工學(xué)同濟大學(xué)《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課件第

材料科學(xué)基礎(chǔ)by課程簡介主要內(nèi)容本課程涵蓋材料科學(xué)基礎(chǔ)知識，包括原子結(jié)構(gòu)和鍵合、晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷、擴散和相變、材料的機械性能、熱處理、材料腐蝕、材料加工工藝、材料失效分析等。學(xué)習(xí)目標掌握材料科學(xué)基礎(chǔ)理論知識，并能夠運用這些知識去理解和解決實際問題，為后續(xù)學(xué)習(xí)專業(yè)課程打下堅實的基礎(chǔ)。原子結(jié)構(gòu)和鍵合原子核原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成，決定了元素的種類。電子云電子在原子核周圍運動，形成電子云，決定了原子之間的相互作用。離子鍵通過電子轉(zhuǎn)移形成的化學(xué)鍵，例如NaCl。共價鍵通過電子共享形成的化學(xué)鍵，例如H2O。晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)是指構(gòu)成材料的原子在空間上的排列方式。晶體結(jié)構(gòu)對材料的性能有重要影響，例如硬度、強度、熔點、電導(dǎo)率、磁性等。常見的晶體結(jié)構(gòu)包括簡單立方結(jié)構(gòu)、面心立方結(jié)構(gòu)、體心立方結(jié)構(gòu)、六方密堆積結(jié)構(gòu)等。這些結(jié)構(gòu)可以通過不同原子排列方式形成不同的晶胞。晶體缺陷點缺陷原子尺度上的缺陷，包括空位、間隙原子和雜質(zhì)原子等。線缺陷一維缺陷，例如位錯，會影響材料的強度和塑性。面缺陷二維缺陷，例如晶界、孿晶界和堆垛層錯，影響材料的性能和反應(yīng)活性。擴散和相變1擴散原子在固體材料中的遷移過程2相變材料的結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)或化學(xué)組成的變化3熱力學(xué)驅(qū)動相變的能量變化4動力學(xué)控制相變速率的因素材料的機械性能強度材料抵抗變形的能力韌性材料承受斷裂前變形的能力硬度材料抵抗表面壓痕的能力塑性材料在斷裂前發(fā)生永久變形的能力彈性材料在受力后恢復(fù)原狀的能力塑性變形機理位錯運動金屬材料塑性變形的主要機制是位錯的運動，位錯是晶體中的一種線性缺陷。滑移位錯在晶體滑移面上運動，導(dǎo)致材料發(fā)生塑性變形，滑移是材料發(fā)生塑性變形的根本原因。孿生孿生是晶體中的一部分原子發(fā)生對稱性排列，導(dǎo)致晶體產(chǎn)生一個新的晶粒，孿生也會導(dǎo)致材料發(fā)生塑性變形。強化機制固溶強化彌散強化加工硬化相圖及相變相圖是描述多組元體系中不同相的平衡關(guān)系的圖形。相圖可以幫助我們了解材料在不同溫度、壓力和成分下的相態(tài)變化。相變是指材料的相態(tài)發(fā)生變化的過程，例如從固態(tài)到液態(tài)或從液態(tài)到氣態(tài)。相變通常伴隨能量和結(jié)構(gòu)的變化，例如熔化、凝固、蒸發(fā)、冷凝、升華和凝華等。鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖是研究鋼鐵材料組織結(jié)構(gòu)和性能的重要工具。相圖展示了不同溫度和碳含量下鐵碳合金的相組成和相變過程。它揭示了鋼鐵材料的微觀結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，為材料的熱處理提供了理論基礎(chǔ)。鋼的熱處理1淬火提高硬度和強度2回火降低硬度，提高韌性3正火細化晶粒，提高強度4退火軟化金屬，改善加工性能有色金屬及合金輕金屬鋁、鎂、鈦等金屬具有輕質(zhì)、強度高、耐腐蝕等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電子等領(lǐng)域。重金屬銅、鉛、鋅、錫等金屬具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐磨性等特性，在電力、電子、建筑等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。貴金屬金、銀、鉑等金屬具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性、抗氧化性，常用于珠寶首飾、電子元件、催化劑等。陶瓷材料耐用性陶瓷材料以其耐用性和耐高溫性而聞名，使其成為各種應(yīng)用的理想選擇。美觀陶瓷材料可以制作成各種形狀和顏色，使其成為家居裝飾和建筑的理想選擇。多功能性陶瓷材料用途廣泛，從日用品到高級電子產(chǎn)品，在各個行業(yè)中都扮演著重要角色。聚合物材料聚合物材料是由許多重復(fù)結(jié)構(gòu)單元連接而成的長鏈分子。它們具有高強度、輕質(zhì)、柔韌、絕緣等特性，廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。常見的聚合物材料包括塑料、橡膠、纖維等。塑料以其低成本、易加工、耐腐蝕等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于包裝、建筑、電子等領(lǐng)域。橡膠具有彈性好、耐磨、密封性強等特點，應(yīng)用于輪胎、密封件、絕緣等領(lǐng)域。纖維具有強度高、耐磨、耐熱等特性，應(yīng)用于服裝、工業(yè)用品、建筑材料等領(lǐng)域。復(fù)合材料多種材料結(jié)合復(fù)合材料由兩種或多種不同材料組成，這些材料在宏觀上保持各自的特性，并相互作用以產(chǎn)生新的性能。增強基體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料通常由增強材料和基體材料組成。增強材料提供強度和剛度，而基體材料則將增強材料結(jié)合在一起。優(yōu)異的性能復(fù)合材料具有獨特的性能組合，例如高強度、輕重量、耐腐蝕性和抗疲勞性。先進材料概述先進材料是指具有優(yōu)異性能或新功能的材料，它們在現(xiàn)代科技和工業(yè)中扮演著至關(guān)重要的角色。這些材料通常具有高強度、耐高溫、耐腐蝕、輕質(zhì)、多功能等特點，在航空航天、電子信息、能源、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。材料腐蝕與保護腐蝕的定義材料在環(huán)境介質(zhì)的作用下,發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而引起的破壞現(xiàn)象。腐蝕的影響腐蝕會降低材料的強度、韌性、耐用性,導(dǎo)致設(shè)備失效、安全事故、資源浪費等。腐蝕防護采用各種方法來減緩或阻止材料腐蝕,保護材料的性能,延長使用壽命。材料的疲勞與斷裂疲勞材料在循環(huán)載荷作用下，其強度逐漸下降，最終發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。斷裂材料在外力作用下，其內(nèi)部產(chǎn)生裂紋并迅速擴展，最終導(dǎo)致材料分離的現(xiàn)象。焊接性及焊接方法1熔化焊高溫熔化金屬2壓力焊壓力和溫度3釬焊低熔點金屬材料的選擇與應(yīng)用性能需求強度、耐腐蝕性、耐高溫性等。成本考量材料價格、加工成本、維護成本等。環(huán)保因素可回收性、可持續(xù)性、對環(huán)境的影響等。材料加工工藝成型塑造材料的形狀和尺寸，例如鑄造、鍛造、沖壓等。切削去除材料，例如車削、銑削、磨削等。連接將材料組合在一起，例如焊接、釬焊、粘接等。表面處理改善材料的表面性能，例如熱處理、涂層、噴涂等。材料失效分析1失效原因確定材料失效的根本原因，例如疲勞、腐蝕、過載或制造缺陷。2失效機制了解導(dǎo)致失效的特定機制，例如裂紋擴展、應(yīng)力腐蝕開裂或蠕變。3失效模式識別失效的表現(xiàn)形式，例如斷裂、變形或泄漏。負責(zé)任的材料開發(fā)可持續(xù)性道德循環(huán)利用健康材料科學(xué)的前沿材料科學(xué)領(lǐng)域正在不斷探索和開發(fā)新的材料，以滿足不斷增長的需求。例如，納米材料，生物材料和智能材料正在引領(lǐng)著新的應(yīng)用和技術(shù)進步。這些材料具有獨特的特性和性能，并正在改變著我們對材料的理解。材料科學(xué)的發(fā)展趨勢1納米材料納米材料具有獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)，例如更高的強度和更好的導(dǎo)電性，在許多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。2生物材料生物材料在醫(yī)療領(lǐng)域有重要應(yīng)用，例如人工器官、骨骼修復(fù)材料等。3智能材料智能材料能夠感知環(huán)境變化并做出響應(yīng)，在航空航天、建筑等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。材料科學(xué)與社會可持續(xù)發(fā)展材料科學(xué)在解決環(huán)境問題和促進可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。例如，開發(fā)新材料來減少能源消耗和廢物排放。醫(yī)療保健材料科學(xué)推動了醫(yī)療保健領(lǐng)域的進步，例如開發(fā)生物相容材料用于植入物和藥物遞送系統(tǒng)。能源和技術(shù)材料科學(xué)推動了新能源技術(shù)的發(fā)展，例如開發(fā)高性能太陽能電池和電池材料。實驗教學(xué)安排1實驗課程材料制備、性能測試、微觀結(jié)構(gòu)觀察2實驗時間每周安排一節(jié)實驗課3實驗分組每組3-4人實驗教學(xué)是材料科學(xué)基礎(chǔ)課程的重要組成部分，旨在培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和實踐經(jīng)驗。課程設(shè)置了豐富的實驗項目，涵蓋材料制備、性能測試、微觀結(jié)構(gòu)觀察等方面。每個實驗項目都會詳細講解實驗原理、操作步驟、安全注意事項等，并提供相應(yīng)的指導(dǎo)材料。實驗時間安排在每周一節(jié)，學(xué)生需要分組進行實驗，每組3-4人，在老師的指導(dǎo)下完成實驗內(nèi)容，并撰寫實驗報告。實驗教學(xué)目標掌握基本技能培養(yǎng)學(xué)生對材料科學(xué)實驗的基本操作技能，包括樣品制備、測試方法、數(shù)據(jù)分析等。培養(yǎng)科學(xué)思維引導(dǎo)學(xué)生通過實驗觀察和數(shù)據(jù)分析，培養(yǎng)其科學(xué)思維能力，包括問題分析、假設(shè)檢驗、結(jié)論推導(dǎo)等。提高實踐能力幫助學(xué)生將理論知識應(yīng)用于實踐，提高其解決實際問題的能力，為今后的科研工作打下基礎(chǔ)。實驗教學(xué)內(nèi)容材料性能測