Sách Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu của Askeland - Phiên bản thứ 6

Giáo trình Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu (tái bản lần 6) trình bày các nguyên lý cơ bản về cấu trúc, đặc tính và hiệu suất của vật liệu kỹ thuật.

Trường đại học

University of Missouri—Rolla, Emeritus

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Giáo trình

2010

950
0
0

Phí lưu trữ

135 Point

Tóm tắt

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

Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu (Materials Science and Engineering - MSE) là một lĩnh vực học thuật quan trọng tập trung vào việc nghiên cứu, thiết kế và phát triển các vật liệu mới có hiệu suất cao. Giáo trình này, tái bản lần 6, được biên soạn bởi các chuyên gia hàng đầu Donald R. Askeland, Pradeep P. Fulay và Wendelin J. Wright, cung cấp kiến thức toàn diện về mối quan hệ giữa thành phần, cấu trúc, xử lý và tính chất của vật liệu. Tác phẩm này không chỉ là tài liệu học tập mà còn là nguồn tham khảo thực tiễn cho các kỹ sư và nhà khoa học trong ngành công nghiệp.

1.1. Định nghĩa và phạm vi nghiên cứu

Khoa học vật liệu là ngành khoa học nghiên cứu về cấu trúc nguyên tử, tính chất vật lý và hóa học của các chất liệu. Kỹ thuật vật liệu áp dụng những kiến thức này để thiết kế và chế tạo các vật liệu phục vụ các ứng dụng thực tiễn. Phạm vi nghiên cứu bao gồm kim loại, gốm sứ, polymer, composite và các vật liệu tiên tiến khác.

1.2. Tầm quan trọng của giáo trình tái bản lần 6

Tái bản lần 6 của giáo trình này được cập nhật với những khám phá mới nhất trong ngành. Nó cung cấp các ví dụ thực tế, đặc biệt là về hợp kim nhôm dùng trong khối động cơ, giúp sinh viên hiểu rõ cách áp dụng lý thuyết vào thực hành. Giáo trình nhấn mạnh mối liên hệ giữa tổng hợp, xử lý, cấu trúc vi mô và hiệu suất vật liệu.

II. Tứ diện MSE và Cấu trúc Vật liệu

Tứ diện MSE là một mô hình quan trọng giải thích mối quan hệ giữa bốn yếu tố chính: thành phần (Composition), xử lý (Processing), cấu trúc (Structure)tính chất (Properties). Mô hình này cho thấy rằng bằng cách kiểm soát thành phần hóa họcquá trình xử lý, chúng ta có thể điều chỉnh cấu trúc vi mô ở các tỷ lệ khác nhau - từ quy mô nguyên tử đến quy mô vĩ mô - để đạt được những tính chất và hiệu suất mong muốn. Giáo trình tái bản lần 6 giải thích chi tiết cách thức hoạt động của tứ diện này thông qua các ví dụ thực tế.

2.1. Các cấp độ cấu trúc vật liệu

Cấu trúc vật liệu tồn tại ở nhiều cấp độ khác nhau: Cấu trúc nguyên tử (1-100 Angstrom), cấu trúc nano (3-100 nanometer), cấu trúc vi mô (50-500 micrometer) và cấu trúc vĩ mô (1-10 mm và lớn hơn). Mỗi cấp độ ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất cơ học như độ bền, độ dẻo và khả năng chịu mệt.

2.2. Ứng dụng trong khối động cơ nhôm

Hợp kim nhôm dùng trong khối động cơ là ví dụ minh họa hoàn hảo cho mô hình tứ diện MSE. Thông qua kiểm soát quá trình tạo hìnhcấu trúc zircon, pha khoáng, người ta có thể đạt được hiệu suất động cơ cao, độ bền và khả năng chịu mệt cần thiết cho ứng dụng công nghiệp.

III. Tính chất Vật liệu và Tiêu chí Hiệu suất

Tính chất vật liệu được định nghĩa là những đặc tính có thể đo lường được ảnh hưởng trực tiếp bởi cấu trúc vi mô. Giáo trình tập trung vào các tiêu chí hiệu suất quan trọng như độ bền kéo cuối cùng, độ bền chảy, độ dẻo, khả năng chịu mệttính dẫn nhiệt. Mỗi tính chất này đóng vai trò quan trọng trong việc chọn vật liệu phù hợp cho các ứng dụng cụ thể. Giáo trình tái bản lần 6 cung cấp các công thức chuyển đổi đơn vị (từ pound sang Newton, từ psi sang MPa) và những mối quan hệ toán học giúp kỹ sư tính toán và dự đoán tính chất vật liệu.

3.1. Các tính chất cơ học chính

Tính chất cơ học bao gồm: độ bền kéo cuối cùng (Ultimate Tensile Strength), độ bền chảy (Yield Strength), độ dẻo (Ductility)hệ số đàn hồi Young (Young's Modulus). Những tính chất này được xác định thông qua thử nghiệm cơ họcphân tích cấu trúc vi mô tại các mức độ khác nhau từ nguyên tử đến vĩ mô.

3.2. Mệt và độ bền dài hạn

Mệt cao chu kỳ (High Cycle Fatigue)mệt thấp chu kỳ (Low Cycle Fatigue) là những hiện tượng quan trọng ảnh hưởng đến tuổi thọ vật liệu. Cấu trúc vi mô, đặc biệt là kích thước tinh thể, sự phân bố pha khoángkhuyết tật nguyên tử, đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát khả năng chịu mệt của vật liệu.

IV. Ứng dụng Thực tiễn và Hướng Phát triển

Giáo trình Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu tái bản lần 6 không chỉ trình bày lý thuyết mà còn nhấn mạnh các ứng dụng thực tế trong ngành công nghiệp. Các tác giả - Donald R. Askeland, Pradeep P. Fulay và Wendelin J. Wright - đã tích hợp những kinh nghiệm từ các công ty như Ford Motor Company vào giáo trình. Điều này giúp sinh viên, kỹ sư và các chuyên gia hiểu rõ cách những nguyên lý MSE được ứng dụng để phát triển các vật liệu tiên tiến với hiệu suất, độ bền caochi phí thấp. Giáo trình cũng cung cấp các bảng đơn vị chuyển đổihằng số vật lý hữu ích cho tính toán kỹ thuật.

4.1. Vật liệu tiên tiến và bền vững

Vật liệu composite, polymer kỹ thuậthợp kim nhôm cải tiến là những xu hướng phát triển chính. Giáo trình tái bản lần 6 cập nhật những tiến bộ mới trong tổng hợp vật liệuxử lý nâng cao để tạo ra các vật liệu có tính bền vững cao, khối lượng nhẹchi phí sản xuất thấp.

4.2. Vai trò của MSE trong công nghiệp hiện đại

Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu là nền tảng của các ngành công nghiệp như ô tô, hàng không, điện tử, năng lượng. Thông qua việc học giáo trình tái bản lần 6, các chuyên gia có khả năng thiết kế các giải pháp vật liệu toàn diện, đáp ứng các yêu cầu hiệu suất cao, an toànbảo vệ môi trường.

22/12/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

net Performance What is Materials Science and Engineering? Cost Synthesis and Composition Processing Structure Macro-Scale Structure Engine Block ≡ up to 1 meter Unit Cell Performance Criteria Microstructure Power generated - Grains Efficiency ≡ 1–10 millimeters Durability Cost Properties affected Microstructure High cycle fatigue - Dendrites and Phases www.net Ductility ≡ 50–500 micrometers Nano-structure Properties affected - Precipitates Yield strength ≡ 3–100 nanometers Ultimate tensile strength Properties affected High cycle fatigue Yield strength Atomic-scale structure Low cycle fatigue Ultimate tensile strength ≅ 1–100 Angstroms Thermal growth Low cycle fatigue Properties affected Ductility Ductility Young’s modulus Thermal growth A real-world example of important microstructural features at different length-scales resulting from the sophisticated synthesis and processing used, and the properties they influence. The atomic, nano, micro, and macro-scale structures of cast aluminum alloys (for engine blocks) in relation to the properties affected and performance are shown. The materials science and engineering (MSE) tetrahedron that represents this approach is shown in the upper right corner. Copyright 2010 Cengage Learning, Inc.

All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part. (Illustrations Courtesy of John Allison and William Donlon, Ford Motor Company.) ■ Units and conversion factors 1 pound (lb) ⫽ 4.448 Newtons (N) 1 psi ⫽ pounds per square inch 1 MPa ⫽ MegaPascal ⫽ MegaNewtons per square meter (MN/m2) ⫽ Newtons per square millimeter (N/mm2) ⫽ 1,000,000 Pa 1 GPa ⫽ 1000 MPa ⫽ GigaPascal 1 ksi ⫽ 1000 psi ⫽ 6.145 ksi ⫽ 145 psi ■ Some useful relationships, constants, and units Electron volt ⫽ 1 eV ⫽ 1.6 ⫻ 10⫺12 erg 1 amp ⫽ 1 coulomb/second 1 volt ⫽ 1 amp ⭈ ohm kBT at room temperature (300 K) ⫽ 0.0259 eV c ⫽ speed of light 2.998 ⫻ 108 m/s eo ⫽ permittivity of free space ⫽ 8.85 ⫻ 10⫺12 F/m q ⫽ charge on electron ⫽ 1.6 ⫻ 10⫺19 C Avogadro constant NA ⫽ 6.022 ⫻ 1023 kB ⫽ Boltzmann constant ⫽ 8.net Copyright 2010 Cengage Learning, Inc. All Rights Reserved.

May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part. The Science and Engineering of Materials Sixth Edition www.net Copyright 2010 Cengage Learning, Inc. All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part.net Copyright 2010 Cengage Learning, Inc.

All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part. The Science and Engineering of Materials Sixth Edition Donald R. Askeland University of Missouri—Rolla, Emeritus Pradeep P.

Fulay University of Pittsburgh Wendelin J. Wright Bucknell University Australia • Brazil • Japan • Korea • Mexico • Singapore • Spain • United Kingdom • United States www.net Copyright 2010 Cengage Learning, Inc. All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part.

This is an electronic sample of the print textbook. The publisher reserves the right to remove content from this title at any time if subsequent rights restrictions require it. For valuable information on pricing, previous editions, changes to current editions and alternate formats, please visit www.com/highered to search by ISBN#, author, title, or keyword for materials in your areas of interest. Copyright 2010 Cengage Learning, Inc.net Rights Reserved.

May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part. The Science and Engineering of Materials, © 2011, 2006 Cengage Learning Sixth Edition Authors Donald R. Askeland, Pradeep ALL RIGHTS RESERVED. No part of this work covered by the P.

Wright copyright herein may be reproduced, transmitted, stored, or used in any form or by any means graphic, electronic, or Publisher, Global Engineering: mechanical, including but not limited to photocopying, Christopher M. Shortt recording, scanning, digitizing, taping, web distribution, Senior Developmental Editor: Hilda Gowans information networks, or information storage and retrieval systems, except as permitted under Section 107 or 108 of the Editorial Assistant: Tanya Altieri 1976 United States Copyright Act, without the prior written Team Assistant: Carly Rizzo permission of the publisher. Marketing Manager: Lauren Betsos For product information and technology assistance, Media Editor: Chris Valentine contact us at Cengage Learning Customer & Director, Content and Media Production: Sales Support, 1-800-354-9706. Tricia Boies For permission to use material from this text or product, Content Project Manager: Darrell Frye submit all requests online at www.com/ Production Service: RPK Editorial Services, Inc.

Further permissions questions can be emailed to permissionrequest@cengage.com Copyeditor: Shelly Gerger-Knechtl Proofreader: Martha McMaster/Erin Wagner Library of Congress Control Number: 2010922628 Indexer: Shelly Gerger-Knech ISBN-13: 978-0-495-29602-7 Compositor: Integra ISBN-10: 0-495-29602-3 Senior Art Director: Michelle Kunkler Cengage Learning Internal Design: Jennifer Lambert/jen2design 200 First Stamford Place, Suite 400 Cover Designer: Andrew Adams Stamford, CT 06902 Cover Image: © Sieu Ha/Antoine Kahn/ USA Princeton University Cengage Learning is a leading provider of customized Text and Image Permissions Researcher: learning solutions with office locations around the globe, Kristiina Paul including Singapore, the United Kingdom, Australia, Mexico, First Print Buyer: Arethea Thomas Brazil, and Japan. Locate your local office at: international. Cengage Learning products are represented in Canada by Nelson Education Ltd. For your course and learning solutions, visit www.

Purchase any of our products at your local college store or at our preferred online store www. Printed in the United States of America 1 2 3 4 5 6 7 13 12 11 10 09 www.net Copyright 2010 Cengage Learning, Inc. All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part.

To Mary Sue and Tyler –Donald R. Askeland To Jyotsna, Aarohee, and Suyash –Pradeep P. Fulay To John, as we begin the next wonderful chapter in our life together –Wendelin J.net Copyright 2010 Cengage Learning, Inc. All Rights Reserved.

May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part.net Copyright 2010 Cengage Learning, Inc. All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part. Contents Chapter 1 Introduction to Materials Science and Engineering 3 1-1 What is Materials Science and Engineering? 4 1-2 Classification of Materials 7 1-3 Functional Classification of Materials 11 1-4 Classification of Materials Based on Structure 13 1-5 Environmental and Other Effects 13 1-6 Materials Design and Selection 16 Summary 17 | Glossary 18 | Problems 19 Chapter 2 Atomic Structure 23 2-1 The Structure of Materials: Technological Relevance 24 2-2 The Structure of the Atom 27 2-3 The Electronic Structure of the Atom 29 2-4 The Periodic Table 32 2-5 Atomic Bonding 34 2-6 Binding Energy and Interatomic Spacing 41 2-7 The Many Forms of Carbon: Relationships Between Arrangements of Atoms and Materials Properties 44 Summary 48 | Glossary 50 | Problems 52 Chapter 3 Atomic and Ionic Arrangements 55 3-1 Short-Range Order versus Long-Range Order 56 3-2 Amorphous Materials 58 3-3 Lattice, Basis, Unit Cells, and Crystal Structures 60 3-4 Allotropic or Polymorphic Transformations 72 3-5 Points, Directions, and Planes in the Unit Cell 73 3-6 Interstitial Sites 84 3-7 Crystal Structures of Ionic Materials 86 3-8 Covalent Structures 92 3-9 Diffraction Techniques for Crystal Structure Analysis 96 Summary 100 | Glossary 102 | Problems 104 www.net Copyright 2010 Cengage Learning, Inc.

All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part. viii CONTENTS Chapter 4 Imperfections in the Atomic and lonic Arrangements 113 4-1 Point Defects 114 4-2 Other Point Defects 120 4-3 Dislocations 122 4-4 Significance of Dislocations 130 4-5 Schmid’s Law 131 4-6 Influence of Crystal Structure 134 4-7 Surface Defects 135 4-8 Importance of Defects 141 Summary 144 | Glossary 145 | Problems 147 Chapter 5 Atom and Ion Movements in Materials 155 5-1 Applications of Diffusion 156 5-2 Stability of Atoms and Ions 159 5-3 Mechanisms for Diffusion 161 5-4 Activation Energy for Diffusion 163 5-5 Rate of Diffusion [Fick’s First Law] 164 5-6 Factors Affecting Diffusion 168 5-7 Permeability of Polymers 176 5-8 Composition Profile [Fick’s Second Law] 177 5-9 Diffusion and Materials Processing 182 Summary 187 | Glossary 188 | Problems 190 Chapter 6 Mechanical Properties: Part One 197 6-1 Technological Significance 198 6-2 Terminology for Mechanical Properties 199 6-3 The Tensile Test: Use of the Stress–Strain Diagram 204 6-4 Properties Obtained from the Tensile Test 208 6-5 True Stress and True Strain 216 6-6 The Bend Test for Brittle Materials 218 6-7 Hardness of Materials 221 6-8 Nanoindentation 223 6-9 Strain Rate Effects and Impact Behavior 227 6-10 Properties Obtained from the Impact Test 228 6-11 Bulk Metallic Glasses and Their Mechanical Behavior 231 6-12 Mechanical Behavior at Small Length Scales 233 Summary 235 | Glossary 236 | Problems 239 www.net Copyright 2010 Cengage Learning, Inc. All Rights Reserved.

May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part. CONTENTS ix (a) Chapter 7 Mechanical Properties: Part Two 247 (b) 7-1 Fracture Mechanics 248 7-2 The Importance of Fracture Mechanics 250 (c) 7-3 Microstructural Features of Fracture in Metallic Materials 254 7-4 Microstructural Features of Fracture in Ceramics, Glasses, and Composites 258 7-5 Weibull Statistics for Failure Strength Analysis 260 7-6 Fatigue 265 7-7 Results of the Fatigue Test 268 7-8 Application of Fatigue Testing 270 7-9 Creep, Stress Rupture, and Stress Corrosion 274 7-10 Evaluation of Creep Behavior 276 7-11 Use of Creep Data 278 Summary 280 | Glossary 280 | Problems 282 Chapter 8 Strain Hardening and Annealing 291 8-1 Relationship of Cold Working to the Stress-Strain Curve 292 8-2 Strain-Hardening Mechanisms 297 8-3 Properties versus Percent Cold Work 299 8-4 Microstructure, Texture Strengthening, and Residual Stresses 301 8-5 Characteristics of Cold Working 306 8-6 The Three Stages of Annealing 308 8-7 Control of Annealing 311 8-8 Annealing and Materials Processing 313 8-9 Hot Working 315 Summary 317 | Glossary 318 | Problems 320 Chapter 9 Principles of Solidification 329 9-1 Technological Significance 330 9-2 Nucleation 330 9-3 Applications of Controlled Nucleation 335 9-4 Growth Mechanisms 336 9-5 Solidification Time and Dendrite Size 338 9-6 Cooling Curves 343 9-7 Cast Structure 344 9-8 Solidification Defects 346 9-9 Casting Processes for Manufacturing Components 351 www.net Copyright 2010 Cengage Learning, Inc. All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part.

x CONTENTS 9-10 Continuous Casting and Ingot Casting 353 9-11 Directional Solidification [DS], Single Crystal Growth, and Epitaxial Growth 357 9-12 Solidification of Polymers and Inorganic Glasses 359 9-13 Joining of Metallic Materials 360 Summary 362 | Glossary 363 | Problems 365 Chapter 10 Solid Solutions and Phase Equilibrium 375 10-1 Phases and the Phase Diagram 376 10-2 Solubility and Solid Solutions 380 10-3 Conditions for Unlimited Solid Solubility 382 10-4 Solid-Solution Strengthening 384 10-5 Isomorphous Phase Diagrams 387 10-6 Relationship Between Properties and the Phase Diagram 395 10-7 Solidification of a Solid-Solution Alloy 397 10-8 Nonequilibrium Solidification and Segregation 399 Summary 403 | Glossary 404 | Problems 405 Chapter 11 Dispersion Strengthening and Eutectic Phase Diagrams 413 11-1 Principles and Examples of Dispersion Strengthening 414 11-2 Intermetallic Compounds 414 11-3 Phase Diagrams Containing Three-Phase Reactions 417 11-4 The Eutectic Phase Diagram 420 11-5 Strength of Eutectic Alloys 430 11-6 Eutectics and Materials Processing 436 11-7 Nonequilibrium Freezing in the Eutectic System 438 11-8 Nanowires and the Eutectic Phase Diagram 438 Summary 441 | Glossary 441 | Problems 443 Chapter 12 Dispersion Strengthening by Phase Transformations and Heat Treatment 451 12-1 Nucleation and Growth in Solid-State Reactions 452 12-2 Alloys Strengthened by Exceeding the Solubility Limit 456 12-3 Age or Precipitation Hardening 458 12-4 Applications of Age-Hardened Alloys 459 12-5 Microstructural Evolution in Age or Precipitation Hardening 459 12-6 Effects of Aging Temperature and Time 462 www.net Copyright 2010 Cengage Learning, Inc. All Rights Reserved. May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part.

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