同济大学《材料科学基础》课件第

《材料科学基础》课程大纲本课程旨在为学生打下坚实的材料科学基础，帮助学生了解材料的组成、结构、性质和性能之间的关系，以及材料的制备、加工和应用。课程内容涵盖了材料科学的基础理论、重要材料的性质和应用、材料的制备与加工等方面。第一章材料科学概论材料科学是研究材料的组成、结构、性质和性能以及材料制备、加工和应用的科学。它是一门与人类生活息息相关的学科，在现代科技和社会发展中发挥着至关重要的作用。1.1材料科学的定义研究材料的组成材料科学研究材料的组成、结构、性质和制备方法。探索物质的特性通过理解材料的结构，解释材料的性能，例如强度、韧性、导电性和热稳定性。开发新材料技术材料科学与工程领域的研究人员不断开发新的材料，以满足不断增长的技术需求。1.2材料的分类与特点金属材料金属材料通常具有良好的导电性、导热性、延展性、强度和韧性。它们广泛应用于各种工程领域，例如建筑、汽车、航空航天和电子设备。陶瓷材料陶瓷材料通常具有高硬度、耐高温、耐腐蚀性、绝缘性等特点。它们被广泛应用于电子器件、耐高温材料、切割工具和建筑材料等领域。聚合物材料聚合物材料通常具有轻质、易加工、耐腐蚀、绝缘性好等特点。它们被广泛应用于包装、建筑、纺织、电子器件等领域。复合材料复合材料是指由两种或多种材料以某种方式结合而成的材料，通常具有多种优异性能。它们被广泛应用于航空航天、汽车、电子设备等领域。1.3材料科学的发展历程1现代材料科学纳米材料，生物材料等2合金材料钢，铝合金，钛合金等3金属材料铜，铁，金等4古代材料陶器，石器等材料科学发展历史悠久。从古代人类使用石器、陶器等，到金属材料的应用，再到现代材料科学的兴起，材料科学始终推动着人类文明的进步。现代材料科学研究范围广阔，涵盖纳米材料、生物材料等领域，为人类社会发展提供更先进、更智能的材料支撑。1.4材料科学的研究内容11.结构研究材料的原子排列方式，例如晶体结构、晶体缺陷等，对材料的性能有重要影响。22.性能研究材料在不同条件下的性质，例如机械性能、物理性能、化学性能等，材料性能是材料应用的基础。33.制备研究如何制造出具有特定性能的材料，包括材料的合成、加工、处理等工艺过程。44.应用研究材料在不同领域中的应用，例如电子材料、能源材料、生物材料等。1.5材料科学的发展趋势纳米材料纳米材料具有独特的物理和化学性质，在能源、电子、生物医药等领域具有广阔的应用前景。生物材料生物材料与人体组织或器官相容性好，可用于器官移植、组织修复等。可持续发展材料科学的发展应与环境保护、资源利用等可持续发展理念相结合，开发环保、节能的新型材料。第二章材料结构材料结构是材料科学的基础，它决定了材料的性能。原子排列方式、晶格缺陷、非晶态等结构特征影响材料的机械性能、电性能、磁性能等。2.1原子结构原子核原子核是原子的中心，由质子和中子组成。质子带正电荷，中子不带电荷。原子核的质量几乎占整个原子的全部质量。电子云电子云是由原子核外的电子构成的，电子绕着原子核高速运动，形成电子云。电子云的形状和大小决定了原子的化学性质。量子力学模型量子力学模型是现代物理学中描述原子结构的理论模型。它认为电子在原子核周围的运动状态可以用量子数来描述。量子数决定了电子的能量、角动量和空间取向等性质。2.2晶体结构晶格晶体结构是由原子、离子或分子在三维空间中周期性排列形成的。晶胞晶胞是晶体结构中最小的重复单元，它代表了整个晶体的结构。晶体结构类型常见的晶体结构类型包括立方晶系、六方晶系、正方晶系等。2.3晶格缺陷1点缺陷点缺陷是晶格中单个原子或多个原子位置上的偏差。例如，空位、间隙原子和置换原子。2线缺陷线缺陷是指晶格中的一维缺陷，例如位错。位错的运动是金属材料塑性变形的主要原因。3面缺陷面缺陷是指晶格中二维缺陷，例如晶界、孪晶界和堆垛层错。晶界影响材料的强度和韧性。4体缺陷体缺陷是指晶格中三维缺陷，例如孔洞和裂纹。这些缺陷会降低材料的强度和韧性。2.4非晶材料结构无序原子排列非晶材料的原子排列是无序的，没有长程周期性结构。短程有序结构尽管没有长程有序结构，但非晶材料在短距离范围内仍然保持原子间的有序排列。第三章材料的机械性能材料的机械性能是指材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力。材料的机械性能是材料的重要性能指标，它决定了材料在实际应用中的可靠性和安全性。3.1应力和应变应力应力是材料内部抵抗形变的内力，以单位面积上的力表示。应变应变是材料在外力作用下发生的形变程度，以形变量与原尺寸之比表示。类型应力和应变可分为正应力和正应变、剪应力和剪应变。3.2弹性变形定义弹性变形是指材料在外力作用下发生变形，当外力去除后，材料能够恢复到原来形状的变形。这种变形是可逆的，而且没有永久性损伤。特点弹性变形的特点是：变形与外力成正比，外力消失后变形也消失，变形过程没有能量损失。3.3塑性变形塑性变形概述塑性变形是指材料在载荷作用下发生永久性形状改变的过程。它通常发生在材料的屈服强度以上，并且材料在卸载后不会完全恢复到原始形状。塑性变形的特征材料发生永久性变形材料在载荷去除后不会完全恢复到原始形状塑性变形通常伴随着材料的硬化3.4断裂行为断裂的概念断裂是指材料在受力作用下发生分离的现象。断裂是材料失效的一种重要形式。断裂类型断裂可分为脆性断裂和韧性断裂两种类型。脆性断裂发生在材料没有明显塑性变形的情况下，而韧性断裂发生在材料发生较大塑性变形后。断裂过程断裂过程通常包括裂纹的萌生、扩展和最终断裂三个阶段。断裂强度断裂强度是指材料在断裂时所承受的最大应力。3.5疲劳行为疲劳是指材料在反复载荷作用下，即使应力低于材料的屈服强度，也会发生断裂的现象。疲劳失效是工程结构失效的主要原因之一，桥梁、飞机、汽车等均可能发生疲劳失效。疲劳过程包含裂纹萌生、裂纹扩展和最终断裂三个阶段，可以通过显微镜观察裂纹的形成和扩展。第四章相图与相变相图是表示物质在不同温度、压力等条件下所处相态的图表。相变是指物质在特定条件下发生物理状态或化学组成的变化。相图与相变是材料科学中的重要概念，它们可以帮助我们理解材料的结构、性能以及热处理过程。4.1相图的基本概念11.定义相图是显示在特定条件下，不同相之间平衡关系的图表。22.变量相图通常由温度、压力、成分等变量组成，这些变量决定了材料的相态。33.相线相线表示不同相平衡共存的条件，相线上的点对应于两种相平衡共存的温度和成分。44.相区相区表示单一相存在的区域，相区内的点对应于特定相存在的温度和成分范围。4.2二元相图简单二元相图简单二元相图通常包含两个主要相区：液相区和固相区。液相区表示两种金属完全混合，而固相区表示两种金属形成固溶体或共晶相。复杂二元相图复杂二元相图可能包含多个相区，表示多种化合物或固溶体的形成。这些相区通常由相界线分隔，这些相界线表示相变温度。4.3相变的原理相变的定义相变是指材料从一种相转变为另一种相的过程。相变可分为两种类型：等温相变和非等温相变。等温相变是指在恒定温度下发生的相变，例如固态转变为液态或液态转变为气态。相变的驱动因素相变是由热力学原理驱动的，其驱动因素是降低系统的吉布斯自由能。吉布斯自由能是指系统的能量减去熵乘以温度，它反映了系统在一定条件下的稳定性。4.4相变动力学11.nucleation新相核的形成，需要克服界面能垒。22.界面迁移新相核长大，需要克服体积能垒。33.相变速率相变速率取决于成核速率和界面迁移速率。44.影响因素温度、成分、压力、应力等因素会影响相变动力学。第五章铁碳合金及热处理铁碳合金是工业上应用最广泛的合金材料之一。铁碳合金中的碳含量对材料的性能具有显著影响。热处理是指通过控制温度和时间对材料进行加热和冷却，以改变材料的组织结构和性能的过程。5.1铁碳相图相图概述铁碳相图是描述铁碳合金在不同温度和成分条件下相平衡状态的图形，它可以帮助理解铁碳合金的组织和性能。横坐标横坐标表示合金的碳含量，从0%到6.67%（碳钢和铸铁）。纵坐标纵坐标表示温度，从室温到1538℃，覆盖了铁碳合金从固态到液态的所有相变过程。相区相图由多个相区组成，每个相区代表一种或多种稳定相，例如，奥氏体、珠光体、渗碳体等。5.2钢的组织与性能铁素体铁素体是一种固溶体，碳溶解在α-铁中，具有体心立方结构。珠光体珠光体是铁素体和渗碳体的层状混合物，具有良好的强度和韧性。奥氏体奥氏体是一种固溶体，碳溶解在γ-铁中，具有面心立方结构。渗碳体渗碳体是一种金属间化合物，是碳和铁的化合物，硬度高，脆性大。5.3热处理基本原理加热将金属材料加热到一定温度，使其内部组织发生改变。冷却将加热后的金属材料按照不同的速度冷却，控制其组织结构。控制相变通过加热和冷却过程，控制金属内部的相变，改变其性能。5.4钢的热处理工艺11.淬火淬火是将钢加热到奥氏体化温度以