上海交通大学：《材料与文明》课程教学资源（课程课件）2. Materials foundation

上游充通大睾 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 1896 1935 987 2006 材料科学基础知识概述 赵冰冰 材料科学与工程学院 2015

材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering 1896 1935 1987 2006 材料科学基础知识概述 赵冰冰 材料科学与工程学院 2015

改进/发明材料要素 。What?成分、结构... ·Why?性能、用途... ·How?工艺、成本.. ·Next?问题、改进..… 材料科学与工程学院 2 School of Materials Science and Engineering

材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering 改进/发明材料要素 2 • What？成分、结构…… • Why？性能、用途…… • How？工艺、成本…… • Next？问题、改进……

③ 化学键和材料分类 (a)covalent bond Or 无机非金属 a::o:心： (b)heteropolar bond Q0OQ (c)metallic bond← 金属材料 (⑧) electron gas 有机高分子 And (d)van-der-Waals-bond ● The bonds in a solid are usually mixed bonds 材料科学与工程学院 3 School of Materials Science and Engineering

材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering 化学键和材料分类 3 (a) covalent bond (a) (b) (g) (d) (b) heteropolar bond A B (d) van-der-Waals- bond (c) metallic bond electron gas (e) 无机非金属 金属材料 Or And 有机高分子 The bonds in a solid are usually mixed bonds

晶体结构 非晶体： Seven crystal systems7种晶系 原子混乱排列； system axis lengths and angles symmetry of the unit cell 短程有序，长程无序。 cubic a=b=c, 0=β=y=90° 晶体： tetragonal 原子作规则排列；有明确衍 a=b≠c, 0=β=y=90° 射图案； orthorhombic a≠b≠C, 平移周期性(1、2、3、4、6 0=β=y=90° 这5种旋转轴) rhombohedral a=b=c. (trigonal) 0=β=y≠900 准晶 1984年，丹尼尔谢林特曼发现了三维世界中的 hexagonal a=b≠C,0=β=90°， 20面体准品。这一准晶的拼图形式由两种不同的 菱形组成。他们发现的这一五次对称性结构产生 Y=120° 于像化后快速冷却的A-Mn合金中。 2009年，矿物学上的一个发现 为准品是否能在自然条件下形 monoclinic a≠b≠C, 成提供了证据：俄罗斯的一块 铝锌铜矿上发现了 0=y=90°≠ A163Cu24Fe13组成的准晶颗粒. triclinic a≠b≠c, 2011年诺贝尔化学奖授予以色列科学家达尼埃 0aβy≠90° 尔谢赫特曼，以表彰他“发现了准品”。 材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering

材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering 晶体结构 4 system a c b a c b b a c a a a a a c b a a c a a a a hexagonal triclinic cubic tetragonal orthorhombic rhombohedral (trigonal) monoclinic axis lengths and angles symmetry of the unit cell a=b=c, a=b=g=90o a=bc, a=b=g=90o abc, a=b=g=90o a=b=c, a=b=g90o a=bc, a=b=90o , g=120o abc, a=g=90ob abc, abg90o 非晶体： 原子混乱排列； 短程有序，长程无序。 晶体： 原子作规则排列；有明确衍 射图案； 平移周期性（1、2、3、4、6 这5种旋转轴）。 Seven crystal systems 7 种晶系 准晶： 具有完全有序的结构； 然而又不具有晶体所应有的 平移对称性。 2011年诺贝尔化学奖授予以色列科学家达尼埃 尔·谢赫特曼，以表彰他“发现了准晶”。 准晶

图 晶体结构 cubic 14 Bravais lattices 14种布喇菲点阵 tetragonal orthorhombic rhombohedral monoclinic (trigonal) R a a hexagonal triclinic 材料科学与工程学院 5 School of Materials Science and Engineering

材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering 5 orthorhombic rhombohedral (trigonal) hexagonal tetragonal cubic P a c b a b g I F a b c P I a b g P a C I F b c b a a g 1 a 2 a 1 ' a 2 ' c' R P a1=a2=a3 c monoclinic triclinic P C a b c b a b a g a b c P 晶体结构 14 Bravais lattices 14 种 布喇菲点阵

周 体心立方 (a) (b) BCC 尽 Body-centered cubic a 2a 材料科学与工程学院 6 3a=4R (c) School of Materials Science and Engineering

材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering 体心立方 6 4R a 3a 2a 3a =4R (c) (a) (b) BCC Body-centered cubic

图 面心立方 (a) (b) FCC Face-centered cubic 4R②a 2a=4R (c) 材料科学与工程学院 7 School of Materials Science and Engineering

材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering 面心立方 7 (a) (b) (c) a 4R 2a 2a = 4R FCC Face-centered cubic

图 六排密方 a hexagonal (a) (b) HCP center of atom at 211 33 Hexagonal close-packed center of atom located in next unit cell 12of an atom (c) 1 材料科学与工程学院 6 of an atom 8 School of Materials Science and Engineering

材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering 8 (c) (a) (b) hexagonal c a center of atom located in next unit cell center of atom at       2 1 , 3 1 , 3 2 of an atom 12 1 6 of an atom 1 六排密方 HCP Hexagonal close-packed

周 结构材料 强度 韧性 The strength of a material is Toughness is the ability of a its ability to withstand an material to absorb energy and applied load without failure. plastically deform without fracturing. energy stress o=F/A = a de volume yield fracture X non-linear area o=f(E) linear area O=EE strain E > 材料科学与工程学院 9 School of Materials Science and Engineering

材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering 结构材料 9 • The strength of a material is its ability to withstand an applied load without failure. 强度 • Toughness is the ability of a material to absorb energy and plastically deform without fracturing. 韧性

塑性变形 If a material deforms plastically,it changes its shape. Correspondingly,the atoms of a crystal have to change their positions. (a) (b) 件件子习工程学院 10 School of Materials Science and Engineering

材料科学与工程学院 School of Materials Science and Engineering 10 If a material deforms plastically, it changes its shape. Correspondingly, the atoms of a crystal have to change their positions. 塑性变形