同济大学《材料科学基础》课件第

同济大学《材料科学基础》课件本课程旨在帮助学生了解材料科学的基本原理和应用。它将涵盖材料的结构、性质、加工和应用等方面的内容。绪论材料科学是研究材料的组成、结构、性能和加工过程的学科。材料科学与工程密切相关，是现代科技发展的基础，也是人类文明进步的推动力量。材料的重要性人类文明发展材料是人类文明进步的基础，从石器时代到信息时代，材料的不断进步推动着人类社会的发展。新材料的出现，往往会带来生产力的飞跃，引领新的科技革命。日常生活所需从我们穿的衣服、住的房子、使用的工具、交通工具，无一不与材料息息相关。材料的性能直接影响着我们的生活质量，例如，耐用、舒适、安全、环保等。材料学的发展历程1古代文明人类开始使用简单的工具和武器，例如石器、陶器和青铜器。这些材料的应用推动了早期文明的发展。2工业革命钢铁的广泛应用和机械制造的兴起，促进了材料科学的发展。人们开始对材料的性能和加工工艺进行研究。3现代材料20世纪以来，出现了许多新型材料，例如塑料、陶瓷、复合材料等，它们在各个领域得到广泛应用。材料的组成和特性元素组成材料由各种化学元素组成，元素的种类和比例决定了材料的基本性质。微观结构材料的原子排列方式，如晶体结构和非晶态结构，影响材料的强度、硬度、延展性和导电性等。相组成材料可以由不同的相组成，这些相之间相互作用，影响材料的整体性能。缺陷结构材料中存在各种缺陷，如点缺陷、线缺陷和面缺陷，这些缺陷会影响材料的力学性能、电学性能和光学性能。材料的分类金属材料金属材料具有良好的导电性、导热性和延展性，在机械、电子、建筑等领域广泛应用。陶瓷材料陶瓷材料具有高硬度、耐高温、耐腐蚀等特性，在航空航天、电子器件等领域应用广泛。高分子材料高分子材料具有轻质、易加工、成本低等特点，在包装、纺织、建筑等领域应用广泛。复合材料复合材料将两种或多种材料组合，以获得优异性能，在航空航天、汽车制造等领域应用广泛。晶体结构周期性排列原子在晶体中以规则、周期性的方式排列。空间点阵晶体结构可以描述为空间点阵，每个点代表一个原子或原子群。晶胞晶胞是晶体结构中最小的重复单元，包含了晶体的所有结构信息。晶体类型根据原子排列方式的不同，晶体可以分为立方晶系、六方晶系等。晶体结构的表示方法11.晶胞晶胞是晶体结构的基本单元，它能完整地反映晶体的结构特征。22.晶格常数晶格常数是指晶胞边长的大小，是描述晶体结构的重要参数。33.晶向指数晶向指数表示晶体中某一方向与晶胞轴之间的关系。44.晶面指数晶面指数表示晶体中某一晶面与晶胞轴之间的关系。晶体缺陷点缺陷点缺陷是晶体结构中最简单的缺陷。它们是在晶格中的单个原子或离子位置上发生偏差。例如，空位是晶格中缺少一个原子的位置。线缺陷线缺陷是指晶体结构中一维的缺陷。它们通常被称为位错。位错是指晶格中原子排列的断裂，并且可以沿着晶体扩展。面缺陷面缺陷是指晶体结构中二维的缺陷。它们通常被称为晶界。晶界是指两个晶粒之间的界面，在这些界面上，晶格的排列方式发生变化。体缺陷体缺陷是指晶体结构中三维的缺陷。它们通常被称为孔隙、裂纹或夹杂物。体缺陷会导致材料的强度和韧性下降。晶体缺陷对材料性能的影响晶体缺陷是晶体结构中原子排列的偏差，它们会影响材料的物理、化学和机械性能。例如，空位缺陷会导致材料强度降低，而间隙缺陷会导致材料硬度和强度增加。10强度空位缺陷会导致材料强度降低。50硬度间隙缺陷会导致材料硬度和强度增加。100电导率点缺陷会影响材料的电导率。1000延展性位错会导致材料延展性降低。扩散11.定义扩散指的是原子或分子在物质内部或表面迁移的过程，它是一种物质迁移现象，在固态、液态和气态中都会发生。22.驱动力扩散的驱动力是浓度梯度，即物质在不同位置的浓度差异，原子或分子会从高浓度区域向低浓度区域迁移。33.影响因素扩散速率受温度、物质的性质、晶体结构以及其他因素的影响。温度越高，扩散速率越快。44.类型扩散可以分为多种类型，例如体积扩散、表面扩散、晶界扩散等等。扩散机理1空位机制原子跳入空位，形成新的空位。2间隙机制原子跳入晶格间隙。3交换机制相邻原子直接交换位置。扩散是物质中原子或分子在热力学驱动力下迁移的过程。扩散机理是指原子或分子在固体中迁移的具体方式。三种主要的扩散机理包括空位机制、间隙机制和交换机制。空位机制是最常见的扩散机理，原子通过跳入空位的方式迁移。间隙机制是指原子通过跳入晶格间隙的方式迁移。交换机制是指相邻原子直接交换位置的方式迁移。扩散对材料性能的影响影响描述强度和硬度扩散可导致晶界弱化，降低材料的强度和硬度。耐腐蚀性扩散可导致金属表面的氧化或腐蚀，降低其耐腐蚀性。电气性能扩散可改变材料的电导率，影响其电气性能。热性能扩散可改变材料的热导率，影响其热性能。相图相图是表示物质在不同温度和压力下存在状态的图形相图中不同区域代表不同的相相图可以帮助我们理解物质的相变相图还可以用于确定合金的组成和性能相变定义相变是材料在物理状态或化学组成发生变化时，其结构和性质也随之发生变化的过程。类型常见的相变类型包括固相转变、液相转变、气相转变、以及固液气三相之间的转变。影响因素温度、压力、成分以及外部磁场等因素都会影响材料的相变过程。铁碳合金状态图铁碳合金状态图是材料科学中重要的工具，用于了解铁碳合金的相变和微观结构。该图展示了不同温度和碳含量的铁碳合金的平衡相组成。通过分析该图，我们可以预测不同热处理过程对合金性能的影响，并选择合适的材料应用于不同的工业领域。钢的热处理1热处理改变钢的组织结构2淬火快速冷却，获得马氏体3回火加热至低于淬火温度，减缓硬度4正火缓慢冷却，改善加工性能5退火缓慢冷却，获得软态热处理工艺是控制钢材的性能的关键。通过改变钢的组织结构，可以实现材料的硬度、韧性、强度等性能的优化。金属材料的力学性能强度衡量材料抵抗永久变形的能力。硬度衡量材料抵抗压痕的能力。韧性衡量材料抵抗断裂的能力。疲劳衡量材料在反复载荷下的抵抗失效的能力。塑性变形金属的变形金属材料在外力作用下发生永久性形状改变的过程，其形变会随着外力的持续作用而增加。位错金属材料的塑性变形主要由晶体内部的位错运动引起。应力材料内部抵抗变形的能力，会随着塑性变形的程度而变化。应变材料在受到外力作用下发生的形变，反映了材料的塑性变形程度。强化机制固溶强化固溶强化是指在金属中加入少量其他元素，形成固溶体，提高金属的强度和硬度。形变强化形变强化是指通过塑性变形，使金属内部产生位错，阻碍位错运动，从而提高强度和硬度。晶粒细化晶粒细化是指通过控制凝固条件或热处理，使金属的晶粒尺寸减小，提高强度和硬度。第二相强化第二相强化是指在金属中加入第二相颗粒，通过第二相颗粒的阻碍作用，提高金属的强度和硬度。陶瓷材料陶瓷材料通常由金属和非金属元素组成。陶瓷材料的原子键主要为离子键和共价键，具有高硬度、耐高温、耐腐蚀等特点。常见的陶瓷材料包括氧化铝、氧化硅、氮化硅、碳化硅等。陶瓷材料广泛应用于各种领域，例如制造耐高温部件、电子器件、生物材料、建筑材料等。陶瓷材料的性能高硬度陶瓷材料具有很高的硬度，抗磨损能力强。耐高温陶瓷材料具有很高的熔点，能够在高温下保持稳定性能。耐腐蚀陶瓷材料化学性质稳定，不易被酸碱腐蚀。绝缘性好陶瓷材料是良好的电绝缘体，能够有效阻止电流的通过。陶瓷材料的应用日常用品陶瓷材料广泛用于制作日常用品，如餐具、茶具、装饰品等。它们具有耐高温、耐腐蚀、美观易清洁等特点。工业应用陶瓷材料在工业中也有广泛应用，例如：耐火材料、绝缘材料、电子陶瓷等。它们在高温环境、强腐蚀环境或需要特殊电学性能的场合发挥重要作用。医疗领域陶瓷材料也用于医疗领域，例如：人工骨骼、牙齿、血管支架等。它们具有生物相容性好，强度高，耐腐蚀等优点，可以有效替代人体组织。特殊领域此外，陶瓷材料在航空航天、能源、环境等领域也具有重要应用，例如：高温结构材料、燃料电池、催化剂等。高分子材料高分子材料是指由许多小分子通过化学键连接而成的具有高分子量的物质。它们通常由碳、氢、氧、氮等元素组成，具有独特的结构和性能，广泛应用于日常生活和工业生产中。高分子材料的特点包括：高分子链的结构，分子量大，具有热塑性和热固性，以及机械性能优异、可加工性好、耐腐蚀、绝缘性好等优点。高分子材料的结构11.单体高分子材料由许多小分子单体连接而成。22.链结构单体通过化学键连接形成长链，构成高分子材料的基本结构。33.形态高分子链可以是直链、支链或网状结构，影响材料的物理和化学性质。44.交联不同高分子链之间可以通过化学键连接形成交联结构，提高材料的强度和耐热性。高分子材料的性能机械性能高分子材料通常具有较低的密度和较高的强度，可以承受一定程度的拉伸、弯曲和冲击。弹性性能橡胶和其他弹性高分子材料可以承受较大形变并恢复到原始形状，具有良好的弹性性能。热性能高分子材料的热性能差异很大，有的具有耐高温性，有的则具有耐低温性。化学性能高分子材料对化学物质的抵抗能力差异很大，有的耐酸碱，有的耐腐蚀。高分子材料的应用包装高分子材料具有轻便、耐腐蚀、易加工等优点，广泛应用于食品、饮料、日用品等包装领域。纺织合成纤维、人造纤维等高分子材料具有舒适、耐用、易洗等特点，被广泛应用于服装、家居等领域。汽车汽车轮胎、内饰、车身等部件广泛使用高分子材料，如橡胶、塑料等。医疗高分子材料在医疗领域也发挥着重要作用，例如人工器官、医用敷料、药物载体等。复合材料复合材料是指由两种或多种不同材料组成的材料，并通过界面结合在一起，从而形成一种具有独特性能的新材料。复合材料通常由一种增强相（增强材料）和一种基体相（基体材料）组成，增强相可以是纤维、颗粒、薄片等，基体相可以是金属、陶瓷、高分子材料等。复合材料的结构增强相增强相通常是具有较高强度、刚度或其他优异性能的材料，例如纤维、颗粒或片状材料。它们在复合材料中起着增强作用，提高其整体性能。基体基体是复合材料中将增强相结合在一起的材料。它通常是具有良好粘合性能和可加工性的材料，例如树脂、金属或陶瓷。复合材料的性能优异的强度重量比复合材料通常比传统材料更轻，但强度更高。这使得它们成为航空航天、汽车和体育器材等行业的理想选择。高耐腐蚀性复合材料通常能够抵抗各种腐蚀性物质的影响，这在潮湿或恶劣环境中的应用中非常有用。良好的尺寸稳定性复合材料通常具有较高的尺寸稳定性，这意味着它们不太容易变形或扭曲。可设计性通过改变增强材料和基体材料的类型和比例，可以定制复合材料的性能，以满足特定的应用需求。复合材料的应用1航空航天复合材料的轻质、高强度特性使其成