上海交通大学材料科学基础pptppt课件.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
《材料科学基础》课件
THANKS
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稳定性
材料在化学环境中保持其组成和结构的能力。
腐蚀性
材料与化学物质反应的能力，一些材料容易受到腐蚀。
活性
材料参与化学反应的能力和程度。
耐候性
材料在各种气候条件下的稳定性，如耐紫外线、耐风雨等。
材料的力学性质
弹性模量
描述材料抵抗弹性变形的能力。
硬度
材料表面抵抗被压入或划痕的能力。
韧性
材料吸收能量并抵抗断裂的能力。
材料科学的发展历程
总结词
概述材料科学的发展历程，包括重要的里程碑和代表 性人物。
详细描述
材料科学的发展历程可以追溯到古代，如中国的陶瓷和 青铜器制作，古埃及的石材加工等。然而，材料科学作 为一门独立的学科是在20世纪中期才开始形成的。在 这个时期，一些重要的里程碑包括开发出高温超导材料 、纳米材料和光电子材料等新型材料，这些材料的出现 极大地推动了科技的发展。同时，一些杰出的科学家如 诺贝尔奖得主也在这个领域做出了卓越的贡献。随着科 技的不断进步，材料科学的发展前景将更加广阔。
。
绿色材料与可持续发展
绿色材料
采用环保的生产方式，开发具有环保性能的新型材料，如可降解 塑料、绿色建材等。
节能减排
通过采用新型材料和技术，降低能源消耗和减少污染物排放，实现 节能减排的目标。
可持续发展
推动材料科学的发展，实现经济、社会和环境的协调发展，促进可 持续发展。
非晶体结构与性质
非晶体的结构特征
非晶体中的原子或分子的排列是无序的，不遵循长程有序的晶体 结构。
非晶体的物理和化学性质
非晶体的物理和化学性质与晶体不同，如玻璃态物质具有较好的化 学稳定性和机械强度。
材料科学基础Powerpoint(上交大)第6章 扩散
μi=G/ni
散
扩散的驱动力为化学位梯度，即
机
F=-μi /x
理
负号表示扩散驱动力指向化学位降低的方向。
16
第 六
第三节 扩散的微观机理与现象
章 3 扩散的驱动力与上坡扩散 扩
散 （2）扩散的热力学因子
组元i的扩散系数可表示为
第
Di=KTBi(1+ lni/ lnxi)
三 其中，(1+ lni/ lnxi)称为热力学因子。
节 扩
当(1+ lni/ lnxi)<0时，DI<0,发生上坡扩散。
散
机
理
17
第 六
第三节 扩散的微观机理与现象
章
扩
散 3 扩散的驱动力与上坡扩散
第 （3）上坡扩散
三 概念：原子由低浓度处向高浓度处迁移的扩散。
节 驱动力：化学位梯度。
扩 散
其它引起上坡扩散的因素：
机
弹性应力的作用－大直径原子跑向点阵的受拉部分，小直
节
三相区。
扩
散
机
理
19
第 六
第四节 影响扩散的主要因素
章
扩
散
自学 第 四 节 影 响 因 素
20
定 [C(λ/2,t)- Cp]/( Cmax- Cp)=exp(-π2Dt/λ2)=1/100。
律 c
1h
x
9
第 第三节 扩散的微观机理与现象
六
章 扩
1 扩散机制
散
间隙－间隙；
（1）间隙机制 平衡位置－间隙－间隙：较困难；
第
间隙－篡位－结点位置。
三 节
（间隙固溶体中间隙原子的扩散机制。）
散
扩散的驱动力为化学位梯度，即
机
F=-μi /x
理
负号表示扩散驱动力指向化学位降低的方向。
16
第 六
第三节 扩散的微观机理与现象
章 3 扩散的驱动力与上坡扩散 扩
散 （2）扩散的热力学因子
组元i的扩散系数可表示为
第
Di=KTBi(1+ lni/ lnxi)
三 其中，(1+ lni/ lnxi)称为热力学因子。
节 扩
当(1+ lni/ lnxi)<0时，DI<0,发生上坡扩散。
散
机
理
17
第 六
第三节 扩散的微观机理与现象
章
扩
散 3 扩散的驱动力与上坡扩散
第 （3）上坡扩散
三 概念：原子由低浓度处向高浓度处迁移的扩散。
节 驱动力：化学位梯度。
扩 散
其它引起上坡扩散的因素：
机
弹性应力的作用－大直径原子跑向点阵的受拉部分，小直
节
三相区。
扩
散
机
理
19
第 六
第四节 影响扩散的主要因素
章
扩
散
自学 第 四 节 影 响 因 素
20
定 [C(λ/2,t)- Cp]/( Cmax- Cp)=exp(-π2Dt/λ2)=1/100。
律 c
1h
x
9
第 第三节 扩散的微观机理与现象
六
章 扩
1 扩散机制
散
间隙－间隙；
（1）间隙机制 平衡位置－间隙－间隙：较困难；
第
间隙－篡位－结点位置。
三 节
（间隙固溶体中间隙原子的扩散机制。）
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。
材料科学基础 (上海交通大学)PPT课件
最新课件
31
b.间隙化合物 间隙化合物的晶体结构比较复杂。其表 达式有如下类型：M3C、M7C3、M23C6、M6C。 间隙化合物中金属元素M常被其它金属元素所代替 形成化合物为基的固溶体（二次固溶体）。
在H、N、C、B等非金属元素中,由于H和N的原 子半径很小,与所有过渡族金属都满足rx/rm<0.59, 所以过渡族金属的氢化物、氮化物都为间隙相；而 硼原子半径rB/rm>0.59较大, rB/rm>0.59，硼化 物均为间隙化合物；而碳原子半径处于中间,某些碳 素):
C电子=[A(100－x) ＋Bx]/100 C越大，越易形成化合物； C越小，越易形成固溶体
最新课件
6
最新课件
7
合金与相
相的分类
固溶体：以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶入其他组元原子所形成的均 匀混合的固态溶体，它的晶体结构与其溶剂相同。
中间相（金属化合物）：组成原子有固定比例，其结构与组成组元均不相同 的相，且这种相成分处于AB互溶的溶解度之间，即落在相图的中间部位。
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）
A sse sse d A g -M g p h a se d i a g r a m . T h e tw o -p h a se r e g io n b e tw e e n (A g ) a n d A g M g (o r d e r e d ) is n o t
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
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Gx Gb 2 R zdr x dx ln 2 1 4 1 r0
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e e s e
上海交大-材料科学基础-第四章
从热力学角度分析，扩散系数的一般热力学关系：
Di
kTB i(1
ln i ) ln Ci
比例系数Bi为在单位力的作用下的速度，组分i质点的迁移率， γi-溶质i的活度参数，Ci 溶质的浓度
J D C x
D：扩散系数 单位 m2/s、cm2/s C：扩散物质的质量浓度，g/cm3
负号：粒子从浓度高处向浓度低处扩散（逆浓度梯度方向）
单相固溶体，横截面积
为A，浓度C不均匀 ， 在Δt时间内，沿x轴方 向通过x处截面所迁移 的物质的量Δm与x处的 浓度梯度ΔC/Δx成正
比：
扩散过程中溶质原子的分布
即：原始界面的移动是由于组元的分扩散系数不同造成的
（三）扩散种类
▪ （1）按浓度均匀程度分： 互扩散：有浓度差的空间扩散；（在多元体系中扩散）
自扩散：不依赖浓度梯度，而仅由热振动而产生的扩 散（原子在自己组成的晶体中进行扩散）
（2）按扩散性质分： 本征（自）扩散：由热涨落引起本征热缺陷作为迁 移载体的扩散； 非本征扩散：由非热引起，如固溶杂质（电价或浓
2 Dt
应 用： （1）测定扩散系数
c( x, t) M exp( x2 4Dt )
2 Dt 两边取对数，得：
ln c( x, t ) ln
M
x2
2 Dt 4Dt
以 lnc（x，t）－ x2 作图得一直线
M
x2
ln c( x, t ) ln
2 Dt 4Dt
斜率 k=－1/4Dt， D=－1/4tk （2）扩散一定时间后的浓度分布
扩散通量不随位置变化 C 0,
t
非稳态扩散：
J 0. x
扩散物质在扩散介质中浓度随时间发生变化，
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
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
45
（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
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
材料科学基础(上海交大)_固体结构
第二章 固体结构（Solid Structure）
气态（gas state） 物质（substance） 液态（liquid state） 固态（solid state） 晶体（crystal） 非晶体（amorphous solid）
金的AFM 照片
Nf
4 3 n R nv 致密度（Efficiency of space filling） K 3 V V
轴比（axial ratio） c/a
堆垛（Stacking） 密排结构（close-packed crystal structure） 最密排面(close-packed plane of atoms) fcc {1 1 1} ABCABCABC·· ·· ·· hcp{0 0 0 1} ABABABAB·· ·· ··
当h＋2k＝3n（n＝0，2， ），l=奇数，有附加面： 1， 3，
d hkl＝ 1 2 1 4 h ＋hk＋k l 2 （ ）＋（ ） 3 a2 c
2 2
，如{0 00 0}面 如{0 0 1}面
通常低指数的晶面间距较大，而高指数的晶面间距则较小
三、晶体的对称性 crystalline symmetry symmetrization of crystals 对称性——晶体的基本性质
对称元素（symmetry elements）
宏观对称性 元素
2， 4， 回转对称轴（n）1， 3， 6 对称面（m） 对称中心（i） 回转 — 反演轴 1 2， 4， ， 3， 6
滑动面 a，b，c，n，d 元素 微观对称性 螺旋轴 21；31，32；41，43，4 2；61，65，62，64 ，63
晶系 三斜Triclinic a≠b≠c ，α≠β≠γ 布拉菲点阵 简单三斜 晶系 六方 Hexagonal a1=a2＝a3≠c，α=β＝90º， γ=120º 菱方 Rhombohedral a=b=c, α=β=γ≠90º 四方（正方）Tetragonal a=b≠c, α=β=γ＝90º 布拉菲点 阵 简单六方
气态（gas state） 物质（substance） 液态（liquid state） 固态（solid state） 晶体（crystal） 非晶体（amorphous solid）
金的AFM 照片
Nf
4 3 n R nv 致密度（Efficiency of space filling） K 3 V V
轴比（axial ratio） c/a
堆垛（Stacking） 密排结构（close-packed crystal structure） 最密排面(close-packed plane of atoms) fcc {1 1 1} ABCABCABC·· ·· ·· hcp{0 0 0 1} ABABABAB·· ·· ··
当h＋2k＝3n（n＝0，2， ），l=奇数，有附加面： 1， 3，
d hkl＝ 1 2 1 4 h ＋hk＋k l 2 （ ）＋（ ） 3 a2 c
2 2
，如{0 00 0}面 如{0 0 1}面
通常低指数的晶面间距较大，而高指数的晶面间距则较小
三、晶体的对称性 crystalline symmetry symmetrization of crystals 对称性——晶体的基本性质
对称元素（symmetry elements）
宏观对称性 元素
2， 4， 回转对称轴（n）1， 3， 6 对称面（m） 对称中心（i） 回转 — 反演轴 1 2， 4， ， 3， 6
滑动面 a，b，c，n，d 元素 微观对称性 螺旋轴 21；31，32；41，43，4 2；61，65，62，64 ，63
晶系 三斜Triclinic a≠b≠c ，α≠β≠γ 布拉菲点阵 简单三斜 晶系 六方 Hexagonal a1=a2＝a3≠c，α=β＝90º， γ=120º 菱方 Rhombohedral a=b=c, α=β=γ≠90º 四方（正方）Tetragonal a=b≠c, α=β=γ＝90º 布拉菲点 阵 简单六方
上海交通大学 材料科学基础pptch5-2
三种常见金属晶体结构的滑移系
• 由于体心立方结构是一种非密排结构， 因此其滑移面并不稳定，一般在低温时 多为{112}，中温时多为{110}，而高温时 多为{123}，不过其滑移方向很稳定，总 为<111>，因此其滑移系可能有12-48个。 • 由于滑移系数量较少，因此密排六方结 构晶体的塑性通常都不太好。
1.滑 移
(1)滑移线和滑移带 如果对经过抛光的退火态工业纯铜多晶 体试样施加适当的塑性变形，然后在金相显 微镜下观察，就可以发现原抛光面呈现出很 多相互平行的细线，如图所示。
最初人们将金相显微镜下看见的那些相 互平行的细线称为滑移线，产生细线的原因 是由于铜晶体在塑性变形时发生了滑移，最 终在试样的抛光表面上产生了高低不一的台 阶所造成的。 实际上，当电子显微镜问世后，人们发 现原先所认为的滑移线并不是一条线，而是 存在更细微的结构，如图所示。在普通金相 显微镜中发现的滑移线其实由多条平行的更 细的线构成，所以现在称前者为滑移带，后 者为滑移线。
重点与难点
• • • • • • • • • 比较塑性变形的两种基本形式：滑移和孪生的 异同点 滑移的临界分切应力 滑移的位错机制 多晶塑性变形的特点 细晶强化与Hall—Petch公式 屈服现象与应变时效 弥散强化 加工硬化 形变织构和残余应力
5.2.1 单晶体的塑性变形
当所受应力超过弹性极限后，材料将 发生塑性变形，产生不可逆的永久变形。 常温或低温下，单晶体塑性变形 （plastic deformation）方式： 1. 滑移（slip） 2. 孪生（twining） 3. 扭折（link） 此外，高温变形方式还有：扩散性 变形、晶界滑动变形
s s
当滑移面法线方向、滑移方向与外力轴 三 者 共 处 一 个 平 面 ， 且 φ=45º时 ， cosφcosλ=1/2，此取向最有利于滑移，即以 最小的拉应力就能达到滑移所需的分切应力， 称此取向为软取向。当外力与滑移面平行或垂 直时（φ=90º 或φ=0º ），则σs→∞，晶体无 法滑移，称此取向为硬取向。 • 取向因子cosφcosλ对σs的影响在只有一组 滑移面的密排六方结构中尤为明显。
上海交通大学 材料科学基础ppt ch2-1
十四种空间格子
按照每个阵点周围环境相同的要求，布拉 按照每个阵点周围环境相同的要求， 维用数学方法推导出能够反映空间点阵全部特 征的单位平行六面体只有十四种， 征的单位平行六面体只有十四种，这十四种空 间点阵也称布拉维点阵: 间点阵也称布拉维点阵:
1 简单三斜点阵
a≠b≠c α≠β≠ γ
2 底心单斜点阵
1.立方晶系中晶向指数 1.立方晶系中晶向指数 确定立方晶系(cubic systems)晶向指数 确定立方晶系(cubic crystal systems)晶向指数 立方晶系 ［ｕｖｗ]的步骤如下： ［ｕｖｗ]的步骤如下： (1) 设坐标 (2) 求坐标 (3) 化整数 列括号［ｕｖｗ］ (4) 列括号［ｕｖｗ］ 若晶向上一坐标值为 负值则在指数上加一负号。 负值则在指数上加一负号。
2.立方晶系中晶面指数 2.立方晶系中晶面指数 确定立方晶系(cubic crystal systems) 晶面指 确定立方晶系(cubic 立方晶系 （ｈｋｌ）的步骤如下 的步骤如下: 数（ｈｋｌ）的步骤如下: 设坐标：原点设在待求晶面以外。 a) 设坐标：原点设在待求晶面以外。 求截距：求晶面在三个轴上的截距。 b) 求截距：求晶面在三个轴上的截距。 c) 取倒数 化整数： d) 化整数：h、k、l 加括号： hkl） e) 加括号：（hkl），如果所求晶面在晶轴上截 距为负数则在指数上加一负号。 距为负数则在指数上加一负号。
7 面心正交点阵
a≠b≠c， a≠b≠c，α= β= γ = 90° °
8 简单六方点阵
c， a=b ≠ c，α=β=90°，γ =120° ° °
9 简单菱方点阵
a=b=c， a=b=c，α=β=γ ≠ 90° °
10 简单四方点阵
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3/6/2021
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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
3/6/2021
原理 1821 1882 1887 1895 1935 1939 1948 1958
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。
3/6/2021
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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
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3/6/2021
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长征三号运载火箭在发射架上
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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.
《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
《材料科学基础》
《Foundations of
Materials Science》
3/6/2021
主讲: 韩宝军
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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》
3/6/2021
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石器时代（ Stone Age）：石斧、凿、刀、铲、箭头纺轮、钵等
3/6/2021
（西安半坡遗址）
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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）
3/6/2021
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《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。
3/6/2021
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一. 《材料科学基础》的基本概念
1、什么是材料
材料是指人类社会能接受的，经济地制造有用 物品的物质（世界万物，凡于我有用者，皆谓之 材料。材料是具有一定性能，可以用来制作器件、 构件、工具、装置等物品的物质。材料存在于我 们的周围，与我们的生活、我们的生命息息相 关） 。卫星发射，节省1公斤重量将降低费用 $20000。一次发射节约费用20%。
铝合金的主要应用领域如下：
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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。
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》）
3/6/2021
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雪花 — “六出”、“六花”
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。
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3、什么是材料科学基础
材料科学基础是进行材料科学研究的基础理论， 它将各种材料（包括金属、陶瓷、高分子材料）的 微观结构和宏观结构规律建立在共同的理论基础上， 用于指导材料的研究、生产、应用和发展。它涵盖 了材料科学和材料工程的基础理论。
材料工程是研究、开发、生产和应用金属材料、 无机非金属材料、高分子材料和复合材料的工程领
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）
成品 1886 1915 1922 1913 1940 1942 1951 1960
发展时间 65 33 35 18 5 3 3 2
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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）