上海交通大学材料科学基础pptppt课件 47页PPT
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上海交通大学 材料科学基础pptch5-1
3、弹性滞后 由于应变落后于应力,在应力-应变 曲线上使得加载线与卸载线不重合而形 成一封闭回线,称为弹性滞后。
5.1.4粘弹性 5.1.4粘弹性
粘性流动: 粘性流动:是指非晶态固体和液体在很小的外 力作用下,就会发生没有确定形状的流变, 力作用下,就会发生没有确定形状的流变,而 且在外力去除后,形变不能回复。 且在外力去除后,形变不能回复。 牛顿粘性流动定律: σ=η·dε/dt 牛顿粘性流动定律: σ=η dε/dt 粘弹性具有弹性和粘性变形两方面的特征, 粘弹性具有弹性和粘性变形两方面的特征,它 是高分子材料的重要力学性能之一。 是高分子材料的重要力学性能之一。其特点是 应变落后于应力。 应变落后于应力。其σ—ε曲线为一回线,回 ε曲线为一回线, 线所包含面积即为内耗。 线所包含面积即为内耗。 粘弹性模型: 粘弹性模型: Maxwell模型 应力松弛( 模型—应力松弛 relaxation) Maxwell模型 应力松弛(stress relaxation) Voigt模型 蠕变回复、弹性后效、 模型—蠕变回复 Voigt模型 蠕变回复、弹性后效、弹性记忆
5.1 弹性和黏弹性
5.1.1弹性变形的本质 5.1.1弹性变形的本质
弹性变形: 弹性变形:是指外力去除后能够完全回复 的那部分变形, 的那部分变形,可以从原子间结合力的角 度来了解它的物理本质。如下图所示。 度来了解它的物理本质。如下图所示。
5.1.2弹性变形的特征和弹性模量 弹性变形的特征 (1) 理想的弹性变形是可逆变形 在弹性变形范围内, (2) 在弹性变形范围内,应力和应变间服从虎 克定律。 克定律。 σ= Eε τ= Gγ /[2 G = E /[2(1-ν)] /[3 K = E /[3(1-2ν)] 式中τ 分别为切应力、 式中 τ 、 γ—分别为切应力 、 切应变 , K—体弹 分别为切应力 切应变, 体弹 性模量、 性模量、v—泊松比 泊松比
上海交大-材料科学基础-第二章-1
晶面的位向
h : k : l cos : cos : cos
cos2 cos2 cos2 1 立方晶系
晶面间距
dhkl
a h
cos
b h
cos
c h
cos
d
2hkl [(
h a
)2
( h )2 b
( h )2 ] c
cos2
cos2
cos2
式中h、k、l为晶面指数(hkl),a、b、c为 点阵常数,α、β、γ为晶面法线方向与晶轴夹角。
每个原子周围的情况完全相同,则这种原子所组成的
网格称为简单晶格。
复式晶格:如果晶体由两种或两种以上原子组成,同 种原子各构成和格点相同的网格,网格的相对位移而 形成复式晶格。
cc
金刚石结构
2.1.2 晶向指数和晶面指数
晶列:布拉菲格子的格点可以看成是分布在一系列相 互平行的直线上,而无遗漏,这样直线称为晶列;
uvw 放入方括号内,写成[uvw],即为待标定晶向的晶 向指数。若为负值,则在指数上加一负号。(化整数, 列括号)
xa : yb : zc u :v : w abc
立方晶系中一些常用的晶向指数
例:如图在立方体中, a i , b j , c k
方法2
D是BC的中点,求BE,AD的晶列指数
第二章 固体结构
本章主要内容
❖ 2.1晶体学基础 ❖ 2.2金属的晶体结构 ❖ 2.3合金相结构 ❖ 2.4离子晶体结构 ❖ 2.5共价晶体结构
概述
❖ 物质按聚集状态分类: 气态、液态和固态; ❖ 按原子(或分子)排列特征分类:晶体和非晶体。
绝大部分陶瓷、少数高分子材料、金属及合金是晶体; 多数高分子材料、玻璃及结构复杂材料是非晶体。
材料科学基础完整ppt课件
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的,应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失,增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
离子% 结 )= [-1 e 合 -1 4(X A 键 X B )( 2 1% 00
另一种混合键表现为两种类型的键独立 纯在例如一些气体分子以共价键结合,而 分子凝聚则依靠范德瓦力。聚合物和许多 有机材料的长链分子内部是共价键结合, 链与链之间则是范德瓦力或氢键结合。石 墨碳的上层为共价键结合,而片层间则为 范德瓦力二次键结合。
.
5
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的,应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失,增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
八.材料科学研究的内容:材料结构的基础知识、
晶体结构、晶体缺陷、材料的相结构及相图、材
料的凝固、材料中的原子扩散、热处理、工程材
料概论等主要内容。 .
子,因此,它们都是良好的电绝缘体。但当
.
16
处在
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的,应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失,增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
高温熔融状态时,正负离子在外电场作用 下可以自由运动,即呈现离子导电性。
2.共价键
(1)通过共用电子对形成稳定结构
.
13
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的,应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失,增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
三.结论
1.原子核周围的电子按照四个量子数的规定 从低能到高能依次排列在不同的量子状态 下,同一原子中电子的四个量子数不可能 完全相同。
上海交通大学 材料科学基础第三章 晶体缺陷ppt课件
ppt课件 23
混合位错
混合位错:滑移矢量既不平行业不垂直于位错线, 而是与位 错线相交成任意角度。 一般混合位错为曲线形式, 故每一点的滑移矢量 式相同的, 但其与位错线的交角却不同。 ppt课件
24
各种位错的柏氏矢量
ppt课件
25
柏氏矢量的物理意义
1。反映位错周围点阵畸变的总积累(包括强度 和取向) 2。 该矢量的方向表示位错运动导致晶体滑移 的方向, 而该矢量的模表示畸变的程度称为位 错的强度。 (strength of dislocation)
ppt课件
G tm 0.1G 2
13
t m 0.01 0.1G
计算中的假设
• 1。完整晶体,没有缺陷 • 2。整体滑动 • 3。正弦曲线(0.01-0.1G)
问题出在假设1和2上!应是局部滑移!
日常生活和大自然的启示=〉
ppt课件 14
有缺陷晶体的局部滑动
小宝移大毯!
毛毛虫的蠕动
面缺陷 (plane defect) 在一个方向上尺寸很小
ppt课件 二维缺陷 (two-dimensional defect) 3
课程安排
点缺陷 课 程 安 排 (第1周)
位错几何 (第1、2周)
位错力学
(第2周)
位错运动、实际晶体中的位错(第3、4周) 表面与界面 (第4、5周) 课堂讨论 (第5周)
Ee e W
Ees
m e
R
r
x z dr t dx
0 r r
b
R
b
0
Gx Gb 2 R zdr x dx ln 2 1 4 1 r0
Gb R ln 4 r0
e e s e
混合位错
混合位错:滑移矢量既不平行业不垂直于位错线, 而是与位 错线相交成任意角度。 一般混合位错为曲线形式, 故每一点的滑移矢量 式相同的, 但其与位错线的交角却不同。 ppt课件
24
各种位错的柏氏矢量
ppt课件
25
柏氏矢量的物理意义
1。反映位错周围点阵畸变的总积累(包括强度 和取向) 2。 该矢量的方向表示位错运动导致晶体滑移 的方向, 而该矢量的模表示畸变的程度称为位 错的强度。 (strength of dislocation)
ppt课件
G tm 0.1G 2
13
t m 0.01 0.1G
计算中的假设
• 1。完整晶体,没有缺陷 • 2。整体滑动 • 3。正弦曲线(0.01-0.1G)
问题出在假设1和2上!应是局部滑移!
日常生活和大自然的启示=〉
ppt课件 14
有缺陷晶体的局部滑动
小宝移大毯!
毛毛虫的蠕动
面缺陷 (plane defect) 在一个方向上尺寸很小
ppt课件 二维缺陷 (two-dimensional defect) 3
课程安排
点缺陷 课 程 安 排 (第1周)
位错几何 (第1、2周)
位错力学
(第2周)
位错运动、实际晶体中的位错(第3、4周) 表面与界面 (第4、5周) 课堂讨论 (第5周)
Ee e W
Ees
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b
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e e s e
材料科学基础 (上海交通大学)PPT课件
注:计算时过渡族元素时价电子数视为0。
电子浓度、相、结构对应关系如下:
C电子==7/4(即21/12) ε 密排六方结构
C电子==21/13
γ 复杂立方结构
C电子==3/2(即21/14) β 体心立方结构
β-Mn 复杂立方或密排六方结构
电子价化合物具有金属特性,具有高熔点、高硬度但塑性低,与固 溶体适当搭配使合金得到强化最,作新课为件 非Fe合金中重要组成相。 28
特点: ①由配位数为12、14、15、16的配位多面体堆垛而
成; ②呈层状结构。 类型:①Lavs相
②σ相
最新课件
33
Lavs相
形成的条件:
(1)原子尺寸因素。A原子半径略大于B原子,其 理论值为rA/rB=1.255,而实际比值约在 1.05~1.68之间;
(2)电子浓度。一定的结构类型对应着一定的电 子浓度。 Lavs相形晶体结构有三种类型。典型 代表为MgCu2、MgZn2、MgNi2,与电子浓 度对应关系见表2.12(P52)
最新课件
25
2.3.2 中间相
➢ 中间相是合金组元间发生相互作用而形成的一 种新相,它可以是化合物,也可以是以化合物为基 的固溶体(二次固溶体),一般可以用化学分子式 来表示,但不一定符合化合价规律。
➢ 中间相中原子的结合方式为金属键与其它结合 键相混合的方式。它们都具有金属特性。
➢ 中间相如:钢中Fe3C、铝铜合金中CuAl、黄 铜中CuZn、半导体中GaAs、形状记忆合金中 NiTi和CuZn、核反应堆材料中Zr3Al、储氢能 源材料中LaNi5等。
结构。例如:A2B型 Mg2Pb Mg2Sn Mg2Ge Mg2Si AB型 MgS MnS FeS
正常价化合物在常温时有很高的硬度和脆性。在工业合金中,能 起到提高材料强度和硬度的作用,称为强化相。如Al-Mg-Si 合金中Mg2Si;但有时也是有害相,如钢中FeS会引起钢的脆性。
上海交通大学_材料科学基础第六章_ppt课件
• 从一种相转变为另一种相的过程称为相变(phase transformation)。若转变前后均为固相,则成为固态相变 (solid-solid phase transformation )。 • 从液相转变为固相的过程称为凝固(solidification)。若凝固 后的产物为晶体称为结晶(crystallization)。
• 合金系(alloy system):由给定的组元可以以不同比例 配制成一系列成分不同的合金,这一系列合金就构成一 个合金系统。二( 三、多)元系。 • 相(phase):合金中结构相同、成分和性能均一并以界 面分开的组成部分。单(双、多)相合金。
Page 4
6.1单元系相变热力学及相平衡
Page 5
所示:
Page 15
Page 16
Page 17
位移型相变(Displasive transformation)和 重建型相变(Reconstructive transformation)
– 只适用于热力学平衡状态,各相温度相等(热量平衡)、各相压 力相等(机械平衡)、各相化学势相等(化学平衡)。 – 只表示体系中组元和相的数目,不能指明组元和相的类型和含量 。 – 不能预告反应动力学(即反应速度问题)。 – f ≥0
Page 9
6.1.2 单元系相图
单元系相图是通过几何图形描述由单一组元构成的体系在不同温度和压 力条件下所可能存在的相及多相的平衡。 现以水为例说明单元系相固的表示和测定方法:
同素(分)异构转变时的体积变化很小,故固相线几乎是垂直的。
Page 14
有些物质稳定相形成需要很长的时间,在稳定相形成前,先
形成自由能较稳定相高的亚稳相,这称为Ostwald阶段,即 在冷却过程中相变顺序为
上海交大材料科学基础3固体中的扩散PPT课件
理化学过程与其有关,因此,扩散成为材料科学的主 要内容之一。
扩散的分类
(1)根据有无浓度变化 自扩散:原子经由自己元素的晶体点阵而迁移的扩散。 (如纯金属或固溶体的晶粒长大。无浓度变化。) 互扩散:原子通过进入对方元素晶体点阵而导致的扩散。 (有浓度变化)
(2)根据扩散方向 下坡扩散:原子由高浓度处向低浓度处进行的扩散。 造成浓度均匀化 上坡扩散:原子由低浓度处向高浓度处进行的扩散。 造成浓度差异
t3 t2 t1 C2
限 长
不同时刻
问
边 界 条 件 : t≥0 时 ,
扩散元素
题
浓度分布曲线
及
x=∞,C=C1,
t1< t2< t3
其 解
C1
x=-∞, C=C2
0
x
令 则
,x 代入
Dt c dc
c D 2 c
t
x 2
x dc
t dt 2 Dt3/2 d
c x
ddcxddc
1 Dt
2c ;;;;;;x2
(3) Fick第二定律的解
非稳态扩散方程是偏微分方程,解的形 式与边界条件、初始条件等有关。 一般需要数值求解; 但是,在边界条件、初始条件较简单时, 可以求出解析解。
误差函数解
设扩散系数D是常数;
初始条件:t=0时,
C 2>C 1的 扩 散 偶
A
C2
C1
B
x>0,C=C1,
扩散方向
一
维
C
无
x<0, C=C2
均匀化退火
C
若要将浓度起伏降低 C max
到原来的1/100,
C m ean
即
扩散的分类
(1)根据有无浓度变化 自扩散:原子经由自己元素的晶体点阵而迁移的扩散。 (如纯金属或固溶体的晶粒长大。无浓度变化。) 互扩散:原子通过进入对方元素晶体点阵而导致的扩散。 (有浓度变化)
(2)根据扩散方向 下坡扩散:原子由高浓度处向低浓度处进行的扩散。 造成浓度均匀化 上坡扩散:原子由低浓度处向高浓度处进行的扩散。 造成浓度差异
t3 t2 t1 C2
限 长
不同时刻
问
边 界 条 件 : t≥0 时 ,
扩散元素
题
浓度分布曲线
及
x=∞,C=C1,
t1< t2< t3
其 解
C1
x=-∞, C=C2
0
x
令 则
,x 代入
Dt c dc
c D 2 c
t
x 2
x dc
t dt 2 Dt3/2 d
c x
ddcxddc
1 Dt
2c ;;;;;;x2
(3) Fick第二定律的解
非稳态扩散方程是偏微分方程,解的形 式与边界条件、初始条件等有关。 一般需要数值求解; 但是,在边界条件、初始条件较简单时, 可以求出解析解。
误差函数解
设扩散系数D是常数;
初始条件:t=0时,
C 2>C 1的 扩 散 偶
A
C2
C1
B
x>0,C=C1,
扩散方向
一
维
C
无
x<0, C=C2
均匀化退火
C
若要将浓度起伏降低 C max
到原来的1/100,
C m ean
即
材料科学基础Powerpoint(上交大)第一章 原子排列03
5
二、线缺陷
6/10/2021
西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编
6
原子面整体滑移——塑变
发现问题
理论强度远大于实测值
促使
探求新理论——位错理论
核心
位错逐排依次运动——塑变
结果
计算强度值 实测值
6/10/2021
西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编
7
1. 位错基本类型
1 1 cos2
,
为混合位错的位错线与b 夹角
6/10/2021
西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编
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(a)比较
wE
wS
(1 )
wE
1.5wS
其中: 0.3 ~ 0.4
wE > wS
(b)一般公式
w Gb2
其中:α为几何因素系数,约0.5~1.0
6/10/2021
西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编
部分原子获得足够高的能量
克服约束,迁移到新的位置
形成
空位、间隙原子
引起
局部点阵畸变
6/10/2021
西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编
2
2. 分类
➢肖脱基缺陷——原子迁移到表面——仅形成空位 ➢弗兰克缺陷——原子迁移到间隙中——形成空位-间隙对 ➢杂质或溶质原子——间隙式(小原子)或置换式(大原子)
6/10/2021
西北工业大学 材料科学基础CAI课件 王永欣主编
44
(3)位错应变能
单位长度螺位错应变能:
wS
(W L
)S
Gb2
4
ln
R r0
材料科学基础ppt课件
11
• 这类聚合物是由缩聚反应或开环聚合而成的, 因主链带极性,易水解,醇解或酸解
• 优点:耐热性好,强度高 • 缺点:易水解
• 这类聚合物主要用作工程塑料
12
元素高分子
➢主链中不含碳原子,而是由Si 、B 、As等元素和O元 素组成,但在侧链上含有有机取代基团。这类高分 子兼具无机和有机高分子特性,如有机硅高分子。
• 支化高分子的形式:星形(Star)、 梳形 (Comb)、无规(Random)
23
网状(交联)大分子
• 缩聚反应中有三个或三个以上官能 度的单体存在时,高分子链之间通 过支链联结成一个三维空间网形大 分子时即成交联结构
• 交联与支化有本质区别 支化(可溶,可熔,有软化点) 交联(不溶,不熔,可膨胀)
2
•
3-1 材料组成和结构的基本内容
Principal Contents of Materials Composition and Structures
• 材料的组成: 构成材料的基本单元的成分及数目
• 材料的结构: 材料的组成单元(即原子或分子)之间相互吸引 和相互排斥作用达到平衡时在空间的几何排列。
(2)
结构单元 的键接方式 ( 几何构型 Geometric
Configuration) (链节)
16
加聚
缩聚
• 由以上知:
• 由于高分子是链状结构,所以把简单重复(结构)单元称为“链节”(chains) • 简单重复(结构)单元的个数称为聚合度DP(Degree of Polymerization1
28
无 规 共 聚 ( random)
• 两种高分子无规则地平行联结
ABAABABBAAABABBAAA
• 这类聚合物是由缩聚反应或开环聚合而成的, 因主链带极性,易水解,醇解或酸解
• 优点:耐热性好,强度高 • 缺点:易水解
• 这类聚合物主要用作工程塑料
12
元素高分子
➢主链中不含碳原子,而是由Si 、B 、As等元素和O元 素组成,但在侧链上含有有机取代基团。这类高分 子兼具无机和有机高分子特性,如有机硅高分子。
• 支化高分子的形式:星形(Star)、 梳形 (Comb)、无规(Random)
23
网状(交联)大分子
• 缩聚反应中有三个或三个以上官能 度的单体存在时,高分子链之间通 过支链联结成一个三维空间网形大 分子时即成交联结构
• 交联与支化有本质区别 支化(可溶,可熔,有软化点) 交联(不溶,不熔,可膨胀)
2
•
3-1 材料组成和结构的基本内容
Principal Contents of Materials Composition and Structures
• 材料的组成: 构成材料的基本单元的成分及数目
• 材料的结构: 材料的组成单元(即原子或分子)之间相互吸引 和相互排斥作用达到平衡时在空间的几何排列。
(2)
结构单元 的键接方式 ( 几何构型 Geometric
Configuration) (链节)
16
加聚
缩聚
• 由以上知:
• 由于高分子是链状结构,所以把简单重复(结构)单元称为“链节”(chains) • 简单重复(结构)单元的个数称为聚合度DP(Degree of Polymerization1
28
无 规 共 聚 ( random)
• 两种高分子无规则地平行联结
ABAABABBAAABABBAAA
上海交通大学 材料科学基础ppt ch4
扩散是固体材料中的一个重要现象, 扩散是固体材料中的一个重要现象,它 和材料科学工程中的很多过程密切相关: 和材料科学工程中的很多过程密切相关: 1.铸件的凝固及均匀化退火 1.铸件的凝固及均匀化退火 2.冷变形金属的回复和再结晶 2.冷变形金属的回复和再结晶 3.陶瓷和粉末冶金的烧结 3.陶瓷和粉末冶金的烧结 4.材料的固态相变 4.材料的固态相变 5.高温蠕变 5.高温蠕变 6.材料的各种表面处理 6.材料的各种表面处理
分析:碳原子从内壁渗入,外壁渗出达到平衡时, 分析:碳原子从内壁渗入,外壁渗出达到平衡时,圆 筒内各处碳浓度不再随时间而变化, 筒内各处碳浓度不再随时间而变化,为稳态扩散 单位面积中碳流量,即扩散通量: 解:单位面积中碳流量,即扩散通量: J=q/(At)=q/( πrlt) J=q/(At)=q/(2πrlt) 圆筒总面积, 园筒半径及长度, A : 圆筒总面积 , r 及 l : 园筒半径及长度 , q : 通过 圆筒的碳量 根据Fick第一定律又有: Fick第一定律又有 根据Fick第一定律又有: J=q/(At)=q/( πrlt) J=q/(At)=q/(2πrlt) /dr) =-D( dρ/dr) 解得: πlt) /dlnr) 解得: q =-D (2πlt) ( dρ/dlnr) 式中, 可在实验中测得, 式中 , q 、 l 、 t 可在实验中测得 , 只要测出碳 含量沿筒径方向分布( 通过剥层法测出不同r 含量沿筒径方向分布 ( 通过剥层法测出不同 r 处的 碳含量) , 则扩散系数D 可由碳的质量浓度ρ 对 lnr 碳含量 ) 则扩散系数 D 可由碳的质量浓度 ρ 作图求得。作图结果见P132- 作图求得。作图结果见P132-4.1.
Fick第一定律应用- Fick第一定律应用-扩散系数的测定 第一定律应用 内容: 内容:
原版00-材料科学基础-上交PPT课件
原版00-材料科学基 础-上交ppt课件
目录
• 材料科学简介 • 材料的基本性质 • 材料制备与加工技术 • 材料性能测试与表征 • 材料的应用与发展趋势
01
材料科学简介
材料科学的定义与重要性
定义
材料科学是研究材料的组成、结 构、性能、加工和应用的一门跨 学科的综合性科学。
重要性
材料科学是现代工业、科技和国 防发展的重要基础,对国民经济 和社会发展具有重要意义。
建筑领域
利用材料建造房屋、桥梁等 建筑物,满足人类居住和工
作需求。
1
交通领域
制造汽车、飞机、船舶等交 通工具,实现人类出行和运
输货物的需求。
电子领域
制造电子设备、集成电路等 ,满足信息时代的需求。
医疗领域
利用生物材料和药物材料等 ,治疗疾病和改善人类健康 。
新型材料的发展趋势
01
高性能化
提高材料的力学性能、物理性能 和化学性能,满足高技术领域的
密度
表示材料的质量与体积之比,是材料的基本 物理属性。
热膨胀系数
描述材料在温度升高或降低时,其体积膨胀 或收缩的程度。
热导率
表示材料传导热量的能力,是保温材料的重 要指标。
折射率
光线在材料中传播的速度与在真空中的速度 之比,决定于材料的种类和状态。
材料的化学性质
稳定性
材料在化学环境中抵抗腐蚀、氧化等反应的能力。
原子力显微镜技术
利用原子力显微镜观察材料的表面形貌和粗 糙度等。
电子背散射衍射技术
利用电子背散射衍射分析材料的晶体取向和 相组成等。
X射线光电子能谱技术
通过X射线光电子能谱分析材料的化学组成 和价态等。
核磁共振技术
目录
• 材料科学简介 • 材料的基本性质 • 材料制备与加工技术 • 材料性能测试与表征 • 材料的应用与发展趋势
01
材料科学简介
材料科学的定义与重要性
定义
材料科学是研究材料的组成、结 构、性能、加工和应用的一门跨 学科的综合性科学。
重要性
材料科学是现代工业、科技和国 防发展的重要基础,对国民经济 和社会发展具有重要意义。
建筑领域
利用材料建造房屋、桥梁等 建筑物,满足人类居住和工
作需求。
1
交通领域
制造汽车、飞机、船舶等交 通工具,实现人类出行和运
输货物的需求。
电子领域
制造电子设备、集成电路等 ,满足信息时代的需求。
医疗领域
利用生物材料和药物材料等 ,治疗疾病和改善人类健康 。
新型材料的发展趋势
01
高性能化
提高材料的力学性能、物理性能 和化学性能,满足高技术领域的
密度
表示材料的质量与体积之比,是材料的基本 物理属性。
热膨胀系数
描述材料在温度升高或降低时,其体积膨胀 或收缩的程度。
热导率
表示材料传导热量的能力,是保温材料的重 要指标。
折射率
光线在材料中传播的速度与在真空中的速度 之比,决定于材料的种类和状态。
材料的化学性质
稳定性
材料在化学环境中抵抗腐蚀、氧化等反应的能力。
原子力显微镜技术
利用原子力显微镜观察材料的表面形貌和粗 糙度等。
电子背散射衍射技术
利用电子背散射衍射分析材料的晶体取向和 相组成等。
X射线光电子能谱技术
通过X射线光电子能谱分析材料的化学组成 和价态等。
核磁共振技术
材料科学基础上海交大版讲义绪论PPT课件
玻璃纤维增强高分子复合材料
• 现代航空发动机燃烧室 温度最高的材料就是通 过粉末冶金法制备的氧 化物粒子弥散强化的镍 基合金复合材料。很多 高级游艇、赛艇及体育 器械等是由碳纤维复合 材料制成的,它们具有 重量轻,弹性好,强度 高等优点。
航空发动机
Processing, Synthesis, And phase transformation
举例1 金刚石(钻石)和石墨,都是由碳原子组成,但前 者是自然界中最坚硬的固体,而后者却很软(因晶体结构 不同)。
举例2 同样长的一段铁丝和钢丝,经弯曲后发现铁丝易弯 曲,而钢丝不易弯曲,即塑性不同(因两者成分不同)。
举例3 两根锯条,同时加热(800℃),然后一根水冷,一 根空冷,用手折时,发现前者很脆,后者很韧(因组织不 同)。
4000年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜,到殷、商 时期,我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平。
司母戊鼎
河南安阳晚商遗址出土 青铜铸造 高133厘米 重875kg 饰纹优美
越王勾践剑
春秋晚期越国青铜兵器 出土于湖北江陵楚墓 长55.7厘米 剑锷锋芒犀利 锋能割断头发
古代剑刃制造中的特殊技术
梯
Titanic的沉没是必然还是偶然?
建造中的Titanic 号,可以看到船身上长长的焊缝
Titanic的沉没是必然还是偶然?
Titanic 号钢板(左图)和近代船用钢板(右图)的冲击试验结果
光学显微镜
人类对材料的认识是逐步深入的。
• 1863年,光学显微镜首次应用于 金属研究,诞生了金相学,使人 们能够将材料的宏观性能与微观 组织联系起来。
度
材
料
春秋战国时代的
古 已
青铜剑,剑身及
相关主题
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铝合金的主要应用领域如下:
01.09.2019
3
战机
舰船
导弹
高层 建筑
火箭
铝合金的 主要应用领域
战车
01.09.2019
人造 卫星
高速列车
汽车
4
塑料的应用
塑料水管
电线被覆
塑料膜
日常用品
01.09.2019
主机外壳
汽车侧板
5
2、什么是材料科学
材料科学是研究材料的成分、组织 结构、制备工艺、加工工艺、材料的性 能与材料应用之间的相互关系的科学。 材料科学是当代科学技术发展的基础、 工业生产的支柱,是当今世界的带头学 科之一。纳米材料科学与技术是20世 纪80年代发展起来的新兴学科,成为 21世纪新技术的主导中心。
《考工记》的精彩、经典之处在“金有六齐”。 “六分其金而锡居一,谓之钟鼎之齐;五分其金而锡 居一,谓之斧斤之齐;四分其金而锡居一,谓之戈戟 之齐;三分其金而锡居一,谓之大刃之齐;五分其金 而锡居二,谓之削杀矢之齐;金、锡半,谓之鉴(意 为镜)燧之齐。 ——成分——
凡铸金之状,金与锡,黑浊之气竭,黄白次之; 黄 白之气竭,青白次之; 青白之气竭,青气次之; 然 后可铸也。(炉火纯青) ——准确地记述了冶铜过程中颜色随炉温变化的规律。这种用
域。
01.09.2019
7
二、材料科学基础的地位
1、材料的发展史,就是人类社会的发展史 人类社会发展的历史阶段常常用当时主要使用的材料 来划分。从古代到现在人类使用材料的历史共经历了七 个时代,各时代的开始时间: 石器时代(公元前10万年) 青铜器时代(公元前3000年)(炉火纯青) 铁器时代(公元前1000年) 水泥时代(公元0年) 钢时代(1800年) 硅时代(1950年) 新材料时代(1990年)
无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗 酸盐等原料和(或)氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、 硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料。它与广义 的陶瓷材料有等同的含义。一般将其分为传统的(普通的)和新 型的(先进的)无机非金属材料两大类。
有机高分子材料(高聚物) 是由一种或几种简单低分子化合 物经聚合而组成的分子量很大的化合物。按材料的性能和用途可 将高聚物分为橡胶、纤维、塑料和胶粘剂等。
古代中国有: “日取其半,万世不竭” “道生一,一生二,二生三,三生万物”(《老子》); “以土与金、木、水、火杂以成百物”(《国语·正语》); “太极生两仪,两仪生四象,四象生八卦,八卦交而生万物” (《易经》)
01.09.2019
16
雪花 — “六出”、“六花”
宋(960-1279 A.D.)·楼钥,《谢林景思和韵》 黄昏门外六花飞,因倚胡床醉不知。 南朝·陈(557-589 A.D.)·徐陵,《咏雪》 岂苦天庭瑞,轻雪带风斜。三农喜盈尺,六出舞崇花。
设备
材料工程 工艺 结构 性能 构件行为
01.09.2019
24
3、 材料的分类
材料按化学组成(或基本组成)分类 根据材料的性能分类 材料按服役的领域来分类 材料按结晶状态分类 材料按材料的尺寸分类
01.09.2019
25
按化学组成(或基本组成)分类
金属材料是由化学元素周期表中的金属元素组成的材料。可 分为纯金属,由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素 构成的合金。
01.09.2019
8
石器时代( Stone Age):石斧、凿、刀、铲、箭头纺轮、钵等
01.09.2019
(西安半坡遗址)
9
青铜器时代(公元前3000年)
湖北江陵楚墓出土 越王勾践宝剑
巨型司母戊大方鼎(河 南安阳晚商遗址)
01.09.2019
10
《考工记》——成书于春秋时期 ,作为我国第一 部手工业工艺技术典籍,包含着大量的手工制作技术、 工艺过程及丰富的科技思想。
01.09.2019
14
2、材料的发展史,就是科学技术的发展史
中国的四大发明:纸、火药、指南针、活字印刷
表1 科学原理的发现时间与其产业化时间的对照
电机 真空管 无线电 X光 雷达 原子堆 半导体 激光
01.09.2019
原理 1821 1882 1887 1895 1935 1939 1948 1958
01.09.2019
21
微 观 纳介米观
(Micro-) (N(Maneos-o)-)
宏观
(Macro-)
10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 m
01.09.2019
22
2、材料科学与材料工程的关系
材料科学是一门以固体材料为研究对象,以固体物理、热力学、 动力学、量子力学、冶金、化工为理论基础的边缘交叉基础应用 学科,它运用电子显微镜、X-射线衍射、热谱、电子离子探针等 各种精密仪器和技术,探讨材料的组成、结构、制备工艺和加工 使用过程与其机械(力学性能)、物理、化学性能之间的规律的 一门基础应用学科,是研究材料共性的一门学科。
23
材料科学 :是一门科学,它从事与材料本质的发现、 分析和了解方面的研究,其目的在于提供材料结构的 统一描绘或模型,以及解释这种结构与性能之间的关 系。它包括下面的三个环节,核心是结构和性能。
材料科学
工艺 结构 性能
材料工程:是工程的一个领域,其目的在于经济地, 而又为社会所能接受地控制材料的结构、性能和形状。 它包括下面的五个环节。
Fire tetrahedron
Air octahedron
Earth cube
Water - 01.09.2019
Ether -
18
材料科学的发展过程
1669, N. Steno, 晶面角守恒定律
1885, A. Bravais, 晶体空间点阵学说
1912, M. Laue*, 晶体的X射线衍射
1915, W. H. Bragg and W. L. Bragg** X射线晶体结构分析方法
电子显微镜(SEM、TEM)
扫描探针显微术***(STM、AFM)
01.09.2019
19
三、学习料料科学基础的意义
1、材料科学的内涵
材料科学是一个跨物 理、化学等的学科。材 料科学的核心问题是材 料的组织结构 (Structure)和性能 (Property)以及它们 之间的关系。右图为材 料科学与工程四要素。 所以,先要了解材料的 结构是什么?
复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材 料组合而成。由一种连续相(基体相)和增强相复合而成,既能 保持原组成材料的重要特色,又通过复合效应使各组分的性能互 相补充,获得原组分不具备的许多优良性能。
01.09.2019
26
根据材料的性能分类
根据材料在外场作用下其性质或性能对外场的响 应不同,材料可分为结构材料和功能材料。
功能材料是以声,光,电,磁,热等物理性能为 特征的材料。被用于非结构目的的高技术材料。
2019
27
材料按服役的领域来分类
根据材料服役的技术领域可分为信息材料、航空航天材料、能 源材料、生物医用材料等。
信息材料是指用于信息的探测、传输、显示、运算和处理的光 电信息材料。
西汉(206 B.C.-24 A.D.),《韩诗外传》: 凡草木花五出,独雪花六出
01.09.2019
1 mm
17
2、Europe: Plato (428-348 B.C.) and Euclid (330-275? B.C.) 5 regular polyhedrons stand for 5 original elements (fire, air, earth, water, ether) which were used for describing every thing in the world.
材料科学和材料工程之间的区别主要在于着眼点的 不同或者说各自强调的中心不同,它们之间并没有一 条明确的界线,因此,后来人们常常将二者放在一起, 采 用 一 个 复 合 名 词 - 材 料 科 学 与 工 程 ( MSE , Material Science and Engineering)
01.09.2019
《材料科学基础》
《Foundations of
Materials Science》
主讲: 韩宝军
01.09.2019
1
Copyright 2019-98 © Dale Carnegie & Associates, Inc.
绪论
一.《材料科学基础》的基本概念 二.《材料科学基础》的地位 三.学习《材料科学基础》的意义 四.《材料科学基础》的内容 五.如何学好《材料科学基础》
成品 1886 1915 1922 1913 1940 1942 1951 1960
发展时间 65 33 35 18 5 3 3 2
15
人类对材料微观结构认识的发展过程
1)逻辑推理(古代哲学家,432 BC.) 2)宏观形貌观察、观测(by eye, 1669) 3)数学理论计算 4)科学测定(X-ray diffraction, electron diffraction,等)
肉眼来观测的光测高温技术,只有在青铜技术相当成熟的情况下, 才有可能办到。
01.09.2019
11
铁器时代(Iron Age)
湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄
中国古代铁器的金相组织
01.09.2019
12
长征三号运载火箭在发射架上
01.09.2019
13
新材料阶段的特征
是一个由多种材料决定社会和经济发展的时代; 新材料以人造为特征,非自然界中现成有的; 新材料是根据我们对材料的物理和化学性能的了解,为了特 定的需要设计和加工而成的; 这些新材料使新技术得以产生和应用,而新技术又促进了新 工业的出现和发展,从而使国家财富和就业增加。 1986年《科学的美国人》杂志指出“先进材料对未来的宇航、 电子设备、汽车以及其他工业的发展是必要的,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 项是基于先进材料之上。 可见,材料科学历来是技术进步的支柱.
01.09.2019
3
战机
舰船
导弹
高层 建筑
火箭
铝合金的 主要应用领域
战车
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人造 卫星
高速列车
汽车
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塑料的应用
塑料水管
电线被覆
塑料膜
日常用品
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主机外壳
汽车侧板
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2、什么是材料科学
材料科学是研究材料的成分、组织 结构、制备工艺、加工工艺、材料的性 能与材料应用之间的相互关系的科学。 材料科学是当代科学技术发展的基础、 工业生产的支柱,是当今世界的带头学 科之一。纳米材料科学与技术是20世 纪80年代发展起来的新兴学科,成为 21世纪新技术的主导中心。
《考工记》的精彩、经典之处在“金有六齐”。 “六分其金而锡居一,谓之钟鼎之齐;五分其金而锡 居一,谓之斧斤之齐;四分其金而锡居一,谓之戈戟 之齐;三分其金而锡居一,谓之大刃之齐;五分其金 而锡居二,谓之削杀矢之齐;金、锡半,谓之鉴(意 为镜)燧之齐。 ——成分——
凡铸金之状,金与锡,黑浊之气竭,黄白次之; 黄 白之气竭,青白次之; 青白之气竭,青气次之; 然 后可铸也。(炉火纯青) ——准确地记述了冶铜过程中颜色随炉温变化的规律。这种用
域。
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二、材料科学基础的地位
1、材料的发展史,就是人类社会的发展史 人类社会发展的历史阶段常常用当时主要使用的材料 来划分。从古代到现在人类使用材料的历史共经历了七 个时代,各时代的开始时间: 石器时代(公元前10万年) 青铜器时代(公元前3000年)(炉火纯青) 铁器时代(公元前1000年) 水泥时代(公元0年) 钢时代(1800年) 硅时代(1950年) 新材料时代(1990年)
无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗 酸盐等原料和(或)氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、 硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料。它与广义 的陶瓷材料有等同的含义。一般将其分为传统的(普通的)和新 型的(先进的)无机非金属材料两大类。
有机高分子材料(高聚物) 是由一种或几种简单低分子化合 物经聚合而组成的分子量很大的化合物。按材料的性能和用途可 将高聚物分为橡胶、纤维、塑料和胶粘剂等。
古代中国有: “日取其半,万世不竭” “道生一,一生二,二生三,三生万物”(《老子》); “以土与金、木、水、火杂以成百物”(《国语·正语》); “太极生两仪,两仪生四象,四象生八卦,八卦交而生万物” (《易经》)
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雪花 — “六出”、“六花”
宋(960-1279 A.D.)·楼钥,《谢林景思和韵》 黄昏门外六花飞,因倚胡床醉不知。 南朝·陈(557-589 A.D.)·徐陵,《咏雪》 岂苦天庭瑞,轻雪带风斜。三农喜盈尺,六出舞崇花。
设备
材料工程 工艺 结构 性能 构件行为
01.09.2019
24
3、 材料的分类
材料按化学组成(或基本组成)分类 根据材料的性能分类 材料按服役的领域来分类 材料按结晶状态分类 材料按材料的尺寸分类
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25
按化学组成(或基本组成)分类
金属材料是由化学元素周期表中的金属元素组成的材料。可 分为纯金属,由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素 构成的合金。
01.09.2019
8
石器时代( Stone Age):石斧、凿、刀、铲、箭头纺轮、钵等
01.09.2019
(西安半坡遗址)
9
青铜器时代(公元前3000年)
湖北江陵楚墓出土 越王勾践宝剑
巨型司母戊大方鼎(河 南安阳晚商遗址)
01.09.2019
10
《考工记》——成书于春秋时期 ,作为我国第一 部手工业工艺技术典籍,包含着大量的手工制作技术、 工艺过程及丰富的科技思想。
01.09.2019
14
2、材料的发展史,就是科学技术的发展史
中国的四大发明:纸、火药、指南针、活字印刷
表1 科学原理的发现时间与其产业化时间的对照
电机 真空管 无线电 X光 雷达 原子堆 半导体 激光
01.09.2019
原理 1821 1882 1887 1895 1935 1939 1948 1958
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微 观 纳介米观
(Micro-) (N(Maneos-o)-)
宏观
(Macro-)
10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 m
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2、材料科学与材料工程的关系
材料科学是一门以固体材料为研究对象,以固体物理、热力学、 动力学、量子力学、冶金、化工为理论基础的边缘交叉基础应用 学科,它运用电子显微镜、X-射线衍射、热谱、电子离子探针等 各种精密仪器和技术,探讨材料的组成、结构、制备工艺和加工 使用过程与其机械(力学性能)、物理、化学性能之间的规律的 一门基础应用学科,是研究材料共性的一门学科。
23
材料科学 :是一门科学,它从事与材料本质的发现、 分析和了解方面的研究,其目的在于提供材料结构的 统一描绘或模型,以及解释这种结构与性能之间的关 系。它包括下面的三个环节,核心是结构和性能。
材料科学
工艺 结构 性能
材料工程:是工程的一个领域,其目的在于经济地, 而又为社会所能接受地控制材料的结构、性能和形状。 它包括下面的五个环节。
Fire tetrahedron
Air octahedron
Earth cube
Water - 01.09.2019
Ether -
18
材料科学的发展过程
1669, N. Steno, 晶面角守恒定律
1885, A. Bravais, 晶体空间点阵学说
1912, M. Laue*, 晶体的X射线衍射
1915, W. H. Bragg and W. L. Bragg** X射线晶体结构分析方法
电子显微镜(SEM、TEM)
扫描探针显微术***(STM、AFM)
01.09.2019
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三、学习料料科学基础的意义
1、材料科学的内涵
材料科学是一个跨物 理、化学等的学科。材 料科学的核心问题是材 料的组织结构 (Structure)和性能 (Property)以及它们 之间的关系。右图为材 料科学与工程四要素。 所以,先要了解材料的 结构是什么?
复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材 料组合而成。由一种连续相(基体相)和增强相复合而成,既能 保持原组成材料的重要特色,又通过复合效应使各组分的性能互 相补充,获得原组分不具备的许多优良性能。
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根据材料的性能分类
根据材料在外场作用下其性质或性能对外场的响 应不同,材料可分为结构材料和功能材料。
功能材料是以声,光,电,磁,热等物理性能为 特征的材料。被用于非结构目的的高技术材料。
2019
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材料按服役的领域来分类
根据材料服役的技术领域可分为信息材料、航空航天材料、能 源材料、生物医用材料等。
信息材料是指用于信息的探测、传输、显示、运算和处理的光 电信息材料。
西汉(206 B.C.-24 A.D.),《韩诗外传》: 凡草木花五出,独雪花六出
01.09.2019
1 mm
17
2、Europe: Plato (428-348 B.C.) and Euclid (330-275? B.C.) 5 regular polyhedrons stand for 5 original elements (fire, air, earth, water, ether) which were used for describing every thing in the world.
材料科学和材料工程之间的区别主要在于着眼点的 不同或者说各自强调的中心不同,它们之间并没有一 条明确的界线,因此,后来人们常常将二者放在一起, 采 用 一 个 复 合 名 词 - 材 料 科 学 与 工 程 ( MSE , Material Science and Engineering)
01.09.2019
《材料科学基础》
《Foundations of
Materials Science》
主讲: 韩宝军
01.09.2019
1
Copyright 2019-98 © Dale Carnegie & Associates, Inc.
绪论
一.《材料科学基础》的基本概念 二.《材料科学基础》的地位 三.学习《材料科学基础》的意义 四.《材料科学基础》的内容 五.如何学好《材料科学基础》
成品 1886 1915 1922 1913 1940 1942 1951 1960
发展时间 65 33 35 18 5 3 3 2
15
人类对材料微观结构认识的发展过程
1)逻辑推理(古代哲学家,432 BC.) 2)宏观形貌观察、观测(by eye, 1669) 3)数学理论计算 4)科学测定(X-ray diffraction, electron diffraction,等)
肉眼来观测的光测高温技术,只有在青铜技术相当成熟的情况下, 才有可能办到。
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11
铁器时代(Iron Age)
湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄
中国古代铁器的金相组织
01.09.2019
12
长征三号运载火箭在发射架上
01.09.2019
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新材料阶段的特征
是一个由多种材料决定社会和经济发展的时代; 新材料以人造为特征,非自然界中现成有的; 新材料是根据我们对材料的物理和化学性能的了解,为了特 定的需要设计和加工而成的; 这些新材料使新技术得以产生和应用,而新技术又促进了新 工业的出现和发展,从而使国家财富和就业增加。 1986年《科学的美国人》杂志指出“先进材料对未来的宇航、 电子设备、汽车以及其他工业的发展是必要的,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 项是基于先进材料之上。 可见,材料科学历来是技术进步的支柱.