同濟(jì)大學(xué)《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課件第

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程大綱本課程旨在為學(xué)生打下堅(jiān)實(shí)的材料科學(xué)基礎(chǔ)，幫助學(xué)生了解材料的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和性能之間的關(guān)系，以及材料的制備、加工和應(yīng)用。課程內(nèi)容涵蓋了材料科學(xué)的基礎(chǔ)理論、重要材料的性質(zhì)和應(yīng)用、材料的制備與加工等方面。第一章材料科學(xué)概論材料科學(xué)是研究材料的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和性能以及材料制備、加工和應(yīng)用的科學(xué)。它是一門與人類生活息息相關(guān)的學(xué)科，在現(xiàn)代科技和社會發(fā)展中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。1.1材料科學(xué)的定義研究材料的組成材料科學(xué)研究材料的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和制備方法。探索物質(zhì)的特性通過理解材料的結(jié)構(gòu)，解釋材料的性能，例如強(qiáng)度、韌性、導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性。開發(fā)新材料技術(shù)材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的研究人員不斷開發(fā)新的材料，以滿足不斷增長的技術(shù)需求。1.2材料的分類與特點(diǎn)金屬材料金屬材料通常具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性、強(qiáng)度和韌性。它們廣泛應(yīng)用于各種工程領(lǐng)域，例如建筑、汽車、航空航天和電子設(shè)備。陶瓷材料陶瓷材料通常具有高硬度、耐高溫、耐腐蝕性、絕緣性等特點(diǎn)。它們被廣泛應(yīng)用于電子器件、耐高溫材料、切割工具和建筑材料等領(lǐng)域。聚合物材料聚合物材料通常具有輕質(zhì)、易加工、耐腐蝕、絕緣性好等特點(diǎn)。它們被廣泛應(yīng)用于包裝、建筑、紡織、電子器件等領(lǐng)域。復(fù)合材料復(fù)合材料是指由兩種或多種材料以某種方式結(jié)合而成的材料，通常具有多種優(yōu)異性能。它們被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電子設(shè)備等領(lǐng)域。1.3材料科學(xué)的發(fā)展歷程1現(xiàn)代材料科學(xué)納米材料，生物材料等2合金材料鋼，鋁合金，鈦合金等3金屬材料銅，鐵，金等4古代材料陶器，石器等材料科學(xué)發(fā)展歷史悠久。從古代人類使用石器、陶器等，到金屬材料的應(yīng)用，再到現(xiàn)代材料科學(xué)的興起，材料科學(xué)始終推動著人類文明的進(jìn)步。現(xiàn)代材料科學(xué)研究范圍廣闊，涵蓋納米材料、生物材料等領(lǐng)域，為人類社會發(fā)展提供更先進(jìn)、更智能的材料支撐。1.4材料科學(xué)的研究內(nèi)容11.結(jié)構(gòu)研究材料的原子排列方式，例如晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷等，對材料的性能有重要影響。22.性能研究材料在不同條件下的性質(zhì)，例如機(jī)械性能、物理性能、化學(xué)性能等，材料性能是材料應(yīng)用的基礎(chǔ)。33.制備研究如何制造出具有特定性能的材料，包括材料的合成、加工、處理等工藝過程。44.應(yīng)用研究材料在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用，例如電子材料、能源材料、生物材料等。1.5材料科學(xué)的發(fā)展趨勢納米材料納米材料具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，在能源、電子、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。生物材料生物材料與人體組織或器官相容性好，可用于器官移植、組織修復(fù)等?？沙掷m(xù)發(fā)展材料科學(xué)的發(fā)展應(yīng)與環(huán)境保護(hù)、資源利用等可持續(xù)發(fā)展理念相結(jié)合，開發(fā)環(huán)保、節(jié)能的新型材料。第二章材料結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)是材料科學(xué)的基礎(chǔ)，它決定了材料的性能。原子排列方式、晶格缺陷、非晶態(tài)等結(jié)構(gòu)特征影響材料的機(jī)械性能、電性能、磁性能等。2.1原子結(jié)構(gòu)原子核原子核是原子的中心，由質(zhì)子和中子組成。質(zhì)子帶正電荷，中子不帶電荷。原子核的質(zhì)量幾乎占整個(gè)原子的全部質(zhì)量。電子云電子云是由原子核外的電子構(gòu)成的，電子繞著原子核高速運(yùn)動，形成電子云。電子云的形狀和大小決定了原子的化學(xué)性質(zhì)。量子力學(xué)模型量子力學(xué)模型是現(xiàn)代物理學(xué)中描述原子結(jié)構(gòu)的理論模型。它認(rèn)為電子在原子核周圍的運(yùn)動狀態(tài)可以用量子數(shù)來描述。量子數(shù)決定了電子的能量、角動量和空間取向等性質(zhì)。2.2晶體結(jié)構(gòu)晶格晶體結(jié)構(gòu)是由原子、離子或分子在三維空間中周期性排列形成的。晶胞晶胞是晶體結(jié)構(gòu)中最小的重復(fù)單元，它代表了整個(gè)晶體的結(jié)構(gòu)。晶體結(jié)構(gòu)類型常見的晶體結(jié)構(gòu)類型包括立方晶系、六方晶系、正方晶系等。2.3晶格缺陷1點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷是晶格中單個(gè)原子或多個(gè)原子位置上的偏差。例如，空位、間隙原子和置換原子。2線缺陷線缺陷是指晶格中的一維缺陷，例如位錯(cuò)。位錯(cuò)的運(yùn)動是金屬材料塑性變形的主要原因。3面缺陷面缺陷是指晶格中二維缺陷，例如晶界、孿晶界和堆垛層錯(cuò)。晶界影響材料的強(qiáng)度和韌性。4體缺陷體缺陷是指晶格中三維缺陷，例如孔洞和裂紋。這些缺陷會降低材料的強(qiáng)度和韌性。2.4非晶材料結(jié)構(gòu)無序原子排列非晶材料的原子排列是無序的，沒有長程周期性結(jié)構(gòu)。短程有序結(jié)構(gòu)盡管沒有長程有序結(jié)構(gòu)，但非晶材料在短距離范圍內(nèi)仍然保持原子間的有序排列。第三章材料的機(jī)械性能材料的機(jī)械性能是指材料在外力作用下抵抗變形和斷裂的能力。材料的機(jī)械性能是材料的重要性能指標(biāo)，它決定了材料在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性和安全性。3.1應(yīng)力和應(yīng)變應(yīng)力應(yīng)力是材料內(nèi)部抵抗形變的內(nèi)力，以單位面積上的力表示。應(yīng)變應(yīng)變是材料在外力作用下發(fā)生的形變程度，以形變量與原尺寸之比表示。類型應(yīng)力和應(yīng)變可分為正應(yīng)力和正應(yīng)變、剪應(yīng)力和剪應(yīng)變。3.2彈性變形定義彈性變形是指材料在外力作用下發(fā)生變形，當(dāng)外力去除后，材料能夠恢復(fù)到原來形狀的變形。這種變形是可逆的，而且沒有永久性損傷。特點(diǎn)彈性變形的特點(diǎn)是：變形與外力成正比，外力消失后變形也消失，變形過程沒有能量損失。3.3塑性變形塑性變形概述塑性變形是指材料在載荷作用下發(fā)生永久性形狀改變的過程。它通常發(fā)生在材料的屈服強(qiáng)度以上，并且材料在卸載后不會完全恢復(fù)到原始形狀。塑性變形的特征材料發(fā)生永久性變形材料在載荷去除后不會完全恢復(fù)到原始形狀塑性變形通常伴隨著材料的硬化3.4斷裂行為斷裂的概念斷裂是指材料在受力作用下發(fā)生分離的現(xiàn)象。斷裂是材料失效的一種重要形式。斷裂類型斷裂可分為脆性斷裂和韌性斷裂兩種類型。脆性斷裂發(fā)生在材料沒有明顯塑性變形的情況下，而韌性斷裂發(fā)生在材料發(fā)生較大塑性變形后。斷裂過程斷裂過程通常包括裂紋的萌生、擴(kuò)展和最終斷裂三個(gè)階段。斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度是指材料在斷裂時(shí)所承受的最大應(yīng)力。3.5疲勞行為疲勞是指材料在反復(fù)載荷作用下，即使應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度，也會發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。疲勞失效是工程結(jié)構(gòu)失效的主要原因之一，橋梁、飛機(jī)、汽車等均可能發(fā)生疲勞失效。疲勞過程包含裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展和最終斷裂三個(gè)階段，可以通過顯微鏡觀察裂紋的形成和擴(kuò)展。第四章相圖與相變相圖是表示物質(zhì)在不同溫度、壓力等條件下所處相態(tài)的圖表。相變是指物質(zhì)在特定條件下發(fā)生物理狀態(tài)或化學(xué)組成的變化。相圖與相變是材料科學(xué)中的重要概念，它們可以幫助我們理解材料的結(jié)構(gòu)、性能以及熱處理過程。4.1相圖的基本概念11.定義相圖是顯示在特定條件下，不同相之間平衡關(guān)系的圖表。22.變量相圖通常由溫度、壓力、成分等變量組成，這些變量決定了材料的相態(tài)。33.相線相線表示不同相平衡共存的條件，相線上的點(diǎn)對應(yīng)于兩種相平衡共存的溫度和成分。44.相區(qū)相區(qū)表示單一相存在的區(qū)域，相區(qū)內(nèi)的點(diǎn)對應(yīng)于特定相存在的溫度和成分范圍。4.2二元相圖簡單二元相圖簡單二元相圖通常包含兩個(gè)主要相區(qū)：液相區(qū)和固相區(qū)。液相區(qū)表示兩種金屬完全混合，而固相區(qū)表示兩種金屬形成固溶體或共晶相。復(fù)雜二元相圖復(fù)雜二元相圖可能包含多個(gè)相區(qū)，表示多種化合物或固溶體的形成。這些相區(qū)通常由相界線分隔，這些相界線表示相變溫度。4.3相變的原理相變的定義相變是指材料從一種相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相的過程。相變可分為兩種類型：等溫相變和非等溫相變。等溫相變是指在恒定溫度下發(fā)生的相變，例如固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)或液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)。相變的驅(qū)動因素相變是由熱力學(xué)原理驅(qū)動的，其驅(qū)動因素是降低系統(tǒng)的吉布斯自由能。吉布斯自由能是指系統(tǒng)的能量減去熵乘以溫度，它反映了系統(tǒng)在一定條件下的穩(wěn)定性。4.4相變動力學(xué)11.nucleation新相核的形成，需要克服界面能壘。22.界面遷移新相核長大，需要克服體積能壘。33.相變速率相變速率取決于成核速率和界面遷移速率。44.影響因素溫度、成分、壓力、應(yīng)力等因素會影響相變動力學(xué)。第五章鐵碳合金及熱處理鐵碳合金是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的合金材料之一。鐵碳合金中的碳含量對材料的性能具有顯著影響。熱處理是指通過控制溫度和時(shí)間對材料進(jìn)行加熱和冷卻，以改變材料的組織結(jié)構(gòu)和性能的過程。5.1鐵碳相圖相圖概述鐵碳相圖是描述鐵碳合金在不同溫度和成分條件下相平衡狀態(tài)的圖形，它可以幫助理解鐵碳合金的組織和性能。橫坐標(biāo)橫坐標(biāo)表示合金的碳含量，從0%到6.67%（碳鋼和鑄鐵）?？v坐標(biāo)縱坐標(biāo)表示溫度，從室溫到1538℃，覆蓋了鐵碳合金從固態(tài)到液態(tài)的所有相變過程。相區(qū)相圖由多個(gè)相區(qū)組成，每個(gè)相區(qū)代表一種或多種穩(wěn)定相，例如，奧氏體、珠光體、滲碳體等。5.2鋼的組織與性能鐵素體鐵素體是一種固溶體，碳溶解在α-鐵中，具有體心立方結(jié)構(gòu)。珠光體珠光體是鐵素體和滲碳體的層狀混合物，具有良好的強(qiáng)度和韌性。奧氏體奧氏體是一種固溶體，碳溶解在γ-鐵中，具有面心立方結(jié)構(gòu)。滲碳體滲碳體是一種金屬間化合物，是碳和鐵的化合物，硬度高，脆性大。5.3熱處理基本原理加熱將金屬材料加熱到一定溫度，使其內(nèi)部組織發(fā)生改變。冷卻將加熱后的金屬材料按照不同的速度冷卻，控制其組織結(jié)構(gòu)?？刂葡嘧兺ㄟ^加熱和冷卻過程，控制金屬內(nèi)部的相變，改變其性能。5.4鋼的熱處理工藝11.淬火淬火是將鋼加熱到奧氏體化溫度以