材料科学与工程基础课件fundamental

材料科学与工程基础本课程介绍材料科学与工程的基础知识，涵盖材料的结构、性能、加工和应用。课程简介课程目标深入了解材料科学与工程的基础知识，掌握材料的基本性质、结构、性能和应用。培养学生对材料科学与工程领域的基础知识和应用能力，为进一步学习和研究打下坚实基础。课程内容涵盖材料科学与工程的各个方面，包括材料的结构、性能、加工、应用等。课程将结合最新的研究成果和技术发展，为学生提供全面的材料科学与工程知识体系。学习方式采用课堂讲授、实验操作、课后作业、课题研究等多种学习方式，帮助学生更好地理解和掌握材料科学与工程知识，并提升实践能力。材料科学与工程的定义材料科学是研究材料的组成、结构、性能及其相互关系的学科。它涉及材料的原子结构、微观结构、宏观结构、以及材料在不同环境下的行为。材料工程则是将材料科学的原理应用于实际工程问题的学科。它侧重于材料的设计、合成、加工、表征和应用。材料科学与工程是现代科技的基础，对推动人类社会进步起着至关重要的作用。材料科学与工程的发展历程早期文明人类早期文明时期，人们利用天然材料，例如石头、木材、陶器等，并开始探索材料的特性和应用。古代文明古代文明发展了冶金技术，掌握了金属加工技术，如青铜器、铁器等，并发现了合金材料。近代科学近代科学的兴起，特别是显微镜的发明，促进了人们对材料微观结构的认识，并推动了材料科学的发展。现代材料现代材料科学与工程涵盖了各种新型材料，包括高分子材料、复合材料、纳米材料等，并不断突破材料性能的极限。材料的基本性质物理性质材料的物理性质包括密度、熔点、沸点、电导率、热导率等，这些性质直接影响材料的应用领域。化学性质材料的化学性质包括稳定性、反应活性、腐蚀性等，这些性质决定材料在不同环境中的耐用性。机械性质材料的机械性质包括强度、硬度、韧性、塑性等，这些性质决定材料的承载能力和变形能力。光学性质材料的光学性质包括折射率、透光率、反射率等，这些性质决定材料在光学器件中的应用。金属材料高延展性金属通常具有良好的延展性，可以拉伸成细丝或压成薄片。良好的导电性金属能很好地传导热量和电能，这在许多应用中至关重要。光泽大多数金属具有光泽，可以反射光线，使它们具有光泽的外观。结构强度金属具有很高的强度，可以承受很大的载荷，这使得它们成为建筑和工程中的理想材料。陶瓷材料陶瓷材料，又称无机非金属材料，是由无机非金属化合物组成。陶瓷通常具有高熔点、高硬度、高耐磨性、高耐化学腐蚀性、低导热性和低导电性等特点。陶瓷材料广泛应用于各种领域，包括建筑材料、电子元件、耐火材料、陶瓷刀具和餐具等。它们是现代社会不可或缺的重要材料。高分子材料塑料塑料是由合成树脂制成的，具有轻便、耐用、易加工等优点，广泛应用于包装、建筑、汽车等行业。橡胶橡胶具有良好的弹性和耐磨性，主要用于轮胎、密封件、绝缘材料等。纤维纤维具有强度高、耐磨、吸湿性好等特点，常用于纺织、服装、地毯等领域。复合材料复合材料由两种或多种材料组成，具有优异的性能，例如高强度、轻重量和耐腐蚀性。复合材料广泛应用于航空航天、汽车和建筑等领域，例如飞机机身、汽车车身和桥梁。材料的内部结构1原子构成材料的基本单元。2晶体结构原子排列成周期性结构。3非晶态结构原子排列无序。4晶界不同晶粒之间的界面。材料的内部结构决定了其物理、化学和机械性能。例如，金属材料的强度和硬度与其晶体结构密切相关。晶体结构晶体结构类型主要类型包括立方晶系、四方晶系、六方晶系、三方晶系、正交晶系、单斜晶系、三斜晶系。晶格原子在晶体中的排列方式，可以形成不同的晶格，例如简单立方、体心立方、面心立方。对称性晶体内部的原子排列具有规则的对称性，通过晶体对称性可以判断晶体类型。晶体缺陷点缺陷点缺陷是指晶格中原子排列的局部偏差，例如空位和间隙原子。这些缺陷会影响材料的机械性能、电性能和化学性能。线缺陷线缺陷是指晶格中原子排列的一维偏差，例如刃位错和螺旋位错。它们会影响材料的强度、塑性和断裂韧性。面缺陷面缺陷是指晶格中原子排列的二维偏差，例如晶界和孪晶界。这些缺陷会影响材料的强度、硬度和抗腐蚀性。体缺陷体缺陷是指晶格中原子排列的三维偏差，例如孔洞、裂纹和第二相颗粒。它们会影响材料的强度、韧性和耐久性。材料的相变材料的相变是指材料在一定条件下，其物理状态或化学组成发生改变的过程。相变是材料科学与工程领域的重要研究内容，对理解材料的性质、性能和应用具有重要意义。1固态相变材料的固态相变是指在固态下发生的相变，例如晶体结构的变化2液态相变材料的液态相变是指材料从固态转变为液态的过程，例如熔化3气态相变材料的气态相变是指材料从液态转变为气态的过程，例如汽化状态图状态图是表示材料在不同温度和压力条件下相变关系的图形。它可以帮助我们了解材料在不同温度和压力下的相组成、相结构和性质变化。状态图通常包含温度、压力和相组成三个坐标轴。不同的相区域用不同的颜色或符号表示，相界线表示不同相之间的平衡关系。相图的应用11.材料设计相图帮助预测合金成分和热处理工艺，优化材料的性能。22.焊接相图用于选择焊接材料，避免焊接过程中形成脆性相，保证焊缝质量。33.材料加工相图可以指导金属的热处理工艺，例如淬火、回火和退火。44.材料研究相图是研究材料微观结构和性能关系的重要工具，揭示相变过程和相平衡规律。材料的机械性能强度材料抵抗外力作用而不发生破坏的能力。塑性材料在外力作用下发生永久变形而不破坏的能力。硬度材料抵抗局部压痕的能力。弹性材料在外力作用下发生变形，去除外力后能恢复原状的能力。应力-应变关系应力-应变曲线是材料在拉伸或压缩载荷作用下的力学性能表现曲线形状揭示了材料的弹性、塑性、强度、韧性等重要特性1弹性区2屈服强度3强度极限4断裂强度材料的塑性变形1塑性变形材料在应力作用下发生永久变形，即使应力消除后也不会恢复原状。2应力-应变关系塑性变形与应力和应变有关，应力越大，变形越大。3冷加工在材料的再结晶温度以下进行塑性变形，可提高材料强度，但会降低延展性。4热加工在材料的再结晶温度以上进行塑性变形，可降低材料强度，但提高延展性。材料的断裂脆性断裂材料在没有明显塑性变形的情况下突然断裂。通常发生在陶瓷、玻璃等脆性材料中，以及金属在低温或高速加载条件下。韧性断裂材料在断裂前发生明显的塑性变形，断裂表面呈现出纤维状或毛刺状。这通常发生在金属材料中。材料的热处理热处理是指在控制条件下对材料进行加热和冷却，从而改变其内部组织结构和性能的技术。它是一种重要的材料加工手段，广泛应用于金属、陶瓷、高分子等各种材料的生产和应用。1退火消除材料内部应力，提高材料的延展性，改善切削加工性能。2正火细化晶粒，提高材料的强度和韧性，改善材料的综合性能。3淬火快速冷却，提高材料的硬度和强度，改善材料的耐磨性。4回火减轻淬火后材料的脆性，提高材料的韧性，改善材料的综合性能。金属材料的热处理1退火退火是指将金属加热到一定温度，保温一段时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。退火的主要目的是消除金属内部的内应力，细化晶粒，提高金属的塑性和韧性。2正火正火是指将金属加热到高于临界温度，保温一段时间，然后在空气中冷却的热处理工艺。正火的主要目的是细化晶粒，改善金属的综合性能，使其具有更好的机械性能和加工性能。3淬火淬火是指将金属加热到高于临界温度，保温一段时间，然后迅速冷却的热处理工艺。淬火的主要目的是提高金属的硬度和强度，使其具有更好的耐磨性和抗冲击性能。4回火回火是指将淬火后的金属加热到低于临界温度，保温一段时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。回火的主要目的是降低金属的硬度和脆性，提高金属的塑性和韧性。陶瓷材料的烧结1粉末压制将陶瓷粉末压制成所需的形状。2高温烧结在高温下，粉末颗粒发生扩散，并相互连接。3致密化粉末颗粒之间的空隙逐渐减少，形成致密的陶瓷材料。4冷却缓慢冷却以减少内部应力。烧结是陶瓷材料制备中重要的环节，通过高温处理使粉末颗粒发生扩散和连接，最终形成致密的陶瓷材料。高分子材料的热处理热塑性加热后软化，冷却后固化。可以反复加热和冷却。热固性加热后固化，冷却后无法再次软化。加热过程不可逆。弹性体加热后软化，冷却后固化，但可以拉伸变形，并可以恢复原状。复合材料的制备原材料选择选择合适的基体材料和增强材料，例如树脂、金属或陶瓷等，以满足最终材料的性能要求。增强材料预处理对增强材料进行表面处理，以提高与基体材料的结合强度，例如切割、打磨或涂覆等。混合与成型将基体材料和增强材料混合在一起，并采用不同的成型方法，例如模压、注射成型、拉挤成型或层压等，形成复合材料。固化与后处理在一定温度和压力下固化复合材料，使其达到所需的强度和性能，并进行必要的表面处理或加工。材料的腐蚀与防护腐蚀的定义腐蚀是指材料在环境介质的作用下，发生化学或电化学反应而导致表面破坏的过程。腐蚀的影响腐蚀会造成材料性能下降，甚至导致设备失效，带来经济损失和安全隐患。腐蚀的防护常见的防护方法包括涂层、电化学保护、合金化等，旨在阻止或减缓腐蚀过程。电化学腐蚀1金属与电解质溶液金属表面与电解质溶液接触发生氧化还原反应，形成腐蚀电池。2阳极反应金属原子失去电子，形成金属离子进入溶液。3阴极反应溶液中的氢离子或氧气获得电子，形成氢气或氢氧根离子。4腐蚀产物腐蚀过程会产生氧化物、氢氧化物等腐蚀产物，导致金属表面发生破坏。高温腐蚀高温环境高温下材料表面发生氧化、硫化或碳化等化学反应。动力设备航空发动机、燃气轮机等设备在高温下工作，容易发生高温腐蚀。防护措施涂层、合金化等措施可以提高材料在高温下的耐腐蚀性能。腐蚀的防护措施涂层保护涂层保护是常用的腐蚀防护方法，例如油漆、搪瓷等。它们在金属表面形成一层保护层，阻止腐蚀介质接触金属。电镀电镀是在金属表面覆盖一层耐腐蚀的金属，例如镀锌、镀铬等。这可以有效提高金属的耐腐蚀性能。合金化通过添加其他元素改变金属的成分，形成耐腐蚀的合金，例如不锈钢，可以有效抵抗腐蚀。阴极保护阴极保护通过施加电流使金属表面成为阴极，阻止腐蚀发生的原理。材料的选择与应用材料的选择材料的选择是设计和制造过程中的关键步骤。它需要考虑各种因素，包括性能要求、成本、可用性、环保性能等。例如，在汽车制造中，需要选择轻量化、耐腐蚀、高强度材料，如铝合金和碳纤维复合材料。材料的应用材料在各个领域都有广泛的应用，例如航空航天、医疗、电子、能源等。例如，高温合金应用于飞机发动机，生物材料应用于人工关节，半导体材料应用于电子芯片，储能材料应用于电池和燃料电池。材料的选择准则性能需求首先要考虑材料的机械性能、物理性能、化学性能等，以满足应用场景的具体要求。成本因素材料的成本直接影响产品制造成本，需要综合考虑材料的价格、加工难度、运输成本等。加工性能材料的加工性能影响产品的制造效率和成本，例如材料的可塑性、可焊性、耐磨性等。环境因素材料需要考虑环境因素，例如温度、湿度、