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NovemberIntroductiontoMaterials材料学院《材料概论》IntroductiontoMaterials第1页Content

－Definition 材料定义

－Types

材料类型 －Structure

材料结构 –Structure–properties–processing

结构－性能－工艺之间关系Chapter1IntroductiontoMaterials第2页1

MaterialsandMaterialScience材料发展史，就是人类社会发展史。石器时代陶器时代青铜器时代铁器时代材料主要性第3页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效陶瓷各种基体复合材料功效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10001500180019001940196019801990纤维增强塑料稻草杆砖微合金钢骨瓷材料发展历史第4页（１）石器时代：旧石器时代－－原始人采取天然石、木、竹、骨等材料作为狩猎工具；新石器时代－－公元前60，人类创造了火，掌握了钻木取火技术，用以烧制陶瓷。瓷器出现已成为中华民族文化象征之一，对世界文化产生过深远影响。第5页原始人打造石器印地安人用石斧第6页第7页（２）青铜器时代：这是人类社会出现最早金属材料，中国历史上曾有过灿烂青铜文化。第8页青铜鼎青铜宝剑第9页青铜编钟(chimes)第10页（3）铁器时代：用铁作为材料来制造农具，铁在农业上广泛应用，推进了以农业为中心科学技术日益进步；以钢铁为中心金属材料大规模发展，有力地摧毁了封建社会生产方式，萌发了资本主义。hoe第11页铁斧铁梨plow第12页第13页

（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。含有优良性能工程塑料部分地代替了金属材料。合成高分子材料问世是材料发展重大突破，从此以金属材料、陶瓷材料、高分子材料为主体，建立了完整材料体系，形成了材料科学。第14页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……第15页AtrificalHeart聚醚型聚氨酯聚酯编织管环氧树脂聚酯硅油第16页ArtificalBoneResomer®ResorbablePolyester：Polylactide,Polyglycolideorthecopolymers—BoehringerIngelheimKG第17页第18页第19页1

MaterialsandMaterialScience影响材料使用原因materialsbehavioravailabilitycostsynthesisandproductionmethodprocessingtechniquesenvironmentalacceptability第20页

1.1.1Definition

Constitute: Thematerialsmakingupthesurroundingworldconsistofdiscreteparticles,havingasubmicroscopicsize.

组成:组成物质世界材料由含有亚微观尺度各种微粒子组成。

1

MaterialsandMaterialScience第21页Materials:definedassolidsusedbymantoproduceitemswhichconstitutethesupportforhislivingenvironment.第22页Character:materials

havecertaincompositions;canbeformed;withcertainshapeandcolor;canbeusedandreusedorrecycled.

特点:含有一定成份和配比；可成型加工；保持一定形状和外观；含有使用价值并可回收再利用。第23页可成型加工保持一定形状和外观含有使用价值第24页Essentialroleofmaterials: indispensabletooursocietyas food,energyandinformation.substance~material:differences第25页材料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第26页1.1.2Classification

Basisofclassification:

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第27页第28页

Classification:

metalsandtheiralloys: -metallicbonding第29页

Classification:organicpolymers -covalentbonding&secondarybonding第30页

Classification:ceramics -ionicbonding&covalentbonding第31页Typesofmaterials第32页

Metalsandtheiralloys:aregoodconductorsofheatandelectricity;areopaquetovisiblelight;arehard,rigid;canundergoplasticdeformationhaveahighmeltingtemperature(Tm).第33页

Organicpolymers:madeupoflong-chainmolecules;areelectricalandthermalinsulators;arelightandeasilyformable;andthebest-knownorganicpolymersare:－poly(vinylchloride)(PVC);－polyethylene(PE);－polystyrene(PS).第34页

Ceramics/inorganicnonmetallicmaterials:thecombinationofmetallicelements(Mg,Al,Ti,...)withnon-metallicelements(o);havehighmechanicalandthermalresistanceathightemperature;areveryhardandusedasabrasives;areelectricalandthermalinsulators;butsomearethermalconductors,or

semiconductors.第35页Compositematerials:areconstitutedbytwoormoredifferentmaterials,havespecificproperties.glassfiberreinforcedresins:lightweightcompositeswithhighmechanicalstrengthconcrete:anagglomerationofcement,sandandgravel第36页1.1.3Properties

Mechanicalproperties:thebehaviorofmaterialsdeformedbyasetofforces.弹性 Elasticity

塑性 Plasticity

强度 Strength

硬度 Hardness

韧性 Toughness疲劳特征Fatiguebehaviour耐磨性Abrasionresistance第37页Physicalproperties:thebehaviorofmaterialssubjectedtotheactionoftemperature,electricormagneticfields,orlight.电性能

Electricproperties磁性能

Magneticproperties热性能

Thermalproperties光性能

Opticalproperties第38页Chemicalproperties:thebehaviorofmaterialinareactiveenvironment.抗腐蚀能力

Corrosionresistance： atmospherically,chemically(salts, sour,alkali)第39页1.1.4UseofmaterialsFactorsrelatedtotheuseofamaterialare:

Quality:propertiesandfunctions

Economy:costsrelatedtomaterials,processingandenergy

Environment:environmentalbehaviorofthematerial

Resources&Recycling:resourcesandpossiblerecycling第40页1.1.5MaterialsScienceMaterialsScience:toestablishtherelationbetweencomposition,atomicormolecularorganization,themicrostructureandthemacroscopicpropertiesofmaterials.

第41页MaterialsScience

studies:

化学组成、化学键、合成方法:chemicalcomposition,chemicalbondsandsynthesis

methods

特征:

natureofmaterials

结构与性能关系:describetherelationshipbetweenstructureandpropertiesbasedoncrystalphysicsandsolidphysics第42页材料科学:

基于现代科学技术，一方面，利用化学伎俩研究材料化学成分、化学键和合成方法；其次，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关系。第43页Thefourbasicaspectsofmaterialsscienceandtechnology第44页MaterialsEngineering:concernedwithmanufacturing,transformationandshapingprocesses.第45页ResearchFields

研究领域MaterialsScienceScientificAspectsTechnicalAspectsSubstanceSynthesisPhenomenaDescriptionNature&PropertiesPreparation/FabricationPropertiesDeterminationsApplications第46页Formsofsolids:crystalline&amorphous

1.3StructuralCharacteristicofMaterialsdifference:crystallinestateofsolidmorestablethanamorphousstate

第47页1.3StructuralCharacteristicofMaterialsCrystalline:anorderedarrangementoftheelementaryparticles(ions,atomsormolecules).

晶体结构:晶体中原子（或离子）在空间规则排列方式。第48页PropertiesofcrystalsDependon:theelectronicstructureofatomsthenatureoftheinteractionsinthecrystalthespatialarrangementofelementaryparticles,andthecomposition,sizeandshapeofcrystals.第49页1.3.1CrystalLattice晶格Arrangementofelementaryparticlesinacrystal

(a):three-dimensionalview(b):scheme第50页MorphologyofPbScrystalwithNaClstructure第51页假设:(1)elementaryparticles(ions,atomsormolecules)arespheres;(2)Inasimplermodel,spheresarereplacedbypoints晶格

(lattice)：假想格架

晶胞anelementarycell:thesmallestofparallelepipeds第52页

晶体、晶格和晶胞示意图

晶体(b)晶格

(c)晶胞

第53页Anelementarycell:describedbythreesectionsa,b,andc,andthreeanglesmadebyeachtwoofthesesections,α,β,andγ.晶格常数latticeconstant/latticespacings:晶胞三条棱边长a、b、c.第54页

Typesofelementarycell:

simplethree-dimensionallattice

body-centredcell

facecentredcell第55页

Coordinationnumber:determinesthequantityofthenearestequidistantelementaryparticles.配位数：晶格中与任一原子处于相等距离并相距最近原子数目。第56页配位数：-body-centredcubic(BCC)lattice:foreachatomiseight(C8)-simplecubiclattice(SC):six(C6)-face-centredcubic(FCC)lattice:

12(C12)第57页

金属三种经典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第58页Packingfactor(填充因子)：Thepackingfactorisdeterminedastheratioofthevolumeofallelementaryparticlesperelementarycelltothetotalvolumeoftheelementarycell.第59页Packingfactor(填充因子)：Octahedral(a)andtetrahedral(b)voidsinFCClatticemetals第60页Packingfactor(填充因子)：Closepackingofatomsincrystal第61页ABAABCAATOMICPACKING第62页Packingmode1(ABCABC…)第63页Packingmode2(ABCABC…)第64页Packingmode3(AaBbCcAaBbCc…)第65页1.3.2CrystallographicIndicescoordinate:同等、并列（pl.）坐标originofcoordinates坐标原点Indices:index复数形式Reciprocal：互惠,对应,倒数,彼此相反n.倒数,相互起作用事物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:第66页1.3.2CrystallographicIndicesHCPcrystalsABAcGraphite第67页1.3.2CrystallographicIndicesCrystallographicindicesof(a):directions(b):planes第68页Anisotropy:

Thepropertiesofcrystalsaredifferentinvariouscrystallographicdirections,whichareassociatedwithanorderedarrangementofatoms(ions,molecules)inspace.Thisphenomenoniscalledanisotropy.1.3.3Anisotropy第69页Virtuallyallpropertieso