工學(xué)同濟(jì)大學(xué)《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課件第

材料科學(xué)基礎(chǔ)by課程簡(jiǎn)介主要內(nèi)容本課程涵蓋材料科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，包括原子結(jié)構(gòu)和鍵合、晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷、擴(kuò)散和相變、材料的機(jī)械性能、熱處理、材料腐蝕、材料加工工藝、材料失效分析等。學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握材料科學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)，并能夠運(yùn)用這些知識(shí)去理解和解決實(shí)際問(wèn)題，為后續(xù)學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)課程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。原子結(jié)構(gòu)和鍵合原子核原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成，決定了元素的種類(lèi)。電子云電子在原子核周?chē)\(yùn)動(dòng)，形成電子云，決定了原子之間的相互作用。離子鍵通過(guò)電子轉(zhuǎn)移形成的化學(xué)鍵，例如NaCl。共價(jià)鍵通過(guò)電子共享形成的化學(xué)鍵，例如H2O。晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)是指構(gòu)成材料的原子在空間上的排列方式。晶體結(jié)構(gòu)對(duì)材料的性能有重要影響，例如硬度、強(qiáng)度、熔點(diǎn)、電導(dǎo)率、磁性等。常見(jiàn)的晶體結(jié)構(gòu)包括簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu)、面心立方結(jié)構(gòu)、體心立方結(jié)構(gòu)、六方密堆積結(jié)構(gòu)等。這些結(jié)構(gòu)可以通過(guò)不同原子排列方式形成不同的晶胞。晶體缺陷點(diǎn)缺陷原子尺度上的缺陷，包括空位、間隙原子和雜質(zhì)原子等。線(xiàn)缺陷一維缺陷，例如位錯(cuò)，會(huì)影響材料的強(qiáng)度和塑性。面缺陷二維缺陷，例如晶界、孿晶界和堆垛層錯(cuò)，影響材料的性能和反應(yīng)活性。擴(kuò)散和相變1擴(kuò)散原子在固體材料中的遷移過(guò)程2相變材料的結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)或化學(xué)組成的變化3熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)相變的能量變化4動(dòng)力學(xué)控制相變速率的因素材料的機(jī)械性能強(qiáng)度材料抵抗變形的能力韌性材料承受斷裂前變形的能力硬度材料抵抗表面壓痕的能力塑性材料在斷裂前發(fā)生永久變形的能力彈性材料在受力后恢復(fù)原狀的能力塑性變形機(jī)理位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)金屬材料塑性變形的主要機(jī)制是位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，位錯(cuò)是晶體中的一種線(xiàn)性缺陷。滑移位錯(cuò)在晶體滑移面上運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致材料發(fā)生塑性變形，滑移是材料發(fā)生塑性變形的根本原因。孿生孿生是晶體中的一部分原子發(fā)生對(duì)稱(chēng)性排列，導(dǎo)致晶體產(chǎn)生一個(gè)新的晶粒，孿生也會(huì)導(dǎo)致材料發(fā)生塑性變形。強(qiáng)化機(jī)制固溶強(qiáng)化彌散強(qiáng)化加工硬化相圖及相變相圖是描述多組元體系中不同相的平衡關(guān)系的圖形。相圖可以幫助我們了解材料在不同溫度、壓力和成分下的相態(tài)變化。相變是指材料的相態(tài)發(fā)生變化的過(guò)程，例如從固態(tài)到液態(tài)或從液態(tài)到氣態(tài)。相變通常伴隨能量和結(jié)構(gòu)的變化，例如熔化、凝固、蒸發(fā)、冷凝、升華和凝華等。鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖是研究鋼鐵材料組織結(jié)構(gòu)和性能的重要工具。相圖展示了不同溫度和碳含量下鐵碳合金的相組成和相變過(guò)程。它揭示了鋼鐵材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，為材料的熱處理提供了理論基礎(chǔ)。鋼的熱處理1淬火提高硬度和強(qiáng)度2回火降低硬度，提高韌性3正火細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度4退火軟化金屬，改善加工性能有色金屬及合金輕金屬鋁、鎂、鈦等金屬具有輕質(zhì)、強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、電子等領(lǐng)域。重金屬銅、鉛、鋅、錫等金屬具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐磨性等特性，在電力、電子、建筑等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。貴金屬金、銀、鉑等金屬具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性、抗氧化性，常用于珠寶首飾、電子元件、催化劑等。陶瓷材料耐用性陶瓷材料以其耐用性和耐高溫性而聞名，使其成為各種應(yīng)用的理想選擇。美觀(guān)陶瓷材料可以制作成各種形狀和顏色，使其成為家居裝飾和建筑的理想選擇。多功能性陶瓷材料用途廣泛，從日用品到高級(jí)電子產(chǎn)品，在各個(gè)行業(yè)中都扮演著重要角色。聚合物材料聚合物材料是由許多重復(fù)結(jié)構(gòu)單元連接而成的長(zhǎng)鏈分子。它們具有高強(qiáng)度、輕質(zhì)、柔韌、絕緣等特性，廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。常見(jiàn)的聚合物材料包括塑料、橡膠、纖維等。塑料以其低成本、易加工、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于包裝、建筑、電子等領(lǐng)域。橡膠具有彈性好、耐磨、密封性強(qiáng)等特點(diǎn)，應(yīng)用于輪胎、密封件、絕緣等領(lǐng)域。纖維具有強(qiáng)度高、耐磨、耐熱等特性，應(yīng)用于服裝、工業(yè)用品、建筑材料等領(lǐng)域。復(fù)合材料多種材料結(jié)合復(fù)合材料由兩種或多種不同材料組成，這些材料在宏觀(guān)上保持各自的特性，并相互作用以產(chǎn)生新的性能。增強(qiáng)基體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料通常由增強(qiáng)材料和基體材料組成。增強(qiáng)材料提供強(qiáng)度和剛度，而基體材料則將增強(qiáng)材料結(jié)合在一起。優(yōu)異的性能復(fù)合材料具有獨(dú)特的性能組合，例如高強(qiáng)度、輕重量、耐腐蝕性和抗疲勞性。先進(jìn)材料概述先進(jìn)材料是指具有優(yōu)異性能或新功能的材料，它們?cè)诂F(xiàn)代科技和工業(yè)中扮演著至關(guān)重要的角色。這些材料通常具有高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕、輕質(zhì)、多功能等特點(diǎn)，在航空航天、電子信息、能源、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。材料腐蝕與保護(hù)腐蝕的定義材料在環(huán)境介質(zhì)的作用下,發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而引起的破壞現(xiàn)象。腐蝕的影響腐蝕會(huì)降低材料的強(qiáng)度、韌性、耐用性,導(dǎo)致設(shè)備失效、安全事故、資源浪費(fèi)等。腐蝕防護(hù)采用各種方法來(lái)減緩或阻止材料腐蝕,保護(hù)材料的性能,延長(zhǎng)使用壽命。材料的疲勞與斷裂疲勞材料在循環(huán)載荷作用下，其強(qiáng)度逐漸下降，最終發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。斷裂材料在外力作用下，其內(nèi)部產(chǎn)生裂紋并迅速擴(kuò)展，最終導(dǎo)致材料分離的現(xiàn)象。焊接性及焊接方法1熔化焊高溫熔化金屬2壓力焊壓力和溫度3釬焊低熔點(diǎn)金屬材料的選擇與應(yīng)用性能需求強(qiáng)度、耐腐蝕性、耐高溫性等。成本考量材料價(jià)格、加工成本、維護(hù)成本等。環(huán)保因素可回收性、可持續(xù)性、對(duì)環(huán)境的影響等。材料加工工藝成型塑造材料的形狀和尺寸，例如鑄造、鍛造、沖壓等。切削去除材料，例如車(chē)削、銑削、磨削等。連接將材料組合在一起，例如焊接、釬焊、粘接等。表面處理改善材料的表面性能，例如熱處理、涂層、噴涂等。材料失效分析1失效原因確定材料失效的根本原因，例如疲勞、腐蝕、過(guò)載或制造缺陷。2失效機(jī)制了解導(dǎo)致失效的特定機(jī)制，例如裂紋擴(kuò)展、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂或蠕變。3失效模式識(shí)別失效的表現(xiàn)形式，例如斷裂、變形或泄漏。負(fù)責(zé)任的材料開(kāi)發(fā)可持續(xù)性道德循環(huán)利用健康材料科學(xué)的前沿材料科學(xué)領(lǐng)域正在不斷探索和開(kāi)發(fā)新的材料，以滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的需求。例如，納米材料，生物材料和智能材料正在引領(lǐng)著新的應(yīng)用和技術(shù)進(jìn)步。這些材料具有獨(dú)特的特性和性能，并正在改變著我們對(duì)材料的理解。材料科學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)1納米材料納米材料具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，例如更高的強(qiáng)度和更好的導(dǎo)電性，在許多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。2生物材料生物材料在醫(yī)療領(lǐng)域有重要應(yīng)用，例如人工器官、骨骼修復(fù)材料等。3智能材料智能材料能夠感知環(huán)境變化并做出響應(yīng)，在航空航天、建筑等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。材料科學(xué)與社會(huì)可持續(xù)發(fā)展材料科學(xué)在解決環(huán)境問(wèn)題和促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。例如，開(kāi)發(fā)新材料來(lái)減少能源消耗和廢物排放。醫(yī)療保健材料科學(xué)推動(dòng)了醫(yī)療保健領(lǐng)域的進(jìn)步，例如開(kāi)發(fā)生物相容材料用于植入物和藥物遞送系統(tǒng)。能源和技術(shù)材料科學(xué)推動(dòng)了新能源技術(shù)的發(fā)展，例如開(kāi)發(fā)高性能太陽(yáng)能電池和電池材料。實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排1實(shí)驗(yàn)課程材料制備、性能測(cè)試、微觀(guān)結(jié)構(gòu)觀(guān)察2實(shí)驗(yàn)時(shí)間每周安排一節(jié)實(shí)驗(yàn)課3實(shí)驗(yàn)分組每組3-4人實(shí)驗(yàn)教學(xué)是材料科學(xué)基礎(chǔ)課程的重要組成部分，旨在培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。課程設(shè)置了豐富的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，涵蓋材料制備、性能測(cè)試、微觀(guān)結(jié)構(gòu)觀(guān)察等方面。每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都會(huì)詳細(xì)講解實(shí)驗(yàn)原理、操作步驟、安全注意事項(xiàng)等，并提供相應(yīng)的指導(dǎo)材料。實(shí)驗(yàn)時(shí)間安排在每周一節(jié)，學(xué)生需要分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每組3-4人，在老師的指導(dǎo)下完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)掌握基本技能培養(yǎng)學(xué)生對(duì)材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本操作技能，包括樣品制備、測(cè)試方法、數(shù)據(jù)分析等。培養(yǎng)科學(xué)思維引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀(guān)察和數(shù)據(jù)分析，培養(yǎng)其科學(xué)思維能力，包括問(wèn)題分析、假設(shè)檢驗(yàn)、結(jié)論推導(dǎo)等。提高實(shí)踐能力幫助學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，提高其解決實(shí)際問(wèn)題的能力，為今后的科研工作打下基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容材料性能測(cè)