【大学课件】材料科学基础

材料科学基础欢迎来到材料科学基础课程。本课程将带您探索材料的奥秘，了解它们的性质、结构和应用。让我们一同踏上这段激动人心的学习之旅。什么是材料科学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。目标旨在开发和优化材料，满足各种工程和技术需求。跨学科性质结合了物理学、化学、生物学和工程学的知识。材料科学的历史发展1远古时代人类开始使用石器、木材等天然材料。2青铜时代发现并利用铜、青铜，开启金属冶炼时代。3工业革命钢铁大规模生产，推动材料科学快速发展。4现代时期新材料层出不穷，如纳米材料、智能材料等。材料科学的研究对象微观结构研究材料的原子、分子排列和结构。材料性能研究材料的力学、电学、磁学等性质。制备工艺研究材料的制备、加工和处理方法。应用研究探索材料在各领域的实际应用。材料的分类金属材料具有金属键结合的材料，如钢铁、铝、铜等。陶瓷材料无机非金属材料，如氧化铝、碳化硅等。高分子材料由大分子组成的有机材料，如塑料、橡胶等。复合材料由两种或多种不同材料组合而成的新型材料。金属材料特点导电性好、导热性强、延展性高。常具有金属光泽。分类黑色金属：铁及其合金。有色金属：铜、铝、金等。应用广泛应用于建筑、交通、电子等领域。陶瓷材料原料准备选择适当的无机原料。成型将原料制成所需形状。烧结高温处理，增强强度和密度。后处理进行表面处理或加工。高分子材料1合成高分子人工合成的塑料、橡胶等。2天然高分子蛋白质、多糖类等生物大分子。3改性高分子通过物理或化学方法改性的高分子。复合材料1增强相提供强度和刚度，如纤维、颗粒。2基体包裹增强相，传递载荷，如树脂。3界面增强相和基体之间的结合区域。材料的性能力学性能材料承受外力作用的能力。电学性能材料导电、绝缘等电学特性。磁学性能材料在磁场中的表现。热学性能材料对热的反应和传导特性。力学性能1强度材料抵抗变形和断裂的能力。2硬度材料抵抗局部变形的能力。3韧性材料吸收能量而不断裂的能力。4疲劳性能材料在循环载荷下的抵抗能力。电学性能导电性材料传导电流的能力，与电阻率有关。介电性绝缘材料在电场中的极化能力。压电性某些材料在受力时产生电荷的能力。磁学性能铁磁性材料能被强烈磁化，如铁、钴、镍。顺磁性材料在外磁场作用下微弱磁化。抗磁性材料在磁场中产生微弱的反向磁化。超导性某些材料在低温下电阻为零。热学性能热容材料储存热量的能力。热导率材料传导热量的能力。热膨胀材料受热时体积变化的程度。熔点材料从固态转变为液态的温度。材料的结构1原子结构材料的基本构成单元。2晶体结构原子有序排列形成的周期性结构。3无定型结构原子无序排列的非晶态结构。晶体结构简单立方结构原子位于立方体的八个顶点。体心立方结构除顶点外，立方体中心还有一个原子。面心立方结构除顶点外，六个面的中心各有一个原子。六方密堆结构原子以六方形式紧密排列。无定型结构特点原子排列无长程有序性，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。性质通常具有各向同性，无明确熔点，呈现玻璃转变。晶体缺陷点缺陷空位、间隙原子、杂质原子等。线缺陷刃型位错、螺型位错等。面缺陷晶界、孪晶界、堆垛层错等。体缺陷空洞、夹杂物等。相图与相变相的定义物质中化学组成和物理状态均匀的部分。相图的作用描述不同条件下物质的相态变化。相变过程物质在不同相之间的转变。平衡相图描述系统在平衡状态下的相关系。二元相图共晶型如铅-锡系统，存在共晶点。包晶型如铜-锌系统，存在包晶反应。固溶型如金-银系统，形成连续固溶体。金属间化合物型如镁-锌系统，形成金属间化合物。三元相图表示方法通常使用等边三角形或三棱锥体表示。组成表示三个组元的含量由距离三边的垂直距离表示。应用用于研究三元合金系统的相平衡和相变。状态图的应用合金设计指导新型合金的开发和优化。热处理确定合适的热处理工艺参数。铸造预测凝固过程中的相变和组织演变。焊接分析焊接过程中的相变和组织变化。材料的微观组织1晶粒材料中具有相同晶体取向的区域。2相具有相同化学组成和结构的区域。3界面不同晶粒或相之间的分界面。4缺陷晶体结构中的各种缺陷。金属材料微观组织单相组织如纯金属或固溶体合金。两相组织如珠光体钢中的铁素体和渗碳体。多相组织如球墨铸铁中的铁素体、石墨和渗碳体。沉淀强化组织如时效硬化铝合金中的沉淀相。陶瓷材料微观组织晶粒陶瓷材料中的晶体颗粒，影响材料的力学性能。气孔陶瓷中的空隙，影响材料的密度和强度。玻璃相某些陶瓷中存在的非晶态相，影响高温性能。高分子材料微观组织无定形区分子链无序缠结的区域。结晶区分子链有序排列形成的晶体区域。球晶某些半结晶高分子中的球形晶体结构。相分离结构共聚物或混合物中不同组分形成的分离结构。材料的制备与加工冶金金属材料的提炼和精炼过程。成型赋予材料所需形状的加工过程。热处理通过加热和冷却改变材料性能。表面处理改善材料表面性能的处理方法。金属材料的制备1原料处理选矿、破碎、筛分等。2冶炼高温还原、电解等方法提取金属。3精炼去除杂质，提高纯度。4合金化添加其他元素，制备合金。陶瓷材料的制备原料制备粉末处理、配料、混合。成型压制、注浆、挤出等方法。干燥去除成型体中的水分。烧结高温处理，提高致密度。高分子材料的制备1聚合反应单体通过化学反应形成大分子。2