《材料科學(xué)與工程》課件

材料科學(xué)與工程概論材料科學(xué)與工程是一門跨學(xué)科的學(xué)科,涵蓋材料的成分、結(jié)構(gòu)、性能及其制造過程等多個方面。它不僅為各種工業(yè)領(lǐng)域提供關(guān)鍵技術(shù)支持,也為日常生活帶來了許多創(chuàng)新與進步。課程簡介1學(xué)習(xí)材料科學(xué)基礎(chǔ)知識幫助學(xué)生全面理解材料結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用的基本原理與概念。2培養(yǎng)材料分析能力通過實驗和案例分析,培養(yǎng)學(xué)生對材料的表征、分析和測試能力。3了解材料科學(xué)前沿介紹材料科學(xué)的發(fā)展趨勢和在各領(lǐng)域的應(yīng)用,為學(xué)生未來的發(fā)展提供啟發(fā)。4強化工程應(yīng)用能力將理論知識與工程實踐相結(jié)合,培養(yǎng)學(xué)生的材料選擇和設(shè)計能力。材料科學(xué)的歷史發(fā)展1古老的材料使用早在史前時代,人類就開始使用石頭、木材、陶瓷等原始材料制造工具和生活用品。這些材料的使用成為了人類社會發(fā)展的基礎(chǔ)。2金屬時代的開啟隨著科技的進步,人類發(fā)現(xiàn)了如銅、鐵等金屬材料,這標(biāo)志著人類進入了金屬時代,掀開了新的歷史篇章。3材料科學(xué)的興起20世紀(jì)初,材料科學(xué)作為一門獨立的學(xué)科應(yīng)運而生,集合了物理、化學(xué)、冶金等多個領(lǐng)域的知識,為材料的研發(fā)和應(yīng)用帶來了新的機遇。材料科學(xué)的學(xué)科特征多學(xué)科交叉材料科學(xué)融合了物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等多個學(xué)科,需要跨領(lǐng)域的知識與技能。理論與實踐并重這個學(xué)科既有深厚的基礎(chǔ)理論研究,也重視材料的開發(fā)與應(yīng)用實踐。創(chuàng)新導(dǎo)向材料科學(xué)不斷探索新材料、新工藝,以滿足日新月異的技術(shù)需求。工程應(yīng)用為本材料科學(xué)的發(fā)展最終目標(biāo)是為工程實踐提供支撐,服務(wù)于社會經(jīng)濟發(fā)展。材料的基本性質(zhì)結(jié)構(gòu)性質(zhì)材料的原子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和缺陷決定了其機械、電學(xué)、磁學(xué)等特性。這些構(gòu)造性質(zhì)是材料科學(xué)研究的核心。物理性質(zhì)材料的密度、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、比熱容等物理特性直接影響其在各種應(yīng)用中的表現(xiàn)。這些性質(zhì)可通過實驗測試確定。化學(xué)性質(zhì)材料的化學(xué)成分和化學(xué)鍵類型決定了其耐腐蝕性、耐高溫性等性能。合理調(diào)控化學(xué)性質(zhì)是優(yōu)化材料性能的關(guān)鍵。機械性質(zhì)材料的強度、硬度、韌性等機械特性是其重要的性能指標(biāo),直接決定了其使用壽命和可靠性。合理設(shè)計材料microstructure是提高機械性能的關(guān)鍵。材料的原子結(jié)構(gòu)材料的性質(zhì)和行為都源于其最基本的組成單位——原子。了解材料的原子結(jié)構(gòu)可以幫助我們深入理解材料的各種特性,并設(shè)計出具有所需性能的新材料。原子結(jié)構(gòu)包括原子核和繞核旋轉(zhuǎn)的電子。核含有質(zhì)子和中子,呈正電荷,電子呈負電荷并環(huán)繞核。原子的種類通過元素周期表中不同的原子序數(shù)來區(qū)分。晶體結(jié)構(gòu)材料科學(xué)中,晶體結(jié)構(gòu)是研究的重點之一。晶體結(jié)構(gòu)由原子有序排列形成,具有周期性和對稱性。了解晶體結(jié)構(gòu)的基本特征,包括晶胞參數(shù)、晶面、原子堆積等,對于深入理解材料的性能和行為至關(guān)重要。通過X射線衍射等表征技術(shù),可以準(zhǔn)確地確定材料的晶體結(jié)構(gòu),為材料的設(shè)計和應(yīng)用提供基礎(chǔ)。掌握晶體結(jié)構(gòu)的基本知識,有助于科學(xué)地分析材料的各種性能表現(xiàn)。晶體缺陷原子空位晶體中某些位置缺少原子,形成原子空位缺陷。這種缺陷會影響晶體的機械、電學(xué)和化學(xué)性能。置換型缺陷某些原子被其他種類的原子取代,形成置換型缺陷。這種缺陷會改變晶體的組成和性質(zhì)。間隙型缺陷某些原子占據(jù)了晶體中的間隙位置,形成間隙型缺陷。這種缺陷會影響晶格的完整性和穩(wěn)定性。位錯缺陷晶格中的原子層發(fā)生斷裂或錯位,形成位錯缺陷。這種缺陷會影響晶體的機械性能和強度。材料的相變1熱力學(xué)相變不同溫壓條件下材料相態(tài)的變化21級相變熱力學(xué)參數(shù)突變，如熔融、沸騰32級相變熱力學(xué)參數(shù)連續(xù)變化，如鐵的磁性轉(zhuǎn)變4相圖判斷溫壓相圖可預(yù)測材料相變行為材料的相變是指在特定溫壓條件下材料相態(tài)的變化過程。1級相變伴隨熱力學(xué)參數(shù)的突變,如熔化和沸騰;2級相變則是熱力學(xué)參數(shù)連續(xù)變化,如鐵磁性轉(zhuǎn)變。通過溫壓相圖可以分析和預(yù)測材料的相變行為。材料的相平衡1單一相單一純物質(zhì)的穩(wěn)定狀態(tài)2雙相兩種相共存的平衡狀態(tài)3三相三種相同時存在的臨界點材料的相平衡描述了不同相之間的平衡關(guān)系。相圖是研究相平衡的重要工具,可以準(zhǔn)確預(yù)測材料在不同溫度和壓力下的相狀態(tài)變化。通過相圖可以確定合金的最佳組成及熱處理工藝。金屬材料元素分類金屬材料主要由金屬元素組成，包括鐵、銅、鋁、鈦等，具有高強度、高導(dǎo)電性等特點。晶體結(jié)構(gòu)金屬材料通常呈現(xiàn)有序的晶格結(jié)構(gòu)，其原子排列方式?jīng)Q定了金屬的機械性能。加工工藝金屬材料可通過熔煉、壓延、鍛造等工藝進行加工成型，生產(chǎn)出各種金屬制品。耐腐蝕性金屬材料的耐腐蝕性因材料種類和環(huán)境條件而不同，需要采取相應(yīng)的防護措施。金屬相變1相變機制包括擴散相變和無擴散相變2相變驅(qū)動力包括溫度變化和應(yīng)力變化3相變動力學(xué)分析相變過程中的動力學(xué)行為金屬材料在不同溫度和應(yīng)力條件下會發(fā)生各種相變,這些相變會顯著影響材料的組織結(jié)構(gòu)和性能。理解金屬相變的機制、驅(qū)動力和動力學(xué)過程對于材料的設(shè)計和應(yīng)用至關(guān)重要。金屬的機械性能抗拉強度金屬材料在拉力作用下的承載能力,是衡量其強度的重要指標(biāo)。優(yōu)良的抗拉強度使得金屬在承受外力時不易斷裂。硬度金屬材料表面抵抗塑性變形的能力,決定了其耐磨性和耐劃性。硬度高的金屬更適合用作工具和機械部件。塑性金屬在受力作用下能發(fā)生可逆的形變而不會破壞的性能。塑性好的金屬可以經(jīng)過鍛造、拉伸等成型加工。韌性金屬材料承受外力時吸收能量的能力,決定了其抗沖擊和抗斷裂的性能。高韌性的金屬可防止脆性斷裂。陶瓷材料成分多樣陶瓷材料由各種無機非金屬礦物原料組成,如氧化物、硫化物、碳化物等,種類繁多。獨特性能陶瓷具有耐高溫、耐腐蝕、硬度高、絕緣性好等特點,廣泛應(yīng)用于工業(yè)、航天等領(lǐng)域。制備過程陶瓷制品通常采用礦物原料粉體經(jīng)過成型、燒結(jié)等工藝而制成,工藝復(fù)雜多樣。應(yīng)用廣泛從日用瓷器到高端工業(yè)陶瓷,陶瓷材料在現(xiàn)代生活和技術(shù)發(fā)展中扮演著重要角色。陶瓷的制備與性能原料選擇選擇優(yōu)質(zhì)的原料,如高純度的氧化物、碳化物或氮化物等,確保陶瓷組分的化學(xué)純度和性能。粉體制備通過化學(xué)合成、機械粉碎等方法制備出細小均勻的陶瓷粉末,為后續(xù)成型奠定基礎(chǔ)。成型工藝利用壓制、擠出、鑄造等成型方法,將陶瓷粉末壓實成型,獲得所需形狀和尺寸的坯體。高溫?zé)Y(jié)經(jīng)過高溫?zé)Y(jié),坯體中的顆粒緊密結(jié)合,形成致密結(jié)構(gòu),提高陶瓷的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性。高分子材料多樣性高分子材料包括塑料、橡膠、纖維等類型,廣泛應(yīng)用于日常生活和工業(yè)領(lǐng)域。分子結(jié)構(gòu)高分子材料由大量重復(fù)單元構(gòu)成,具有特定的分子量和分子量分布。性能優(yōu)勢高分子材料通常具有輕質(zhì)、耐腐蝕、絕緣性等優(yōu)異特性,滿足各種應(yīng)用需求。制造工藝高分子材料可通過聚合、加工成型等方式生產(chǎn),具有良好的成型性。高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能高分子材料由許多單體分子通過化學(xué)反應(yīng)連接而成的大分子化合物。不同的單體種類和連接方式?jīng)Q定了高分子材料廣泛的性能,如柔韌性、強度、耐熱性等。掌握高分子結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系是設(shè)計和優(yōu)化新型高分子材料的關(guān)鍵。復(fù)合材料復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料組成,充分發(fā)揮各種材料的優(yōu)勢,構(gòu)成一種新的具有特殊性能的材料。復(fù)合材料的制備復(fù)合材料的制造通常采用浸漬、注模、真空袋或自動化生產(chǎn)等方法,以增強復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐久性。復(fù)合材料的優(yōu)勢與單一材料相比,復(fù)合材料具有更高的強度、剛度、耐腐蝕性以及更輕的重量,在航空航天、汽車、體育等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。復(fù)合材料的制備與性能1制備工藝復(fù)合材料通過各種成型工藝如拉擠、壓制、手糊等方法制造而成。這些工藝可以定制化地生產(chǎn)出性能優(yōu)異的復(fù)合材料構(gòu)件。2增強相復(fù)合材料采用高強度的增強相如碳纖維、玻璃纖維等嵌入基體材料中,大幅提升了強度和剛度。3性能評估通過各種性能測試如拉伸、彎曲、沖擊等,對復(fù)合材料的機械、熱學(xué)、電磁等性能進行全面評估。材料的表面處理鍍層處理通過在材料表面鍍覆金屬或其他物質(zhì),可以提高材料的耐腐蝕性、耐磨性和裝飾性。化學(xué)處理使用化學(xué)方法修改材料表面性質(zhì),如陽極氧化、磷化和噴砂等,可以改善材料的抗腐蝕能力和裝飾效果。物理處理通過物理手段如離子轟擊、等離子體處理等改變材料表面結(jié)構(gòu)和性質(zhì),提高材料的耐磨性和抗疲勞性。涂層技術(shù)將各種涂料、漆料或薄膜涂覆在材料表面,可以保護材料免受化學(xué)腐蝕和機械損壞。材料的腐蝕與防護材料腐蝕材料在使用過程中容易受到化學(xué)、電化學(xué)或生物等因素的腐蝕,導(dǎo)致性能下降或失效。表面處理通過涂層、電鍍、陽極氧化等方法可以提高材料的耐腐蝕性能。陰極保護利用電化學(xué)原理,為材料提供電子保護從而抑制腐蝕反應(yīng)的發(fā)生。環(huán)境調(diào)控通過控制使用環(huán)境的溫度、濕度、pH值等因素,也可以有效防止材料腐蝕。材料的疲勞與斷裂疲勞失效材料在重復(fù)性應(yīng)力作用下會發(fā)生破壞性的疲勞失效。這種失效過程緩慢而隱蔽,常常在材料發(fā)生大的變形或斷裂之前出現(xiàn)。斷裂分析通過對斷口的形貌分析,可以確定材料的斷裂模式,如韌性斷裂、脆性斷裂或混合斷裂等。這有助于找出引起斷裂的根本原因。斷裂力學(xué)斷裂力學(xué)理論可用于預(yù)測材料在存在裂紋或缺陷的條件下的斷裂行為,從而為材料的強度設(shè)計提供依據(jù)。疲勞壽命預(yù)測通過疲勞試驗數(shù)據(jù)擬合,可建立材料的疲勞壽命預(yù)測模型,為部件的疲勞設(shè)計和可靠性分析提供理論基礎(chǔ)。材料的選擇與應(yīng)用性能匹配根據(jù)具體應(yīng)用場景,選擇與之匹配的材料性能,如強度、導(dǎo)電性、耐腐蝕性等,確保材料能滿足使用需求。成本效益在滿足性能要求的基礎(chǔ)上,結(jié)合制備工藝和生產(chǎn)成本,選擇具有良好性價比的材料。環(huán)境友好盡可能選擇清潔、可再生的環(huán)保材料,減少對環(huán)境的負面影響。創(chuàng)新應(yīng)用結(jié)合新工藝和新技術(shù),開發(fā)創(chuàng)新性材料應(yīng)用,提升產(chǎn)品附加值。材料特性的表征方法力學(xué)性能測試通過張力試驗、彎曲試驗等實驗評估材料的強度、塑性、硬度等力學(xué)特性。這些指標(biāo)直接關(guān)系到材料在實際應(yīng)用中的工作性能。熱分析技術(shù)DSC、TGA等熱分析儀器可以測量材料在不同溫度條件下的熱穩(wěn)定性、相變溫度等性質(zhì),從而分析材料的結(jié)構(gòu)和相變特征。結(jié)構(gòu)表征分析X射線衍射、掃描電鏡等技術(shù)可以清晰觀察材料的微觀結(jié)構(gòu),包括晶粒大小、相組成、缺陷分布等,為優(yōu)化材料性能提供依據(jù)。顯微結(jié)構(gòu)分析技術(shù)材料顯微結(jié)構(gòu)分析是材料科學(xué)研究中的重要技術(shù)之一。利用先進的光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡等設(shè)備,能夠準(zhǔn)確觀察和分析材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu),從而深入了解材料的組成、形貌特征、缺陷分布等信息。這些分析技術(shù)為材料性能優(yōu)化、成分改善、制備工藝優(yōu)化等提供了可靠依據(jù),在材料研發(fā)、質(zhì)量控制等環(huán)節(jié)發(fā)揮著重要作用。掌握這些分析技術(shù)是材料科學(xué)工的基本功。熱分析技術(shù)1熱重分析（TGA）可用于測量材料在加熱過程中的質(zhì)量變化,反映材料的熱穩(wěn)定性和熱降解行為。2差熱分析（DTA）通過測量被測樣品與參比樣品之間的溫度差,可檢測樣品發(fā)生的相變及化學(xué)反應(yīng)。3示差掃描量熱法（DSC）可測定材料在加熱或冷卻過程中的熱量變化,用于分析相變、玻璃化轉(zhuǎn)變等性質(zhì)。4熱膨脹分析（TMA）通過測量材料在溫度變化下的體積變化,可獲得材料的線膨脹系數(shù)等參數(shù)。機械性能測試方法拉伸試驗通過對材料施加拉伸力直至斷裂,可以測定它的抗拉強度、屈服強度和延伸率等基本機械性能參數(shù)。這是最常見的機械性能測試方法之一。壓縮試驗對材料施加壓縮力直至破壞,可以測定其抗壓強度和壓縮變形特性。常用于評估金屬、陶瓷和復(fù)合材料的機械性能。彎曲試驗測試材料在彎曲力作用下的強度和變形特性,廣泛應(yīng)用于脆性材料如陶瓷的性能評估。沖擊試驗利用標(biāo)準(zhǔn)化的沖擊試驗機,可以測量材料在沖擊力作用下的吸收能量,反映其韌性和抗沖擊性能。材料的環(huán)境與經(jīng)濟影響環(huán)境友好型材料可再生、可回收、低碳排放的環(huán)保材料可最大限度減少對環(huán)境的負面影響。這些材料在生產(chǎn)和使用過程中更加節(jié)能環(huán)保。節(jié)能材料先進的隔熱絕緣材料和高效節(jié)能材料能大幅降低能源消耗,為可持續(xù)發(fā)展做出重要貢獻。經(jīng)濟效益合理選擇和應(yīng)用先進材料,不僅可以提高產(chǎn)品性能,還能節(jié)約成本,帶來良好的經(jīng)濟效益。材料科學(xué)的發(fā)展趨勢1新材料開發(fā)不斷探索先進功能