《材料概論第》課件

Introduction

toMaterials1IntroductionDJTU

Materials

Science

&Engineering2023/9/282目的、內(nèi)容：Course

Objective...Introduce

fundamental

conceptsin

Materials

Science

&.

EngineeringYou

will

learn

about: material

structurehow

structure

dictates

propertieshow

processing

can

change

structureThis

course

will

help

you

to:general

understanding

of

materials

properlyDJTU

Materials

Science

&Engineering課程背景（課改）參照國外材料學(xué)科教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，專業(yè)課前移；部分采用國外課件，了解國外教學(xué)內(nèi)容、方法；部分課件采用英文表述方法，便于將來學(xué)術(shù)交流；根據(jù)情況，對部分教材內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整；預(yù)先建立完整材料學(xué)概念，提高后續(xù)基礎(chǔ)與專業(yè)課主動(dòng)性、目的性。2023/9/283Required

textbook:材料概論，徐曉虹主編，高等教育出版社，普通高等教育“十五”國家級(jí)規(guī)劃教材，2006。References:1）Materials

Science

and

Engineering:

An

IntroductionW.D.

Callister,

Jr.,

7th

edition,

John

Wiley

and

Sons,Inc.

(2007).2

）

Essentials

of

Mterials

Science

and

Engineering，(材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)），4th

edition,

Donald

R.

Ashkeland,

Pradeep

P.

Phule,清華大學(xué)出版社，2005。COURSE

MATERIALS2023/9/28412平時(shí)成績

20%，筆記、聽課紀(jì)律；考核成績80%（課程結(jié)束時(shí)）；3考勤，不定期點(diǎn)名。成績考核：DJTU

Materials

Science

&Engineering2023/10/15ContactE-mails:Si

Wei:

siwei@

GaoHong:taoci@本次課主要內(nèi)容:DJTU

Materials

Science

&Engineering2023/10/16材料科學(xué)與工程概況材料科學(xué)與工程的內(nèi)容材料的定義與分類材料的鍵合與性能材料的應(yīng)用2023/10/171.1

材料科學(xué)與工程的發(fā)展史10,000

BCDJTU

Materials

Science

&Engineering2023/10/185,000

BC1,000

BCCeramics芳綸纖維DJTU

Materials

Science

&Engineering2023/10/19Firestone

燧石2,500,000-5,000BCFirst

melting

fresco壁畫InEgypt3,500BCBronze

Age2,000BCFirst

Casting

of

Cu4,000BCNatural

Au

&.

Cu5,500BCPottery

陶器10,000BCDJTU

Materials

Science

&Engineering2023/10/110Bessemer,

Steel1855ADEarliest

iron-product1,000BC-1450ADElectrochemical,

Al1886ADNylon,integrate

circuit，High

T

Superconductor,1939AD1987AD1958

ADDJTU

Materials

Science

&Engineering2023/10/1112023/10/112Array

of

micro-lasers5x5

microns顯微激光陣列Hip

Implant人工骨X-33

plane

prototype美國空天飛機(jī)原型機(jī)nanometers

Si

wiresemit

visible

light可發(fā)射可見光的納米硅線DJTU

Materials

Science

&Engineering2023/10/1131986年《科學(xué)的美國人》雜志指出“材料科學(xué)的進(jìn)步?jīng)Q定了經(jīng)濟(jì)關(guān)鍵部門增長速率的極限范圍?！?990 年美國總統(tǒng)的科學(xué)顧問

Allany.

Bromley 明確指出材料科學(xué)在美國是最重要的學(xué)科”。1991年日本為未來工業(yè)規(guī)劃技術(shù)列舉的11項(xiàng)主要項(xiàng)目中有

7項(xiàng)是基于先進(jìn)材料基礎(chǔ)之上。材料科學(xué)歷來是技術(shù)進(jìn)步的支柱和物質(zhì)基礎(chǔ)！DJTU

Materials

Science

&Engineering2023/10/1142.09Oxygen46.60

%Silicon27.70Aluminum8.13Iron5.00Calcium3.63MagnesiumTitanium0.440.14ELEMENTS

IN

EARTH’S

CRUSTHydrogenDJTU

Materials

Science

&EngineeringProduction

of

Materials

(tons)--101

million4,573

million943

million1121

million44.2

millionBauxiteCoalIron

oreCementDiamondcarats200毫克World

Production

of

MaterialsDJTU

Materials

Science

&Engineering2023/10/1151,200.0

million18.0

million8.8

million7.03.5SteelAluminumCopperZincmillionLeadmillionNickelMgTin839

thousand350

thousand210

thousandMolybdenumTitanium121

thousand95

thousandW43thousandUranium39thousandSilver14thousandGold1.9thousandPlatinum270

tonWORLDPRODUCTIONOFMETALS(TONS)DJTU

Materials

Science

&Engineering2023/10/1162023/10/117材料的發(fā)展DJTU

Materials

Science

&Engineering“自然界為勞動(dòng)提供材料，勞動(dòng)把材料變?yōu)樨?cái)富”——馬克思自然材料

(木頭、骨頭、石頭等)燒制材料

(陶器、青銅、鋼等)合成材料

(聚合物、纖維、半導(dǎo) 體、納米粉等)智能材料

(傳感器、自診斷、自 還原、自調(diào)節(jié)材料、Intelligentmaterial，Smartmaterial

)超彈性形狀記憶合金太空天線2023/10/1181.2 什么是材料科學(xué)與工程（MSE）?材料科學(xué)材料工程DJTU

Materials

Science

&EngineeringCompositionStructureProcessingPerformance19The

properties

of

materials

are

decided

by: the

nature

of

their

chemicalbonds;their

atomic

ordering;their

microstructures.The

use

of

materials

depends

on:their

availability;their

cost;the

methods

of

synthesis

andproduction.2023/b10e/1shaped;The

use

of

materials

is

influenced

by: processing

techniques;theDJTfU

aMcatierliailts

yScietnhcea&t

the

materials

toEngineering2023/10/120材料科學(xué) （科學(xué)）：主要研究、認(rèn)識(shí)、開發(fā)材料組成、加工、結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。DJTU

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Science

&Engineering材料工程（技術(shù)）：將材料轉(zhuǎn)化成實(shí)用、有效的制品或構(gòu)件，解決材料應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)技術(shù)可行性；2023/10/121學(xué)科、專業(yè)設(shè)置一級(jí)學(xué)科、材料科學(xué)與工程（學(xué)院、系）二級(jí)學(xué)科1）材料物理與化學(xué)：由分子、原子、電子層次研究材料 組成、性能，環(huán)境行為，表征（微觀）;2）材料學(xué)：合成、研制、開發(fā)出可應(yīng)用的新材料（宏觀）；金屬、無機(jī)非金屬、高分子材料、復(fù)合材料3）材料加工：將材料轉(zhuǎn)換成可應(yīng)用的形狀和制品：鑄造、鍛壓、焊接、粉末冶金、熱處理。材料科學(xué)與工程人類從微觀與宏觀上對研制、生產(chǎn)、使用材料的總結(jié)2023/10/122加入環(huán)境要素：強(qiáng)調(diào)循環(huán)利用；降低環(huán)境影響；實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。促進(jìn)了材料與環(huán)境 關(guān)系研究。五要素間，交互影 響，相輔相成。材料科學(xué)與工程的五要素新說成分、結(jié)構(gòu)性價(jià)比、應(yīng)用合成、加工性能環(huán)境生態(tài)DJTU

Materials

Science

&Engineering2023/10/1231.3

Levels

of

Material

Structure

10-19m~0.1nm10-9m10-6m0.1

-100

nm 0.1

-100

μmDJTU

Materials

Science

&Engineering10-3m>0.1

mmSub-atomicStructureCrystal

StructureMacro-StructureMicro-Structure2023/10/124Subatomic

levelElectronicstructureofindividualatomsthatdefinesinteractionamongatoms(interatomicbonding).Atomic

levelArrangementofatomsinmaterialsforthesameatomscanhavedifferentproperties,carbon:graphiteanddiamond.e.g.twoformsofMicroscopic

structureArrangementofsmallgrainsofmaterialthatcanbeidentifiedbymicroscopy.Macroscopic

structureStructuralelementsthatmaybeviewedwiththenakedeye.結(jié)構(gòu)尺度與分析方法DJTU

Materials

Science

&Engineering2023/10/125millimeter=

10-3

=

1mmDJTU

Materials

Science

&Engineering2023/10/1262023/10/127DJTU

Materials

Science

&Engineering1.4

性能與結(jié)構(gòu)化學(xué)鍵與

Tm的關(guān)系Bond

length,

rBond

energy,

EoMelting

Temperature,Tm

Energy

(r)Tm

islargerifEo

islarger.rEo

=

“bondenergy”Energy

(r)ro

unstretched

length

rrorsmaller

Tmlarger

TmEnergy

(r)DJTU

Materials

Science

&Engineering2023/10/128

Length,

LoLunheated,T1heated,

T

2Coeff.thermalexpansionrorlargersmallerEnergy(r)islargerifEo

issmallerCoefficientofthermalexpansion,～summitryatro化學(xué)鍵與 的關(guān)系DJTU

Materials

Science

&Engineering2023/10/129DJTU

Materials

Science

&Engineering2023/10/130CarbonDJTU

Materials

Science

&Engineering2023/10/1311.5

材料的定義DJTU

Materials

Science

&Engineering2023/10/132材料：一般是指具一定組分、結(jié)構(gòu)和性能,經(jīng)某種加工、開采、運(yùn)輸, 適于一定用途的固態(tài)物質(zhì)。通常燃料、化學(xué)原料、化學(xué)中間品、食物和藥物等氣體、液體和易燃固體等, 都不算是材料。按原子結(jié)構(gòu)及價(jià)鍵，可分為：金屬及其合金（金屬鍵）有機(jī)聚合物（共價(jià)鍵及二次鍵合）陶瓷（離子鍵或共價(jià)鍵）1.6

材料的分類DJTU

Materials

Science

&Engineering2023/10/1332023/10/134DJTU

Materials

Science

&Engineering1）總體分類：金屬、陶瓷、有機(jī)聚合物及其復(fù)合材料2023/10/135DJTU

Materials

Science

&Engineering

2）按使用性能分類

結(jié)構(gòu)材料——力學(xué)性能主要是利用它的力學(xué)性能，用于需承受一定載荷的設(shè)備、零部件、建筑結(jié)構(gòu)等。功能材料——物理性能主要利用其特殊物理性能（如電、熱、磁、光、聲等），用于制造各種電子器件、光敏元件絕緣材料等結(jié)構(gòu)功能一體化材料——綜合性能考慮力學(xué)性能和物理性能統(tǒng)一，目前研究熱點(diǎn)之一，復(fù)合結(jié)構(gòu)/隱身材料、輕質(zhì)復(fù)合防彈材料、高阻尼泡沫金屬材料等。2023/10/136DJTU

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&Engineering材料功能分類敏感材料光學(xué)材料磁性材料能源環(huán)境材料電子材料生物材料結(jié)構(gòu)材料航空航天材料3）按應(yīng)用領(lǐng)域分類4）按材料內(nèi)部原子排列情況分類：晶 態(tài)：原子或分子在空間規(guī)則排列；非晶態(tài)：5）按材料熱力學(xué)狀態(tài)分類：穩(wěn) 態(tài)：性能不受時(shí)間變化影響；非穩(wěn)態(tài)：6）按材料尺寸分類：零維——納米粉體；

一維——纖維及晶須；二維——薄膜；三維——塊體材料DJTU

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&Engineering2023/10/137黑色金屬及合金（鋼鐵材料）

碳 鋼：C

0.02-1.7%合金鋼：低合金鋼:<5%；高合金鋼:>5%合金元素,—不銹鋼鑄 鐵：C>1.7%有色金屬及合金輕

金 屬:Al,

Mg,…重

金 屬:Cu,

Pb,…稀有金屬:W,

Ti,

V, 稀土,…貴

金 屬:Au,

Ag,

Pt,…（1）

金屬材料分類DJTU

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&Engineering2023/10/138按用途分：塑

料基本有五大品種,

聚通用塑料：指產(chǎn)量大、用途廣、成型性好、價(jià)格便宜的塑料,乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯及ABS工程塑料：工程塑料是指滿足機(jī)殼、齒輪、光學(xué)、密封等工業(yè)零件使用的塑料。主要有聚酰胺（尼龍）、

ABS(

丙烯腈-

丁二烯-

苯乙烯塑料)

、聚碳酸酯、尼龍、聚甲醛、改性聚苯醚熱塑性聚酯等。合成纖維：人工合成的、具有適宜分子量并具有可溶性的線型聚合物，如聚丙烯腈、聚酯、聚酰胺等。橡膠：由橡膠樹等植物提取的膠乳, 制成的具有彈性、絕緣性、不透水和空（2）

有機(jī)聚合物材料分類氣的高彈性的高分子化合物。DJTU

Materials

Science

&2023/10/139Engineering2023/10/140Polymers

include“Plastics”

andrubber

materialsDJTU

Materials

Science

&Engineering2023/10/141reinforcing

glass

fibers

in

a

polymer

matrix.Polymer

composite

materials:2023/10/142普通（傳統(tǒng)）陶瓷材料：—主要為為硅、鋁氧化物的硅酸鹽材料日用、建筑、潔衛(wèi)材料；精細(xì)（新型）陶瓷材料：—主要為高熔點(diǎn)的氧、碳、氮、硅化物等燒結(jié)材料，壓電陶瓷、透明防彈、葉片、刀具、密封、軸承、火箭噴嘴、爐管等優(yōu)點(diǎn)：重量輕、強(qiáng)度高、硬度高、熔點(diǎn)高、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、特殊功能、絕緣體、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體。缺點(diǎn)：容易脆斷，韌性差，不易加工成形。DJTU

Materials

Science

&Engineering（3）

陶瓷材料分類、2023/10/143碳的同素異形體金剛石、石墨、 富勒烯DJTU

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Science

&Engineering碳納米管2023/10/144碳納米管DJTU

Materials

Science

&Engineering2023/10/145DJTU

Materials

Science

&EngineeringWCSi3N4High

Purity

Al2O3Rotor(Alumina)Machinable

Glass

CeramicsDJTU

Materials

Science

&Engineering2023/10/146按基底分類：高分子基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料

陶瓷基復(fù)合材料復(fù)合材料第一代：玻璃鋼——玻璃纖維增強(qiáng)樹脂的材料第二代：碳纖維增強(qiáng)塑料——飛機(jī)、球拍第三代：硼纖維增強(qiáng)鋁基體復(fù)合材料；SiC短纖維和Al2O3顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料；第四代：C/SiC表面改性輕質(zhì)高強(qiáng)高溫復(fù)合材料。（4）

復(fù)合材料分類DJTU

Materials

Science

&Engineering2023/10/1472023/10/148在分子中，元素原子吸引電子的能力叫作元素的電負(fù)性。電負(fù)性越強(qiáng)的原子越容易接受電子。元素間電負(fù)性差△X>1.7，發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，形成離子鍵；?Give

up

valence

electrons

Readily

accept

electronsThe

Periodic

Table

of

the

Elements1.7

材料的鍵合△X<1.7，不發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，形成共價(jià)鍵DJTU

Materials

Science

&Engineering2023/10/149DJTU

Materials

Science

&Engineering（1）金屬鍵

Metallic

bonding金屬材料具有1，2或3個(gè)價(jià)電子價(jià)電子不被任何原子束縛，在整個(gè)金屬中自由流動(dòng)，形成圍繞離子核的“海洋”金屬鍵可弱可強(qiáng)，沒有飽和性、方向性金屬鍵使金屬具有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、延展性和塑性2023/10/150DJTU

Materials

Science

&Engineering例:

CH4C: 有4個(gè)價(jià)電子H: 有1個(gè)價(jià)電子碳原子提供的電子CCH4（2）共價(jià)鍵Covalent

boding氫原子提供的電子共用電子對具有飽和性和方向性H2023/10/151共價(jià)鍵DJTU

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&Engineering55Cs0.71112NaMg0.91.220Ca1.08

9O

F3.5

4.017Cl3.01H2.131Ga1.633As2.032Ge1.850Sn1.882Pb1.814Si1.86C2.5H2H2OC

(diamond)SiCF2Cl2Column

IVA非金屬元素分子元素單質(zhì)GaAs金屬和非金屬構(gòu)成的分子IVA復(fù)合物

出現(xiàn)在陰陽離子之間，發(fā)生了電子轉(zhuǎn)移 元素間電負(fù)性差△X

>

1.7沒有飽和性和方向性例:

NaClNa(metal)UnstableNa(cation)stableCl(nonmetal)unstableCl(anion)stableelectron+-CoulombicAttraction（3）離子鍵

Ionic

bondingDJTU

Materials

Science

&Engineering2023/10/15255Cs0.711

12Na

Mg0.9

1.220Ca1.08O3.59F4.017Cl3.0Give

up

electronsAcquire

electronsCaF2CsCl離子鍵NaClMgODJTU

Materials

Science

&Engineering2023/10/153Secondary

bondingSecondarybonding偶極振動(dòng)

Fluctuating

dipoles不均勻電子云+—+SecondarybondingH—H2HEx:

liqu