材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)課件fundamental

材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)本課程介紹材料科學(xué)與工程的基礎(chǔ)知識(shí)，涵蓋材料的結(jié)構(gòu)、性能、加工和應(yīng)用。課程簡(jiǎn)介課程目標(biāo)深入了解材料科學(xué)與工程的基礎(chǔ)知識(shí)，掌握材料的基本性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用。培養(yǎng)學(xué)生對(duì)材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識(shí)和應(yīng)用能力，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)和研究打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。課程內(nèi)容涵蓋材料科學(xué)與工程的各個(gè)方面，包括材料的結(jié)構(gòu)、性能、加工、應(yīng)用等。課程將結(jié)合最新的研究成果和技術(shù)發(fā)展，為學(xué)生提供全面的材料科學(xué)與工程知識(shí)體系。學(xué)習(xí)方式采用課堂講授、實(shí)驗(yàn)操作、課后作業(yè)、課題研究等多種學(xué)習(xí)方式，幫助學(xué)生更好地理解和掌握材料科學(xué)與工程知識(shí)，并提升實(shí)踐能力。材料科學(xué)與工程的定義材料科學(xué)是研究材料的組成、結(jié)構(gòu)、性能及其相互關(guān)系的學(xué)科。它涉及材料的原子結(jié)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)、宏觀結(jié)構(gòu)、以及材料在不同環(huán)境下的行為。材料工程則是將材料科學(xué)的原理應(yīng)用于實(shí)際工程問(wèn)題的學(xué)科。它側(cè)重于材料的設(shè)計(jì)、合成、加工、表征和應(yīng)用。材料科學(xué)與工程是現(xiàn)代科技的基礎(chǔ)，對(duì)推動(dòng)人類社會(huì)進(jìn)步起著至關(guān)重要的作用。材料科學(xué)與工程的發(fā)展歷程早期文明人類早期文明時(shí)期，人們利用天然材料，例如石頭、木材、陶器等，并開(kāi)始探索材料的特性和應(yīng)用。古代文明古代文明發(fā)展了冶金技術(shù)，掌握了金屬加工技術(shù)，如青銅器、鐵器等，并發(fā)現(xiàn)了合金材料。近代科學(xué)近代科學(xué)的興起，特別是顯微鏡的發(fā)明，促進(jìn)了人們對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，并推動(dòng)了材料科學(xué)的發(fā)展。現(xiàn)代材料現(xiàn)代材料科學(xué)與工程涵蓋了各種新型材料，包括高分子材料、復(fù)合材料、納米材料等，并不斷突破材料性能的極限。材料的基本性質(zhì)物理性質(zhì)材料的物理性質(zhì)包括密度、熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率等，這些性質(zhì)直接影響材料的應(yīng)用領(lǐng)域。化學(xué)性質(zhì)材料的化學(xué)性質(zhì)包括穩(wěn)定性、反應(yīng)活性、腐蝕性等，這些性質(zhì)決定材料在不同環(huán)境中的耐用性。機(jī)械性質(zhì)材料的機(jī)械性質(zhì)包括強(qiáng)度、硬度、韌性、塑性等，這些性質(zhì)決定材料的承載能力和變形能力。光學(xué)性質(zhì)材料的光學(xué)性質(zhì)包括折射率、透光率、反射率等，這些性質(zhì)決定材料在光學(xué)器件中的應(yīng)用。金屬材料高延展性金屬通常具有良好的延展性，可以拉伸成細(xì)絲或壓成薄片。良好的導(dǎo)電性金屬能很好地傳導(dǎo)熱量和電能，這在許多應(yīng)用中至關(guān)重要。光澤大多數(shù)金屬具有光澤，可以反射光線，使它們具有光澤的外觀。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度金屬具有很高的強(qiáng)度，可以承受很大的載荷，這使得它們成為建筑和工程中的理想材料。陶瓷材料陶瓷材料，又稱無(wú)機(jī)非金屬材料，是由無(wú)機(jī)非金屬化合物組成。陶瓷通常具有高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨性、高耐化學(xué)腐蝕性、低導(dǎo)熱性和低導(dǎo)電性等特點(diǎn)。陶瓷材料廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，包括建筑材料、電子元件、耐火材料、陶瓷刀具和餐具等。它們是現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的重要材料。高分子材料塑料塑料是由合成樹(shù)脂制成的，具有輕便、耐用、易加工等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于包裝、建筑、汽車等行業(yè)。橡膠橡膠具有良好的彈性和耐磨性，主要用于輪胎、密封件、絕緣材料等。纖維纖維具有強(qiáng)度高、耐磨、吸濕性好等特點(diǎn)，常用于紡織、服裝、地毯等領(lǐng)域。復(fù)合材料復(fù)合材料由兩種或多種材料組成，具有優(yōu)異的性能，例如高強(qiáng)度、輕重量和耐腐蝕性。復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車和建筑等領(lǐng)域，例如飛機(jī)機(jī)身、汽車車身和橋梁。材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1原子構(gòu)成材料的基本單元。2晶體結(jié)構(gòu)原子排列成周期性結(jié)構(gòu)。3非晶態(tài)結(jié)構(gòu)原子排列無(wú)序。4晶界不同晶粒之間的界面。材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了其物理、化學(xué)和機(jī)械性能。例如，金屬材料的強(qiáng)度和硬度與其晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)類型主要類型包括立方晶系、四方晶系、六方晶系、三方晶系、正交晶系、單斜晶系、三斜晶系。晶格原子在晶體中的排列方式，可以形成不同的晶格，例如簡(jiǎn)單立方、體心立方、面心立方。對(duì)稱性晶體內(nèi)部的原子排列具有規(guī)則的對(duì)稱性，通過(guò)晶體對(duì)稱性可以判斷晶體類型。晶體缺陷點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷是指晶格中原子排列的局部偏差，例如空位和間隙原子。這些缺陷會(huì)影響材料的機(jī)械性能、電性能和化學(xué)性能。線缺陷線缺陷是指晶格中原子排列的一維偏差，例如刃位錯(cuò)和螺旋位錯(cuò)。它們會(huì)影響材料的強(qiáng)度、塑性和斷裂韌性。面缺陷面缺陷是指晶格中原子排列的二維偏差，例如晶界和孿晶界。這些缺陷會(huì)影響材料的強(qiáng)度、硬度和抗腐蝕性。體缺陷體缺陷是指晶格中原子排列的三維偏差，例如孔洞、裂紋和第二相顆粒。它們會(huì)影響材料的強(qiáng)度、韌性和耐久性。材料的相變材料的相變是指材料在一定條件下，其物理狀態(tài)或化學(xué)組成發(fā)生改變的過(guò)程。相變是材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容，對(duì)理解材料的性質(zhì)、性能和應(yīng)用具有重要意義。1固態(tài)相變材料的固態(tài)相變是指在固態(tài)下發(fā)生的相變，例如晶體結(jié)構(gòu)的變化2液態(tài)相變材料的液態(tài)相變是指材料從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的過(guò)程，例如熔化3氣態(tài)相變材料的氣態(tài)相變是指材料從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的過(guò)程，例如汽化狀態(tài)圖狀態(tài)圖是表示材料在不同溫度和壓力條件下相變關(guān)系的圖形。它可以幫助我們了解材料在不同溫度和壓力下的相組成、相結(jié)構(gòu)和性質(zhì)變化。狀態(tài)圖通常包含溫度、壓力和相組成三個(gè)坐標(biāo)軸。不同的相區(qū)域用不同的顏色或符號(hào)表示，相界線表示不同相之間的平衡關(guān)系。相圖的應(yīng)用11.材料設(shè)計(jì)相圖幫助預(yù)測(cè)合金成分和熱處理工藝，優(yōu)化材料的性能。22.焊接相圖用于選擇焊接材料，避免焊接過(guò)程中形成脆性相，保證焊縫質(zhì)量。33.材料加工相圖可以指導(dǎo)金屬的熱處理工藝，例如淬火、回火和退火。44.材料研究相圖是研究材料微觀結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系的重要工具，揭示相變過(guò)程和相平衡規(guī)律。材料的機(jī)械性能強(qiáng)度材料抵抗外力作用而不發(fā)生破壞的能力。塑性材料在外力作用下發(fā)生永久變形而不破壞的能力。硬度材料抵抗局部壓痕的能力。彈性材料在外力作用下發(fā)生變形，去除外力后能恢復(fù)原狀的能力。應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系應(yīng)力-應(yīng)變曲線是材料在拉伸或壓縮載荷作用下的力學(xué)性能表現(xiàn)曲線形狀揭示了材料的彈性、塑性、強(qiáng)度、韌性等重要特性1彈性區(qū)2屈服強(qiáng)度3強(qiáng)度極限4斷裂強(qiáng)度材料的塑性變形1塑性變形材料在應(yīng)力作用下發(fā)生永久變形，即使應(yīng)力消除后也不會(huì)恢復(fù)原狀。2應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系塑性變形與應(yīng)力和應(yīng)變有關(guān)，應(yīng)力越大，變形越大。3冷加工在材料的再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行塑性變形，可提高材料強(qiáng)度，但會(huì)降低延展性。4熱加工在材料的再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行塑性變形，可降低材料強(qiáng)度，但提高延展性。材料的斷裂脆性斷裂材料在沒(méi)有明顯塑性變形的情況下突然斷裂。通常發(fā)生在陶瓷、玻璃等脆性材料中，以及金屬在低溫或高速加載條件下。韌性斷裂材料在斷裂前發(fā)生明顯的塑性變形，斷裂表面呈現(xiàn)出纖維狀或毛刺狀。這通常發(fā)生在金屬材料中。材料的熱處理熱處理是指在控制條件下對(duì)材料進(jìn)行加熱和冷卻，從而改變其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)和性能的技術(shù)。它是一種重要的材料加工手段，廣泛應(yīng)用于金屬、陶瓷、高分子等各種材料的生產(chǎn)和應(yīng)用。1退火消除材料內(nèi)部應(yīng)力，提高材料的延展性，改善切削加工性能。2正火細(xì)化晶粒，提高材料的強(qiáng)度和韌性，改善材料的綜合性能。3淬火快速冷卻，提高材料的硬度和強(qiáng)度，改善材料的耐磨性。4回火減輕淬火后材料的脆性，提高材料的韌性，改善材料的綜合性能。金屬材料的熱處理1退火退火是指將金屬加熱到一定溫度，保溫一段時(shí)間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。退火的主要目的是消除金屬內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力，細(xì)化晶粒，提高金屬的塑性和韌性。2正火正火是指將金屬加熱到高于臨界溫度，保溫一段時(shí)間，然后在空氣中冷卻的熱處理工藝。正火的主要目的是細(xì)化晶粒，改善金屬的綜合性能，使其具有更好的機(jī)械性能和加工性能。3淬火淬火是指將金屬加熱到高于臨界溫度，保溫一段時(shí)間，然后迅速冷卻的熱處理工藝。淬火的主要目的是提高金屬的硬度和強(qiáng)度，使其具有更好的耐磨性和抗沖擊性能。4回火回火是指將淬火后的金屬加熱到低于臨界溫度，保溫一段時(shí)間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝?；鼗鸬闹饕康氖墙档徒饘俚挠捕群痛嘈?，提高金屬的塑性和韌性。陶瓷材料的燒結(jié)1粉末壓制將陶瓷粉末壓制成所需的形狀。2高溫?zé)Y(jié)在高溫下，粉末顆粒發(fā)生擴(kuò)散，并相互連接。3致密化粉末顆粒之間的空隙逐漸減少，形成致密的陶瓷材料。4冷卻緩慢冷卻以減少內(nèi)部應(yīng)力。燒結(jié)是陶瓷材料制備中重要的環(huán)節(jié)，通過(guò)高溫處理使粉末顆粒發(fā)生擴(kuò)散和連接，最終形成致密的陶瓷材料。高分子材料的熱處理熱塑性加熱后軟化，冷卻后固化。可以反復(fù)加熱和冷卻。熱固性加熱后固化，冷卻后無(wú)法再次軟化。加熱過(guò)程不可逆。彈性體加熱后軟化，冷卻后固化，但可以拉伸變形，并可以恢復(fù)原狀。復(fù)合材料的制備原材料選擇選擇合適的基體材料和增強(qiáng)材料，例如樹(shù)脂、金屬或陶瓷等，以滿足最終材料的性能要求。增強(qiáng)材料預(yù)處理對(duì)增強(qiáng)材料進(jìn)行表面處理，以提高與基體材料的結(jié)合強(qiáng)度，例如切割、打磨或涂覆等?；旌吓c成型將基體材料和增強(qiáng)材料混合在一起，并采用不同的成型方法，例如模壓、注射成型、拉擠成型或?qū)訅旱?，形成?fù)合材料。固化與后處理在一定溫度和壓力下固化復(fù)合材料，使其達(dá)到所需的強(qiáng)度和性能，并進(jìn)行必要的表面處理或加工。材料的腐蝕與防護(hù)腐蝕的定義腐蝕是指材料在環(huán)境介質(zhì)的作用下，發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致表面破壞的過(guò)程。腐蝕的影響腐蝕會(huì)造成材料性能下降，甚至導(dǎo)致設(shè)備失效，帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。腐蝕的防護(hù)常見(jiàn)的防護(hù)方法包括涂層、電化學(xué)保護(hù)、合金化等，旨在阻止或減緩腐蝕過(guò)程。電化學(xué)腐蝕1金屬與電解質(zhì)溶液金屬表面與電解質(zhì)溶液接觸發(fā)生氧化還原反應(yīng)，形成腐蝕電池。2陽(yáng)極反應(yīng)金屬原子失去電子，形成金屬離子進(jìn)入溶液。3陰極反應(yīng)溶液中的氫離子或氧氣獲得電子，形成氫氣或氫氧根離子。4腐蝕產(chǎn)物腐蝕過(guò)程會(huì)產(chǎn)生氧化物、氫氧化物等腐蝕產(chǎn)物，導(dǎo)致金屬表面發(fā)生破壞。高溫腐蝕高溫環(huán)境高溫下材料表面發(fā)生氧化、硫化或碳化等化學(xué)反應(yīng)。動(dòng)力設(shè)備航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等設(shè)備在高溫下工作，容易發(fā)生高溫腐蝕。防護(hù)措施涂層、合金化等措施可以提高材料在高溫下的耐腐蝕性能。腐蝕的防護(hù)措施涂層保護(hù)涂層保護(hù)是常用的腐蝕防護(hù)方法，例如油漆、搪瓷等。它們?cè)诮饘俦砻嫘纬梢粚颖Ｗo(hù)層，阻止腐蝕介質(zhì)接觸金屬。電鍍電鍍是在金屬表面覆蓋一層耐腐蝕的金屬，例如鍍鋅、鍍鉻等。這可以有效提高金屬的耐腐蝕性能。合金化通過(guò)添加其他元素改變金屬的成分，形成耐腐蝕的合金，例如不銹鋼，可以有效抵抗腐蝕。陰極保護(hù)陰極保護(hù)通過(guò)施加電流使金屬表面成為陰極，阻止腐蝕發(fā)生的原理。材料的選擇與應(yīng)用材料的選擇材料的選擇是設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中的關(guān)鍵步驟。它需要考慮各種因素，包括性能要求、成本、可用性、環(huán)保性能等。例如，在汽車制造中，需要選擇輕量化、耐腐蝕、高強(qiáng)度材料，如鋁合金和碳纖維復(fù)合材料。材料的應(yīng)用材料在各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，例如航空航天、醫(yī)療、電子、能源等。例如，高溫合金應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，生物材料應(yīng)用于人工關(guān)節(jié)，半導(dǎo)體材料應(yīng)用于電子芯片，儲(chǔ)能材料應(yīng)用于電池和燃料電池。材料的選擇準(zhǔn)則性能需求首先要考慮材料的機(jī)械性能、物理性能、化學(xué)性能等，以滿足應(yīng)用場(chǎng)景的具體要求。成本因素材料的成本直接影響產(chǎn)品制造成本，需要綜合考慮材料的價(jià)格、加工難度、運(yùn)輸成本等。加工性能材料的加工性能影響產(chǎn)品的制造效率和成本，例如材料的可塑性、可焊性、耐磨性等。環(huán)境因素材料需要考慮環(huán)境因素，例如溫度、濕度、