《材料概论第》PPT课件.ppt

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1、Introduction to Materials1IntroductionDJTU Materials Science&Engineering2023/2/42目的、内容：目的、内容：目的、内容：目的、内容：1.Course Objective.1.Course Objective.Introduce fundamental concepts Introduce fundamental concepts in Materials Science&.Engineering in Materials Science&.Engineering2.You will learn about:2.You

2、 will learn about:material structure material structure how structure dictates properties how structure dictates properties how processing can change structure how processing can change structure3.This course will help you to:3.This course will help you to:general understanding of materials properly

3、 general understanding of materials properlyDJTU Materials Science&Engineering2023/2/43课程背景（课改）1）参照国外材料学科教学经验，专业课前移；）参照国外材料学科教学经验，专业课前移；2）部分采用国外课件，了解国外教学内容、方法；）部分采用国外课件，了解国外教学内容、方法；3）部分课件采用英文表述方法，便于将来学术交流；）部分课件采用英文表述方法，便于将来学术交流；4）根据情况，对部分教材内容进行适当调整；）根据情况，对部分教材内容进行适当调整；5）预先建立完整材料学概念，提高后续基础与专业课主动性、目的性

4、。）预先建立完整材料学概念，提高后续基础与专业课主动性、目的性。2023/2/44Required textbook:材料概论，徐晓虹主编，高等教育出版社，普通高等教育材料概论，徐晓虹主编，高等教育出版社，普通高等教育“十五十五”国家国家级规划教材，级规划教材，20062006。References:1）Materials Science and Engineering:An Introduction W.D.Callister,Jr.,7th edition,John Wiley and Sons,Inc.(2007).2）Essentials of Mterials Science and

5、 Engineering，(材材料料科科学学 与与 工工 程程 基基 础础），4th edition,Donald R.Ashkeland,Pradeep P.Phule,清华大学出版社清华大学出版社，2005。COURSE MATERIALS2023/2/451平时成绩平时成绩 20%，笔记、听课纪律；，笔记、听课纪律；2考核成绩考核成绩80%（课程结束时）；（课程结束时）；3考勤，不定期点名。考勤，不定期点名。DJTU Materials Science&Engineering成绩考核：成绩考核：成绩考核：成绩考核：Contact E-mails:Si Wei:Gao Hong:2023/

6、2/461.1 1.1 1.1 1.1 材料科学与工程的内容材料科学与工程的内容材料科学与工程的内容材料科学与工程的内容1.2 1.2 1.2 1.2 材料的定义与分类材料的定义与分类材料的定义与分类材料的定义与分类1.3 1.3 1.3 1.3 材料的键合与性能材料的键合与性能材料的键合与性能材料的键合与性能1.4 1.4 1.4 1.4 材料的应用材料的应用材料的应用材料的应用DJTU Materials Science&Engineering本次课主要内容本次课主要内容本次课主要内容本次课主要内容:1 1 材料科学与工程概况材料科学与工程概况2023/2/472023/2/48DJTU

7、Materials Science&Engineering1.1 1.1 1.1 1.1 材料科学与工程的发展史材料科学与工程的发展史材料科学与工程的发展史材料科学与工程的发展史10,000 BC10,000 BC5,000 BC5,000 BC 1,000 BC1,000 BCCeramicsCeramics芳纶纤维芳纶纤维2023/2/49DJTU Materials Science&Engineering2023/2/410Firestone 燧石燧石 2,500,000-5,000 BCFirst melting fresco壁画壁画In Egypt 3,500 BC Bronze A

8、ge 2,000 BC First Casting of Cu4,000 BC Natural Au&.Cu5,500 BC Pottery 陶器陶器 10,000 BCDJTU Materials Science&Engineering2023/2/411Bessemer,Steel 1855 AD Earliest iron-product1,000BC-1450 AD Electrochemical,Al 1886 ADNylon,1939 AD integrate circuit，1958 AD High T Superconductor,1987 AD DJTU Materials

9、Science&Engineering2023/2/412Array of micro-lasers5x5 microns显微激光阵列显微激光阵列nanometers Si wires emit visible light可发射可见光的纳米硅线可发射可见光的纳米硅线Hip Implant 人工骨人工骨X-33 plane prototype美国空天飞机原型机美国空天飞机原型机DJTU Materials Science&Engineering2023/2/4131986年年科科学学的的美美国国人人杂杂志志指指出出“材材料料科科学学的的进进步步决决定定了经济关键部门增长速率的极限范围。了经济关键

10、部门增长速率的极限范围。”1990年年美美国国总总统统的的科科学学顾顾问问Allany.Bromley明明确确指指出出“材材料科学在美国是最重要的学科料科学在美国是最重要的学科”。1991年年日日本本为为未未来来工工业业规规划划技技术术列列举举的的11项项主主要要项项目目中中有有7项是基于先进材料基础之上。项是基于先进材料基础之上。材料科学历来是技术进步的支柱和物质基础！材料科学历来是技术进步的支柱和物质基础！DJTU Materials Science&Engineering2023/2/414Oxygen 46.60%Silicon 27.70Aluminum 8.13Iron 5.00C

11、alcium 3.63Magnesium 2.09Titanium 0.44Hydrogen 0.14Phosphorus 0.11Manganese 0.095.Carbon 0.02Total 93.00%ELEMENTS IN EARTHS CRUSTDJTU Materials Science&Engineering2023/2/415Production of Materials(tons)-Bauxite 101 millionCoal 4,573 millionIron ore 943 millionCement 1121 millionDiamond 44.2 million

12、carats 200毫克 World Production of MaterialsDJTU Materials Science&Engineering2023/2/416Steel 1,200.0 millionAluminum 18.0 millionCopper 8.8 millionZinc 7.0 millionLead 3.5 millionNickel 839 thousandMg 350 thousandTin 210 thousandMolybdenum 121 thousandTitanium 95 thousandW 43 thousandUranium 39 thous

13、andSilver 14 thousandGold 1.9 thousandPlatinum 270 tonWORLD PRODUCTION OF METALS(TONS)DJTU Materials Science&Engineering2023/2/4171)自然材料自然材料自然材料自然材料 (木头、骨头、石头等木头、骨头、石头等木头、骨头、石头等木头、骨头、石头等)2)2)烧制材料烧制材料烧制材料烧制材料 (陶器、青铜、钢等陶器、青铜、钢等陶器、青铜、钢等陶器、青铜、钢等)3)3)合成材料合成材料合成材料合成材料 (聚合物、纤维、半导聚合物、纤维、半导聚合物、纤维、半导聚合物、纤维、半导

14、 体、纳米粉等体、纳米粉等体、纳米粉等体、纳米粉等)4)4)智能材料智能材料智能材料智能材料 (传感器、自诊断、自传感器、自诊断、自传感器、自诊断、自传感器、自诊断、自 还原、自调节材料、还原、自调节材料、还原、自调节材料、还原、自调节材料、Intelligent material，Smart material)材料的发展材料的发展DJTU Materials Science&Engineering“自然界为劳动提供材料，劳动把材料变为财富自然界为劳动提供材料，劳动把材料变为财富”马克思马克思超弹性形状记忆合金太空天线超弹性形状记忆合金太空天线2023/2/4181.2 1.2 什么是材料科学

15、与工程（什么是材料科学与工程（MSEMSE）?材料科学材料科学材料科学材料科学材料工程材料工程材料工程材料工程DJTU Materials Science&EngineeringCompositionStructureStructureProcessingPerformancePerformance2023/2/419The properties of materials are decided by:the nature of their chemical bonds;their atomic ordering;their microstructures.The use of materia

16、ls depends on:their availability;their cost;the methods of synthesis and production.The use of materials is influenced by:processing techniques;the facility that the materials to be shaped;their environmental acceptability.DJTU Materials Science&Engineering2023/2/420材料科学材料科学（科学）：（科学）：主要研究、认识、开发材料主要研

17、究、认识、开发材料组成、加工、结构与性能之组成、加工、结构与性能之间的关系间的关系。DJTU Materials Science&Engineering 材料工程（技术）：材料工程（技术）：将材料将材料转化成转化成实用、有效的实用、有效的制品或构件制品或构件，解决材料应，解决材料应用的用的经济技术可行性经济技术可行性；2023/2/421学科、专业设置学科、专业设置一级学科、材料科学与工程（学院、系）一级学科、材料科学与工程（学院、系）二级学科二级学科1 1）材料物理与化学：材料物理与化学：由分子、原子、电子层次研究材料由分子、原子、电子层次研究材料 组成、性能组成、性能，环境行为，表征（微观

18、），环境行为，表征（微观）;2 2）材料学：材料学：合成、合成、研制、开发出可应用的新材料（宏观）；研制、开发出可应用的新材料（宏观）；金属金属、无机非金属、高分子材料、复合材料无机非金属、高分子材料、复合材料3 3）材料加工：材料加工：将材料转换成可应用的形状和制品：将材料转换成可应用的形状和制品：铸造、锻压、焊接、粉末冶金、铸造、锻压、焊接、粉末冶金、热处理热处理。材料科学与工程材料科学与工程人类从微观与宏观上对研制、生产、使用材料的总结人类从微观与宏观上对研制、生产、使用材料的总结2023/2/422加入环境要素：加入环境要素：强调循环利用；强调循环利用；降低环境影响；降低环境影响；实现

19、可持续发展。实现可持续发展。促进了材料与环境促进了材料与环境关系研究。关系研究。五要素间，交互影五要素间，交互影响，相辅相成。响，相辅相成。材料科学与工程的五要素新说材料科学与工程的五要素新说材料科学与工程的五要素新说材料科学与工程的五要素新说成分、结构成分、结构性价比、应用性价比、应用合成、加工合成、加工性能性能环境生态环境生态DJTU Materials Science&Engineering2023/2/423DJTU Materials Science&Engineering1.3 Levels of Material Structure10-19 m 0.1nm10-9 m 0.1-

20、100 nm10-6 m 0.1-100 m10-3 m 0.1 mmSub-atomic StructureCrystal StructureMacro-StructureMicro-Structure2023/2/424 Subatomic levelElectronic structure of individual atoms that defines interaction among atoms(interatomic bonding).Atomic levelArrangement of atoms in materials for the same atoms can have

21、 different properties,e.g.two forms of carbon:graphite and diamond.Microscopic structureArrangement of small grains of material that can be identified by microscopy.Macroscopic structureStructural elements that may be viewed with the naked eye.2023/2/425结构尺度与分析方法结构尺度与分析方法DJTU Materials Science&Engin

22、eeringmillimeter=10-3=1mm 2023/2/426DJTU Materials Science&Engineering2023/2/427DJTU Materials Science&Engineering1.4 1.4 性能与结构性能与结构2023/2/428化学键与化学键与 T Tm m的关系的关系 Bond length,r Bond energy,Eon Melting Temperature,Tm Energy(r)Tm is larger if Eo is larger.rEo=“bond energy”Energy(r)rounstretched lengt

23、hrrorsmaller Tmlarger TmEnergy(r)DJTU Materials Science&Engineering2023/2/429Length,LoLunheated,T 1heated,T 2Coeff.thermal expansionrorlarger smaller Energy(r)is larger if Eo is smallern Coefficient of thermal expansion,n summitry at roDJTU Materials Science&Engineering化学键与化学键与 的关系的关系2023/2/430DJTU

24、Materials Science&Engineering2023/2/431CarbonCarbonDJTU Materials Science&Engineering2023/2/4321.5 1.5 材料的定义材料的定义 材料：材料：一一般般是是指指具具一一定定组组分分、结结构构和和性性能能,经经某某种种加加工工、开开采采、运输运输,适于一定适于一定用途用途的固态物质。的固态物质。通通常常燃燃料料、化化学学原原料料、化化学学中中间间品品、食食物物和和药药物物等等气气体体、液体和易燃固体等液体和易燃固体等,都不算是材料。都不算是材料。DJTU Materials Science&Engin

25、eering2023/2/433按原子结构及价键，可分为：按原子结构及价键，可分为：（1 1）金属及其合金（）金属及其合金（金属键金属键）（2 2）有机聚合物（）有机聚合物（共价键及二次键合共价键及二次键合）（3 3）陶瓷（）陶瓷（离子键或共价键离子键或共价键）DJTU Materials Science&Engineering1.6 1.6 材料的分类材料的分类2023/2/434DJTU Materials Science&Engineering1）总体分类：）总体分类：金属、陶瓷、有机聚合物及其复合材料金属、陶瓷、有机聚合物及其复合材料2023/2/435 DJTU Materials

26、Science&Engineering2 2 2 2）按使用性能分类）按使用性能分类）按使用性能分类）按使用性能分类结构材料结构材料结构材料结构材料力学性能力学性能力学性能力学性能 主要是利用它的力学性能，用于需承受一定载荷的设备、零主要是利用它的力学性能，用于需承受一定载荷的设备、零主要是利用它的力学性能，用于需承受一定载荷的设备、零主要是利用它的力学性能，用于需承受一定载荷的设备、零部件、建筑结构等。部件、建筑结构等。部件、建筑结构等。部件、建筑结构等。功能材料功能材料功能材料功能材料物理性能物理性能物理性能物理性能 主要利用其特殊物理性能（如电、热、磁、光、声等），用主要利用其特殊物理性

27、能（如电、热、磁、光、声等），用主要利用其特殊物理性能（如电、热、磁、光、声等），用主要利用其特殊物理性能（如电、热、磁、光、声等），用于制造各种电子器件、光敏元件绝缘材料等于制造各种电子器件、光敏元件绝缘材料等于制造各种电子器件、光敏元件绝缘材料等于制造各种电子器件、光敏元件绝缘材料等 结构功能一体化材料结构功能一体化材料结构功能一体化材料结构功能一体化材料综合性能综合性能综合性能综合性能 考虑力学性能和物理性能统一，目前研究热点之一，考虑力学性能和物理性能统一，目前研究热点之一，考虑力学性能和物理性能统一，目前研究热点之一，考虑力学性能和物理性能统一，目前研究热点之一，复合结构复合结构复合

28、结构复合结构/隐身材料、隐身材料、隐身材料、隐身材料、轻质复合防弹材料、高阻尼泡沫金属材料等轻质复合防弹材料、高阻尼泡沫金属材料等轻质复合防弹材料、高阻尼泡沫金属材料等轻质复合防弹材料、高阻尼泡沫金属材料等。2023/2/436DJTU Materials Science&Engineering材料功材料功能分类能分类敏感敏感材料材料光学光学材料材料磁性磁性材料材料能源环能源环境材料境材料电子电子材料材料生物生物材料材料结构结构材料材料航空航航空航天材料天材料3 3）按应用领域分类）按应用领域分类2023/2/4374 4）按材料内部原子排列情况分类）按材料内部原子排列情况分类：晶晶 态：原子

29、或分子在空间规则排列；态：原子或分子在空间规则排列；非晶态：非晶态：5 5）按材料热力学状态分类）按材料热力学状态分类：稳稳 态：性能不受时间变化影响；态：性能不受时间变化影响；非稳态：非稳态：6 6）按材料尺寸分类：）按材料尺寸分类：零维零维纳米粉体；纳米粉体；一维一维纤维及晶须；纤维及晶须；二维二维薄膜；薄膜；三维三维块体材料块体材料 DJTU Materials Science&Engineering2023/2/438u 黑色金属及合金黑色金属及合金（钢铁材料）钢铁材料）碳碳 钢：钢：C 0.02-1.7%C 0.02-1.7%合金钢：合金钢：低合金钢低合金钢:5%:5%:5%合金元素

30、合金元素,不锈钢不锈钢 铸铸 铁：铁：C1.7%C1.7%u 有色金属及合金有色金属及合金 轻轻 金金 属属:Al,Mg,:Al,Mg,重重 金金 属属:Cu,Pb,:Cu,Pb,稀有金属稀有金属:W,Ti,V,:W,Ti,V,稀土稀土,贵贵 金金 属属:Au,Ag,Pt,:Au,Ag,Pt,DJTU Materials Science&Engineering（1 1）金属材料分类金属材料分类2023/2/439按用途分按用途分：塑塑 料料p通用塑料：通用塑料：指指产产量量大大、用用途途广广、成成型型性性好好、价价格格便便宜宜的的塑塑料料,基基本本有有五五大大品品种种,聚聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙

31、烯、聚苯乙烯及乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯及ABSABS p工程塑料：工程塑料：工程塑料是指满足机壳、齿轮、光学、密封等工业零件使用的塑料。工程塑料是指满足机壳、齿轮、光学、密封等工业零件使用的塑料。主主要要有有聚聚酰酰胺胺（尼尼龙龙）、ABS(ABS(丙丙烯烯腈腈-丁丁二二烯烯-苯苯乙乙烯烯塑塑料料)、聚聚碳碳酸酸酯酯、尼龙、聚甲醛、改性聚苯醚热塑性聚酯等。尼龙、聚甲醛、改性聚苯醚热塑性聚酯等。合成纤维：合成纤维：人工合成的、具有适宜分子量并具有可溶性的线型聚合物人工合成的、具有适宜分子量并具有可溶性的线型聚合物，如聚丙烯，如聚丙烯腈、聚酯、聚酰胺等。腈、聚酯、聚酰胺等。橡橡 胶：胶：由

32、由橡橡胶胶树树等等植植物物提提取取的的胶胶乳乳,制制成成的的具具有有弹弹性性、绝绝缘缘性性、不不透透水水和和空空气的高弹性的高分子化合物。气的高弹性的高分子化合物。DJTU Materials Science&Engineering（2 2）有机聚合物材料分类有机聚合物材料分类2023/2/440Polymers include“Plastics”and rubber materialsDJTU Materials Science&Engineering2023/2/441reinforcing glass fibers in a polymer matrix.Polymer composit

33、e materials:2023/2/442普通（传统）陶瓷材料：普通（传统）陶瓷材料：主要为主要为为为硅、铝氧化物的硅酸盐材料硅、铝氧化物的硅酸盐材料日用、建筑、洁卫材料；日用、建筑、洁卫材料；精细（新型）陶瓷材料：精细（新型）陶瓷材料：主要为高熔点的主要为高熔点的氧、碳、氮、硅化物氧、碳、氮、硅化物等烧结材料，压电陶瓷、等烧结材料，压电陶瓷、透明防弹、叶片、刀具、密封、轴承、火箭喷嘴、炉管等透明防弹、叶片、刀具、密封、轴承、火箭喷嘴、炉管等 优点：优点：重量轻、强度高、硬度高、熔点高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、重量轻、强度高、硬度高、熔点高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、特殊功能、绝缘体、半导体、

34、超导体。特殊功能、绝缘体、半导体、超导体。缺点：缺点：容易脆断容易脆断 ，韧性差，不易加工成形。，韧性差，不易加工成形。DJTU Materials Science&Engineering（3 3）陶瓷材料分类陶瓷材料分类、2023/2/443碳的同素异形体碳的同素异形体金刚石、金刚石、石墨、石墨、富勒烯富勒烯DJTU Materials Science&Engineering碳纳米管碳纳米管碳纳米管碳纳米管2023/2/444碳纳米管碳纳米管DJTU Materials Science&Engineering2023/2/445DJTU Materials Science&Engineeri

35、ngWCSi3N4High Purity Al2O3Rotor(Alumina)2023/2/446Machinable Glass CeramicsDJTU Materials Science&Engineering2023/2/447按基底分类：按基底分类：高分子基复合材料高分子基复合材料 金属基复合材料金属基复合材料 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料复合材料复合材料第一代：第一代：玻璃钢玻璃钢玻璃纤维增强树脂的材料玻璃纤维增强树脂的材料 第二代：第二代：碳纤维增强塑料碳纤维增强塑料飞机、球拍飞机、球拍第三代：第三代：硼纤维增强铝基体复合材料；硼纤维增强铝基体复合材料；SiCSiC短纤维和短纤

36、维和AlAl2 2O O3 3颗粒增强铝基复合材料；颗粒增强铝基复合材料；第四代：第四代：C/SiCC/SiC表面改性轻质高强高温复合材料。表面改性轻质高强高温复合材料。DJTU Materials Science&Engineering（4 4）复合材料分类复合材料分类2023/2/448Give up valence electronsGive up valence electronsReadily accept electronsReadily accept electrons在分子中，元素原子吸引电子的能力叫作元素的在分子中，元素原子吸引电子的能力叫作元素的电负性电负性。电负性越强的原

37、子越容易接受电子。电负性越强的原子越容易接受电子。元素间电负性差元素间电负性差X 1.7X 1.7，发生电子转移，发生电子转移，形成形成离子键离子键；X 1.7X 1.7X 1.7 没有饱和性和方向性没有饱和性和方向性 例例:NaCl:NaClNa(metal)UnstableNa(cation)stable Cl(nonmetal)unstable Cl(anion)stableelectron+-CoulombicAttractionDJTU Materials Science&Engineering（3 3）离子键）离子键 Ionic bondingIonic bonding2023/2

38、/45311Na0.955Cs0.712Mg1.220Ca1.08O3.59F4.017Cl3.0Give up electrons Acquire electronsNaClMgOCaF2CsClDJTU Materials Science&Engineering离子键离子键2023/2/454SecondarybondingSecondarybonding 偶极振动偶极振动偶极振动偶极振动 Fluctuating dipolesFluctuating dipolesFluctuating dipolesFluctuating dipoles 不均匀电子云不均匀电子云不均匀电子云不均匀电子云

39、+Secondary bondingHH2HHHH2Ex:liquid H2Secondary bondingl 永久偶极永久偶极永久偶极永久偶极 Permanent dipolesPermanent dipoles H Cl H Cl+general case:ex:liquid HCl ex:polymer+secondary bondingDJTU Materials Science&Engineering（4 4）二次键合）二次键合 Secondary bondingSecondary bonding2023/2/4551.9 1.9 材料综合应用材料综合应用“黑匣子黑匣子”-航空飞行

40、记录器：航空飞行记录器：装装有有飞飞行行数数据据记记录录器器和和舱舱声声录录音音器器，飞飞机机各各机机械械部部位位和和电电子子仪仪器器仪仪表表都都装装有有传传感感器器与与之之相相连连，能能把把飞飞机机停停止止工工作作或或失失事事前前半半小时技术参数和舱内声音记录下来供事故分析之用。小时技术参数和舱内声音记录下来供事故分析之用。DJTU Materials Science&Engineering2023/2/456DJTU Materials Science&Engineering坠毁生存记录单元坠毁生存记录单元CSMU2023/2/457黑匣子欧洲标准：黑匣子欧洲标准：(1)(1)能在能在5

41、5毫秒内经受住毫秒内经受住1kg1kg的冲击力。的冲击力。(2)(2)能在能在5 5分钟内分钟内,从长、宽、高从长、宽、高3 3个方向经受住每平方英寸个方向经受住每平方英寸50005000磅磅 (2270(2270公斤公斤)的冲击力。的冲击力。(3)(3)应能承受于从应能承受于从3.053.05米高度掉落在直径仅米高度掉落在直径仅6.356.35毫米圆锥面（相毫米圆锥面（相当当500500磅冲击力）。磅冲击力）。(4)(4)应能经受飞机上各种液体或在应能经受飞机上各种液体或在3 3米深海水里连续浸泡米深海水里连续浸泡3030天。天。(5)(5)在在1 1小时内经受小时内经受11001100的高

42、温考验。的高温考验。DJTU Materials Science&Engineering2023/2/458电子黑匣子的电子黑匣子的CSMUCSMU使用三层保护内存的材料，隔离和保存使用三层保护内存的材料，隔离和保存存储数字信息内存片。存储数字信息内存片。铝壳铝壳，环绕内存卡有一铝薄层。，环绕内存卡有一铝薄层。高温绝缘体高温绝缘体，1 1英寸（英寸（2.54cm2.54cm）干石英材料提供高温保护。）干石英材料提供高温保护。不锈钢外壳不锈钢外壳，厚，厚0.64cm0.64cm，通常用钛合金制成。，通常用钛合金制成。存取记忆元件存取记忆元件，集成电路、传感器、记录元器件等，集成电路、传感器、记录元器件等 DJTU Materials Science&Engineering2023/2/459第一课小结第一课小结:DJTU Materials Science&Engineering三、材料的分类三、材料的分类一、材料科学与工程的研究内容与重要性一、材料科学与工程的研究内容与重要性二、材料的定义二、材料的定义材料与物质的区别材料与物质的区别金属材料金属材料有机聚合物有机聚合物陶瓷材料陶瓷材料金属键金属键共价键或二次键合共价键或二次键合离子键或共价键离子键或共价键复合材料复合材料2023/2/460WHAT IS MATERIALS SCIENCE&ENGINEERING(MSE)?