Sách Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu của William D. Callister (7e)

Giáo trình Khoa học và kỹ thuật vật liệu nhập môn (7e) biên soạn theo chương trình đào tạo chuẩn, phù hợp sinh viên ngành hiện nay

Trường đại học

The University Of Utah

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Textbook

2007

975
0
0

Phí lưu trữ

135 Point

Mục lục chi tiết

Preface

LIST OF SYMBOLS

1. Chương 1: Introduction

1.1. Learning Objectives

1.2. Materials Science and Engineering

1.3. Why Study Materials Science and Engineering?

1.4. Classification of Materials

1.6. Modern Materials’ Needs

1.7. References

2. Chương 2: Atomic Structure and Interatomic Bonding

2.0. Learning Objectives

2.1. Introduction

2.2. ATOMIC STRUCTURE

2.3. Electrons in Atoms

2.4. The Periodic Table

2.4.1. ATOMIC BONDING IN SOLIDS

2.5. Bonding Forces and Energies

2.6. Primary Interatomic Bonds

2.7. Secondary Bonding or van der Waals Bonding

2.8. Molecules

2.9. Summary

2.10. Important Terms and Concepts

2.11. References

2.12. Questions and Problems

3. Chương 3: The Structure of Crystalline Solids

3.0. Learning Objectives

3.1. Introduction

3.2. CRYSTAL STRUCTURES

3.4. Metallic Crystal Structures

3.6. Polymorphism and Allotropy

3.7. CRYSTALLOGRAPHIC POINTS, DIRECTIONS, AND PLANES

3.8. Point Coordinates

3.9. Crystallographic Directions

3.10. Crystallographic Planes

3.11. Linear and Planar Densities

3.12. Close-Packed Crystal Structures

3.12.1. CRYSTALLINE AND NONCRYSTALLINE MATERIALS

3.13. Single Crystals

3.16. X-Ray Diffraction: Determination of Crystal Structures

3.17. Important Terms and Concepts

3.18. References

3.19. Questions and Problems

4. Chương 4: Imperfections in Solids

4.0. Learning Objectives

4.1. Introduction

4.1.1. POINT DEFECTS

4.2. Vacancies and Self-Interstitials

4.3. Impurities in Solids

4.4. Specification of Composition

4.4.1. MISCELLANEOUS IMPERFECTIONS

4.5. Dislocations–Linear Defects

4.6. Interfacial Defects

4.7. Bulk or Volume Defects

4.8. Atomic Vibrations

4.9. MICROSCOPIC EXAMINATION

4.10. Microscopic Techniques

4.11. Grain Size Determination

4.12. Summary

4.13. Important Terms and Concepts

4.14. References

4.15. Questions and Problems

4.16. Design Problems

5. Chương 5: Diffusion

5.1. Learning Objectives

5.2. Diffusion Mechanisms

5.3. Steady-State Diffusion

5.4. Nonsteady-State Diffusion

5.5. Factors That Influence Diffusion

5.6. Other Diffusion Paths

5.7. Summary

5.8. Important Terms and Concepts

5.9. References

5.10. Questions and Problems

5.11. Design Problems

6. Chương 6: Mechanical Properties of Metals

6.1. Learning Objectives

6.2. Concepts of Stress and Strain

6.2.1. ELASTIC DEFORMATION

6.3. Stress-Strain Behavior

6.5. Elastic Properties of Materials

6.6. PLASTIC DEFORMATION

6.7. True Stress and Strain

6.8. Elastic Recovery after Plastic Deformation

6.9. Compressive, Shear, and Torsional Deformation

6.10. PROPERTY VARIABILITY AND DESIGN/SAFETY FACTORS

6.11. Variability of Material Properties

6.12. Design/Safety Factors

6.13. Summary

6.14. Important Terms and Concepts

6.15. References

6.16. Questions and Problems

6.17. Design Problems

7. Chương 7: Dislocations and Strengthening Mechanisms

7.0. Learning Objectives

7.1. Introduction

7.2. DISLOCATIONS AND PLASTIC DEFORMATION

7.3. Characteristics of Dislocations

7.4. Slip Systems

7.5. Slip in Single Crystals

7.6. Plastic Deformation of Polycrystalline Materials

7.7. Deformation by Twinning

7.7.1. MECHANISMS OF STRENGTHENING IN METALS

7.8. Strengthening by Grain Size Reduction

7.9. Solid-Solution Strengthening

7.10. Strain Hardening

7.10.1. RECOVERY, RECRYSTALLIZATION, AND GRAIN GROWTH

7.13. Grain Growth

7.14. Summary

7.15. Important Terms and Concepts

7.16. References

7.17. Questions and Problems

7.18. Design Problems

8. Chương 8: Failure

8.1. Learning Objectives

8.1.1. FRACTURE

8.2. Fundamentals of Fracture

8.3. Ductile Fracture

8.5. Principles of Fracture Mechanics

8.6. Impact Fracture Testing

8.7. FATIGUE

8.8. The S–N Curve

8.9. Crack Initiation and Propagation

8.10. Factors That Affect Fatigue Life

8.11. Environmental Effects

8.11.1. CREEP

8.12. Generalized Creep Behavior

8.13. Stress and Temperature Effects

8.14. Data Extrapolation Methods

8.15. Alloys for High-Temperature Use

8.16. Summary

8.17. Important Terms and Concepts

8.18. References

8.19. Questions and Problems

8.20. Design Problems

9. Chương 9: Phase Diagrams

9.1. Learning Objectives

9.1.1. DEFINITIONS AND BASIC CONCEPTS

9.2. Solubility Limit

9.6. One-Component (or Unary) Phase Diagrams

9.6.1. BINARY PHASE DIAGRAMS

9.7. Binary Isomorphous Systems

9.8. Interpretation of Phase Diagrams

9.9. Development of Microstructure in Isomorphous Alloys

9.10. Mechanical Properties of Isomorphous Alloys

9.11. Binary Eutectic Systems

9.12. Development of Microstructure in Eutectic Alloys

9.13. Equilibrium Diagrams Having Intermediate Phases or Compounds

9.14. Eutectic and Peritectic Reactions

9.15. Congruent Phase Transformations

9.16. Ceramic and Ternary Phase Diagrams

9.17. The Gibbs Phase Rule

9.17.1. THE IRON–CARBON SYSTEM

9.18. The Iron–Iron Carbide (Fe–Fe3C) Phase Diagram

9.19. Development of Microstructure in Iron–Carbon Alloys

9.20. The Influence of Other Alloying Elements

9.21. Summary

9.22. Important Terms and Concepts

9.23. References

9.24. Questions and Problems

10. Chương 10: Phase Transformations in Metals: Development of Microstructure and Alteration of Mechanical Properties

10.0. Learning Objectives

10.1. Introduction

10.2. PHASE TRANSFORMATIONS

10.3. The Kinetics of Phase Transformations

10.4. Metastable versus Equilibrium States

10.4.1. MICROSTRUCTURAL AND PROPERTY CHANGES IN IRON–CARBON ALLOYS

10.5. Isothermal Transformation Diagrams

10.6. Continuous Cooling Transformation Diagrams

10.7. Mechanical Behavior of Iron–Carbon Alloys

10.8. Tempered Martensite

10.9. Review of Phase Transformations and Mechanical Properties for Iron–Carbon Alloys

10.10. Summary

10.11. Important Terms and Concepts

10.12. References

10.13. Questions and Problems

10.14. Design Problems

11. Chương 11: Applications and Processing of Metal Alloys

11.1. Learning Objectives

11.1.1. TYPES OF METAL ALLOYS

11.1.2. FABRICATION OF METALS

11.1.3. THERMAL PROCESSING OF METALS

11.8. Heat Treatment of Steels

11.9. Summary

11.10. Important Terms and Concepts

11.11. References

11.12. Questions and Problems

11.13. Design Problems

12. Chương 12: Structures and Properties of Ceramics

12.1. Learning Objectives

12.1.1. CERAMIC STRUCTURES

12.5. Imperfections in Ceramics

12.6. Diffusion in Ionic Materials

12.7. Ceramic Phase Diagrams

12.7.1. MECHANICAL PROPERTIES

12.8. Brittle Fracture of Ceramics

12.9. Stress–Strain Behavior

12.10. Mechanisms of Plastic Deformation

12.11. Considerations

12.12. Summary

12.13. Important Terms and Concepts

12.14. References

12.15. Questions and Problems

12.16. Design Problems

13. Chương 13: Applications and Processing of Ceramics

13.0. Learning Objectives

13.1. Introduction

13.1.1. TYPES AND APPLICATIONS OF CERAMICS

13.2. Glasses

13.5. Refractories

13.6. Miscellaneous Techniques

13.6.1. FABRICATION AND PROCESSING OF CERAMICS

13.9. Fabrication and Processing of Glasses and Glass–Ceramics

13.10. Fabrication and Processing of Clay Products

13.11. Powder Pressing

13.12. Tape Casting

13.13. Summary

13.14. Important Terms and Concepts

13.15. References

13.16. Questions and Problems

13.17. Design Problem

14. Chương 14: Polymer Structures

14.1. Introduction

14.2. Learning Objectives

14.4. The Chemistry of Polymer Molecules

14.5. Molecular Weight

14.6. Molecular Shape

14.9. Thermoplastic and Thermosetting Polymers

14.11. Polymer Crystallinity

14.12. Polymer Crystals

14.13. Defects in Polymers

14.14. Diffusion in Polymeric Materials

14.15. Summary

14.16. Important Terms and Concepts

14.17. References

14.18. Questions and Problems

15. Chương 15: Characteristics, Applications, and Processing of Polymers

15.1. Learning Objectives

15.1.1. MECHANICAL BEHAVIOR OF POLYMERS

15.2. Stress–Strain Behavior

15.5. Fracture of Polymers

15.6. Characteristics

15.6.1. MECHANISMS OF DEFORMATION AND FOR STRENGTHENING OF POLYMERS

15.7. Deformation of Semicrystalline Polymers

15.8. Factors That Influence the Mechanical Properties of Semicrystalline Polymers

15.9. Deformation of Elastomers

15.9.1. CRYSTALLIZATION, MELTING, AND GLASS TRANSITION PHENOMENA IN POLYMERS

15.10. Crystallization

15.12. The Glass Transition

15.13. Melting and Glass Transition Temperatures

15.14. Factors That Influence Melting and Glass Transition Temperatures

15.14.1. POLYMER TYPES

15.17. Fibers

15.19. Advanced Polymeric Materials

15.19.1. POLYMER SYNTHESIS AND PROCESSING

15.22. Forming Techniques for Plastics

15.23. Fabrication of Elastomers

15.24. Fabrication of Fibers and Films

15.25. Summary

15.26. Important Terms and Concepts

15.27. References

15.28. Questions and Problems

15.29. Design Questions

16. Chương 16: Composites

16.0. Learning Objectives

16.1. Introduction

16.1.1. PARTICLE-REINFORCED COMPOSITES

16.2. Large-Particle Composites

16.3. Dispersion-Strengthened Composites

16.3.1. FIBER-REINFORCED COMPOSITES

16.4. Influence of Fiber Length

16.5. Influence of Fiber Orientation and Concentration

16.6. The Fiber Phase

16.7. The Matrix Phase

16.8. Polymer-Matrix Composites

16.9. Metal-Matrix Composites

16.10. Ceramic-Matrix Composites

16.11. Carbon–Carbon Composites

16.13. Processing of Fiber-Reinforced Composites

16.13.1. STRUCTURAL COMPOSITES

16.14. Laminar Composites

16.15. Sandwich Panels

16.16. Summary

16.17. Important Terms and Concepts

16.18. Questions and Problems

16.19. Design Problems

17. Chương 17: Corrosion and Degradation of Materials

17.1. Learning Objectives

17.2. CORROSION OF METALS

17.3. Corrosion Rates

17.4. Prediction of Corrosion Rates

17.6. Environmental Effects

17.7. Forms of Corrosion

17.9. Corrosion Prevention

17.10. Oxidation

17.10.1. CORROSION OF CERAMIC MATERIALS

17.10.2. DEGRADATION OF POLYMERS

17.11. Swelling and Dissolution

17.12. Bond Rupture

17.13. Weathering

17.14. Summary

17.15. Important Terms and Concepts

17.16. References

17.17. Questions and Problems

17.18. Design Problems

18. Chương 18: Electrical Properties

18.1. Learning Objectives

18.1.1. ELECTRICAL CONDUCTION

18.2. Ohm’s Law

18.3. Electrical Conductivity

18.4. Electronic and Ionic Conduction

18.5. Energy Band Structures in Solids

18.6. Conduction in Terms of Band and Atomic Bonding Models

18.7. Electron Mobility

18.8. Electrical Resistivity of Metals

18.9. Electrical Characteristics of Commercial Alloys

18.10. SEMICONDUCTIVITY

18.11. Extrinsic Semiconduction

18.12. The Temperature Dependence of Carrier Concentration

18.13. Factors That Affect Carrier Mobility

18.14. The Hall Effect

18.15. ELECTRICAL CONDUCTION IN IONIC CERAMICS AND IN POLYMERS

18.16. Conduction in Ionic Materials

18.17. Electrical Properties of Polymers

18.17.1. DIELECTRIC BEHAVIOR

18.18. Capacitance

18.19. Field Vectors and Polarization

18.20. Types of Polarization

18.21. Frequency Dependence of the Dielectric Constant

18.22. OTHER ELECTRICAL CHARACTERISTICS OF MATERIALS

18.24. Ferroelectricity

18.25. Important Terms and Concepts

18.26. References

18.27. Questions and Problems

18.28. Design Problems

19. Chương 19: Thermal Properties

19.1. Learning Objectives

19.2. Heat Capacity

19.5. Thermal Stresses

19.6. Summary

19.7. Important Terms and Concepts

19.8. References

19.9. Questions and Problems

19.10. Design Problems

20. Chương 20: Magnetic Properties

20.1. Learning Objectives

20.2. Basic Concepts

20.3. Diamagnetism and Paramagnetism

20.4. Ferrimagnetism

20.6. The Influence of Temperature on Magnetic Behavior

20.7. Domains and Hysteresis

20.9. Soft Magnetic Materials

20.10. Hard Magnetic Materials

20.11. Summary

20.12. Important Terms and Concepts

20.13. References

20.14. Questions and Problems

20.15. Design Problems

21. Chương 21: Optical Properties

21.0. Learning Objectives

21.1. Introduction

21.2. BASIC CONCEPTS

21.3. Light Interactions with Solids

21.4. Atomic and Electronic Interactions

21.4.1. OPTICAL PROPERTIES OF METALS

21.4.2. OPTICAL PROPERTIES OF NONMETALS

21.5. Refraction

21.10. Opacity and Translucency in Insulators

21.11. APPLICATIONS OF OPTICAL PHENOMENA

21.13. Lasers

21.14. Optical Fibers in Communications

21.15. Summary

21.16. Important Terms and Concepts

21.17. References

21.18. Questions and Problems

21.19. Design Problem

22. Chương 22: Materials Selection and Design Considerations

22.0. Learning Objectives

22.1. Introduction

22.1.1. MATERIALS SELECTION FOR A TORSIONALLY STRESSED CYLINDRICAL SHAFT

22.2. Strength Considerations–Torsionally Stressed Shaft

22.3. Other Property Considerations and the Final Decision

22.3.1. AUTOMOTIVE VALVE SPRING

22.4. Mechanics of Spring Deformation

22.5. Valve Spring Design and Material Requirements

22.6. One Commonly Employed Steel Alloy

22.7. FAILURE OF AN AUTOMOBILE REAR AXLE

22.8. Testing Procedure and Results

22.9. Discussion

22.9.1. ARTIFICIAL TOTAL HIP REPLACEMENT

22.10. Anatomy of the Hip Joint

22.11. CHEMICAL PROTECTIVE CLOTHING

22.13. Introduction

22.14. Assessment of CPC Glove Materials to Protect Against Exposure to Methylene Chloride

22.15. MATERIALS FOR INTEGRATED CIRCUIT PACKAGES

22.16. Leadframe Design and Materials

22.18. Wire Bonding

22.19. Package Encapsulation

22.20. Tape Automated Bonding

22.21. Design Questions and Problems

23. Chương 23: Economic, Environmental, and Societal Issues in Materials Science and Engineering

23.0. Learning Objectives

23.1. ECONOMIC CONSIDERATIONS

23.3. Materials

23.4. ENVIRONMENTAL AND SOCIETAL CONSIDERATIONS

23.5. Recycling Issues in Materials Science and Engineering

23.6. Summary

23.7. References

23.8. Design Question

Appendix A: The International System of Units

Appendix B: Properties of Selected Engineering Materials

B.2. Modulus of Elasticity

B.3. Poisson’s Ratio

B.4. Strength and Ductility

B.5. Plane Strain Fracture Toughness

B.6. Linear Coefficient of Thermal Expansion

B.7. Thermal Conductivity

B.9. Electrical Resistivity

B.10. Metal Alloy Compositions

Appendix C: Costs and Relative Costs for Selected Engineering Materials

Appendix D: Repeat Unit Structures for Common Polymers

Appendix E: Glass Transition and Melting Temperatures for Common Polymeric Materials

Glossary

Answers to Selected Problems

Index

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu

Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu là lĩnh vực nghiên cứu cơ bản về cấu trúc, tính chất và ứng dụng của các vật liệu. Giáo trình Nhập môn Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu (7e) của William D. Callister cung cấp kiến thức toàn diện cho sinh viên và chuyên gia. Lĩnh vực này kết hợp nguyên lý vật lý, hóa học và kỹ thuật để phát triển các vật liệu mới với tính chất vượt trội. Kỹ thuật vật liệu đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp hiện đại, từ công nghệ điện tử đến xây dựng và năng lượng tái tạo. Học tập lĩnh vực này giúp hiểu rõ mối quan hệ giữa cấu trúc nguyên tử, tính chất macroscopic và ứng dụng thực tế của vật liệu trong cuộc sống.

1.1. Định nghĩa và phạm vi của Khoa học Vật liệu

Khoa học vật liệu nghiên cứu mối liên hệ giữa cấu trúc nguyên tử, tính chất và hiệu suất của vật liệu. Nó bao gồm việc phân tích các defect, liên kết hóa học và quá trình xử lý. Kỹ thuật vật liệu ứng dụng những kiến thức này để thiết kế và sản xuất vật liệu phục vụ các nhu cầu cụ thể. Giáo trình này cung cấp nền tảng kiến thức cần thiết để hiểu cấu trúc tinh thể, tính chất cơ học và các ứng dụng công nghiệp của vật liệu.

1.2. Tại sao học Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu

Việc học Khoa học Kỹ thuật Vật liệu rất quan trọng vì nó giải thích cách các vật liệu hoạt động và tại sao chúng có những tính chất nhất định. Hiểu biết này cho phép kỹ sư chọn hoặc phát triển vật liệu tối ưu cho các ứng dụng cụ thể. Từ thiết kế máy bay đến phát triển năng lượng sạch, kỹ thuật vật liệu là nền tảng của đổi mới công nghệ. Giáo trình nhập môn cung cấp kiến thức nền tảng để sinh viên tiếp cục hành sự nghiệp trong lĩnh vực này.

II. Cấu trúc Nguyên tử và Liên kết Giữa Nguyên tử

Cấu trúc nguyên tử là yếu tố cơ bản quyết định tính chất của vật liệu. Giáo trình Khoa học Vật liệu Nhập môn chương 2 tập trung vào việc hiểu cách sắp xếp electron trong nguyên tử và các loại liên kết hóa học giữa các nguyên tử. Liên kết ionic, covalent và metallic tạo thành ba loại liên kết chính trong chất rắn. Ngoài ra, liên kết van der Waals đóng vai trò quan trọng trong một số vật liệu. Việc nắm vững các khái niệm này cho phép dự đoán và giải thích tính chất vật lý và hóa học của vật liệu. Bảng tuần hoàn cung cấp thông tin về các nguyên tố và cấu hình electron của chúng, là công cụ không thể thiếu trong nghiên cứu khoa học vật liệu.

2.1. Cấu trúc Nguyên tử và Electron

Nguyên tử bao gồm hạt nhân chứa proton và neutron, xung quanh đó là các electron. Cấu trúc electron tuân theo nguyên lý Aufbau và được biểu diễn bằng cấu hình electron. Orbitals có hình dạng khác nhau và chứa số electron tối đa. Sự phân bố electron trong các lớp và sublayers quyết định hành vi hóa học của nguyên tố. Hiểu cấu trúc electron là chìa khóa để dự đoán cách nguyên tử tương tác và liên kết với nhau trong khoa học vật liệu.

2.2. Các loại Liên kết Hóa học Chính

Liên kết Ionic hình thành khi có sự chuyển electron từ nguyên tố này sang nguyên tố khác. Liên kết Covalent tạo thành khi các nguyên tử chia sẻ electron. Liên kết Metallic xuất hiện trong các kim loại, với điện tử tự do chuyển động. Mỗi loại liên kết tạo ra những tính chất vật liệu khác nhau như độ cứng, độ dẫn điện và nhiệt độ nóng chảy. Liên kết van der Waals yếu hơn nhưng cũng ảnh hưởng đến một số tính chất. Lựa chọn vật liệu cho ứng dụng cụ thể phụ thuộc vào loại liên kết có mặt.

III. Cấu trúc của Chất Rắn Kết Tinh

Cấu trúc tinh thể là sắp xếp có trật tự của các nguyên tử trong không gian ba chiều. Chương 3 của giáo trình Khoa học Vật liệu Nhập môn giáo các loại cấu trúc tinh thể chính như BCC, FCC và HCP. Ô đơn vị (unit cell) là đơn vị lặp lại nhỏ nhất biểu diễn toàn bộ cấu trúc tinh thể. Hệ thống tinh thể được phân loại thành bảy loại dựa trên hình học của ô đơn vị. Mặt phẳng tinh thể, hướng tinh thể và chỉ số Miller giúp xác định định hướng và vị trí các nguyên tử. Hiểu cấu trúc tinh thể rất quan trọng vì nó trực tiếp ảnh hưởng đến tính chất cơ học và vật lý của vật liệu. Tính đồng vịđa hình thể cho thấy cách cùng một nguyên tố có thể có những cấu trúc và tính chất khác nhau.

3.1. Cấu trúc Tinh thể Của Kim loại

Kim loại thường có ba loại cấu trúc tinh thể cơ bản: Cubic tâm khối (BCC), Cubic tâm mặt (FCC)Hexagonal tightly packed (HCP). Cấu trúc FCC thường có tính nhận nước cao hơn do mật độ đóng gói lớn. Cấu trúc BCCđộ cứng cao hơn nhưng tính nhận nước kém hơn. Ô đơn vị chứa một số nguyên tử nhất định, xác định bằng số nguyên tử ở các góc và trung tâm. Mối liên hệ giữa cấu trúc tinh thể và tính chất kim loại là chủ đề trung tâm trong kỹ thuật vật liệu.

3.2. Chỉ số Miller và Hướng Tinh thể

Chỉ số Miller (hkl) được sử dụng để chỉ định hướng và mặt phẳng trong tinh thể. Để xác định chỉ số Miller, bước đầu tiên là xác định nơi mặt phẳng giao với các trục tọa độ. Hướng tinh thể được biểu diễn bằng [uvw]. Mặt phẳng có mật độ nguyên tử cao có những tính chất khác nhau so với mặt phẳng có mật độ thấp. Ví dụ, trong kim loại tuyệt vời, các mặt phẳng bị trượt khác nhau có độ khó khác nhau. Hiểu chỉ số Miller giúp dự đoán hành vi cơ học và tính chất của vật liệu.

IV. Ứng dụng Thực tiễn của Khoa học Vật liệu

Ứng dụng thực tiễn của Khoa học Vật liệu rất rộng rãi, từ ngành công nghiệp ô tô, hàng không vũ trụ cho đến y tế và năng lượng. Giáo trình Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu Nhập môn chuẩn bị sinh viên cho các thách thức thiết kế và phát triển vật liệu. Vật liệu composite kết hợp nhiều thành phần để đạt được tính chất vượt trội. Vật liệu half-dẫn là nền tảng của công nghệ điện tử hiện đại. Vật liệu thông minh có thể thay đổi tính chất phản ứng với điều kiện môi trường. Việc lựa chọn vật liệu phù hợp phụ thuộc vào các yêu cầu về độ bền, trọng lượng, chi phí và hiệu suất môi trường. Những kiến thức từ giáo trình này cho phép kỹ sư và nhà khoa học đổi mới và cải tiến công nghệ.

4.1. Lựa chọn Vật liệu cho Ứng dụng Cụ thể

Lựa chọn vật liệu phù hợp là bước quan trọng trong thiết kế kỹ thuật. Các yếu tố cần xem xét bao gồm tính chất cơ học (độ bền, độ dẻo), tính chất vật lý (độ dẫn nhiệt, điện), chi phí, độ khả dụngảnh hưởng môi trường. Vật liệu kim loại phù hợp cho ứng dụng cần độ bền cao như cầu, tòa nhà. Vật liệu polymer nhẹ hơn và thích hợp cho các sản phẩm tiêu dùng. Vật liệu gốm chịu được nhiệt độ cao. Các bảng so sánh tính chất vật liệu giúp kỹ sư đưa ra quyết định thông minh.

4.2. Phát triển Vật liệu Mới và Tương lai

Ngành công nghiệp vật liệu liên tục phát triển những vật liệu mới để đáp ứng nhu cầu công nghệ. Vật liệu nano có những tính chất đặc biệt do kích thước rất nhỏ. Vật liệu sinh học tương thích với cơ thể người dùng trong y tế. Vật liệu bền vững được phát triển để giảm tác động môi trường. Các cuộc nghiên cứu mới tập trung vào tăng hiệu suất năng lượng, giảm trọng lượngcải thiện độ bền. Giáo trình Nhập môn Khoa học Vật liệu cung cấp nền tảng để hiểu những tiến bộ này và tham gia vào tương lai của ngành công nghiệp.

Tóm tắt và mô tả trên trang này được tạo với sự hỗ trợ của AI. Nếu bạn thấy nội dung không chính xác hoặc có vấn đề, vui lòng Báo lỗi nội dung.

22/12/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

1496T_fm_i-xxvi 1/6/06 02:56 Page iii Materials Science and Engineering An Introduction 1496T_fm_i-xxvi 1/6/06 22:25 Page v SEVENTH EDITION Materials Science and Engineering An Introduction William D. Department of Metallurgical Engineering The University of Utah with special contributions by David G. Rethwisch The University of Iowa John Wiley & Sons, Inc. 1496T_fm_i-xxvi 1/11/06 23:05 Page vi Front Cover: A unit cell for diamond (blue-gray spheres represent carbon atoms), which is positioned above the temperature-versus-logarithm pressure phase diagram for carbon; highlighted in blue is the region for which diamond is the stable phase.

Back Cover: Atomic structure for graphite; here the gray spheres depict carbon atoms. The region of graphite stability is highlighted in orange on the pressure-temperature phase diagram for carbon, which is situated behind this graphite structure. ACQUISITIONS EDITOR Joseph Hayton MARKETING DIRECTOR Frank Lyman SENIOR PRODUCTION EDITOR Ken Santor SENIOR DESIGNER Kevin Murphy COVER ART Roy Wiemann TEXT DESIGN Michael Jung SENIOR ILLUSTRATION EDITOR Anna Melhorn COMPOSITOR Techbooks/GTS, York, PA ILLUSTRATION STUDIO Techbooks/GTS, York, PA This book was set in 10/12 Times Ten by Techbooks/GTS, York, PA and printed and bound by Quebecor Versailles. The cover was printed by Quebecor.

This book is printed on acid free paper. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Inc. All rights reserved. No part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system or transmitted in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording, scanning or otherwise, except as permitted under Sections 107 or 108 of the 1976 United States Copyright Act, without either the prior written permission of the Publisher, or authorization through payment of the appropriate per-copy fee to the Copyright Clearance Center, 222 Rosewood Drive, Danvers, MA 01923, (508)750-8400, fax (508)750-4470.

Requests to the Publisher for permission should be addressed to the Permissions Department, John Wiley & Sons, Inc., 605 Third Avenue, New York, NY 10158-0012, (212) 850-6011, fax (212) 850-6008, E-Mail: PERMREQ@WILEY. To order books or for customer service please call 1(800)225-5945. Library of Congress Cataloging-in-Publication Data Callister, William D., 1940- Materials science and engineering : an introduction / William D. Includes bibliographical references and index.1’1—dc22 2005054228 Printed in the United States of America 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1496T_fm_i-xxvi 1/6/06 02:56 Page vii Dedicated to my colleagues and friends in Brazil and Spain 1496T_fm_i-xxvi 1/6/06 02:56 Page viii 1496T_fm_i-xxvi 1/6/06 03:19 Page xv Contents LIST OF SYMBOLS xxiii 1.

Introduction 1 Learning Objectives 2 1.2 Materials Science and Engineering 3 1.3 Why Study Materials Science and Engineering? 5 1.4 Classification of Materials 5 1.6 Modern Materials’ Needs 12 References 13 2. Atomic Structure and Interatomic Bonding 15 Learning Objectives 16 2.1 Introduction 16 ATOMIC STRUCTURE 16 2.3 Electrons in Atoms 17 2.4 The Periodic Table 23 ATOMIC BONDING IN SOLIDS 24 2.5 Bonding Forces and Energies 24 2.6 Primary Interatomic Bonds 26 2.7 Secondary Bonding or van der Waals Bonding 30 2.8 Molecules 32 Summary 34 Important Terms and Concepts 34 References 35 Questions and Problems 35 3. The Structure of Crystalline Solids 38 Learning Objectives 39 3.1 Introduction 39 CRYSTAL STRUCTURES 39 3.4 Metallic Crystal Structures 41 3.6 Polymorphism and Allotropy 46 • xv 1496T_fm_i-xxvi 1/6/06 02:56 Page xvi xvi • Contents 3.4 Nonsteady-State Diffusion 114 CRYSTALLOGRAPHIC POINTS, DIRECTIONS, AND 5.5 Factors That Influence Diffusion 118 PLANES 49 5.6 Other Diffusion Paths 125 Summary 125 3.8 Point Coordinates 49 Important Terms and Concepts 126 3.9 Crystallographic Directions 51 References 126 3.10 Crystallographic Planes 55 Questions and Problems 126 3.11 Linear and Planar Densities 60 Design Problems 129 3.12 Close-Packed Crystal Structures 61 CRYSTALLINE AND NONCRYSTALLINE 6. Mechanical Properties of Metals 131 MATERIALS 63 3.13 Single Crystals 63 Learning Objectives 132 3.2 Concepts of Stress and Strain 133 3.16 X-Ray Diffraction: Determination of ELASTIC DEFORMATION 137 Crystal Structures 66 6.3 Stress-Strain Behavior 137 3.5 Elastic Properties of Materials 141 Important Terms and Concepts 73 References 73 PLASTIC DEFORMATION 143 Questions and Problems 74 6.7 True Stress and Strain 151 4.

Imperfections in Solids 80 6.8 Elastic Recovery after Plastic Deformation 154 Learning Objectives 81 6.9 Compressive, Shear, and Torsional 4.1 Introduction 81 Deformation 154 POINT DEFECTS 81 6.2 Vacancies and Self-Interstitials 81 PROPERTY VARIABILITY AND DESIGN/SAFETY 4.3 Impurities in Solids 83 FACTORS 161 4.4 Specification of Composition 85 6.11 Variability of Material Properties 161 MISCELLANEOUS IMPERFECTIONS 88 6.12 Design/Safety Factors 163 4.5 Dislocations–Linear Defects 88 Summary 165 Important Terms and Concepts 166 4.6 Interfacial Defects 92 References 166 4.7 Bulk or Volume Defects 96 Questions and Problems 166 4.8 Atomic Vibrations 96 Design Problems 172 MICROSCOPIC EXAMINATION 97 4. Dislocations and Strengthening 4.10 Microscopic Techniques 98 Mechanisms 174 4.11 Grain Size Determination 102 Summary 104 Learning Objectives 175 Important Terms and Concepts 105 7.1 Introduction 175 References 105 DISLOCATIONS AND PLASTIC Questions and Problems 106 DEFORMATION 175 Design Problems 108 7.3 Characteristics of Dislocations 178 5.4 Slip Systems 179 Learning Objectives 110 7.5 Slip in Single Crystals 181 5.6 Plastic Deformation of Polycrystalline 5.2 Diffusion Mechanisms 111 Materials 185 5.3 Steady-State Diffusion 112 7.7 Deformation by Twinning 185 1496T_fm_i-xxvi 01/10/06 22:13 Page xvii Contents • xvii MECHANISMS OF STRENGTHENING 9.2 Solubility Limit 254 IN METALS 188 9.8 Strengthening by Grain Size 9.9 Solid-Solution Strengthening 190 9.6 One-Component (or Unary) Phase 7.10 Strain Hardening 191 Diagrams 256 RECOVERY, RECRYSTALLIZATION, AND GRAIN BINARY PHASE DIAGRAMS 258 GROWTH 194 9.7 Binary Isomorphous Systems 258 7.8 Interpretation of Phase Diagrams 260 7.9 Development of Microstructure in 7.13 Grain Growth 200 Isomorphous Alloys 264 Summary 201 9.10 Mechanical Properties of Isomorphous Important Terms and Concepts 202 Alloys 268 References 202 9.11 Binary Eutectic Systems 269 Questions and Problems 202 9.12 Development of Microstructure in Design Problems 206 Eutectic Alloys 276 9.13 Equilibrium Diagrams Having 8. Failure 207 Intermediate Phases or Compounds 282 Learning Objectives 208 9.14 Eutectic and Peritectic Reactions 284 8.15 Congruent Phase FRACTURE 208 Transformations 286 8.2 Fundamentals of Fracture 208 9.16 Ceramic and Ternary Phase 8.3 Ductile Fracture 209 Diagrams 287 8.17 The Gibbs Phase Rule 287 8.5 Principles of Fracture Mechanics 215 THE IRON–CARBON SYSTEM 290 8.6 Impact Fracture Testing 223 9.18 The Iron–Iron Carbide (Fe–Fe3C) Phase FATIGUE 227 Diagram 290 8.19 Development of Microstructure in 8.8 The S–N Curve 229 Iron–Carbon Alloys 293 8.9 Crack Initiation and Propagation 232 9.20 The Influence of Other Alloying 8.10 Factors That Affect Fatigue Life 234 Elements 301 8.11 Environmental Effects 237 Summary 302 CREEP 238 Important Terms and Concepts 303 References 303 8.12 Generalized Creep Behavior 238 Questions and Problems 304 8.13 Stress and Temperature Effects 239 8.14 Data Extrapolation Methods 241 10. Phase Transformations in Metals: 8.15 Alloys for High-Temperature Development of Microstructure Use 242 Summary 243 and Alteration of Mechanical Important Terms and Concepts 245 Properties 311 References 246 Learning Objectives 312 Questions and Problems 246 Design Problems 250 10.1 Introduction 312 PHASE TRANSFORMATIONS 312 9.3 The Kinetics of Phase Learning Objectives 253 Transformations 313 9.4 Metastable versus Equilibrium DEFINITIONS AND BASIC CONCEPTS 253 States 324 1496T_fm_i-xxvi 01/10/06 22:13 Page xviii xviii • Contents MICROSTRUCTURAL AND PROPERTY CHANGES IN 12.7 Ceramic Phase Diagrams 439 IRON–CARBON ALLOYS 324 MECHANICAL PROPERTIES 442 10.5 Isothermal Transformation Diagrams 325 12.8 Brittle Fracture of Ceramics 442 10.6 Continuous Cooling Transformation 12.9 Stress–Strain Behavior 447 Diagrams 335 12.10 Mechanisms of Plastic 10.7 Mechanical Behavior of Iron–Carbon Deformation 449 Alloys 339 12.8 Tempered Martensite 343 Considerations 451 10.9 Review of Phase Transformations and Summary 453 Mechanical Properties for Iron–Carbon Important Terms and Concepts 454 Alloys 346 References 454 Summary 350 Questions and Problems 455 Important Terms and Concepts 351 Design Problems 459 References 352 Questions and Problems 352 Design Problems 356 13.

Applications and Processing of Ceramics 460 11. Applications and Processing of Learning Objectives 461 Metal Alloys 358 13.1 Introduction 461 TYPES AND APPLICATIONS OF Learning Objectives 359 CERAMICS 461 11.2 Glasses 461 TYPES OF METAL ALLOYS 359 13.5 Refractories 464 FABRICATION OF METALS 382 13.6 Miscellaneous Techniques 386 FABRICATION AND PROCESSING OF THERMAL PROCESSING OF METALS 387 CERAMICS 471 11.9 Fabrication and Processing of Glasses 11.8 Heat Treatment of Steels 390 and Glass–Ceramics 471 11.10 Fabrication and Processing of Clay Summary 407 Products 476 Important Terms and Concepts 409 13.11 Powder Pressing 481 References 409 13.12 Tape Casting 484 Questions and Problems 410 Summary 484 Design Problems 411 Important Terms and Concepts 486 References 486 Questions and Problems 486 12. Structures and Properties of Design Problem 488 Ceramics 414 Learning Objectives 415 14.1 Introduction 415 Learning Objectives 490 CERAMIC STRUCTURES 415 14.4 The Chemistry of Polymer 12.5 Imperfections in Ceramics 434 Molecules 493 12.6 Diffusion in Ionic Materials 438 14.5 Molecular Weight 497 1496T_fm_i-xxvi 01/10/06 22:13 Page xix Contents • xix 14.6 Molecular Shape 500 POLYMER SYNTHESIS AND PROCESSING 560 14.9 Thermoplastic and Thermosetting 15.22 Forming Techniques for Plastics 565 Polymers 506 15.23 Fabrication of Elastomers 567 14.24 Fabrication of Fibers and Films 568 14.11 Polymer Crystallinity 508 Summary 569 14.12 Polymer Crystals 512 Important Terms and Concepts 571 14.13 Defects in Polymers 514 References 571 14.14 Diffusion in Polymeric Materials 515 Questions and Problems 572 Summary 517 Design Questions 576 Important Terms and Concepts 519 References 519 16. Composites 577 Questions and Problems 519 Learning Objectives 578 15.

Characteristics, Applications, and 16.1 Introduction 578 Processing of Polymers 523 PARTICLE-REINFORCED COMPOSITES 580 Learning Objectives 524 16.2 Large-Particle Composites 580 15.3 Dispersion-Strengthened Composites 584 MECHANICAL BEHAVIOR OF POLYMERS 524 FIBER-REINFORCED COMPOSITES 585 15.2 Stress–Strain Behavior 524 15.4 Influence of Fiber Length 585 15.5 Influence of Fiber Orientation and 15.5 Fracture of Polymers 532 Concentration 586 15.6 The Fiber Phase 595 Characteristics 533 16.7 The Matrix Phase 596 16.8 Polymer-Matrix Composites 597 MECHANISMS OF DEFORMATION AND FOR STRENGTHENING OF POLYMERS 535 16.9 Metal-Matrix Composites 603 16.10 Ceramic-Matrix Composites 605 15.7 Deformation of Semicrystalline 16.11 Carbon–Carbon Composites 606 Polymers 535 16.8 Factors That Influence the Mechanical 16.13 Processing of Fiber-Reinforced Properties of Semicrystalline Composites 607 Polymers 538 15.9 Deformation of Elastomers 541 STRUCTURAL COMPOSITES 610 CRYSTALLIZATION, MELTING, AND GLASS 16.14 Laminar Composites 610 TRANSITION PHENOMENA IN POLYMERS 544 16.15 Sandwich Panels 611 Summary 613 15.10 Crystallization 544 Important Terms and Concepts 615 15.12 The Glass Transition 545 Questions and Problems 616 15.13 Melting and Glass Transition Design Problems 619 Temperatures 546 15.14 Factors That Influence Melting and Glass 17. Corrosion and Degradation of Transition Temperatures 547 Materials 621 POLYMER TYPES 549 Learning Objectives 622 15.17 Fibers 554 CORROSION OF METALS 622 15.19 Advanced Polymeric Materials 556 17.3 Corrosion Rates 630 1496T_fm_i-xxvi 01/10/06 22:13 Page xx xx • Contents 17.4 Prediction of Corrosion Rates 631 18.20 Types of Polarization 708 17.21 Frequency Dependence of the Dielectric 17.6 Environmental Effects 640 Constant 709 17.7 Forms of Corrosion 640 18.9 Corrosion Prevention 649 OTHER ELECTRICAL CHARACTERISTICS OF 17.10 Oxidation 651 MATERIALS 711 CORROSION OF CERAMIC MATERIALS 654 18.24 Ferroelectricity 711 DEGRADATION OF POLYMERS 655 18.11 Swelling and Dissolution 655 Important Terms and Concepts 715 17.12 Bond Rupture 657 References 715 17.13 Weathering 658 Questions and Problems 716 Summary 659 Design Problems 720 Important Terms and Concepts 660 References 661 Questions and Problems 661 19. Thermal Properties W1 Design Problems 644 Learning Objectives W2 19.2 Heat Capacity W2 Learning Objectives 666 19.5 Thermal Stresses W12 ELECTRICAL CONDUCTION 666 Summary W14 18.2 Ohm’s Law 666 Important Terms and Concepts W15 18.3 Electrical Conductivity 667 References W15 18.4 Electronic and Ionic Conduction 668 Questions and Problems W15 18.5 Energy Band Structures in Design Problems W17 Solids 668 18.6 Conduction in Terms of Band and 20. Magnetic Properties W19 Atomic Bonding Models 671 18.7 Electron Mobility 673 Learning Objectives W20 18.8 Electrical Resistivity of Metals 674 20.9 Electrical Characteristics of Commercial 20.2 Basic Concepts W20 Alloys 677 20.3 Diamagnetism and Paramagnetism W24 SEMICONDUCTIVITY 679 20.11 Extrinsic Semiconduction 682 Ferrimagnetism W28 18.12 The Temperature Dependence of Carrier 20.6 The Influence of Temperature on Concentration 686 Magnetic Behavior W32 18.13 Factors That Affect Carrier Mobility 688 20.7 Domains and Hysteresis W33 18.14 The Hall Effect 692 20.9 Soft Magnetic Materials W38 ELECTRICAL CONDUCTION IN IONIC CERAMICS 20.10 Hard Magnetic Materials W41 AND IN POLYMERS 700 20.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ