metals and polymers. With regard to mechanical behavior, ceramics are hard but very brittle.,陶瓷(ceramics) (注意：pottery 陶器） 包括：砖及耐火材料、玻璃、各种绝缘材料和磨料。 共性：强度、硬而脆性、耐高温、耐腐蚀,POLYMERS,Polymers include the familiar plastic and rubber materials. Many of them are organic compounds that are chemically based on carbon, hydrogen, and other nonmetallic elements; furthermore, they have very large molecular structures. These materials typically have low densities and may be extremely flexible.,包括：橡胶、塑料、合成纤维、胶粘剂、 涂料。 共性：电绝缘性、强度、刚度、塑性（热塑性、热固性）、耐腐蚀性。,聚合物 又称高分子材料,COMPOSITES,A number of composite materials have been engineered that consist of more than one material type. Fiberglass is a familiar example, in which glass fibers are embedded with in a polymeric material. A composite is d