【大學(xué)課件】材料科學(xué)基礎(chǔ)

材料科學(xué)基礎(chǔ)歡迎來(lái)到材料科學(xué)基礎(chǔ)課程。本課程將帶您探索材料的奧秘，了解它們的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用。讓我們一同踏上這段激動(dòng)人心的學(xué)習(xí)之旅。什么是材料科學(xué)定義材料科學(xué)是研究材料的組成、結(jié)構(gòu)、性能及其相互關(guān)系的學(xué)科。目標(biāo)旨在開(kāi)發(fā)和優(yōu)化材料，滿(mǎn)足各種工程和技術(shù)需求?？鐚W(xué)科性質(zhì)結(jié)合了物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)和工程學(xué)的知識(shí)。材料科學(xué)的歷史發(fā)展1遠(yuǎn)古時(shí)代人類(lèi)開(kāi)始使用石器、木材等天然材料。2青銅時(shí)代發(fā)現(xiàn)并利用銅、青銅，開(kāi)啟金屬冶煉時(shí)代。3工業(yè)革命鋼鐵大規(guī)模生產(chǎn)，推動(dòng)材料科學(xué)快速發(fā)展。4現(xiàn)代時(shí)期新材料層出不窮，如納米材料、智能材料等。材料科學(xué)的研究對(duì)象微觀結(jié)構(gòu)研究材料的原子、分子排列和結(jié)構(gòu)。材料性能研究材料的力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)等性質(zhì)。制備工藝研究材料的制備、加工和處理方法。應(yīng)用研究探索材料在各領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。材料的分類(lèi)金屬材料具有金屬鍵結(jié)合的材料，如鋼鐵、鋁、銅等。陶瓷材料無(wú)機(jī)非金屬材料，如氧化鋁、碳化硅等。高分子材料由大分子組成的有機(jī)材料，如塑料、橡膠等。復(fù)合材料由兩種或多種不同材料組合而成的新型材料。金屬材料特點(diǎn)導(dǎo)電性好、導(dǎo)熱性強(qiáng)、延展性高。常具有金屬光澤。分類(lèi)黑色金屬：鐵及其合金。有色金屬：銅、鋁、金等。應(yīng)用廣泛應(yīng)用于建筑、交通、電子等領(lǐng)域。陶瓷材料原料準(zhǔn)備選擇適當(dāng)?shù)臒o(wú)機(jī)原料。成型將原料制成所需形狀。燒結(jié)高溫處理，增強(qiáng)強(qiáng)度和密度。后處理進(jìn)行表面處理或加工。高分子材料1合成高分子人工合成的塑料、橡膠等。2天然高分子蛋白質(zhì)、多糖類(lèi)等生物大分子。3改性高分子通過(guò)物理或化學(xué)方法改性的高分子。復(fù)合材料1增強(qiáng)相提供強(qiáng)度和剛度，如纖維、顆粒。2基體包裹增強(qiáng)相，傳遞載荷，如樹(shù)脂。3界面增強(qiáng)相和基體之間的結(jié)合區(qū)域。材料的性能力學(xué)性能材料承受外力作用的能力。電學(xué)性能材料導(dǎo)電、絕緣等電學(xué)特性。磁學(xué)性能材料在磁場(chǎng)中的表現(xiàn)。熱學(xué)性能材料對(duì)熱的反應(yīng)和傳導(dǎo)特性。力學(xué)性能1強(qiáng)度材料抵抗變形和斷裂的能力。2硬度材料抵抗局部變形的能力。3韌性材料吸收能量而不斷裂的能力。4疲勞性能材料在循環(huán)載荷下的抵抗能力。電學(xué)性能導(dǎo)電性材料傳導(dǎo)電流的能力，與電阻率有關(guān)。介電性絕緣材料在電場(chǎng)中的極化能力。壓電性某些材料在受力時(shí)產(chǎn)生電荷的能力。磁學(xué)性能鐵磁性材料能被強(qiáng)烈磁化，如鐵、鈷、鎳。順磁性材料在外磁場(chǎng)作用下微弱磁化?？勾判圆牧显诖艌?chǎng)中產(chǎn)生微弱的反向磁化。超導(dǎo)性某些材料在低溫下電阻為零。熱學(xué)性能熱容材料儲(chǔ)存熱量的能力。熱導(dǎo)率材料傳導(dǎo)熱量的能力。熱膨脹材料受熱時(shí)體積變化的程度。熔點(diǎn)材料從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的溫度。材料的結(jié)構(gòu)1原子結(jié)構(gòu)材料的基本構(gòu)成單元。2晶體結(jié)構(gòu)原子有序排列形成的周期性結(jié)構(gòu)。3無(wú)定型結(jié)構(gòu)原子無(wú)序排列的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。晶體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu)原子位于立方體的八個(gè)頂點(diǎn)。體心立方結(jié)構(gòu)除頂點(diǎn)外，立方體中心還有一個(gè)原子。面心立方結(jié)構(gòu)除頂點(diǎn)外，六個(gè)面的中心各有一個(gè)原子。六方密堆結(jié)構(gòu)原子以六方形式緊密排列。無(wú)定型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)原子排列無(wú)長(zhǎng)程有序性，但可能存在短程有序。例子玻璃、某些高分子材料、非晶合金等。性質(zhì)通常具有各向同性，無(wú)明確熔點(diǎn)，呈現(xiàn)玻璃轉(zhuǎn)變。晶體缺陷點(diǎn)缺陷空位、間隙原子、雜質(zhì)原子等。線(xiàn)缺陷刃型位錯(cuò)、螺型位錯(cuò)等。面缺陷晶界、孿晶界、堆垛層錯(cuò)等。體缺陷空洞、夾雜物等。相圖與相變相的定義物質(zhì)中化學(xué)組成和物理狀態(tài)均勻的部分。相圖的作用描述不同條件下物質(zhì)的相態(tài)變化。相變過(guò)程物質(zhì)在不同相之間的轉(zhuǎn)變。平衡相圖描述系統(tǒng)在平衡狀態(tài)下的相關(guān)系。二元相圖共晶型如鉛-錫系統(tǒng)，存在共晶點(diǎn)。包晶型如銅-鋅系統(tǒng)，存在包晶反應(yīng)。固溶型如金-銀系統(tǒng)，形成連續(xù)固溶體。金屬間化合物型如鎂-鋅系統(tǒng)，形成金屬間化合物。三元相圖表示方法通常使用等邊三角形或三棱錐體表示。組成表示三個(gè)組元的含量由距離三邊的垂直距離表示。應(yīng)用用于研究三元合金系統(tǒng)的相平衡和相變。狀態(tài)圖的應(yīng)用合金設(shè)計(jì)指導(dǎo)新型合金的開(kāi)發(fā)和優(yōu)化。熱處理確定合適的熱處理工藝參數(shù)。鑄造預(yù)測(cè)凝固過(guò)程中的相變和組織演變。焊接分析焊接過(guò)程中的相變和組織變化。材料的微觀組織1晶粒材料中具有相同晶體取向的區(qū)域。2相具有相同化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)的區(qū)域。3界面不同晶?；蛳嘀g的分界面。4缺陷晶體結(jié)構(gòu)中的各種缺陷。金屬材料微觀組織單相組織如純金屬或固溶體合金。兩相組織如珠光體鋼中的鐵素體和滲碳體。多相組織如球墨鑄鐵中的鐵素體、石墨和滲碳體。沉淀強(qiáng)化組織如時(shí)效硬化鋁合金中的沉淀相。陶瓷材料微觀組織晶粒陶瓷材料中的晶體顆粒，影響材料的力學(xué)性能。氣孔陶瓷中的空隙，影響材料的密度和強(qiáng)度。玻璃相某些陶瓷中存在的非晶態(tài)相，影響高溫性能。高分子材料微觀組織無(wú)定形區(qū)分子鏈無(wú)序纏結(jié)的區(qū)域。結(jié)晶區(qū)分子鏈有序排列形成的晶體區(qū)域。球晶某些半結(jié)晶高分子中的球形晶體結(jié)構(gòu)。相分離結(jié)構(gòu)共聚物或混合物中不同組分形成的分離結(jié)構(gòu)。材料的制備與加工冶金金屬材料的提煉和精煉過(guò)程。成型賦予材料所需形狀的加工過(guò)程。熱處理通過(guò)加熱和冷卻改變材料性能。表面處理改善材料表面性能的處理方法。金屬材料的制備1原料處理選礦、破碎、篩分等。2冶煉高溫還原、電解等方法提取金屬。3精煉去除雜質(zhì)，提高純度。4合金化添加其他元素，制備合金。陶瓷材料的制備原料制備粉末處理、配料、混合。成型壓制、注漿、擠出等方法。干燥去除成型體中的水分。燒結(jié)高溫處理，提高致密度。高分子材料的制備1聚合反應(yīng)單體通過(guò)化學(xué)反應(yīng)形成大分子。2