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1、材料科学导论Introduction to Materials ScienceIntroduction to Materials ScienceDepartment of Environmental and Chemical Department of Environmental and Chemical Engineering, Engineering, NanchangNanchang HangkongHangkong university universityFu Fu maoshengmaoshengnGood morning, every students.nFirstly, let
2、 me introduce myself. My mobile telephone code is 13767030760. nSecondly, let me introduce briefly its teaching development .This course have two features (aviation special feature & bilingual teaching). nThis course adopts an English textbook with an original edition, namely, Fundamentals of materi
3、als science and engineering (Fifth Edition), which is authorized by William D.Callister, Jr. This English photocopy version is published by the chemical industry publisher. nThis course adopts a bilingual teaching with C type , namely, using a foreign language teaching textbook, English writing on t
4、he blackboard, but mainly Chinese teaching with help of multimedia method.nWhether your English is good or poor, if only you take account of studying this course seriously and can do homework independently, do not worry about not passing its examination, otherwise, you will suffer a unqualified defe
5、at.nIn spite of my poor colloquial English and listening English, I will try my best to its bilingual teaching, and I believe that we will achieve success in bilingual teaching with help of your cooperation. 为适应经济全球化和科技国际化的挑战， 培养出既懂外语又懂专业知识的高级复合型经济建设人才，这是摆在当前我国高等学校面前的一个非常重要的课题。高校实施双语教学是培养新时代复合型人才的必然
6、需求。 高校教师双语教学能力欠缺和大学生双语学习能力不强已成为我国高校双语教学面临的两大瓶颈，突破这两大瓶颈，是增强高校双语教学实效性的关键。Textbook William D. Callister , Jr. Fundamentals of materials science and engineering ,the fifth edition, New York: John wiley & sons, inc.,2001. 材料科学与工程基础 / 美凯里斯特著. 英文影印版. 北京：化学工业出版社，2002.12-国外名校名著 教材特点： 教材内容和英文难易程度适中关于课程关于课程 熟悉
7、现有材料的类型与结构，从材料科熟悉现有材料的类型与结构，从材料科学的角度认识材料，了解材料的一般行学的角度认识材料，了解材料的一般行为、性能及其变化规律。为、性能及其变化规律。关于教学安排关于教学安排 课程安排课程安排 总学时：总学时：72学时学时 理论授课：理论授课： 64课时课时 材料力学性能实验：材料力学性能实验： 8课时课时理论授课方式理论授课方式 英文板书英文板书 、中文讲授、中文讲授 （C类双语教学）类双语教学） 多媒体授课多媒体授课 辅助黑板板书辅助黑板板书1. Introduction2. Atomic Structure and Interatomic Bonding3. S
8、tructures of Materials , Ceramics and polymers4. Imperfections in Solids5. Diffusion6. Mechanical Properties 7. Deformation and Strengthening Mechanisms8. Failure9. Phase Diagrams10. Phase Transformations11. Types and Applications of Materials贯穿本课程的主线贯穿本课程的主线 工艺工艺结构结构性能性能材料力学性能实验安排材料力学性能实验安排授课人：授课人：
9、 飞行器学院力学实验中心飞行器学院力学实验中心地地 点：点： G G栋一楼栋一楼授课时间：教学系统查询授课时间：教学系统查询材料力学性能实验内容材料力学性能实验内容 （8学时）学时）1. 拉伸实验拉伸实验 2. 拉伸时金属材料弹性常数的测定拉伸时金属材料弹性常数的测定 3. 压缩实验压缩实验 4. 圆轴扭转实验圆轴扭转实验 5. 圆轴扭转时材料弹性常数圆轴扭转时材料弹性常数G的测定的测定 6. 纯弯曲梁正应力测定纯弯曲梁正应力测定 7. 梁弯曲变形与转角的测定梁弯曲变形与转角的测定 关于课程考核关于课程考核 成绩的评定成绩的评定期末成绩平时成绩实验成绩考试的方式考试的方式 试卷采用英文命题（全
10、英文）试卷采用英文命题（全英文） 开卷，只准带英文教科书；开卷，只准带英文教科书； 或闭卷或闭卷References.石德珂，材料科学基础（第2版），北京：机械出版社， 2003.顾宜，材料科学与工程基础，北京：化学工业出版社，2004.冯端等，材料科学导论，北京：化学工业出版社，20044. 郑子樵，材料科学基础，长沙：中南大学出版社，20055. 唐小真等，材料化学导论，北京：高等教育出版社，20036. 刘智恩，材料科学基础，西安：西北工业大学出版社， 20007.匡少平等，材料科学与工程专业英语，北京：化学工业出版社，2005国家精品课程材料科学常用网站国家精品课程材料科学常用网站 材
11、料科学与工程基础 (四川大学 顾宜) http:/219.221.200.61 材料科学基础 ( 西北工业大学 陈铮) http:/202.117.80.9/jp2004/07/index.htm材料科学基础 （上海交通大学 蔡 珣） http:/202.120.6.136/fms/上海交大材料科学基础网络课程http:/http:/ /Chapter 1 / Introduction绪论绪论Chapter 1 / Introduction 绪论绪论oLearning objectivesDefinition of the discipline of materials science and
12、 engineeringInterrelationships between the four components of the discipline of materials science and engineeringclassification of materials and its distinctive features本章基本要求教学目的教学目的：使学生了解材料科学的重要地位，认识和理解材料的化学成分、组织结构、工艺与性能之间的关系。 主要内容主要内容：了解材料科学与材料科学工程的内涵和重要地位。理解材料性能与结构、工艺的关系。掌握材料的分类及其各自特性。重点与难点重点与难点
13、： 重点重点：材料的分类及其各自特性。材料性能与结构、工艺的关系。 难点难点：材料性能与结构、工艺的关系的理解教学方法与手段教学方法与手段 授课方式授课方式：讲课、讲座、课堂讨论、自学 教学手段教学手段：多媒体授课课时安排课时安排： 2主要讲述内容1.1、Historical perspective （材料发展简史）（材料发展简史）1.2、Status and influence of materials （材料的地位与作用）（材料的地位与作用）1.3、 Objectives of materials science and engineering （材料科学与工程研究内容）（材料科学与工程研
14、究内容）1.4、 Classification of materials （材料的分类）（材料的分类）1.1 HISTORICAL PERSPECTIVE Materials are probably more deep-seated in our culture than most of us realize. Transportation, housing, clothing, communication, recreation, and food productionvirtually every segment of our everyday lives is influenced t
15、o one degree or another by materials. Historically, the development and advancement of societies have been intimately tied to the members ability to produce and manipulate materials to fill their needs. 人类发展的历史证明，材料是社会进步的物质基础人类发展的历史证明，材料是社会进步的物质基础和先导，是人类进步的里程碑。可分为以下几个时代：和先导，是人类进步的里程碑。可分为以下几个时代：1.1 1
16、.1 HISTORICAL PERSPECTIVE材料发展简史材料发展简史石器时代石器时代 Stone Age高分子时代高分子时代陶器时代陶器时代 Pottery Age 青铜时代青铜时代 Bronze Age铁器时代铁器时代 Iron Age陶瓷时代陶瓷时代复合材料时代复合材料时代人类使用材料的七个时代的开始时间材料是人类社会进步的里程碑材料是人类社会进步的里程碑新新新新材材材材料料料料时时时时代代代代 旧石器时代旧石器时代早在早在100100万年以前，人类开始以石头做工具万年以前，人类开始以石头做工具1.1.1 stone age 石器时代石器时代1.1.1 stone age 石器时代石
17、器时代新石器时代新石器时代1 1万年前，人类对石头进行加工万年前，人类对石头进行加工孟津妯娌新石器孟津妯娌新石器时代聚落遗址时代聚落遗址 金坛三星村新石金坛三星村新石器时代遗址器时代遗址 1.1.2 pottery age陶器时代陶器时代 新石器后期，人类发明了用粘土成型，再火烧固新石器后期，人类发明了用粘土成型，再火烧固化而制成陶器，从而进入陶器时代化而制成陶器，从而进入陶器时代 。亚洲亚洲: : （公元前（公元前80008000年左右）年左右） 江西省万年县大源乡仙人洞江西省万年县大源乡仙人洞 日本最早的绳纹陶；日本最早的绳纹陶；欧洲：（公元前欧洲：（公元前60006000至至500050
18、00年）年） 希腊半岛希腊半岛美洲：公元前美洲：公元前60006000年前左右。年前左右。1.1.2 pottery age陶器时代陶器时代 陶器时代是人类文明史上的重要飞跃，陶器陶器时代是人类文明史上的重要飞跃，陶器的发明不仅成为这一阶段的最重要的物质文明的创造，的发明不仅成为这一阶段的最重要的物质文明的创造，同时也成为这一时期最重要的生产工具。同时也成为这一时期最重要的生产工具。 彩陶彩陶 釉陶釉陶 烧制陶器过程中还原出金属铜和锡，创造了炼铜技烧制陶器过程中还原出金属铜和锡，创造了炼铜技术，生产出各种青铜器物，进入了术，生产出各种青铜器物，进入了青铜时代青铜时代。古希腊。古希腊大约在公元前
19、大约在公元前30003000年以前，埃及是公元前年以前，埃及是公元前25002500年前，年前，中国是夏代（公元前中国是夏代（公元前20002000年左右），欧洲是公元前年左右），欧洲是公元前18001800年前后进入青铜器时代。这是人类大量利用金属年前后进入青铜器时代。这是人类大量利用金属的开始，是人类文明发展的重要里程碑。的开始，是人类文明发展的重要里程碑。1.1.3 bronze age bronze age 青铜时代青铜时代 人们开始使用铁来制造工具和武器的时代。人们开始使用铁来制造工具和武器的时代。 炼铜技术炼铜技术 冶炼铁的技术冶炼铁的技术 世界上最早小亚细亚的赫梯人在公元前世界上
20、最早小亚细亚的赫梯人在公元前14001400年左右年左右 古希腊和古罗马开始普遍使用在公元前古希腊和古罗马开始普遍使用在公元前10001000年年 中国最早在春秋战国晋国（大致公元前中国最早在春秋战国晋国（大致公元前700700年）年） 铁器的广泛使用，使人类的工具制造进入了一个铁器的广泛使用，使人类的工具制造进入了一个全新的领域，生产力得到极大的提高。全新的领域，生产力得到极大的提高。1.1.4 iron age iron age 铁器时代铁器时代 铁器的使用，导致了世界上一些民族从原始社会发铁器的使用，导致了世界上一些民族从原始社会发展到奴隶社会，也推动了一些民族脱离了奴隶制的枷展到奴隶社
21、会，也推动了一些民族脱离了奴隶制的枷锁而进入了封建社会。锁而进入了封建社会。 长沙战国凹形铁锄长沙战国凹形铁锄 湖北当阳宋代铁塔湖北当阳宋代铁塔 沧州铁狮沧州铁狮1.1.4 iron age iron age 铁器时代铁器时代高分子时代高分子时代20世纪初，人工合成高分子材料,如 1909年的酚醛树脂，如今，世界年产量已超过钢陶瓷时代陶瓷时代20世纪50年代后，先进陶瓷，比重小、耐高温、耐磨等优点，很有发展前途。复合材料时代复合材料时代 最具有发展前途的是复合材料，因为这类材料具有每种单质材料所不具备的性能。1.1.5 new materials age1.1.5 new materials
22、age新材料时代新材料时代1.2、STATUS AND INFLUENCE OF MATERAIS第一次工业革命（第一次工业革命（1818世纪）：制钢工业的发展世纪）：制钢工业的发展为蒸汽机的发明和应用奠定了物质基础。为蒸汽机的发明和应用奠定了物质基础。第二次工业革命（第二次工业革命（2020世纪中叶以来）：单晶硅世纪中叶以来）：单晶硅材料对电子技术的发明和应用起了核心作用。材料对电子技术的发明和应用起了核心作用。新材料技术是工业革命和产业发展的先导新材料技术是工业革命和产业发展的先导铝铝木材木材石料石料青铜青铜铸铁铸铁钢钢复合材料复合材料碳纤维碳纤维芳香族酰胺纤维芳香族酰胺纤维6现代先进材料
23、的强度密现代先进材料的强度密度比已比原始材料提高度比已比原始材料提高了约了约50倍倍比强度现代涡轮喷气发动机现代涡轮喷气发动机年代气冷年代气冷式航空发动机式航空发动机蒸汽机蒸汽机19世纪内现代材料使发动机工作温度急剧上升，世纪内现代材料使发动机工作温度急剧上升，因而发动机的理论效率大大提高因而发动机的理论效率大大提高19501960197019801990200020102020900110015001300材料的表面温度材料的表面温度()1700单晶合金单晶合金普通铸件普通铸件定向凝固超级合金定向凝固超级合金共晶合金共晶合金弥散强化超级合金弥散强化超级合金隔热涂层隔热涂层陶瓷复合材料陶瓷复合
24、材料碳碳-碳碳叶片材料的发展历程叶片材料的发展历程纤维增强超级合金纤维增强超级合金30年代教练机年代教练机二次大战战斗机二次大战战斗机80年代截击机年代截击机航天飞机航天飞机东方快车号东方快车号10931649538490C93.30C4270C10930C16490C不同类型的飞行器蒙皮温度不同类型的飞行器蒙皮温度温度（温度（0C）+175+390+595金属金属玻璃纤维玻璃纤维KavlarC/C复合材料复合材料K m导弹射程导弹射程火箭壳体材料与导弹射程火箭壳体材料与导弹射程碳素工具钢碳素工具钢钨钴铬硬质合金钨钴铬硬质合金烧结碳化钨烧结碳化钨金属陶瓷金属陶瓷陶瓷陶瓷多晶金刚石多晶金刚石高速
25、钢高速钢立方氮化硼立方氮化硼探索智力探索智力探索宇宙空间探索宇宙空间探索物质结构探索物质结构探索生命本质探索生命本质探索海洋奥秘探索海洋奥秘环境科学技术环境科学技术空间科学技术空间科学技术新材料科新材料科学技术学技术新能源与再生能源新能源与再生能源信息科学技术信息科学技术生物科学技术生物科学技术海洋科学技术海洋科学技术人人新材料技术是高科技技术发展的基础新材料技术是高科技技术发展的基础六大六大技术技术群体群体高技术体高技术体系示意图系示意图特点:1.特殊性（超强度、超塑性、超导性等） 2.制备和生产和新技术、新工艺紧密相关 3.更新换代快，式样多变 4.发展和理论的关系比传统材料更密切新材料的
26、特点、趋势 趋势： 1.从均质材料 复合材料 2.由结构材料 功能材料,多功能材料并重 3.材料结构的尺度向越来越小的方向发展 4.由被动性材料 具有主动性的智能材料 5.通过仿生途径来发展新材料新材料技术出现群体性突破，将对新材料技术出现群体性突破，将对21世纪基础科世纪基础科学和几乎学和几乎所有工业领域所有工业领域产生革命性影响产生革命性影响纳米技术是前沿技术中最具前瞻性和带动性的重点领域之一纳米技术是前沿技术中最具前瞻性和带动性的重点领域之一电子信息材料技术进展迅速，光电子材料、光子材料将成为电子信息材料技术进展迅速，光电子材料、光子材料将成为发展最快和最有前途的电子信息材料。发展最快和
27、最有前途的电子信息材料。新型功能材料及其应用技术面临新的突破（超导材料、智能新型功能材料及其应用技术面临新的突破（超导材料、智能材料、生物医用材料）材料、生物医用材料）新型结构材料发展前景乐观（高温合金、难熔金属、金属间新型结构材料发展前景乐观（高温合金、难熔金属、金属间化合物、金属基复合材料、高分子材料、钛合金、镁合金）化合物、金属基复合材料、高分子材料、钛合金、镁合金）航空材料的特点航空材料的特点 1 1）种类、品种、规格多）种类、品种、规格多o航空材料按用途分有结构材料、功能材料及工艺与辅助材料三大类o按化学成分分有金属材料、有机高分子材料、无机非金属材料以及各种复合材料。o2 2）高的
28、比强度（）高的比强度（/）和高的比刚度（）和高的比刚度（/）是航空结构材料的重要特点。减轻结构重量）是航空结构材料的重要特点。减轻结构重量既可增加飞机、直升机的运载能力，提高机动性，既可增加飞机、直升机的运载能力，提高机动性，加大航程，又可减少燃油消耗。因此，高强度铝加大航程，又可减少燃油消耗。因此，高强度铝合金、钛合金以及先进复合材料在航空上得到广合金、钛合金以及先进复合材料在航空上得到广泛的应用。泛的应用。 o3 3）高温合金是航空材料极其重要的组成部分。）高温合金是航空材料极其重要的组成部分。燃气涡轮（包括涡轮喷气、涡轮风扇、涡轮螺旋燃气涡轮（包括涡轮喷气、涡轮风扇、涡轮螺旋桨、涡轮轴）
29、发动机是现代飞机、直升机的主要桨、涡轮轴）发动机是现代飞机、直升机的主要动力装置，而各类高温合金则是制造现代航空燃动力装置，而各类高温合金则是制造现代航空燃气涡轮发动机的关键材料。随着发动机推重比气涡轮发动机的关键材料。随着发动机推重比（或功重比）的提高，涡轮前温度也随之升高，（或功重比）的提高，涡轮前温度也随之升高，对材料的耐温要求也愈来愈高。对材料的耐温要求也愈来愈高。 o4）质量要求高。对使用可靠性、安全性有着）质量要求高。对使用可靠性、安全性有着极其严格的要求。极其严格的要求。o5）抗疲劳性能是航空材料的另一个突出特点。）抗疲劳性能是航空材料的另一个突出特点。大量的事实说明，在飞机、发
30、动机所发生的失大量的事实说明，在飞机、发动机所发生的失效事件中，约效事件中，约80%以上是各种形式的疲劳损以上是各种形式的疲劳损伤所引起。航空材料的抗疲劳性能是关系到航伤所引起。航空材料的抗疲劳性能是关系到航空产品使用可靠性和使用寿命的一项非常重要空产品使用可靠性和使用寿命的一项非常重要的性能指标。的性能指标。 o（6）成本高、价格贵。由于航空产品品种多）成本高、价格贵。由于航空产品品种多样而批量小，相应地航空材料的牌号品种也多，样而批量小，相应地航空材料的牌号品种也多，批量也小，难以形成规模化生产，同时质量要批量也小，难以形成规模化生产，同时质量要求又高，从而导致材料的成本高，价格贵。材求又
31、高，从而导致材料的成本高，价格贵。材料费用在航空产品成本中占有很大比重。如何料费用在航空产品成本中占有很大比重。如何降低其价格是航空材料发展的一个重要努力方降低其价格是航空材料发展的一个重要努力方向。向。 大名鼎鼎的美国武大名鼎鼎的美国武装攻击直升机阿帕装攻击直升机阿帕奇其螺旋桨部位就奇其螺旋桨部位就采用了新式的智能采用了新式的智能记忆合金，其记忆合金，其PZT驱动驱动/感知元件对感知元件对 飞机的机动性能有飞机的机动性能有 很大的提升！很大的提升！“永不忘本永不忘本”的形状记忆合的形状记忆合金金Ti50NiTi50NiT=601.3 Objectives of materials scien
32、ce and engineering1.3.1 Definition of materials science and engineering1.3.2 Concepts of structure and property1.3.3 Concepts of processing and performance1.3.4 Four components relationships of materials science and engineering The discipline of materials science involves investigating the relations
33、hips that exist between the structures and properties of materials.1） Materials science（材料科学）（材料科学）1.3.1 Definition of materials science and engineering材料科学的由来材料科学的由来n60年代初由美国学者提出。以前分属冶金、陶瓷、有机化学等各专业，但均以物理、化学为基础，如冶金方面的提取是以化学为主，但金属结构、性能及使用方面的研究以物理为主；有机合成材料、陶瓷材料的制备以化学为主，但物性和力学性质则偏重物理。 金属材料金相学金属学 无机材料无机
34、化学陶瓷学 高分子材料高分子化学高分子物理 对材料本身的研究大大加强，从而对材料制备、结构和性能，以及它们之间的相互关系的研究也愈来愈深入，为材料科学的形成打下了比较坚实的基础。 找出共性：材料中的界面与表面、晶体结构与微观缺陷、材料中的扩散与相变等； “材料研究中心”的成立；“材料科学”名词的产生；“材料科学系”的建立材料科学内涵材料科学内涵n以固体物理、合成化学、化学热力学与动力学等为理论基础，结合冶金、机械、陶瓷等学科，从理论上研究金属、无机非金属和有机高分子等材料的成分、结构、 加工工艺同材料性能及材料应用之间的相互关系，是一门覆盖广而辐射面宽的多学科交叉的新兴学科。2）Materia
35、ls engineering (材料工程）材料工程） In contrast , materials engineering is ,on basis of these structure property correlations, designing or engineering the structure of a material to produce a predetermined set of properties. 材料工程属技术的范畴，目的在于采用经济的、而又能为社会所接受的生产工艺、加工工艺控制材料的结构、性能和形状以达到使用要求。 材料科学与工程是研究有关材料的成份、结构和
36、制造工艺与其性能和使用性能间相互关系的知识及这些知识的应用，是一门应用基础科学。 材料的成份、结构，制造工艺，性能及使用性能被认为是材料科学与工程的四个基本要素。3） 材料科学与工程(materials science and engineering) the structure of a material usually relates to the arrangement of its internal components such as electron, atom, molecules. The notion of structure usually includes microsc
37、opic structure and macroscopic structure.1.3.2 Concepts of structure and property Property is a material trait that in terms of the kind and magnitude of response to a specific imposed stimulus. Generally, definitions of properties are made independent of material shape and size.Types of properties
38、Virtually all important properties of solid materials may be grouped into six different categories: mechanical, electrical, thermal, magnetic, optical, and deteriorative.材料性质：是功能特性和效用的描述符，是材料材料性质：是功能特性和效用的描述符，是材料 对电对电. .磁磁. .光光. .热热. .机械载荷的反应。机械载荷的反应。材料性质描述材料性质描述力学性质力学性质物理性质物理性质化学性质化学性质强度强度硬度硬度刚度刚度塑
39、性塑性韧性韧性电学性质电学性质磁学性质磁学性质光学性质光学性质热学性质热学性质催化性质催化性质防化性质防化性质材料的物理性质磁学性质磁学性质光学性质光学性质电学性质电学性质导电性导电性绝缘性绝缘性介电性介电性抗磁性抗磁性顺磁性顺磁性铁磁性铁磁性光反射光反射光折射光折射光学损耗光学损耗光透性光透性热学性质热学性质导热性导热性热膨胀热膨胀热容热容熔化熔化注：上面只列出了材料的主要物理性质注：上面只列出了材料的主要物理性质物理性质的交互性物理性质的交互性-材料应用的关键点材料应用的关键点现代功能材料不仅仅表现出单一的物理性质，更现代功能材料不仅仅表现出单一的物理性质，更重要的是具备了特殊的物理交互性
40、。例如：重要的是具备了特殊的物理交互性。例如：电学电学-机械机械电致伸缩电致伸缩机械机械-电学电学压电特性压电特性磁学磁学-机械机械磁致伸缩磁致伸缩电学电学-磁学磁学巨磁阻效应巨磁阻效应电学电学-光学光学电致发光电致发光 - With regard to the relationships of these four components, the structure of a material will depend on how it is processed. Furthermore, a materials performance will be a function of its p
41、roperties.1.3.3 Performance 使用性能 使用性能：是指材料在最终使用状态（产品、元使用性能：是指材料在最终使用状态（产品、元 件）下表现出的行为。件）下表现出的行为。在某种环境或条件作用下，在某种环境或条件作用下，为描述材料的行为或结果，按照特定的规范所获得为描述材料的行为或结果，按照特定的规范所获得的表征参量。的表征参量。可靠性、耐用度、寿命、性能价格比、安可靠性、耐用度、寿命、性能价格比、安全性，及材料固化为产品后，表征产品优全性，及材料固化为产品后，表征产品优良程度的各种性能指标，如飞行速度良程度的各种性能指标，如飞行速度. .使用使用温度等。温度等。使用性能描
42、述符使用性能描述符 性质与使用性能的区别与关系性质与使用性能的区别与关系成分成分结构结构环境环境性质性质规范规范使用使用性能性能所以，性能是包括材料在内的整个系统特征的所以，性能是包括材料在内的整个系统特征的体现；性质则是材料本身特征的体现。体现；性质则是材料本身特征的体现。需要注意的一点需要注意的一点o在材料科学研究及工程化应用中，材料人员在材料科学研究及工程化应用中，材料人员应具备这样一种能力：应具备这样一种能力： 能针对不同的使用环境，提取出关键的能针对不同的使用环境，提取出关键的材料性质并选择优良性能的材料材料性质并选择优良性能的材料。Four components of the di
43、scipline of materials science and engineering:ocomposition-structure(组成与结构)osynthesis-processing(合成与制备)oproperties(固有性能或性质)operformance(使用性能)1.3.4 Four basic essentials interrelationshipsLinear interrelationship of four componentsPerformancePropertiesSynthesis and ProcessingCompositions and Structur
44、esTetrahedron (pyramid)材料科学研究核心中的中心问题材料科学研究核心中的中心问题微观微观宏观宏观结构结构- -性能性能- -工艺工艺 材料的性能材料的性能材料科学研究的核心材料科学研究的核心控制材料结构和性能的必要手段控制材料结构和性能的必要手段结构结构工艺工艺结构结构- -性能性能- -工艺工艺 工艺工艺结构结构性能性能1.4 Classification of Materials 材料是人类用以制成用于生活和生产的物品、器件、构件、机器和其它产品的那些物质。材料是物质，但不是所有的物质都可以成为材料。如燃料和化学原料、工业化学品、食品和药物，一般都不称作材料。 Def
45、inition of materials 目前世界上传统材料已有十万种，而新材料品种正以每年大约5%的速度在增长。 从1950年到现在，已知的化合物已从200万种增至1000万种，而且还在以每年25万种速度递增，其中相当一部分有发展成为新材料的潜力。Circular utilization and recycle of materialsCircular utilization and recycle of materials 材材 料料 的的 分分 类类材料尺寸：材料尺寸：一一维、维、二二维、维、三三维维材料内部原子排布：晶态与材料内部原子排布：晶态与非非晶态晶态材料热力学状态：稳态与材料热
46、力学状态：稳态与亚亚稳态稳态按材料的特性和用途来分按材料的特性和用途来分o 结构材料 以力学性能为基础，用以制造以受力为主的构件。o 功能材料 具有能适应外界条件而改变自身性能并具有独特的物理性能、化学性能等的材料，如磁性材料、发光材料、记忆材料、光导材料、超导材料等。 金属金属 （metals) 陶瓷陶瓷 (ceramics) 聚合物聚合物 (polymers) 复合材料复合材料(composites)按材料组成分按材料组成分 (大多教材大多教材) When a scheme is based primarily on chemical makeup and atomic structure
47、 , solid material has been conveniently grouped into three basic classifications: metals, ceramics, polymers. (in the textbook)Classification of materialsMETALSMetallic materials are normally combinations of metallic elements. They have large numbers of nonlocalized electrons; that is, these electro
48、ns are not bound to particular atoms. Many properties of metals are directly attributable to these electrons. Metals are extremely good conductors of electricity and heat and are not transparent to visible light; a polished metal surface has a lustrous appearance. Furthermore, metals are quite stron
49、g, yet deformable, which accounts for their extensive use in structural applications.CERAMICS Ceramics are compounds between metallic and nonmetallic elements; they are most frequently oxides, nitrides, and carbides. The wide range of materials that falls within this classification includes ceramics
50、 that are composed of clay minerals, cement, and glass. These materials are typically insulative to the passage of electricity and heat, and are more resistant to high temperatures and harsh environments than metals and polymers. With regard to mechanical behavior, ceramics are hard but very brittle
51、.陶瓷陶瓷(ceramics) (注意：注意：pottery 陶器）陶器）包括：砖及耐火材料、玻璃、各种绝缘材料和磨料。包括：砖及耐火材料、玻璃、各种绝缘材料和磨料。共性：强度、硬而脆性、耐高温、耐腐蚀共性：强度、硬而脆性、耐高温、耐腐蚀POLYMERSPolymers include the familiar plastic and rubber materials. Many of them are organic compounds that are chemically based on carbon, hydrogen, and other nonmetallic elements;
52、 furthermore, they have very large molecular structures. These materials typically have low densities and may be extremely flexible.包括：橡胶、塑料、合成纤维、胶粘剂包括：橡胶、塑料、合成纤维、胶粘剂、 涂料涂料。共性：电绝缘性共性：电绝缘性、强度、刚度、塑性（热塑性、强度、刚度、塑性（热塑性、热固性）、耐腐蚀性。热固性）、耐腐蚀性。聚合物聚合物 又称高分子材料又称高分子材料COMPOSITESA number of composite materials hav
53、e been engineered that consist of more than one material type. Fiberglass is a familiar example, in which glass fibers are embedded with in a polymeric material. A composite is designed to display a combination of the best characteristics of each of the component materials. Fiberglass acquire streng
54、th from the glass and flexibility from the polymer. Many of the recent material developments have involved composite materials. 由两种或两种以上材料组成，具有任何一种单一材料所不具备的性能。它在强度、钢度、耐蚀性方面比单独金属、陶瓷、聚合物优越、具有广阔发展前景。EX. EX. 钢筋混凝土、胶合板、玻璃钢钢筋混凝土、胶合板、玻璃钢共性: 比强度和比模量高、抗疲劳性、耐烧蚀性、耐高温、减振性、耐磨和自润滑性复合材料复合材料 compsitesSEMICONDUCTORS
55、Semiconductors have electrical properties that are intermediate between the electrical conductors and insulators. Furthermore, the electrical characteristics of these materials are extremely sensitive to the presence of minute concentrations of impurity atoms, which concentrations may be controlled
56、over very small spatial regions. The semiconductors have made possible the advent of integrated circuitry that has totally revolutionized the electronics and computer industries (not to mention our lives) over the past two decades.BIOMATERIALS Biomaterials are employed in components implanted into t
57、he human body for replacement of diseased or damaged body parts. These materials must not produce toxic substances and must be compatible with body tissues (i.e., must not cause adverse biological reactions).本章小结1.1、Historical perspective1.2、Status and influence of materials 1.3、 Objectives of materials science and engineering1.4、 Classification of materials
