《材料概论第》课件

Introduction

toMaterials1IntroductionDJTU

Materials

Science

&Engineering2023/9/282目的、内容：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课程背景（课改）参照国外材料学科教学经验，专业课前移；部分采用国外课件，了解国外教学内容、方法；部分课件采用英文表述方法，便于将来学术交流；根据情况，对部分教材内容进行适当调整；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。2023/9/283Required

textbook:材料概论，徐晓虹主编，高等教育出版社，普通高等教育“十五”国家级规划教材，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，(材料科学与工程基础），4th

edition,

Donald

R.

Ashkeland,

Pradeep

P.

Phule,清华大学出版社，2005。COURSE

MATERIALS2023/9/28412平时成绩

20%，笔记、听课纪律；考核成绩80%（课程结束时）；3考勤，不定期点名。成绩考核：DJTU

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&Engineering2023/10/15ContactE-mails:Si

Wei:

siwei@

GaoHong:taoci@本次课主要内容:DJTU

Materials

Science

&Engineering2023/10/16材料科学与工程概况材料科学与工程的内容材料的定义与分类材料的键合与性能材料的应用2023/10/171.1

材料科学与工程的发展史10,000

BCDJTU

Materials

Science

&Engineering2023/10/185,000

BC1,000

BCCeramics芳纶纤维DJTU

Materials

Science

&Engineering2023/10/19Firestone

燧石2,500,000-5,000BCFirst

melting

fresco壁画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显微激光阵列Hip

Implant人工骨X-33

plane

prototype美国空天飞机原型机nanometers

Si

wiresemit

visible

light可发射可见光的纳米硅线DJTU

Materials

Science

&Engineering2023/10/1131986年《科学的美国人》杂志指出“材料科学的进步决定了经济关键部门增长速率的极限范围。”1990 年美国总统的科学顾问

Allany.

Bromley 明确指出材料科学在美国是最重要的学科”。1991年日本为未来工业规划技术列举的11项主要项目中有

7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！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

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Science

&Engineering2023/10/1162023/10/117材料的发展DJTU

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Science

&Engineering“自然界为劳动提供材料，劳动把材料变为财富”——马克思自然材料

(木头、骨头、石头等)烧制材料

(陶器、青铜、钢等)合成材料

(聚合物、纤维、半导 体、纳米粉等)智能材料

(传感器、自诊断、自 还原、自调节材料、Intelligentmaterial，Smartmaterial

)超弹性形状记忆合金太空天线2023/10/1181.2 什么是材料科学与工程（MSE）?材料科学材料工程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材料科学 （科学）：主要研究、认识、开发材料组成、加工、结构与性能之间的关系。DJTU

Materials

Science

&Engineering材料工程（技术）：将材料转化成实用、有效的制品或构件，解决材料应用的经济技术可行性；2023/10/121学科、专业设置一级学科、材料科学与工程（学院、系）二级学科1）材料物理与化学：由分子、原子、电子层次研究材料 组成、性能，环境行为，表征（微观）;2）材料学：合成、研制、开发出可应用的新材料（宏观）；金属、无机非金属、高分子材料、复合材料3）材料加工：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、热处理。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2023/10/122加入环境要素：强调循环利用；降低环境影响；实现可持续发展。促进了材料与环境 关系研究。五要素间，交互影 响，相辅相成。材料科学与工程的五要素新说成分、结构性价比、应用合成、加工性能环境生态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.结构尺度与分析方法DJTU

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Science

&Engineering2023/10/125millimeter=

10-3

=

1mmDJTU

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Science

&Engineering2023/10/1262023/10/127DJTU

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Science

&Engineering1.4

性能与结构化学键与

Tm的关系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

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&Engineering2023/10/128

Length,

LoLunheated,T1heated,

T

2Coeff.thermalexpansionrorlargersmallerEnergy(r)islargerifEo

issmallerCoefficientofthermalexpansion,～summitryatro化学键与 的关系DJTU

Materials

Science

&Engineering2023/10/129DJTU

Materials

Science

&Engineering2023/10/130CarbonDJTU

Materials

Science

&Engineering2023/10/1311.5

材料的定义DJTU

Materials

Science

&Engineering2023/10/132材料：一般是指具一定组分、结构和性能,经某种加工、开采、运输, 适于一定用途的固态物质。通常燃料、化学原料、化学中间品、食物和药物等气体、液体和易燃固体等, 都不算是材料。按原子结构及价键，可分为：金属及其合金（金属键）有机聚合物（共价键及二次键合）陶瓷（离子键或共价键）1.6

材料的分类DJTU

Materials

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&Engineering2023/10/1332023/10/134DJTU

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&Engineering1）总体分类：金属、陶瓷、有机聚合物及其复合材料2023/10/135DJTU

Materials

Science

&Engineering

2）按使用性能分类

结构材料——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、零部件、建筑结构等。功能材料——物理性能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结构功能一体化材料——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，复合结构/隐身材料、轻质复合防弹材料、高阻尼泡沫金属材料等。2023/10/136DJTU

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&Engineering材料功能分类敏感材料光学材料磁性材料能源环境材料电子材料生物材料结构材料航空航天材料3）按应用领域分类4）按材料内部原子排列情况分类：晶 态：原子或分子在空间规则排列；非晶态：5）按材料热力学状态分类：稳 态：性能不受时间变化影响；非稳态：6）按材料尺寸分类：零维——纳米粉体；

一维——纤维及晶须；二维——薄膜；三维——块体材料DJTU

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&Engineering2023/10/137黑色金属及合金（钢铁材料）

碳 钢：C

0.02-1.7%合金钢：低合金钢:<5%；高合金钢:>5%合金元素,—不锈钢铸 铁：C>1.7%有色金属及合金轻

金 属:Al,

Mg,…重

金 属:Cu,

Pb,…稀有金属:W,

Ti,

V, 稀土,…贵

金 属:Au,

Ag,

Pt,…（1）

金属材料分类DJTU

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&Engineering2023/10/138按用途分：塑

料基本有五大品种,

聚通用塑料：指产量大、用途广、成型性好、价格便宜的塑料,乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯及ABS工程塑料：工程塑料是指满足机壳、齿轮、光学、密封等工业零件使用的塑料。主要有聚酰胺（尼龙）、

ABS(

丙烯腈-

丁二烯-

苯乙烯塑料)

、聚碳酸酯、尼龙、聚甲醛、改性聚苯醚热塑性聚酯等。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，如聚丙烯腈、聚酯、聚酰胺等。橡胶：由橡胶树等植物提取的胶乳, 制成的具有弹性、绝缘性、不透水和空（2）

有机聚合物材料分类气的高弹性的高分子化合物。DJTU

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

include“Plastics”

andrubber

materialsDJTU

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&Engineering2023/10/141reinforcing

glass

fibers

in

a

polymer

matrix.Polymer

composite

materials:2023/10/142普通（传统）陶瓷材料：—主要为为硅、铝氧化物的硅酸盐材料日用、建筑、洁卫材料；精细（新型）陶瓷材料：—主要为高熔点的氧、碳、氮、硅化物等烧结材料，压电陶瓷、透明防弹、叶片、刀具、密封、轴承、火箭喷嘴、炉管等优点：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、超导体。缺点：容易脆断，韧性差，不易加工成形。DJTU

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&Engineering（3）

陶瓷材料分类、2023/10/143碳的同素异形体金刚石、石墨、 富勒烯DJTU

Materials

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&Engineering碳纳米管2023/10/144碳纳米管DJTU

Materials

Science

&Engineering2023/10/145DJTU

Materials

Science

&EngineeringWCSi3N4High

Purity

Al2O3Rotor(Alumina)Machinable

Glass

CeramicsDJTU

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&Engineering2023/10/146按基底分类：高分子基复合材料金属基复合材料

陶瓷基复合材料复合材料第一代：玻璃钢——玻璃纤维增强树脂的材料第二代：碳纤维增强塑料——飞机、球拍第三代：硼纤维增强铝基体复合材料；SiC短纤维和Al2O3颗粒增强铝基复合材料；第四代：C/SiC表面改性轻质高强高温复合材料。（4）

复合材料分类DJTU

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&Engineering2023/10/1472023/10/148在分子中，元素原子吸引电子的能力叫作元素的电负性。电负性越强的原子越容易接受电子。元素间电负性差△X>1.7，发生电子转移，形成离子键；•Give

up

valence

electrons

Readily

accept

electronsThe

Periodic

Table

of

the

Elements1.7

材料的键合△X<1.7，不发生电子转移，形成共价键DJTU

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&Engineering2023/10/149DJTU

Materials

Science

&Engineering（1）金属键

Metallic

bonding金属材料具有1，2或3个价电子价电子不被任何原子束缚，在整个金属中自由流动，形成围绕离子核的“海洋”金属键可弱可强，没有饱和性、方向性金属键使金属具有良好的导热性、导电性、延展性和塑性2023/10/150DJTU

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Science

&Engineering例:

CH4C: 有4个价电子H: 有1个价电子碳原子提供的电子CCH4（2）共价键Covalent

boding氢原子提供的电子共用电子对具有饱和性和方向性H2023/10/151共价键DJTU

Materials

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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非金属元素分子元素单质GaAs金属和非金属构成的分子IVA复合物

出现在阴阳离子之间，发生了电子转移 元素间电负性差△X

>

1.7没有饱和性和方向性例:

NaClNa(metal)UnstableNa(cation)stableCl(nonmetal)unstableCl(anion)stableelectron+-CoulombicAttraction（3）离子键

Ionic

bondingDJTU

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&Engineering2023/10/15255Cs0.711

12Na

Mg0.9

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

up

electronsAcquire

electronsCaF2CsCl离子键NaClMgODJTU

Materials

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&Engineering2023/10/153Secondary

bondingSecondarybonding偶极振动

Fluctuating

dipoles不均匀电子云+—+SecondarybondingH—H2HEx:

liqu