《材料性能學(xué),》課件

《材料性能學(xué)》課程講義本課程將介紹材料性能學(xué)的基本概念和應(yīng)用。我們將探討不同材料的特性，包括強(qiáng)度、硬度、韌性、延展性、疲勞強(qiáng)度、斷裂韌性、蠕變、高溫性能等。第一章材料的結(jié)構(gòu)與性能材料的結(jié)構(gòu)決定了材料的性能，而性能決定了材料的應(yīng)用。本章將介紹材料的原子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、缺陷和相變等基礎(chǔ)知識(shí)，并探討這些因素如何影響材料的性能。材料的原子結(jié)構(gòu)1原子核原子核包含質(zhì)子和中子,決定元素的種類.2電子云電子在核外特定區(qū)域運(yùn)動(dòng),形成電子云,影響材料的化學(xué)性質(zhì).3能級(jí)電子在不同能級(jí)上運(yùn)動(dòng),能級(jí)躍遷導(dǎo)致材料吸收或釋放能量.晶體結(jié)構(gòu)與缺陷原子排列規(guī)則的固體材料。晶格點(diǎn)位移或空缺等影響性能。點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷和體缺陷。相圖與相變1相圖描述物質(zhì)在不同溫度和壓力下的相態(tài)2相變物質(zhì)在相圖中發(fā)生的狀態(tài)改變3固態(tài)相變金屬材料常見的相變類型第二章材料的力學(xué)性能力學(xué)性能是材料在受力作用下的響應(yīng)行為，是材料的重要性能指標(biāo)之一。強(qiáng)度材料抵抗變形或斷裂的能力。硬度材料抵抗局部壓痕的能力。塑性材料在斷裂前發(fā)生永久變形的程度。韌性材料吸收能量的能力。應(yīng)力與應(yīng)變應(yīng)力材料內(nèi)部由于外力作用而產(chǎn)生的內(nèi)力，用單位面積上的內(nèi)力表示。應(yīng)變材料在外力作用下發(fā)生的形變程度，用形變量與原尺寸之比表示。關(guān)系應(yīng)力和應(yīng)變之間存在著密切的聯(lián)系，在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比。拉伸試驗(yàn)與塑性變形施加拉力在拉伸試驗(yàn)中，對(duì)試樣施加拉力，使其發(fā)生拉伸變形。應(yīng)力-應(yīng)變曲線記錄拉伸過程中試樣產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變，繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線。彈性變形在較小的拉伸應(yīng)力下，材料發(fā)生彈性變形，去除應(yīng)力后可恢復(fù)原狀。塑性變形當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限時(shí)，材料發(fā)生塑性變形，即使去除應(yīng)力也不能完全恢復(fù)原狀。屈服與加工硬化屈服材料在受到外力作用時(shí)，開始發(fā)生永久變形時(shí)的應(yīng)力。加工硬化金屬材料在冷加工過程中，由于內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象。斷裂與韌性脆性斷裂斷裂前幾乎沒有塑性變形，斷裂面光滑平整。韌性斷裂斷裂前有明顯的塑性變形，斷裂面粗糙不平。第三章金屬材料的熱處理熱處理通過加熱、保溫和冷卻等工藝，改變金屬材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而獲得所需的性能。用途提高強(qiáng)度、硬度、韌性、耐磨性、耐腐蝕性、耐熱性等性能。鋼及其熱處理鋼材的特性鋼材的強(qiáng)度、硬度、韌性等性能會(huì)因其成分和熱處理工藝而異。熱處理的目的通過熱處理，可以改變鋼材的微觀結(jié)構(gòu)，從而獲得所需的性能。熱處理方法常見的熱處理方法包括淬火、回火、正火、退火等。時(shí)效硬化及其應(yīng)用1定義時(shí)效硬化是指在一定溫度下將過飽和固溶體保持一段時(shí)間，使其中析出第二相，從而提高材料硬度和強(qiáng)度的過程。2原理時(shí)效硬化通常發(fā)生在固溶體中含有可析出第二相的元素，例如鋁合金中的銅。3應(yīng)用時(shí)效硬化廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、機(jī)械制造等領(lǐng)域，用于提高材料的強(qiáng)度和耐磨性。表面熱處理技術(shù)淬火通過加熱材料到一定溫度，然后快速冷卻，使材料表面硬度和強(qiáng)度提高?；鼗饘⒋慊鸷蟮牟牧显偌訜岬降陀诖慊饻囟鹊臏囟?，并保溫一段時(shí)間，然后冷卻，以降低其硬度和脆性。滲碳將鋼件加熱到900-1000℃，在碳化的氣氛中保溫，使表面層滲入碳，提高表面硬度和耐磨性。第四章金屬腐蝕與防護(hù)腐蝕的原理金屬腐蝕是金屬材料與周圍環(huán)境發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致金屬表面發(fā)生破壞的過程。腐蝕的類型常見的腐蝕類型包括化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕、生物腐蝕等。腐蝕的原理及類型電化學(xué)腐蝕金屬與電解質(zhì)溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成金屬離子，溶解到溶液中，同時(shí)產(chǎn)生電子，電子在金屬表面流動(dòng)，形成電流，從而導(dǎo)致金屬的腐蝕?；瘜W(xué)腐蝕金屬與非電解質(zhì)溶液或氣體直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成金屬氧化物、硫化物等腐蝕產(chǎn)物，導(dǎo)致金屬的破壞。生物腐蝕由生物或生物體產(chǎn)生的物質(zhì)導(dǎo)致的腐蝕，例如細(xì)菌、真菌、藻類等。常見金屬的腐蝕行為鋼鐵生銹，是常見的腐蝕現(xiàn)象。銅在潮濕空氣中形成綠色的銅綠。鋁在空氣中形成致密的氧化膜，起到保護(hù)作用。腐蝕防護(hù)措施涂層保護(hù)涂層通過在金屬表面形成一層保護(hù)膜來阻止腐蝕。常見的涂層材料包括油漆、塑料和陶瓷。電化學(xué)保護(hù)電化學(xué)保護(hù)方法通過改變金屬的電位來抑制腐蝕。常用的方法包括陰極保護(hù)和陽極保護(hù)。材料選擇選擇耐腐蝕的材料，例如不銹鋼、鋁合金和鈦合金，可以有效地防止腐蝕。第五章陶瓷材料與復(fù)合材料陶瓷材料和復(fù)合材料在現(xiàn)代工業(yè)中發(fā)揮著重要作用，具有耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度等優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、電子信息、能源化工等領(lǐng)域。陶瓷材料的特點(diǎn)耐高溫陶瓷材料具有極高的熔點(diǎn)，能夠在高溫環(huán)境下保持穩(wěn)定性。硬度高陶瓷材料的硬度通常很高，可以抵抗磨損和刮擦。耐腐蝕陶瓷材料對(duì)大多數(shù)化學(xué)物質(zhì)具有很強(qiáng)的抵抗力。陶瓷的制備與性能1原料選擇陶瓷材料的性能取決于原料的組成和性質(zhì)。2粉體制備將原料粉碎、混合、成型，形成陶瓷坯體。3燒結(jié)工藝高溫?zé)Y(jié)，使粉體顆粒相互結(jié)合，形成致密的陶瓷體。4性能測(cè)試測(cè)試陶瓷材料的機(jī)械強(qiáng)度、耐腐蝕性、熱穩(wěn)定性等。復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與應(yīng)用輕量化設(shè)計(jì)復(fù)合材料的輕質(zhì)特性使其成為航空航天、汽車、運(yùn)動(dòng)器材等領(lǐng)域的首選材料。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度復(fù)合材料的優(yōu)異強(qiáng)度和剛度使其能夠用于建造高性能的結(jié)構(gòu)，例如橋梁、建筑物和船舶。耐腐蝕性復(fù)合材料能夠抵抗各種環(huán)境條件，包括腐蝕、高溫和低溫，使其在惡劣環(huán)境中發(fā)揮作用。第六章高分子材料高分子材料的特性高分子材料是由許多小分子通過共價(jià)鍵連接而成的長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)，具有柔韌性、可塑性、耐腐蝕等特點(diǎn)。種類繁多常見高分子材料包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、尼龍、聚酯等，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域。高分子材料的結(jié)構(gòu)單體高分子材料由重復(fù)的結(jié)構(gòu)單元（單體）組成。每個(gè)單體都包含一個(gè)或多個(gè)原子，并具有特定的化學(xué)鍵合方式。聚合反應(yīng)單體通過化學(xué)反應(yīng)相互連接，形成長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)，稱為聚合物。線性結(jié)構(gòu)單體以直線形式連接，形成線性聚合物。例如，聚乙烯。支化結(jié)構(gòu)單體以樹枝狀形式連接，形成支化聚合物。例如，淀粉。高分子材料的性能機(jī)械性能高分子材料通常具有良好的柔韌性和彈性，這使得它們成為各種應(yīng)用的理想選擇。熱性能高分子材料的熱性能取決于其化學(xué)結(jié)構(gòu)，它們可以具有良好的耐熱性或良好的耐寒性。電性能一些高分子材料是良好的絕緣體，這使得它們成為電氣應(yīng)用的理想選擇。化學(xué)性能高分子材料通常對(duì)化學(xué)物質(zhì)具有良好的耐受性，這使得它們成為各種環(huán)境的理想選擇。高分子材料的應(yīng)用汽車車身、內(nèi)飾、輪胎等部件電子產(chǎn)品手機(jī)殼、電腦外殼、線纜建筑門窗、管道、地板、隔熱材料紡織衣物、地毯、家具布料結(jié)束語本課程旨在為同學(xué)們提供材料性能學(xué)的基本知識(shí)，幫助大家理解材料的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)系，以及材料在實(shí)際應(yīng)用中的性能表現(xiàn)。本課程主要內(nèi)容總結(jié)材料的結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、缺陷、相圖和相變。材料的力學(xué)性能應(yīng)力、應(yīng)變、拉伸試驗(yàn)、塑性變形、屈服、加工硬化、斷裂、韌性。金屬材料的熱處理鋼的熱處理、時(shí)效硬化、表面熱處理技術(shù)。金屬腐蝕與防護(hù)腐蝕的原理、