同濟大學《材料科學基礎》課件第

材料科學基礎課程簡介課程目標掌握材料科學基礎知識，了解材料的性能和應用，為后續(xù)專業(yè)課程學習打下堅實基礎。課程內容包括材料的結構、性能、加工、測試、應用等方面，涵蓋金屬、陶瓷、高分子、復合材料等。教學方式課堂講授、實驗教學、課后作業(yè)、課題研究等，注重理論聯系實際，培養(yǎng)學生的實踐能力。材料的分類金屬材料金屬材料具有良好的導電性、導熱性和延展性，例如鋼鐵、鋁、銅等。陶瓷材料陶瓷材料具有耐高溫、耐腐蝕和高硬度等特點，例如陶瓷、玻璃、水泥等。高分子材料高分子材料以碳原子為骨架，具有輕質、柔軟、易加工等特點，例如塑料、橡膠、纖維等。復合材料復合材料將兩種或多種材料結合在一起，以獲得優(yōu)異的性能，例如玻璃鋼、碳纖維復合材料等。原子結構原子核原子核由質子和中子組成，構成原子的中心。電子云電子在原子核周圍運動，形成電子云，決定著原子的大小和化學性質。電子軌道電子云可以被描述成不同的電子軌道，每個軌道具有特定的能量水平。元素周期表元素周期表是根據原子序數排列的化學元素的圖表。它以周期律為基礎，將具有相似化學性質的元素排列在一起。元素周期表是化學研究的基礎，可以幫助我們理解元素的性質和反應。元素周期表包含118種已知的元素，它們按原子序數排列，從最小的氫原子開始，到最大的?原子結束。元素周期表分為七個周期，并按照元素的電子構型分組。每個周期代表一個新的電子層，而每一列（或族）包含具有相似化學性質的元素。原子鍵結1離子鍵金屬和非金屬元素之間，通過靜電吸引形成的化學鍵。2共價鍵非金屬元素之間，通過共享電子形成的化學鍵。3金屬鍵金屬原子之間，通過自由電子形成的化學鍵。晶體結構晶體結構是材料內部原子或離子在空間中的排列方式。它決定了材料的許多重要性質，例如強度、硬度、熔點、導電性、導熱性和光學性質。常見的晶體結構類型包括簡單立方、體心立方、面心立方、六方密堆積和鉆石結構。晶體結構可以通過X射線衍射技術進行分析。晶體缺陷點缺陷原子尺度的缺陷，例如空位和間隙原子。線缺陷一維缺陷，例如位錯，影響材料的強度和塑性。面缺陷二維缺陷，例如晶界和孿晶，影響材料的性能。材料的熱性質熱導率(W/mK)比熱容(J/gK)熱導率和比熱容是材料重要的熱性質。熱導率表示材料傳遞熱量的能力，比熱容表示材料吸收熱量的能力。材料的相變定義材料在溫度、壓力或其他外界條件改變時，其物理狀態(tài)和結構發(fā)生的改變過程。類型包括固相轉變、液相轉變、氣相轉變和固-液-氣相之間的轉變。影響因素溫度、壓力、成分、應力等因素會影響材料的相變過程。應用相變在材料科學、冶金、陶瓷等領域有著廣泛的應用。二元相圖二元相圖是描述兩種組元在一定溫度和壓力下，其固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)之間的平衡關系圖。相圖可以幫助我們了解不同溫度和組元比例下的相組成、相變過程以及材料的性能變化。擴散定義擴散是指物質從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域遷移的現象。類型擴散可分為多種類型，包括固體擴散、液體擴散和氣體擴散。機制原子通過空位機制、間隙機制或交換機制進行遷移。機械性能100強度100硬度100韌性100塑性彈性變形1定義材料在外力作用下發(fā)生形變，當外力去除后，形變完全消失，這種形變稱為彈性變形。2特征可逆性，形變隨外力變化，外力消失，形變消失。3影響因素材料的性質、外力的大小和作用時間、溫度等因素都會影響材料的彈性變形。塑性變形1定義材料在應力作用下發(fā)生永久變形2機制晶體材料中位錯的運動3特點不可逆，殘余變形強化機制合金化通過添加其他元素改變材料的晶體結構，提高強度和硬度。晶粒細化通過控制冷卻速度或添加細化劑，減小晶粒尺寸，提高強度和韌性。冷加工硬化通過塑性變形，使材料內部產生位錯，提高強度和硬度。斷裂力學裂紋擴展研究材料中裂紋的形成、擴展和斷裂過程，并分析其影響因素。應力強度因子描述裂紋尖端應力場大小的指標，是斷裂力學的重要參數。斷裂韌性材料抵抗裂紋擴展的能力，反映材料的抗斷裂性能。腐蝕與保護腐蝕是材料在環(huán)境中發(fā)生化學或電化學反應而導致的破壞現象。保護措施包括表面處理、涂層、添加劑和陰極保護等。金屬材料廣泛應用金屬材料在各個領域都有著廣泛的應用，例如建筑、制造、交通、電子等。優(yōu)良性能金屬材料具有高強度、高韌性、高導電性和高導熱性等優(yōu)良的性能，使其成為各種應用中的首選材料。多種類型金屬材料種類繁多，包括鐵、鋁、銅、鈦等，每種金屬都具有獨特的特性和應用領域。陶瓷材料耐高溫陶瓷材料具有很高的熔點，可在高溫環(huán)境中穩(wěn)定工作。耐腐蝕陶瓷材料對大多數化學物質具有良好的抵抗能力。絕緣性好陶瓷材料具有良好的電絕緣性和熱絕緣性能。高分子材料結構復雜高分子材料由長鏈狀的分子組成，這些分子通常具有復雜的結構。性能多樣高分子材料的性能范圍很廣，從柔軟的橡膠到堅硬的塑料，應有盡有。應用廣泛高分子材料廣泛應用于各個領域，包括包裝、建筑、電子產品、醫(yī)療設備等。復合材料碳纖維增強塑料玻璃纖維增強塑料陶瓷基復合材料智能材料形狀記憶合金能夠在特定溫度下恢復到原始形狀。壓電材料在機械應力作用下產生電荷，反之亦然。自修復材料可以修復自身損壞，延長使用壽命。材料的選擇1性能強度、硬度、耐腐蝕性2成本材料價格、加工成本3加工性可加工性、成型性4環(huán)境可回收性、可持續(xù)性材料的加工1成型改變材料形狀2熱處理改變材料性能3表面處理改善材料表面材料測試與檢測性能評估材料的性能是其在特定應用中的表現能力。測試和檢測可幫助評估材料的強度、韌性、硬度、耐腐蝕性和耐熱性等關鍵指標。質量控制通過檢測，可以確保材料符合設計要求和質量標準，避免使用不合格材料，確保產品性能穩(wěn)定和可靠性。研究開發(fā)測試和檢測結果可為新材料的研發(fā)提供數據支撐，推動材料科學與工程的發(fā)展，探索更優(yōu)異的材料。材料的應用鋼鐵用于建造橋梁、建筑物、汽車、飛機等。陶瓷用于制造瓷磚、餐具、電子元件等。塑料用于制造包裝、電子設備、玩具等。材料的前沿發(fā)展納米材料納米材料擁有獨特的物理和化學性質，在電子、能源、生物醫(yī)藥等領域具有巨大潛力。智能材料智能材料可以感知環(huán)境變化并作出響應，在航空航天、建筑、醫(yī)療等領域具有廣闊應用前景。生物材料生物材料與生物體具有良好的相容性，在醫(yī)療器械、組織工程、藥物緩釋等領域發(fā)揮著重要作用。高熵合金高熵合金具有優(yōu)異的機械性能、耐腐蝕性能和高溫性能，在航空航天、能源等領域有望得到廣泛應用。熱處理工藝1淬火快速冷卻，提高硬度2回火適當加熱，降低硬度，提高韌性3正火均勻加熱，消除內部應力4退火緩慢冷卻，提高塑性熱處理是通過控制加熱和冷卻速度來改變材料內部組織結構，從而改變材料的性能。常見的熱處理工藝包括淬火、回火、正火和退火。淬火可以提高材料的硬度，回火可以降低硬度，提高韌性。正火可以消除材料內部應力，退火可以提高材料的塑性。案例分析