同濟(jì)大學(xué)《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課件第

同濟(jì)大學(xué)《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課件本課程旨在幫助學(xué)生了解材料科學(xué)的基本原理和應(yīng)用。它將涵蓋材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、加工和應(yīng)用等方面的內(nèi)容。緒論材料科學(xué)是研究材料的組成、結(jié)構(gòu)、性能和加工過(guò)程的學(xué)科。材料科學(xué)與工程密切相關(guān)，是現(xiàn)代科技發(fā)展的基礎(chǔ)，也是人類(lèi)文明進(jìn)步的推動(dòng)力量。材料的重要性人類(lèi)文明發(fā)展材料是人類(lèi)文明進(jìn)步的基礎(chǔ)，從石器時(shí)代到信息時(shí)代，材料的不斷進(jìn)步推動(dòng)著人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展。新材料的出現(xiàn)，往往會(huì)帶來(lái)生產(chǎn)力的飛躍，引領(lǐng)新的科技革命。日常生活所需從我們穿的衣服、住的房子、使用的工具、交通工具，無(wú)一不與材料息息相關(guān)。材料的性能直接影響著我們的生活質(zhì)量，例如，耐用、舒適、安全、環(huán)保等。材料學(xué)的發(fā)展歷程1古代文明人類(lèi)開(kāi)始使用簡(jiǎn)單的工具和武器，例如石器、陶器和青銅器。這些材料的應(yīng)用推動(dòng)了早期文明的發(fā)展。2工業(yè)革命鋼鐵的廣泛應(yīng)用和機(jī)械制造的興起，促進(jìn)了材料科學(xué)的發(fā)展。人們開(kāi)始對(duì)材料的性能和加工工藝進(jìn)行研究。3現(xiàn)代材料20世紀(jì)以來(lái)，出現(xiàn)了許多新型材料，例如塑料、陶瓷、復(fù)合材料等，它們?cè)诟鱾€(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。材料的組成和特性元素組成材料由各種化學(xué)元素組成，元素的種類(lèi)和比例決定了材料的基本性質(zhì)。微觀結(jié)構(gòu)材料的原子排列方式，如晶體結(jié)構(gòu)和非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，影響材料的強(qiáng)度、硬度、延展性和導(dǎo)電性等。相組成材料可以由不同的相組成，這些相之間相互作用，影響材料的整體性能。缺陷結(jié)構(gòu)材料中存在各種缺陷，如點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷，這些缺陷會(huì)影響材料的力學(xué)性能、電學(xué)性能和光學(xué)性能。材料的分類(lèi)金屬材料金屬材料具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和延展性，在機(jī)械、電子、建筑等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。陶瓷材料陶瓷材料具有高硬度、耐高溫、耐腐蝕等特性，在航空航天、電子器件等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。高分子材料高分子材料具有輕質(zhì)、易加工、成本低等特點(diǎn)，在包裝、紡織、建筑等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。復(fù)合材料復(fù)合材料將兩種或多種材料組合，以獲得優(yōu)異性能，在航空航天、汽車(chē)制造等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。晶體結(jié)構(gòu)周期性排列原子在晶體中以規(guī)則、周期性的方式排列。空間點(diǎn)陣晶體結(jié)構(gòu)可以描述為空間點(diǎn)陣，每個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)原子或原子群。晶胞晶胞是晶體結(jié)構(gòu)中最小的重復(fù)單元，包含了晶體的所有結(jié)構(gòu)信息。晶體類(lèi)型根據(jù)原子排列方式的不同，晶體可以分為立方晶系、六方晶系等。晶體結(jié)構(gòu)的表示方法11.晶胞晶胞是晶體結(jié)構(gòu)的基本單元，它能完整地反映晶體的結(jié)構(gòu)特征。22.晶格常數(shù)晶格常數(shù)是指晶胞邊長(zhǎng)的大小，是描述晶體結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)。33.晶向指數(shù)晶向指數(shù)表示晶體中某一方向與晶胞軸之間的關(guān)系。44.晶面指數(shù)晶面指數(shù)表示晶體中某一晶面與晶胞軸之間的關(guān)系。晶體缺陷點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷是晶體結(jié)構(gòu)中最簡(jiǎn)單的缺陷。它們是在晶格中的單個(gè)原子或離子位置上發(fā)生偏差。例如，空位是晶格中缺少一個(gè)原子的位置。線缺陷線缺陷是指晶體結(jié)構(gòu)中一維的缺陷。它們通常被稱(chēng)為位錯(cuò)。位錯(cuò)是指晶格中原子排列的斷裂，并且可以沿著晶體擴(kuò)展。面缺陷面缺陷是指晶體結(jié)構(gòu)中二維的缺陷。它們通常被稱(chēng)為晶界。晶界是指兩個(gè)晶粒之間的界面，在這些界面上，晶格的排列方式發(fā)生變化。體缺陷體缺陷是指晶體結(jié)構(gòu)中三維的缺陷。它們通常被稱(chēng)為孔隙、裂紋或夾雜物。體缺陷會(huì)導(dǎo)致材料的強(qiáng)度和韌性下降。晶體缺陷對(duì)材料性能的影響晶體缺陷是晶體結(jié)構(gòu)中原子排列的偏差，它們會(huì)影響材料的物理、化學(xué)和機(jī)械性能。例如，空位缺陷會(huì)導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低，而間隙缺陷會(huì)導(dǎo)致材料硬度和強(qiáng)度增加。10強(qiáng)度空位缺陷會(huì)導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低。50硬度間隙缺陷會(huì)導(dǎo)致材料硬度和強(qiáng)度增加。100電導(dǎo)率點(diǎn)缺陷會(huì)影響材料的電導(dǎo)率。1000延展性位錯(cuò)會(huì)導(dǎo)致材料延展性降低。擴(kuò)散11.定義擴(kuò)散指的是原子或分子在物質(zhì)內(nèi)部或表面遷移的過(guò)程，它是一種物質(zhì)遷移現(xiàn)象，在固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)中都會(huì)發(fā)生。22.驅(qū)動(dòng)力擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力是濃度梯度，即物質(zhì)在不同位置的濃度差異，原子或分子會(huì)從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域遷移。33.影響因素?cái)U(kuò)散速率受溫度、物質(zhì)的性質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)以及其他因素的影響。溫度越高，擴(kuò)散速率越快。44.類(lèi)型擴(kuò)散可以分為多種類(lèi)型，例如體積擴(kuò)散、表面擴(kuò)散、晶界擴(kuò)散等等。擴(kuò)散機(jī)理1空位機(jī)制原子跳入空位，形成新的空位。2間隙機(jī)制原子跳入晶格間隙。3交換機(jī)制相鄰原子直接交換位置。擴(kuò)散是物質(zhì)中原子或分子在熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力下遷移的過(guò)程。擴(kuò)散機(jī)理是指原子或分子在固體中遷移的具體方式。三種主要的擴(kuò)散機(jī)理包括空位機(jī)制、間隙機(jī)制和交換機(jī)制?？瘴粰C(jī)制是最常見(jiàn)的擴(kuò)散機(jī)理，原子通過(guò)跳入空位的方式遷移。間隙機(jī)制是指原子通過(guò)跳入晶格間隙的方式遷移。交換機(jī)制是指相鄰原子直接交換位置的方式遷移。擴(kuò)散對(duì)材料性能的影響影響描述強(qiáng)度和硬度擴(kuò)散可導(dǎo)致晶界弱化，降低材料的強(qiáng)度和硬度。耐腐蝕性擴(kuò)散可導(dǎo)致金屬表面的氧化或腐蝕，降低其耐腐蝕性。電氣性能擴(kuò)散可改變材料的電導(dǎo)率，影響其電氣性能。熱性能擴(kuò)散可改變材料的熱導(dǎo)率，影響其熱性能。相圖相圖是表示物質(zhì)在不同溫度和壓力下存在狀態(tài)的圖形相圖中不同區(qū)域代表不同的相相圖可以幫助我們理解物質(zhì)的相變相圖還可以用于確定合金的組成和性能相變定義相變是材料在物理狀態(tài)或化學(xué)組成發(fā)生變化時(shí)，其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)也隨之發(fā)生變化的過(guò)程。類(lèi)型常見(jiàn)的相變類(lèi)型包括固相轉(zhuǎn)變、液相轉(zhuǎn)變、氣相轉(zhuǎn)變、以及固液氣三相之間的轉(zhuǎn)變。影響因素溫度、壓力、成分以及外部磁場(chǎng)等因素都會(huì)影響材料的相變過(guò)程。鐵碳合金狀態(tài)圖鐵碳合金狀態(tài)圖是材料科學(xué)中重要的工具，用于了解鐵碳合金的相變和微觀結(jié)構(gòu)。該圖展示了不同溫度和碳含量的鐵碳合金的平衡相組成。通過(guò)分析該圖，我們可以預(yù)測(cè)不同熱處理過(guò)程對(duì)合金性能的影響，并選擇合適的材料應(yīng)用于不同的工業(yè)領(lǐng)域。鋼的熱處理1熱處理改變鋼的組織結(jié)構(gòu)2淬火快速冷卻，獲得馬氏體3回火加熱至低于淬火溫度，減緩硬度4正火緩慢冷卻，改善加工性能5退火緩慢冷卻，獲得軟態(tài)熱處理工藝是控制鋼材的性能的關(guān)鍵。通過(guò)改變鋼的組織結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)材料的硬度、韌性、強(qiáng)度等性能的優(yōu)化。金屬材料的力學(xué)性能強(qiáng)度衡量材料抵抗永久變形的能力。硬度衡量材料抵抗壓痕的能力。韌性衡量材料抵抗斷裂的能力。疲勞衡量材料在反復(fù)載荷下的抵抗失效的能力。塑性變形金屬的變形金屬材料在外力作用下發(fā)生永久性形狀改變的過(guò)程，其形變會(huì)隨著外力的持續(xù)作用而增加。位錯(cuò)金屬材料的塑性變形主要由晶體內(nèi)部的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起。應(yīng)力材料內(nèi)部抵抗變形的能力，會(huì)隨著塑性變形的程度而變化。應(yīng)變材料在受到外力作用下發(fā)生的形變，反映了材料的塑性變形程度。強(qiáng)化機(jī)制固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化是指在金屬中加入少量其他元素，形成固溶體，提高金屬的強(qiáng)度和硬度。形變強(qiáng)化形變強(qiáng)化是指通過(guò)塑性變形，使金屬內(nèi)部產(chǎn)生位錯(cuò)，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高強(qiáng)度和硬度。晶粒細(xì)化晶粒細(xì)化是指通過(guò)控制凝固條件或熱處理，使金屬的晶粒尺寸減小，提高強(qiáng)度和硬度。第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化是指在金屬中加入第二相顆粒，通過(guò)第二相顆粒的阻礙作用，提高金屬的強(qiáng)度和硬度。陶瓷材料陶瓷材料通常由金屬和非金屬元素組成。陶瓷材料的原子鍵主要為離子鍵和共價(jià)鍵，具有高硬度、耐高溫、耐腐蝕等特點(diǎn)。常見(jiàn)的陶瓷材料包括氧化鋁、氧化硅、氮化硅、碳化硅等。陶瓷材料廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，例如制造耐高溫部件、電子器件、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，抗磨損能力強(qiáng)。耐高溫陶瓷材料具有很高的熔點(diǎn)，能夠在高溫下保持穩(wěn)定性能。耐腐蝕陶瓷材料化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易被酸堿腐蝕。絕緣性好陶瓷材料是良好的電絕緣體，能夠有效阻止電流的通過(guò)。陶瓷材料的應(yīng)用日常用品陶瓷材料廣泛用于制作日常用品，如餐具、茶具、裝飾品等。它們具有耐高溫、耐腐蝕、美觀易清潔等特點(diǎn)。工業(yè)應(yīng)用陶瓷材料在工業(yè)中也有廣泛應(yīng)用，例如：耐火材料、絕緣材料、電子陶瓷等。它們?cè)诟邷丨h(huán)境、強(qiáng)腐蝕環(huán)境或需要特殊電學(xué)性能的場(chǎng)合發(fā)揮重要作用。醫(yī)療領(lǐng)域陶瓷材料也用于醫(yī)療領(lǐng)域，例如：人工骨骼、牙齒、血管支架等。它們具有生物相容性好，強(qiáng)度高，耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，可以有效替代人體組織。特殊領(lǐng)域此外，陶瓷材料在航空航天、能源、環(huán)境等領(lǐng)域也具有重要應(yīng)用，例如：高溫結(jié)構(gòu)材料、燃料電池、催化劑等。高分子材料高分子材料是指由許多小分子通過(guò)化學(xué)鍵連接而成的具有高分子量的物質(zhì)。它們通常由碳、氫、氧、氮等元素組成，具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能，廣泛應(yīng)用于日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中。高分子材料的特點(diǎn)包括：高分子鏈的結(jié)構(gòu)，分子量大，具有熱塑性和熱固性，以及機(jī)械性能優(yōu)異、可加工性好、耐腐蝕、絕緣性好等優(yōu)點(diǎn)。高分子材料的結(jié)構(gòu)11.單體高分子材料由許多小分子單體連接而成。22.鏈結(jié)構(gòu)單體通過(guò)化學(xué)鍵連接形成長(zhǎng)鏈，構(gòu)成高分子材料的基本結(jié)構(gòu)。33.形態(tài)高分子鏈可以是直鏈、支鏈或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，影響材料的物理和化學(xué)性質(zhì)。44.交聯(lián)不同高分子鏈之間可以通過(guò)化學(xué)鍵連接形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)，提高材料的強(qiáng)度和耐熱性。高分子材料的性能機(jī)械性能高分子材料通常具有較低的密度和較高的強(qiáng)度，可以承受一定程度的拉伸、彎曲和沖擊。彈性性能橡膠和其他彈性高分子材料可以承受較大形變并恢復(fù)到原始形狀，具有良好的彈性性能。熱性能高分子材料的熱性能差異很大，有的具有耐高溫性，有的則具有耐低溫性?；瘜W(xué)性能高分子材料對(duì)化學(xué)物質(zhì)的抵抗能力差異很大，有的耐酸堿，有的耐腐蝕。高分子材料的應(yīng)用包裝高分子材料具有輕便、耐腐蝕、易加工等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于食品、飲料、日用品等包裝領(lǐng)域。紡織合成纖維、人造纖維等高分子材料具有舒適、耐用、易洗等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于服裝、家居等領(lǐng)域。汽車(chē)汽車(chē)輪胎、內(nèi)飾、車(chē)身等部件廣泛使用高分子材料，如橡膠、塑料等。醫(yī)療高分子材料在醫(yī)療領(lǐng)域也發(fā)揮著重要作用，例如人工器官、醫(yī)用敷料、藥物載體等。復(fù)合材料復(fù)合材料是指由兩種或多種不同材料組成的材料，并通過(guò)界面結(jié)合在一起，從而形成一種具有獨(dú)特性能的新材料。復(fù)合材料通常由一種增強(qiáng)相（增強(qiáng)材料）和一種基體相（基體材料）組成，增強(qiáng)相可以是纖維、顆粒、薄片等，基體相可以是金屬、陶瓷、高分子材料等。復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)相增強(qiáng)相通常是具有較高強(qiáng)度、剛度或其他優(yōu)異性能的材料，例如纖維、顆?；蚱瑺畈牧稀Ｋ鼈?cè)趶?fù)合材料中起著增強(qiáng)作用，提高其整體性能?；w基體是復(fù)合材料中將增強(qiáng)相結(jié)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，例如樹(shù)脂、金屬或陶瓷。復(fù)合材料的性能優(yōu)異的強(qiáng)度重量比復(fù)合材料通常比傳統(tǒng)材料更輕，但強(qiáng)度更高。這使得它們成為航空航天、汽車(chē)和體育器材等行業(yè)的理想選擇。高耐腐蝕性復(fù)合材料通常能夠抵抗各種腐蝕性物質(zhì)的影響，這在潮濕或惡劣環(huán)境中的應(yīng)用中非常有用。良好的尺寸穩(wěn)定性復(fù)合材料通常具有較高的尺寸穩(wěn)定性，這意味著它們不太容易變形或扭曲?？稍O(shè)計(jì)性通過(guò)改變?cè)鰪?qiáng)材料和基體材料的類(lèi)型和比例，可以定制復(fù)合材料的性能，以滿足特定的應(yīng)用需求。復(fù)合材料的應(yīng)用1航空航天復(fù)合材料的輕質(zhì)、高強(qiáng)度特性使其成