同济大学《材料科学基础》课件第

材料科学基础课程简介课程目标掌握材料科学基础知识，了解材料的性能和应用，为后续专业课程学习打下坚实基础。课程内容包括材料的结构、性能、加工、测试、应用等方面，涵盖金属、陶瓷、高分子、复合材料等。教学方式课堂讲授、实验教学、课后作业、课题研究等，注重理论联系实际，培养学生的实践能力。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，例如钢铁、铝、铜等。陶瓷材料陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀和高硬度等特点，例如陶瓷、玻璃、水泥等。高分子材料高分子材料以碳原子为骨架，具有轻质、柔软、易加工等特点，例如塑料、橡胶、纤维等。复合材料复合材料将两种或多种材料结合在一起，以获得优异的性能，例如玻璃钢、碳纤维复合材料等。原子结构原子核原子核由质子和中子组成，构成原子的中心。电子云电子在原子核周围运动，形成电子云，决定着原子的大小和化学性质。电子轨道电子云可以被描述成不同的电子轨道，每个轨道具有特定的能量水平。元素周期表元素周期表是根据原子序数排列的化学元素的图表。它以周期律为基础，将具有相似化学性质的元素排列在一起。元素周期表是化学研究的基础，可以帮助我们理解元素的性质和反应。元素周期表包含118种已知的元素，它们按原子序数排列，从最小的氢原子开始，到最大的鿫原子结束。元素周期表分为七个周期，并按照元素的电子构型分组。每个周期代表一个新的电子层，而每一列（或族）包含具有相似化学性质的元素。原子键结1离子键金属和非金属元素之间，通过静电吸引形成的化学键。2共价键非金属元素之间，通过共享电子形成的化学键。3金属键金属原子之间，通过自由电子形成的化学键。晶体结构晶体结构是材料内部原子或离子在空间中的排列方式。它决定了材料的许多重要性质，例如强度、硬度、熔点、导电性、导热性和光学性质。常见的晶体结构类型包括简单立方、体心立方、面心立方、六方密堆积和钻石结构。晶体结构可以通过X射线衍射技术进行分析。晶体缺陷点缺陷原子尺度的缺陷，例如空位和间隙原子。线缺陷一维缺陷，例如位错，影响材料的强度和塑性。面缺陷二维缺陷，例如晶界和孪晶，影响材料的性能。材料的热性质热导率(W/mK)比热容(J/gK)热导率和比热容是材料重要的热性质。热导率表示材料传递热量的能力，比热容表示材料吸收热量的能力。材料的相变定义材料在温度、压力或其他外界条件改变时，其物理状态和结构发生的改变过程。类型包括固相转变、液相转变、气相转变和固-液-气相之间的转变。影响因素温度、压力、成分、应力等因素会影响材料的相变过程。应用相变在材料科学、冶金、陶瓷等领域有着广泛的应用。二元相图二元相图是描述两种组元在一定温度和压力下，其固态、液态和气态之间的平衡关系图。相图可以帮助我们了解不同温度和组元比例下的相组成、相变过程以及材料的性能变化。扩散定义扩散是指物质从高浓度区域向低浓度区域迁移的现象。类型扩散可分为多种类型，包括固体扩散、液体扩散和气体扩散。机制原子通过空位机制、间隙机制或交换机制进行迁移。机械性能100强度100硬度100韧性100塑性弹性变形1定义材料在外力作用下发生形变，当外力去除后，形变完全消失，这种形变称为弹性变形。2特征可逆性，形变随外力变化，外力消失，形变消失。3影响因素材料的性质、外力的大小和作用时间、温度等因素都会影响材料的弹性变形。塑性变形1定义材料在应力作用下发生永久变形2机制晶体材料中位错的运动3特点不可逆，残余变形强化机制合金化通过添加其他元素改变材料的晶体结构，提高强度和硬度。晶粒细化通过控制冷却速度或添加细化剂，减小晶粒尺寸，提高强度和韧性。冷加工硬化通过塑性变形，使材料内部产生位错，提高强度和硬度。断裂力学裂纹扩展研究材料中裂纹的形成、扩展和断裂过程，并分析其影响因素。应力强度因子描述裂纹尖端应力场大小的指标，是断裂力学的重要参数。断裂韧性材料抵抗裂纹扩展的能力，反映材料的抗断裂性能。腐蚀与保护腐蚀是材料在环境中发生化学或电化学反应而导致的破坏现象。保护措施包括表面处理、涂层、添加剂和阴极保护等。金属材料广泛应用金属材料在各个领域都有着广泛的应用，例如建筑、制造、交通、电子等。优良性能金属材料具有高强度、高韧性、高导电性和高导热性等优良的性能，使其成为各种应用中的首选材料。多种类型金属材料种类繁多，包括铁、铝、铜、钛等，每种金属都具有独特的特性和应用领域。陶瓷材料耐高温陶瓷材料具有很高的熔点，可在高温环境中稳定工作。耐腐蚀陶瓷材料对大多数化学物质具有良好的抵抗能力。绝缘性好陶瓷材料具有良好的电绝缘性和热绝缘性能。高分子材料结构复杂高分子材料由长链状的分子组成，这些分子通常具有复杂的结构。性能多样高分子材料的性能范围很广，从柔软的橡胶到坚硬的塑料，应有尽有。应用广泛高分子材料广泛应用于各个领域，包括包装、建筑、电子产品、医疗设备等。复合材料碳纤维增强塑料玻璃纤维增强塑料陶瓷基复合材料智能材料形状记忆合金能够在特定温度下恢复到原始形状。压电材料在机械应力作用下产生电荷，反之亦然。自修复材料可以修复自身损坏，延长使用寿命。材料的选择1性能强度、硬度、耐腐蚀性2成本材料价格、加工成本3加工性可加工性、成型性4环境可回收性、可持续性材料的加工1成型改变材料形状2热处理改变材料性能3表面处理改善材料表面材料测试与检测性能评估材料的性能是其在特定应用中的表现能力。测试和检测可帮助评估材料的强度、韧性、硬度、耐腐蚀性和耐热性等关键指标。质量控制通过检测，可以确保材料符合设计要求和质量标准，避免使用不合格材料，确保产品性能稳定和可靠性。研究开发测试和检测结果可为新材料的研发提供数据支撑，推动材料科学与工程的发展，探索更优异的材料。材料的应用钢铁用于建造桥梁、建筑物、汽车、飞机等。陶瓷用于制造瓷砖、餐具、电子元件等。塑料用于制造包装、电子设备、玩具等。材料的前沿发展纳米材料纳米材料拥有独特的物理和化学性质，在电子、能源、生物医药等领域具有巨大潜力。智能材料智能材料可以感知环境变化并作出响应，在航空航天、建筑、医疗等领域具有广阔应用前景。生物材料生物材料与生物体具有良好的相容性，在医疗器械、组织工程、药物缓释等领域发挥着重要作用。高熵合金高熵合金具有优异的机械性能、耐腐蚀性能和高温性能，在航空航天、能源等领域有望得到广泛应用。热处理工艺1淬火快速冷却，提高硬度2回火适当加热，降低硬度，提高韧性3正火均匀加热，消除内部应力4退火缓慢冷却，提高塑性热处理是通过控制加热和冷却速度来改变材料内部组织结构，从而改变材料的性能。常见的热处理工艺包括淬火、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，提高韧性。正火可以消除材料内部应力，退火可以提高材料的塑性。案例分析