试谈材料相关概论

Chapter1IntroductiontoMaterials

－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－工艺之间的关系第一页，共九十四页。1ClassificationofMaterials

Basisofclassification:

atomicstructuresnatureofchemicalbonds:

金属键

Metallicbond

离子键

Ionicbond

共价键

Covalentbond

范德华健

VanderWaalsbond

氢键

Hydrogenbond第二页，共九十四页。2

Classification（按物理化学属性）

Metallicmaterials金属材料

Inorganic-nonmetallicmaterials

无机非金属材料

Polymericmaterials

有机高分子材料

Compositematerials 复合材料第三页，共九十四页。3Properties

Mechanicalproperties:thebehaviorofmaterialsdeformedbyasetofforces.

Physicalproperties:thebehaviorofmaterialssubjectedtotheactionoftemperature,electricormagneticfields,orlight.

Chemicalproperties:thebehaviorofmaterialinareactiveenvironment.第四页，共九十四页。4Thefourbasicaspectsofmaterialsscienceandtechnology第五页，共九十四页。5TypesofMaterials

MetalCharacteristics/propertiesisstrong;canbereadilyformedintopracticalIt’sductilityisanimportantassetinpermittingsmallamountsofyieldingtosuddenandsevereloads.第六页，共九十四页。6

Types

Ferrousmetals:

pigiron,carbonsteel,pureiron

Non-ferrousmetals:

heavy,light,valuedandraremetals

Specialmetals:

non-crystalline,shapememoryalloy第七页，共九十四页。7CeramicsCharacteristics/properties:brittleRecentdevelopmentintechnologyStructuralfeature:crystalline:theconstituentatomsarestackedtogetherinaregular,repeatingpattern.noncrystalline:theatomsarestackedinirregular,randompatterns.glass:noncrystallinesolids第八页，共九十四页。8PolymersComposition:hydrogenandcarbon,oxygenPropertiesLightweightlow-costlowstrengthlowmeltingpoint,andhigherchemicalreactivity第九页，共九十四页。9

StructuralCharacteristicofMaterials

Formsofsolids:crystalline&amorphous

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。第十页，共九十四页。103.1PropertiesofcrystalsDependon:theelectronicstructureofatomsthenatureoftheinteractionsinthecrystalthespatialarrangementofelementaryparticles,andthecomposition,sizeandshapeofcrystals.第十一页，共九十四页。11Anisotropy各向异性:

Thepropertiesofcrystalsaredifferentinvariouscrystallographicdirections,whichareassociatedwithanorderedarrangementofatoms(ions,molecules)inspace.Thisphenomenoniscalledanisotropy.第十二页，共九十四页。123.2CrystalLattice晶格Arrangementofelementaryparticlesinacrystal

(a):three-dimensionalview(b):scheme第十三页，共九十四页。13

Typesofelementarycell:simplethree-dimensionallattice

简单立方格子

body-centredcell

体心立方格子

facecentredcell

面心立方格子第十四页，共九十四页。14Typesofelementarycellincrystallattices(a):simple(b):body-centredcell(c):facecentredcell第十五页，共九十四页。15

Structure-Property-ProcessingRelationship

4.1Properties

力学性能

Mechanicalproperty

强度

Strength在外力作用下材料抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。单位MPa。第十六页，共九十四页。16抗压强度

Compressivestrength-材料破坏之前所能够承受的最大压应力PP第十七页，共九十四页。17抗拉强度

Tensilestrength-材料破坏之前所能够承受的最大拉应力PP第十八页，共九十四页。18

弹性模量

Modulusofelasticity

硬度Hardness材料抵抗硬物压入其表面的能力，即抵抗局部塑性变形的能力。韧性Toughness材料抵抗裂纹萌生与扩展的能力。疲劳特性Fatiguebehaviour第十九页，共九十四页。19

物理和化学性能

Physicochemicalproperty

电性能

Electricproperties-导电性

Electricconductivity以材料的电阻率或电导率评价。-介电性Dielectricproperties

能把带电体分开并能长期经受强电

场作用的绝缘材料叫介电材料或电介质。第二十页，共九十四页。20压电性

Piezoelectricity介电材料在应力作用下发生尺寸变化时因极化而产生电场或电压，这种现象称为压电性。铁电性Ferroelectricity有些离子晶体没有外电场作用也能表现出很强的电偶极矩，这种能自发极化的现象叫铁电效应。第二十一页，共九十四页。21

磁性能Magneticproperties抗磁性物质Antimagnetic

减弱磁场顺磁性物质Paramagnetic

使磁场略有增加铁磁性物质Ferromagnetic

使磁场强裂增加第二十二页，共九十四页。22

热性能Thermalproperties

吸热：热容；传热：热导率；

膨胀：热膨胀系数

光学性能Opticalproperties吸收、透射、反射第二十三页，共九十四页。234.2StructureStructurallevels:Macrostructure:visiblewitheyesoropticalmicroscope;Meso-structure:OpticalorSEM,ranging10-7~10-4m;Microstructure:Arrangementsofatomsandmolecules.第二十四页，共九十四页。244.3ProcessingFormetalsCasting铸造:bypouringliquidmetalintoamoldWelding焊接/brazing铜焊/soldering锡焊/adhesivebonding:joiningindividualpiecesofmetal第二十五页，共九十四页。25Forging锻造/drawing拉拔/extrusion挤压/rolling碾压/bending弯曲:formingthesolidmetalintousefulshapesusinghighpressuresPowdermetallurgy:compactingtinymetalpowderparticlesintoasolidmassMachining:removingexcessmaterials第二十六页，共九十四页。26Forceramicscasting,forming,extrusion,compactionheattreatmentathightemperatures–todriveoffthefluidsandtobondtheindividualconstituentstogether.Forpolymers

byinjectionofsoftenedplasticintomolds,drawingandforming.第二十七页，共九十四页。274.4Structure-property-processinginteraction

Processing:affectingstructure&propertiesProcessing:determinedbystructure&properties第二十八页，共九十四页。28Summary:

DefinitionofmaterialsClassificationofmaterialsChacteristicsofeachtypeofmaterialsChemicalbondsStructurefeatureofcrystalPrpertiesofmaterialsProblems:

Page36第二十九页，共九十四页。29Chapter3CeramicMaterials第三十页，共九十四页。30陶瓷材料的概念与分类

Conceptandclassification陶瓷材料的制作工艺

Manufactureprocessingtechnologies陶瓷材料的性能及应用

Propertiesandapplication第三十一页，共九十四页。311陶瓷的概念和分类ConceptandClassifications

1.1概念Concept3.1Introduction第三十二页，共九十四页。321陶瓷的概念和分类ConceptandClassifications

1.1概念Concept陶瓷Ceramic:

烧过的粘土。是陶器

(pottery)和瓷器(porcelain)的总称。3.1Introduction第三十三页，共九十四页。331陶瓷的概念和分类ConceptandClassifications

1.1概念Concept陶瓷Ceramic:

烧过的粘土。是陶器

(pottery)和瓷器(porcelain)的总称。3.1Introduction第三十四页，共九十四页。34

Ceramiccompounds:canbedefinedasinorganiccompoundsmadebyheatingclayorothermineralmattertoahightemperatureatwhichtheypartiallymeltandbondtogether.

定义:陶瓷指经过高温处理所合成的无机非金属材料

(Inorganic&nonmetallicmaterials),简称无机材料。第三十五页，共九十四页。35陶瓷材料的特性:离子键或共价键

ionorcovalentbond强度高,硬度大,脆性

highstrength,rigid,brittle耐热,电绝缘性能好

highthermalresistance,electricalinsulator(athightemperature,ionbondmaterialsareconductive)多晶polycrystalline

compounds第三十六页，共九十四页。36

UsuallycompoundbetweenmetallicandnonmetallicelementsAlwayscomposedofmorethanoneelement

Bondsarepartiallyortotallyionic,andcanhavecombinationofionicandcovalentbondsMajorityhasionic(insaltcompounds)or

metallicandnonmetallicelements(asinoxidesAl2O3,MgO,SiO2)第三十七页，共九十四页。37主要组分：硅酸盐化合物在美国，陶瓷泛指硅酸盐材料，又称为传统陶瓷或普通陶瓷。包括日用陶瓷、工业用陶瓷、一般玻璃、水泥、耐火材料等。

先进无机材料(advancedinorganicmaterials):用氧化物、氮化物、硅化物、碳化物以至各种无机非金属化合物经过

特殊的先进工艺制成的材料。

第三十八页，共九十四页。38Ceramicstraditionalceramics:derivedandprocessedfromclayornonclaymineralsincludingrefractories（耐火材料),whitewares,cement(水泥),porcelain(瓷器),andstructuralclayceramics.advancedceramics:highpurity,bettermechanical,electrical,magnetic,andopticalproperties

1.2分类Classification第三十九页，共九十四页。391.2.1传统陶瓷Traditionalceramics：又称普通陶瓷，主要是指以天然无机物如粘土等为主要原料、经高温

处理得到的制品，主要用于制造日用器皿、生活洁具等生活用具。第四十页，共九十四页。401.2.1传统陶瓷

Traditionalceramics：又称普通陶瓷，主要是指以天然无机物如粘土等为主要原料、经高温

处理得到的制品，主要用于制造日用器皿、生活洁具等生活用具。瓷器

Porcelain;

Chinaware：细密的陶瓷器皿，质硬、半透明、白色、发声清脆以及无孔，以长石

(Feldspar)、石英（Quartz）和高岭石

（Kaolin）为基本原料经一次烧成。第四十一页，共九十四页。41第四十二页，共九十四页。42TraditionalCeramics第四十三页，共九十四页。43艺术陶瓷第四十四页，共九十四页。44内墙砖第四十五页，共九十四页。45卫生洁具--洗面器第四十六页，共九十四页。461.2.2先进陶瓷

Advancedceramics：又称为精细陶瓷、新型陶瓷、高技术陶瓷、特种陶瓷等。是指以精制的高纯天然无机物或人工合成无机化合物为原料，采用精密控制的制造加工工艺烧结，得到的具有独特性能的高功能陶瓷。第四十七页，共九十四页。47先进陶瓷，从原料、显微结构中所体现的晶粒、晶界、气孔、缺陷等在尺度上都是处在微米级的水平，因此可以称之为微米级先进陶瓷。

第四十八页，共九十四页。48先进陶瓷，从原料、显微结构中所体现的晶粒、晶界、气孔、缺陷等在尺度上都是处在微米级的水平，因此可以称之为微米级先进陶瓷。Advancedceramic，thescaleoftherawmaterialsandmicrostructures,includingthecrystalgrains,crystalinterface,poresanddefectsisatthelevelofmicron.Wealsocallitmicron-levelceramic.第四十九页，共九十四页。49AdvancedCeramicsCuttingtools

Zirconiatoughenedalumina氧化锆增强氧化铝第五十页，共九十四页。50红色陶瓷系列黑色陶瓷系列黄色陶瓷系列第五十一页，共九十四页。51打火机陶瓷系列第五十二页，共九十四页。52密封环陶瓷系列第五十三页，共九十四页。53点火头系列第五十四页，共九十四页。541.2.3先进陶瓷的分类

组成composition：氧化物

oxide

、氮化物

nitride、硅化物

silicide、碳化物

carbide陶瓷

性能properties&applications：结构陶瓷

structural

ceramics、功能陶瓷

functionalceramics第五十五页，共九十四页。55结构陶瓷:以力学机械性能为主。

功能陶瓷:利用材料的电、磁、光、

声、热等性能及其耦合效应，如

铁电、压电陶瓷、敏感陶瓷、快离子导体陶瓷等。以及主要从电性能上考虑有绝缘陶瓷、介电陶瓷、半导体陶瓷、导体陶瓷以至高临界温度的超导陶瓷。第五十六页，共九十四页。56第五十七页，共九十四页。57第五十八页，共九十四页。581.3陶瓷的发展第五十九页，共九十四页。59陶器瓷器（传统陶瓷）高铝质粘土和瓷土的应用釉的发明原料纯化陶瓷工艺的发展陶瓷理论的发展

先进陶瓷（微米级）纳米陶瓷高温技术的发展

显微结构分析的进步性能研究的深入无损评估的成就相邻学科的推动图1陶瓷发展的阶段1.3陶瓷的发展第六十页，共九十四页。601.4ApplicationsThermalBarrierCoatings:Lowthermalconductivityreducesmetaltemperatures第六十一页，共九十四页。61Electronics

Packaging:Ceramics:providehightemperatureperformanceandthermalexpansioncoefficientmatchtoSiliconHighthermalconductivitydesired(e.g.AlN)第六十二页，共九十四页。62CeramicArmour装甲Absorptionofprojectileenergy吸收子弹发射的能量第六十三页，共九十四页。63hydboneHumanbone第六十四页，共九十四页。64Jet-Engineturborotor关节第六十五页，共九十四页。651.4陶瓷的发展趋向

纳米陶瓷nano-ceramic特性：

（1）原材料粉末

rawmaterialspowder

颗粒为纳米级

nano-levelgrains；

（2）微观结构

microstructures,晶粒grains,晶界interfaces，气孔pores以及晶体缺陷defects同样在纳米级nano-level。第六十六页，共九十四页。66多相复合陶瓷Multi-phasecombinationceramics

纤维或晶须补强陶瓷：以陶瓷为基体，以各种组分的纤维或晶须作为补强剂所组成的多相复合结构的复合材料。第六十七页，共九十四页。67纤维或晶须补强陶瓷第六十八页，共九十四页。68

颗粒弥散型复合陶瓷：在陶瓷基体中加入弥散的不同化学组成的第二相颗粒（产生弥散强化）所组成的复相陶瓷。第六十九页，共九十四页。69

颗粒弥散型复合陶瓷：在陶瓷基体中加入弥散的不同化学组成的第二相颗粒（产生弥散强化）所组成的复相陶瓷。颗粒弥散型复合陶瓷第七十页，共九十四页。70

两种晶型复合的复相陶瓷：同一化学组成的物质经适当的工艺控制，得到不同晶型和不同的颗粒形貌的复相陶瓷，达到自补强的目的。第七十一页，共九十四页。71

两种晶型复合的复相陶瓷：同一化学组成的物质经适当的工艺控制，得到不同晶型和不同的颗粒形貌的复相陶瓷，达到自补强的目的。

有机和无机复合的复相陶瓷：介于有机与无机材料之间，不需要高温处理而获得的一种新型材料。第七十二页，共九十四页。72

两种晶型复合的复相陶瓷：同一化学组成的物质经适当的工艺控制，得到不同晶型和不同的颗粒形貌的复相陶瓷，达到自补强的目的。

有机和无机复合的复相陶瓷：介于有机与无机材料之间，不需要高温处理而获得的一种新型材料。

金属陶瓷：金属与陶瓷复合的复相陶瓷。第七十三页，共九十四页。733.2NatureofCeramics

CrystallinesolidscomposedofmetallicandnonmetallicmaterialsCeramicsarecrystalstructuresmadeofmetallicionsInorganicmaterialsBondingiseitherpartiallyorcompletelyionic.

Variablesinvolvedarethemagnitudeoftheelectricalchargeontheions;therelativesizeoftheions第七十四页，共九十四页。74Ceramicsareinexpensivecomparedwithcompetingmaterials.Consistingofsilicon,aluminum,andoxygen:themostabundantelementsintheearth’scrustceramicscanbeproducedatlesscostthanthatofcompetingmetal-alloycomponents.PropertiesofCeramics第七十五页，共九十四页。75Whatsetsceramicsapartistheirsetofpropertiescommontonearlyallforms:extremehardness,heatresistance,corrosionresistance,lowelectricalandthermalconductivity,andlowductility,orbrittleness.第七十六页，共九十四页。76Applicationsforadvancedceramics:useaspartsinafutureceramicheatenginegoodcandidatesforwear-resistanceapplicationsElectricalpropertiesplaceceramicsingreatdemandassolidelectrolytesinexperimentalbatteriesandfuelcells.第七十七页，共九十四页。77Otherusesinclude:automotivesensorspackagingforintegratedcircuitselectronic/opticaldevicesfiberopticsmicrochips,andmagneticheads.第七十八页，共九十四页。78Inthemarriageofthecomputerandcommunicationstechnologies,ceramicsplayamajorrole.ReplacementsforhumanboneChemicalinertnessofceramicsisfindingmanyapplicationsinthemedicalfieldCeramicsplayabigroleinthemachine-toolindustry.Theirthermalandmechanicalstabilityallowsthemtoretaintheirsmooth,accuratecuttingsurfaceslongerthanmetalsdo.第七十九页，共九十四页。79Coatedcuttingtoolsandinserts,somewithasmanyas12extremelythincoatings,eachdesignedtoserveaspecialfunction,canrunproductivelyatfastercuttingspeedsandatfasterfeedratesthancananymetal-alloytoolinthemachiningofhardsteels,superalloys,andceramics.第八十页，共九十四页。80Corrosionresistance,chemicalinertness,thermalshockresistance,andotherpropertiesthatmaterialsscientistsandengineerscandesignintoceramicmaterialsmakebothtraditionalandadvancedceramicshighlyattractiveinalargenumberofapplications.第八十一页，共九十四页。81材料科学家和工程师们能够将耐腐蚀性、化学惰性、抗热震性设计到陶瓷材料中，使传统陶瓷和先进陶瓷在广泛的应用中都具有很强的吸引力。第八十二页，共九十四页。823.2.1

PorosityandDensityMassdensity,whichusesthemassofamaterialdividedbyitsvolumereferstothistheoreticaldensityAtomicweightisamajorfactorindeterminingthedensityofamaterialClose-packedmetalsaremoredensethanopen-structuredmaterials.第八十三页，共九十四页。83

Theoptimumdensityofsphericalparticlescanbereachedbyvaryingthesizedistributionofparticlestopermitsmallerparticles(50nmorless)tolocateintheinterstices(空隙）ofthelargerones.Onedisadvantagewiththisprocedureisthatthelargerparticlestendtogrowexcessivelyduringhigh-temperaturesintering,whichtakesplacelaterintheprocess.

第八十四页，共九十四页。84Defectsinceramicscandevelopduetointernalstresses（内应力）

andporosityThermalstressesduetoan-isotropicthermalexpansiontendtocrackweakgrainboundaries96%densealuminaBrittleFractureofCeramics第八十五页，共九十四页。85PoresinpartiallysinteredAlumina第八十六页，共九十四页。86Ceramicsare,bynature,generallyporousmaterialswithvaryingdegreesofporosity.bulkdensityisusedinthisinstancetorefertoaceramic’sdensity,anditincludesthematerial’sporosityandthefactthatmostceramicscontainbothacrystallineandanoncrystallinephase.第八十七页，共九十四页。87

Greendensityisthebulkdensityofacompactpriortoitsdensification.Inpreparingparticlesfortheproductionofpowderedmetalsorceramics,thepackingofsphericalshaped,monosized(0.1m)particles,evenwhenvibrated振动tosettletheparticles,doesnotachieveadensitylevelmuchhigherthan60%.Despitetappingorvibrating,theseparticlesdonotrearrangethemselvescomp