材料科学与工程导论(原书第9版)思维导图
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材料科学和工程导论(ppt 16页)
4
材料的地位和作用
材料是人类社会发展的基础和先 导，是人类社会进步的里程碑和划 时代的标志。材料和能源、信息被 称为人类社会的“三大支柱”。
5
材料的地位和作用
一种重要新材料的发现和使用， 都把人类支配自然的能力提高到一 个新水平，材料科学技术的每一次 重大突破都会引起生产技术的重大 变革，甚至引起一次世界性的技术 变革，从而把人类物质文明和精神 文明推向前进。
学 与 工
程
结构
陶瓷 电子材料 金属 高分子材料
材料科学与工程的纵向或横向分类方法
15
快乐总和宽厚的人相伴，财富总与诚信的人 伴，聪明总与高尚的人相伴，魅力总与幽默 人相伴，健康总与阔达的人相伴。人生就有 多这样的奇迹，看似比登天还难的事，有时 而易举就可以做到，其中的差别就在于非凡 信念。影响我们人生的绝不仅仅是环境，其 是心态在控制个人的行动和思想。同时，心 也决定了一个人的视野和成就，甚至一生无 你觉得自己多么了不起，也永远有人比更强
进行改革；
• 按照“四要素”原则重新构建材料科学与
工程的大材料学科。
13
基本性能效能
ba
受环境影响 （气氛 温度
受力状态）
成合分成/制备
组织结构
制备与 加工
结构效/能成分 (使用性能)
性质
理论及材料 与工艺设计
材料科学与工程的内涵
14
材料科学与工程的形成和发展 材料科学与工程
使用
材
料
四 加工
科
要 素 性能
6
材料科学与工程的形成和发展
材料科学与工程的形成与发 展，反映了学科发展从细分 到整合（综合）的基本规律。
7
材料科学与工程的形成和发展
材料的地位和作用
材料是人类社会发展的基础和先 导，是人类社会进步的里程碑和划 时代的标志。材料和能源、信息被 称为人类社会的“三大支柱”。
5
材料的地位和作用
一种重要新材料的发现和使用， 都把人类支配自然的能力提高到一 个新水平，材料科学技术的每一次 重大突破都会引起生产技术的重大 变革，甚至引起一次世界性的技术 变革，从而把人类物质文明和精神 文明推向前进。
学 与 工
程
结构
陶瓷 电子材料 金属 高分子材料
材料科学与工程的纵向或横向分类方法
15
快乐总和宽厚的人相伴，财富总与诚信的人 伴，聪明总与高尚的人相伴，魅力总与幽默 人相伴，健康总与阔达的人相伴。人生就有 多这样的奇迹，看似比登天还难的事，有时 而易举就可以做到，其中的差别就在于非凡 信念。影响我们人生的绝不仅仅是环境，其 是心态在控制个人的行动和思想。同时，心 也决定了一个人的视野和成就，甚至一生无 你觉得自己多么了不起，也永远有人比更强
进行改革；
• 按照“四要素”原则重新构建材料科学与
工程的大材料学科。
13
基本性能效能
ba
受环境影响 （气氛 温度
受力状态）
成合分成/制备
组织结构
制备与 加工
结构效/能成分 (使用性能)
性质
理论及材料 与工艺设计
材料科学与工程的内涵
14
材料科学与工程的形成和发展 材料科学与工程
使用
材
料
四 加工
科
要 素 性能
6
材料科学与工程的形成和发展
材料科学与工程的形成与发 展，反映了学科发展从细分 到整合（综合）的基本规律。
7
材料科学与工程的形成和发展
材料科学与工程导论
(16.15)
Ect=EmEf/(VmEf+VfEm)
=EmEf/[(1-Vf)Ef+VfEm] 例题16.2
(16.16)
假设例题16.1中，应力变为轴向加载，计 算复合材料轴向弹性模量
材料科学与工程导论
轴向拉伸强度：
连续、取向纤维-增强复合材料轴向加载， 强度是应力-应变曲线上最大应力（图 16.9b）,对应于纤维断裂，而且标志着复 合材料失效的起始点。表17.1 列出了三种 普通纤维复合材料的轴向和横向拉伸强度 值。这种类型复合材料的失效是一个相对 复杂的过程，而且几种失效模式都有可能。 对一种具体的复合材料，起用那种模式由 纤维和基体的特性以及纤维-基体界面键 合的本质和强度决定。
材料科学与工程导论
图16.9 (a) 脆性纤维和延性基体材料的应力-应 变曲线；(b)取向排列增强复合材料的应力应变 曲线，单轴应力沿取材向料科学排与工程列导论方向施加。
当纤维开始断裂时，复合材料失效开始 启动，这对应于图16.9b 中应变大约为εf* 点。由于下面几个原因，复合材料失效 不是灾难性的。首先并不是所有的纤维 同时断裂，因为脆性纤维材料的断裂强 度总有差别。其次，即使纤维断裂后， 基体仍然完整，因为εf*<εm*（图16.9a）。 因此这些断裂的纤维比原来的长度短， 仍然镶嵌在完整的基体内，因而当基体 继续塑性变形时，能够承受减弱的载荷。
材料科学与工程导论
如果我们假设εf*<εm*图16.9a （这是通常的 情形），那么纤维先于基体失效。一旦纤
维断裂后，纤维承受的绝大部分载荷将传
递给基体，如果这种情形属实，可以将这
种类型复合材料的应力表达式16.7 改编成下
面的复合材料轴向强度表达式，σcl* ：
华科-工程材料学-思维导图 十.选材及设计
弹簧(弹簧钢)
下料+压力成型+淬火+中温回火+喷丸强化
轴类(调质钢)
下料+锻造+正火+加工+调质+喷丸+精加工
零件的失效 十.选材及设计
选材原则 例子
设计不当
失效原因
选材不当 加工不当
类别错误 质量不过关 淬火不当 回火不当
安装与使用不当
过量变形失效
弹性，刚度不足 塑性，屈服强度不够
塑性断裂(有先兆)，抗拉压强度不够
形式
断裂失效
脆性断裂(无先兆)，热处理不当，含杂质 疲劳断裂，裂纹敏感性高(喷丸处理)
蠕变断裂
表面损伤失效(磨损，接触疲劳，腐蚀)
力学性能
一般原则
工ห้องสมุดไป่ตู้性能
经济性
程序，工作条件，失效形式，抗力指标，多种 候选材料，工艺性和经济性
机床齿轮(调质钢)
锻造+正火/等温退火+粗加工+调质+精加工 +表面高频淬火，低温回火/渗氮+精磨
汽车变速齿轮(渗碳钢)
下料+锻造+正火+加工+渗碳+淬火，低温回火 +喷丸+磨削加工
材料科学基础第9章附图
**
图6.29 成分起伏随时间 而增大的示意图
**
图6.20 Al-Cu合金130℃时效的硬度变化
**
图6.9 Al-4.5Cu合金中的G.P.区结构模型
**
图6.11 Al-Cu合金θ″相、θ′相合θ相的结构
**
图6.14 合金非连续脱溶的成分特点(a) 及胞状脱溶物示意图(b)
≤±2%
电光转换效率
≥20%
一次充气 运行时间
≥24h
运转噪音
≤65dB
光束直径
25mm，（窗口）
光束发散角
≤3mrad
光束指向 稳定性
<0.2mrad
电力配置
额定输出功率时总电力60KVA， 三相380V±10%四线配置。
工作气体及 气体消耗
不足或膨胀系数不协调而造成的涂层开裂和剥落现象。离子注入 的缺点是注 入层较浅(通 常≯1μm) ， 也不能处理 复杂工件的 凹腔表面。 离子注入 装置如图2.4 所示。 离子注入 有缺点比较 见表2.2。
3.激光加热真空蒸镀 图3.3是激光加热真空蒸镀装置示意图。 通过透过窗 将高能密度的激 光束引入到真空 室内，在蒸发材 料表面聚焦后， 是材料的表层瞬 间气化。利用激 光法，可蒸镀 Al2O3 、MgO、 石墨等难以蒸发 的物质。 为保证材料 均匀蒸发，防止
2. DC三极、四极离子溅射 三极或四极溅射(右图)是 以DC二极溅射为基础, 在真 空室内设置热阴极。由于热 阴极能够产生足够的电子， 因此可在较低电压( 0-2kV ) 和低真空(1.33×10-1至6.65× 10-2Pa)条件下完成溅射镀膜。 DC二极、三极或四极溅 射装置,只能用于导电性靶材的溅 射镀膜。如果用高频(13.56MHZ) 电源取代直流电源(右下图)，利用 离子和电子的移动速度差, 在绝缘 性靶材表面感应形成负偏压, 即可 对绝缘性靶材溅射镀膜。
图6.29 成分起伏随时间 而增大的示意图
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图6.20 Al-Cu合金130℃时效的硬度变化
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图6.9 Al-4.5Cu合金中的G.P.区结构模型
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图6.11 Al-Cu合金θ″相、θ′相合θ相的结构
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图6.14 合金非连续脱溶的成分特点(a) 及胞状脱溶物示意图(b)
≤±2%
电光转换效率
≥20%
一次充气 运行时间
≥24h
运转噪音
≤65dB
光束直径
25mm，（窗口）
光束发散角
≤3mrad
光束指向 稳定性
<0.2mrad
电力配置
额定输出功率时总电力60KVA， 三相380V±10%四线配置。
工作气体及 气体消耗
不足或膨胀系数不协调而造成的涂层开裂和剥落现象。离子注入 的缺点是注 入层较浅(通 常≯1μm) ， 也不能处理 复杂工件的 凹腔表面。 离子注入 装置如图2.4 所示。 离子注入 有缺点比较 见表2.2。
3.激光加热真空蒸镀 图3.3是激光加热真空蒸镀装置示意图。 通过透过窗 将高能密度的激 光束引入到真空 室内，在蒸发材 料表面聚焦后， 是材料的表层瞬 间气化。利用激 光法，可蒸镀 Al2O3 、MgO、 石墨等难以蒸发 的物质。 为保证材料 均匀蒸发，防止
2. DC三极、四极离子溅射 三极或四极溅射(右图)是 以DC二极溅射为基础, 在真 空室内设置热阴极。由于热 阴极能够产生足够的电子， 因此可在较低电压( 0-2kV ) 和低真空(1.33×10-1至6.65× 10-2Pa)条件下完成溅射镀膜。 DC二极、三极或四极溅 射装置,只能用于导电性靶材的溅 射镀膜。如果用高频(13.56MHZ) 电源取代直流电源(右下图)，利用 离子和电子的移动速度差, 在绝缘 性靶材表面感应形成负偏压, 即可 对绝缘性靶材溅射镀膜。
材料科学工程导论m
Ms = N ’ μB N ’ = nB/Vc 8 x 4 = 32
Ms = 5.0 x 105 A/m
設計例21.1 設計Ms 為 5.25 x 105 A/m磁石材料 nB = 33.45 Bohr magneton 8 [ 5 + 4 (1-x)] = 33.45 x = 0.181 用Mn取代
B = μ0 H +μ0 M =μ0 (1 +χm)
B = μH =μrμ0 H
χm = μr –1
磁矩來源 磁性由電子磁矩而來 軌道運動 自旋
最基本磁矩：Bohr磁子（ magneton）μB
Pauli soon introduced the atomic magneton and named it after Niels Bohr.（1925）
第二十一章 磁性（magnetic properties）
磁偶極 (magnetic dipole) 磁場向量
磁矩來源 (magnetic moment) 反磁與順磁 (dia-, para-) 鐵磁、反鐵磁與亞鐵磁 (ferro-, antiferro-, ferri-)
溫度對磁性影響 磁區 (domain) 與磁滯 (hysteresis) 軟磁材料 (soft-) 硬磁材料 (hard-) 高能硬磁材料 磁儲存、超導性
磁：慈石
十二世紀：中國人航海
十八世紀：Coulomb研究磁石作 用
1820：Oersted（1777-1851）， 電流偏折磁針
電荷使電場扭曲（distortion）： 磁場
磁場是電場相對論性質副產品
磁性
發電機、變電器、馬達、收音機 、電視、電話、計算機、視聽系 統
鐵、某些鋼鐵、天然磁石
Ms = 5.0 x 105 A/m
設計例21.1 設計Ms 為 5.25 x 105 A/m磁石材料 nB = 33.45 Bohr magneton 8 [ 5 + 4 (1-x)] = 33.45 x = 0.181 用Mn取代
B = μ0 H +μ0 M =μ0 (1 +χm)
B = μH =μrμ0 H
χm = μr –1
磁矩來源 磁性由電子磁矩而來 軌道運動 自旋
最基本磁矩：Bohr磁子（ magneton）μB
Pauli soon introduced the atomic magneton and named it after Niels Bohr.（1925）
第二十一章 磁性（magnetic properties）
磁偶極 (magnetic dipole) 磁場向量
磁矩來源 (magnetic moment) 反磁與順磁 (dia-, para-) 鐵磁、反鐵磁與亞鐵磁 (ferro-, antiferro-, ferri-)
溫度對磁性影響 磁區 (domain) 與磁滯 (hysteresis) 軟磁材料 (soft-) 硬磁材料 (hard-) 高能硬磁材料 磁儲存、超導性
磁：慈石
十二世紀：中國人航海
十八世紀：Coulomb研究磁石作 用
1820：Oersted（1777-1851）， 電流偏折磁針
電荷使電場扭曲（distortion）： 磁場
磁場是電場相對論性質副產品
磁性
發電機、變電器、馬達、收音機 、電視、電話、計算機、視聽系 統
鐵、某些鋼鐵、天然磁石
有机硅材料基础
本书还探讨了有机硅材料的应用领域。由于其优异的性能和广泛的适用性，有机硅材料在许多领 域都有广泛的应用。例如，在航空航天领域，有机硅材料可用于制造高温部件；在电子领域，有 机硅材料可用于制造电子元件和电路板；在建筑领域，有机硅材料可用于防水、保温和装饰。通 过本书的介绍，读者可以深入了解有机硅材料的各种应用，为其在相关领域的应用提供指导和借 鉴。
从目录的编排上来看，这本书采用了典型的章节式结构，将内容分为若干个 主题进行深入探讨。每一章节都配有简短的标题，使得读者可以快速了解该章节 的主题。这种结构使得全书内容层次分明，易于阅读和学习。
从目录的内容上来看，这本书涵盖了有机硅材料的各个方面。它从基本概念 入手，介绍了有机硅材料的定义、分类和基本性质。随后，深入探讨了有机硅材 料的合成方法和反应机理，为读者提供了丰富的理论知识。这本书还详细介绍了 有机硅材料在各个领域的应用，包括高分子材料、橡胶、塑料、纤维、涂料等领 域，充分展示了有机硅材料的广泛用途和重要价值。
这本书的内容丰富，从基础理论出发，对有机硅材料进行了全面而系统的介 绍。作者朱晓敏和章基凯以他们在德国亚琛工业大学的研究和教学经验为基础， 结合国内实际情况，将复杂的专业知识以通俗易懂的方式呈现出来。
阅读这本书，让我对有机硅材料有了更为深入的了解。尤其是书中的第5～8 章，对硅油、硅橡胶、硅树脂和硅烷偶联剂这四大类产品的生产、性能和应用进 行了详尽的阐述。这些内容不仅让我知道了有机硅材料的各种特性和用途，更让 我看到了它们在现实生活和工业生产中的广泛应用。
这段摘录列举了有机硅材料在各个领域的应用，展现了有机硅材料的广泛应 用前景。
“随着科技的不断发展，有机硅材料的应用领域也在不断拓展。未来，随着 人们对环保和可持续发展的要求越来越高，有机硅材料作为一种绿色、环保的材 料，将在更多领域得到应用和发展。”
华科-工程材料学-思维导图 二.材料的晶体结构
晶面
标定(晶向指数)，方括号，无逗号，负号置上， 相互平行，方向一致
晶向族(方向不同的晶向同等)，任意交换指数 位置和符号
标定(晶面指数)，圆括号，无逗号，负号置上， 相互平行
晶面族，大括号，任意交换指数位置和符号
α-Fe
原子数，2
点阵常数，a
原子半径，√3*a/4
BCC
配位数，8
致密度，0.68
密排方向，<111>，1.16/a
原子半径，a/2
配位数，12
致密度，0.74
原子半径，
致密度，
概念
配位数，
晶向原子密度
晶面原子密度
概念
单晶体(一个晶粒)(各向同性)，多晶体(各向异 性)晶Biblioteka ，晶界(不一定平整)组织，相
空位
点缺陷
间隙原子
置换原子
晶体缺陷
线缺陷
位错，正常排列的晶体中，某一部分多了一层 或少了一层
附近有晶格畸变
特点
异类原子密度高于平均值 位错可以移动(塑性变形的原因)
基本知识 二.材料的晶体结构
特点
晶体结构，三维空间有序排列的特征
晶格，
基本概念
晶胞，晶格中的最小立体单元(一般为平行六 面体)
晶格常数，三棱边长度，a,b,c
晶系(7个)(14个不拉菲点阵)
简单晶系和复杂晶系。区分，只有角点有一个 原子
角顶原子(1/8)，面上原子(1/2)，胞内原子(1)
晶向 晶向与晶面指数
可以与异类原子，位错作用
面缺陷(形式为晶界，亚晶界)
密排面，{110}，1.4/a^2
注，密排方向是晶向族，密排面是晶面族
Ag,Au
原子数，4
标定(晶向指数)，方括号，无逗号，负号置上， 相互平行，方向一致
晶向族(方向不同的晶向同等)，任意交换指数 位置和符号
标定(晶面指数)，圆括号，无逗号，负号置上， 相互平行
晶面族，大括号，任意交换指数位置和符号
α-Fe
原子数，2
点阵常数，a
原子半径，√3*a/4
BCC
配位数，8
致密度，0.68
密排方向，<111>，1.16/a
原子半径，a/2
配位数，12
致密度，0.74
原子半径，
致密度，
概念
配位数，
晶向原子密度
晶面原子密度
概念
单晶体(一个晶粒)(各向同性)，多晶体(各向异 性)晶Biblioteka ，晶界(不一定平整)组织，相
空位
点缺陷
间隙原子
置换原子
晶体缺陷
线缺陷
位错，正常排列的晶体中，某一部分多了一层 或少了一层
附近有晶格畸变
特点
异类原子密度高于平均值 位错可以移动(塑性变形的原因)
基本知识 二.材料的晶体结构
特点
晶体结构，三维空间有序排列的特征
晶格，
基本概念
晶胞，晶格中的最小立体单元(一般为平行六 面体)
晶格常数，三棱边长度，a,b,c
晶系(7个)(14个不拉菲点阵)
简单晶系和复杂晶系。区分，只有角点有一个 原子
角顶原子(1/8)，面上原子(1/2)，胞内原子(1)
晶向 晶向与晶面指数
可以与异类原子，位错作用
面缺陷(形式为晶界，亚晶界)
密排面，{110}，1.4/a^2
注，密排方向是晶向族，密排面是晶面族
Ag,Au
原子数，4
华科-工程材料学-思维导图-三.材料的凝固与相图
长大
分类
树枝状(非均匀)，存在杂质或成分过冷，不均 匀散热
结晶过程
等轴状(对称长大)，纯度高，凝固时不断地液 体补充
单位面积晶粒数量，1-8级
晶粒越细，强度越高，塑，韧性越好
晶粒大小
影响因素(形核率，长大速度)
过冷度，越大越细 杂质，细化晶粒 凝固条件(机械振动，超声波振动，细化晶粒)
加变质剂(孕育剂)
三.材料凝固与相图
晶体(有明显的熔点)，非晶体
基本概念
影响因素
粘度，越大越难成为晶体 冷却速度，越大越难成为晶体
过冷曲线，t-T
过冷过Biblioteka ，低于理想结晶温度才结晶过冷度
结晶条件
能量条件 结构条件
液体的自由能和固体有交点 过冷度越大，ΔG越大，驱动力越大 结构遗传性 一定条件下(尺寸大于临界尺寸)有晶核
工艺性能
铸造，共晶成分或纯金属(塑性好) 锻造，单相固溶体(晶粒细，塑性好)
合金的形式
相，化学成分和晶体结构均相同的组成成分， 分为固溶体与化合物
组织，微观相貌
合金的结晶 相
固溶体
间隙固溶 置换固溶
正常价化合物
金属间化合物
电子化合物 间隙化合物
性能，高硬，高脆，高熔
相图。成分，(P,T)，相之间的关系
二元相图，仅含两个组元的合金体系对应相图
如何建立，热分析法
匀晶相图，合金的二组元在液态和固态均无限 互溶，凝固时发生匀晶反应(液体直接结晶成 固溶体)
杠杆定律
相的成分确定 相的质量之比
液体无限互溶，固体有限互溶
合金相图
二元相图
二元共晶相图
共晶反应，从液体直接析出两种固溶体，形成 交替的片层组织
生物学的思维方式：第9版
总体来看，《生物学的思维方式：第9版》这本书的目录具有以下几个特点：
该目录的顺序结构有助于学生按照一个有逻辑的顺序来学习生物学知识，从而 使学生能够更好地理解和掌握各个知识点之间的。
该目录体现了生物学的全面性和交叉性。从分子生物学到生态学，从基础理论 到实际应用，这本书的目录涵盖了生物学各个领域的核心内容，并强调了不同 领域之间的。这有助于学生形成全面的生物学观念，培养综合思考问题的能力。
目录分析
《生物学的思维方式：第9版》是一本享誉全球的生物学经典教材，它的内容 涵盖了生物学的基础概念、理论和前沿研究。这本书的目录经过精心设计，旨 在帮助学生逐步建立对生物学的全面理解。
这本书的目录结构非常清晰，分为四大部分：导论、细胞与分子生物学、个体 生物学和生态学与保护生物学。每个部分都包含若干章节，每个章节的主题都 具有明确的关联性，使得读者能够系统地理解和掌握生和探究分析能力。在每个章节中都设计了 趣味拓展阅读，这些阅读材料不仅增加了阅读的趣味性，还有助于读者深入了 解生物学的前沿知识和研究方法。例如，在植物学部分，通过介绍植物的光合 作用和呼吸作用等过程，引导读者思考人类如何利用这些生物学原理来提高农 业生产效率和生活质量。
本书的另一个亮点是它强调了生物学与其他学科的交叉融合，如物理学、化学、 数学、地理学、计算机科学等。这使得读者能够理解生物学并非孤立的学科， 而是需要与其他学科进行广泛和深入的交流，以推动人类对生命世界的理解。
在阅读过程中，我深刻体验到了这本书的深度和广度。作者不仅详细阐述了各 种生物学概念和技术，还通过引人入胜的案例和故事，使这些抽象的生物学知 识变得生动有趣。本书还提供了大量的思考题和
再者，该目录反映了生物学的最新研究成果和前沿领域。例如，新版教材增加 了对基因编辑技术、生物信息学、生态恢复等领域的研究进展的介绍，这有助 于学生了解生物学领域的最新发展动态。