【大學課件】材料的結構與組織

材料的結構與組織歡迎來到"材料的結構與組織"課程。本課程將深入探討材料科學的核心概念，從原子層面到宏觀性能。我們將研究各類材料的內部結構、組織特征及其對性能的影響。課程導言課程目標了解材料的基本結構和組織原理學習內容涵蓋金屬、陶瓷、高分子和復合材料實踐應用掌握材料性能優(yōu)化和表面處理技術創(chuàng)新思維培養(yǎng)材料設計和性能預測能力原子結構復習原子核由質子和中子組成，決定元素的化學性質電子圍繞原子核運動，影響材料的電學和化學性質電子軌道描述電子在原子中的分布，影響化學鍵的形成化學鍵的種類與性質離子鍵金屬和非金屬原子間的靜電引力，形成如氯化鈉等離子晶體共價鍵非金屬原子間共享電子對，如鉆石中碳原子間的鍵金屬鍵金屬原子間的自由電子海，賦予金屬導電性和延展性范德華力分子間的弱相互作用，影響材料的物理性質結晶體系概述1立方系包括簡單立方、體心立方和面心立方2四方系具有一個不同的軸長3正交系三個軸長都不相等4其他系統(tǒng)包括六方、三方、單斜和三斜系晶體結構與原子排列簡單立方結構每個晶胞頂點有一個原子，配位數(shù)為6，如波隆體心立方結構晶胞頂點和中心各有一個原子，如鐵、鎢面心立方結構晶胞頂點和面心各有一個原子，如銅、鋁密排六方結構具有最緊密的原子排列，如鎂、鈦晶體缺陷及其作用1點缺陷如空位和間隙原子，影響材料的擴散性能2線缺陷如位錯，影響材料的塑性變形能力3面缺陷如晶界和孿晶界，影響材料的強度和韌性4體缺陷如析出相和夾雜物，影響材料的整體性能晶體缺陷分類與特點點缺陷原子尺度的缺陷，如空位、間隙原子和替位原子線缺陷一維缺陷，主要是各類位錯，如刃型位錯和螺型位錯面缺陷二維缺陷，包括晶界、相界面、堆垛層錯等體缺陷三維缺陷，如空洞、夾雜物和第二相粒子固溶體形成條件與特征1原子尺寸因素溶質和溶劑原子尺寸差異應小于15%2電負性溶質和溶劑原子電負性差異應較小3晶體結構溶質和溶劑應具有相同或相近的晶體結構4價電子濃度對某些合金系統(tǒng)，價電子濃度起重要作用相變與相圖介紹相的定義物理性質和化學組成均勻的物質部分相變過程材料在不同溫度、壓力下的相態(tài)轉變相圖作用描述材料在不同條件下的平衡狀態(tài)和組成杠桿定則用于計算相圖中各相的相對含量二元相圖的基本類型共晶型如鉛-錫系，存在共晶點和共晶反應包晶型如鐵-碳系，存在包晶點和包晶反應單晶型如銅-鉛系，存在有限互溶度的液相區(qū)共析型如鐵-碳系中的奧氏體分解，全固態(tài)相變三元相圖的基本類型1等溫截面圖固定溫度下的組成分布2垂直截面圖沿特定組成線的溫度-組成關系3液相面投影圖顯示液相區(qū)域的邊界和反應4固相面投影圖顯示固相區(qū)域的邊界和反應合金的組織與顯微組織單相組織如純金屬和固溶體，顯微組織均勻兩相組織如珠光體，由鐵素體和滲碳體組成多相組織如球墨鑄鐵，含鐵素體、石墨和滲碳體亞穩(wěn)相如馬氏體，通過快速冷卻形成的非平衡相合金性能與組織關系晶粒大小細晶粒提高強度和韌性，符合霍爾-佩奇公式相的種類和比例影響合金的強度、硬度和塑性析出相通過析出強化提高合金的強度和硬度位錯密度影響材料的加工硬化能力和疲勞性能金屬材料的微觀組織觀察陶瓷材料的結構特點離子鍵和共價鍵陶瓷材料主要由這兩種化學鍵結合復雜晶體結構如尖晶石、鈣鈦礦等結構，影響材料性能點缺陷如氧空位，影響陶瓷的離子傳導性晶界影響陶瓷的機械性能和熱學性能陶瓷材料的微觀形貌晶粒形貌晶粒大小和形狀影響陶瓷的強度和韌性氣孔分布氣孔率和分布影響陶瓷的密度和熱導率第二相分布第二相的類型和分布影響陶瓷的性能高分子材料的結構層次1分子結構單體的化學組成和鍵合方式2鏈結構分子鏈的構型、構象和取向3超分子結構分子間的相互作用和聚集狀態(tài)4微觀形態(tài)結晶區(qū)、非晶區(qū)和相分離結構高分子材料的結晶與非晶結晶區(qū)分子鏈有序排列，形成晶體結構，增加強度和剛度非晶區(qū)分子鏈無序纏繞，提供材料的柔韌性和延展性結晶度結晶區(qū)占總體積的比例，影響材料的綜合性能球晶高分子特有的球形晶體結構，影響光學和力學性能復合材料的基本結構基體連續(xù)相，為復合材料提供形狀和承載能力增強體分散相，提高復合材料的強度和剛度界面基體和增強體之間的過渡區(qū)，影響應力傳遞取向增強體的排列方向，決定材料的各向異性復合材料的種類與優(yōu)點纖維增強復合材料如碳纖維復合材料，具有高比強度和比剛度顆粒增強復合材料如金屬基復合材料，提高硬度和耐磨性層狀復合材料如夾層結構，兼具輕量化和高強度特性功能梯度材料性能在空間上連續(xù)變化，適應特殊工況材料表面形貌與性能表面粗糙度影響材料的摩擦系數(shù)和耐磨性表面紋理影響材料的光學性能和潤濕性表面缺陷如裂紋和孔洞，影響材料的疲勞性能表面化學組成影響材料的腐蝕resistance和生物相容性材料的表面耐磨性能硬度材料表面抵抗變形的能力，影響耐磨性韌性材料吸收能量的能力，防止表面開裂潤滑性表面潤滑層能降低摩擦，提高耐磨性表面處理如硬化、鍍層等，可大幅提高耐磨性材料的表面腐蝕性能1電化學腐蝕金屬材料最常見的腐蝕形式2應力腐蝕開裂應力和腐蝕環(huán)境共同作用的結果3點蝕局部腐蝕，形成深入材料內部的孔洞4晶間腐蝕沿晶界優(yōu)先腐蝕，降低材料強度5磨蝕腐蝕機械磨損和化學腐蝕共同作用材料的表面反應行為1吸附氣體或液體分子在固體表面富集2擴散原子或分子在表面或體內遷移3化學反應表面原子與環(huán)境發(fā)生化學反應4脫附反應產物或吸附物從表面脫離材料表面處理技術綜述涂層如噴涂、電鍍，提高表面性能離子注入改變表面成分和結構激光處理局部熔化或氣化表面等離子處理清潔和活化表面材料表面處理技術應用材料的結構與性能關系原子結構決定材料的基本物理和化學性質微觀結構如晶粒大小、相分布，影響力學性能介觀結構如纖維取向、孔隙率，影響宏觀性能宏觀結構如幾何形狀、尺寸，決定實際應用性能材料性能的優(yōu)化設計1需求分析明確材料性能要求2結構設計優(yōu)化材料的微觀和宏觀結構3成分調控通過合金化或摻雜改