1材料概论 材料科学概论课件 双语

November2011 IntroductiontoMaterials 材料学院 材料概论 IntroductiontoMaterials Content Definition材料的定义 Types材料的类型 Structure材料的结构 Structure properties processing结构 性能 工艺之间的关系 Chapter1IntroductiontoMaterials 1MaterialsandMaterialScience 材料的发展史 就是人类社会的发展史 石器时代 陶器时代 青铜器时代 铁器时代 材料的重要性 无机非金属材料 复合材料 高分子材料 金属材料 木材皮革纤维 纸 青铜 铁 钢 金 皮胶 橡胶 赛璐珞 陶 玻璃 水泥 火石 合金钢 耐热合金 先进功能陶瓷 各种基体复合材料 功能高分子 高温高分子 高强高模高分子 通用高分子 韧性工程陶瓷 金属陶瓷 耐火材料 时间 年 相对占有量 玻璃态金属 5000公元前 0公元 1000 1500 1800 1900 1940 1960 1980 1990 2000 2010 纤维增强塑料 稻草杆砖 微合金钢 骨 瓷 材料的发展历史 石器时代 旧石器时代 原始人采用天然的石 木 竹 骨等材料作为狩猎工具 新石器时代 公元前6000年 人类发明了火 掌握了钻木取火技术 用以烧制陶瓷 瓷器的出现已成为中华民族文化的象征之一 对世界文化产生过深远的影响 原始人打造的石器 印地安人用的石斧 青铜器时代 这是人类社会出现最早的金属材料 中国历史上曾有过灿烂的青铜文化 青铜鼎 青铜宝剑 青铜编钟 chimes 3 铁器时代 用铁作为材料来制造农具 铁在农业上的广泛应用 推动了以农业为中心的科学技术日益进步 以钢铁为中心的金属材料大规模发展 有力地摧毁了封建社会的生产方式 萌发了资本主义 hoe 铁斧 铁梨plow 4 聚合物时代二战后各国致力于恢复经济 发展工农业生产 对材料提出了质量轻 强度高 价格低等一系列要求 具有优良性能的工程塑料部分地代替了金属材料 合成高分子材料的问世是材料发展的重大突破 从此以金属材料 陶瓷材料 高分子材料为主体 建立了完整的材料体系 形成了材料科学 PolymericBiomaterials 人工心脏 聚酯 聚氨酯 环氧树脂人工肺 硅橡胶半透膜关节 肩 髋 膝 聚四氟乙烯人工肾 kidney 透析膜 AtrificalHeart ArtificalBone Resomer ResorbablePolyester Polylactide Polyglycolideorthecopolymers BoehringerIngelheimKG 1MaterialsandMaterialScience 影响材料使用的因素 materialsbehavior availability cost synthesisandproductionmethod processingtechniques environmentalacceptability 1 1 1DefinitionConstitute Thematerialsmakingupthesurroundingworldconsistofdiscreteparticles havingasubmicroscopicsize 组成 构成物质世界的材料由具有亚微观尺度的各种微粒子组成 1MaterialsandMaterialScience Materials definedassolidsusedbymantoproduceitemswhichconstitutethesupportforhislivingenvironment Character materialshavecertaincompositions canbeformed withcertainshapeandcolor canbeusedandreusedorrecycled 特点 具有一定的成分和配比 可成型加工 保持一定形状和外观 具有使用价值并可回收再利用 可成型加工 保持一定形状和外观 具有使用价值 Essentialroleofmaterials indispensabletooursocietyasfood energyandinformation substance material differences 材料的应用领域 战机 舰船 导弹 火箭 人造卫星 战车 高速列车 汽车 高层建筑 1 1 2ClassificationBasisofclassification atomicstructuresnatureofchemicalbonds 金属键Metallicbond离子键Ionicbond共价键Covalentbond次价键secondarybond范德华力VanderWaalsbond氢键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 弹性Elasticity塑性Plasticity强度Strength硬度Hardness韧性Toughness疲劳特性Fatiguebehaviour耐磨性Abrasionresistance Physicalproperties thebehaviorofmaterialssubjectedtotheactionoftemperature electricormagneticfields orlight 电性能Electricproperties磁性能Magneticproperties热性能Thermalproperties光性能Opticalproperties Chemicalproperties thebehaviorofmaterialinareactiveenvironment 抗腐蚀能力Corrosionresistance atmospherically chemically salts sour alkali 1 1 4UseofmaterialsFactorsrelatedtotheuseofamaterialare Quality propertiesandfunctionsEconomy costsrelatedtomaterials processingandenergyEnvironment environmentalbehaviorofthematerialResources Recycling resourcesandpossiblerecycling 1 1 5MaterialsScienceMaterialsScience toestablishtherelationbetweencomposition atomicormolecularorganization themicrostructureandthemacroscopicpropertiesofmaterials MaterialsSciencestudies 化学组成 化学键 合成方法 chemicalcomposition chemicalbondsandsynthesismethods特性 natureofmaterials结构与性能的关系 describetherelationshipbetweenstructureandpropertiesbasedoncrystalphysicsandsolidphysics 材料科学 基于现代科学技术 一方面 利用化学手段研究材料的化学成分 化学键和合成方法 另一方面 借助物理学方法 研究材料性质 主要根据晶体物理和固体物理描述材料结构和性能的关系 Thefourbasicaspectsofmaterialsscienceandtechnology MaterialsEngineering concernedwithmanufacturing transformationandshapingprocesses ResearchFields研究领域 MaterialsScience ScientificAspects TechnicalAspects SubstanceSynthesis PhenomenaDescription Nature Properties Preparation Fabrication PropertiesDeterminations Applications Formsofsolids crystalline amorphous 1 3StructuralCharacteristicofMaterials difference crystallinestateofsolidmorestablethanamorphousstate 1 3StructuralCharacteristicofMaterials Crystalline anorderedarrangementoftheelementaryparticles ions atomsormolecules 晶体结构 晶体中原子 或离子 在空间规则排列的方式 PropertiesofcrystalsDependon theelectronicstructureofatomsthenatureoftheinteractionsinthecrystalthespatialarrangementofelementaryparticles andthecomposition sizeandshapeofcrystals 1 3 1CrystalLattice晶格 Arrangementofelementaryparticlesinacrystal a three dimensionalview b scheme MorphologyofPbScrystalwithNaClstructure 假设 1 elementaryparticles ions atomsormolecules arespheres 2 Inasimplermodel spheresarereplacedbypoints晶格 lattice 假想的格架晶胞anelementarycell thesmallestofparallelepipeds 晶体 晶格和晶胞示意图 晶体 b 晶格 c 晶胞 Anelementarycell describedbythreesectionsa b andc andthreeanglesmadebyeachtwoofthesesections and 晶格常数latticeconstant latticespacings 晶胞的三条棱边长a b c Typesofelementarycell simplethree dimensionallatticebody centredcellfacecentredcell Coordinationnumber determinesthequantityofthenearestequidistantelementaryparticles 配位数 晶格中与任一原子处于相等距离并相距最近的原子数目 配位数 body centredcubic BCC lattice foreachatomiseight C8 simplecubiclattice SC six C6 face centredcubic FCC lattice 12 C12 金属三种典型晶格配位数示意图 体心立方晶胞配位数8 面心立方晶胞配位数12 密排六方晶胞配位数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 坐标originofcoordinates坐标原点Indices index的复数形式Reciprocal 互惠的 相应的 倒数的 彼此相反的n 倒数 互相起作用的事物Parenthese 圆括号 插入语 插曲slipplane 滑移面 滑动面 滑面 侧滑面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