《工程材料》課件

《工程材料》課程簡介本課程將深入探討各種工程材料的特性、應(yīng)用和性能。從基礎(chǔ)知識到實際應(yīng)用，我們將學(xué)習(xí)如何選擇最佳材料以滿足不同工程項目的需要。課程目標(biāo)了解工程材料的基本概念和分類掌握常見工程材料的物理、化學(xué)和機械性能學(xué)習(xí)工程材料的選用原則和方法培養(yǎng)學(xué)生對工程材料的綜合應(yīng)用能力課程內(nèi)容安排1緒論工程材料概述，包括材料的基本概念、分類、性能和應(yīng)用。2金屬材料金屬材料的分類、晶體結(jié)構(gòu)、相變，以及常見金屬材料的性能和應(yīng)用。3非金屬材料陶瓷材料、高分子材料、復(fù)合材料的特點、制備方法、性能和應(yīng)用。4材料選擇材料選擇的基本原則，包括材料性能、成本、加工性能、環(huán)境因素等。工程材料概述工程材料是建造各種工程結(jié)構(gòu)和設(shè)施的基礎(chǔ)。它是材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的重要組成部分。工程材料涵蓋了廣泛的材料，包括金屬材料、陶瓷材料、高分子材料、復(fù)合材料等。不同類型的材料具有不同的性質(zhì)和特點，適合于不同的應(yīng)用領(lǐng)域。材料的物理性能密度材料的密度是指單位體積的質(zhì)量。它是一個重要的物理性質(zhì)，因為它影響材料的重量、強度和成本。比熱容比熱容是指單位質(zhì)量的材料在溫度升高1攝氏度時吸收的熱量。它影響材料的熱傳導(dǎo)率和儲存熱量的能力。熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)是指材料在溫度升高1攝氏度時體積膨脹的程度。它影響材料在溫度變化時的尺寸變化。電導(dǎo)率電導(dǎo)率是指材料傳導(dǎo)電流的能力。它影響材料作為導(dǎo)體或絕緣體的適用性。材料的化學(xué)性能化學(xué)穩(wěn)定性是指材料在各種化學(xué)環(huán)境中抵抗化學(xué)侵蝕的能力。腐蝕性是指材料在特定環(huán)境中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致的表面破壞或性能下降的現(xiàn)象?；瘜W(xué)活性是指材料與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的能力?；瘜W(xué)組成是指材料的化學(xué)元素組成及其比例。材料的機械性能拉伸強度材料在斷裂前所能承受的最大拉伸應(yīng)力，反映材料抵抗斷裂的能力。彎曲強度材料在彎曲變形過程中所能承受的最大應(yīng)力，反映材料抵抗彎曲變形的能力。壓縮強度材料在壓縮變形過程中所能承受的最大應(yīng)力，反映材料抵抗壓縮變形的能力。硬度材料抵抗外物壓入其表面的能力，反映材料的抗壓性和耐磨性。金屬材料金屬材料是工程材料的重要組成部分，具有優(yōu)異的強度、韌性和塑性，以及良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。廣泛應(yīng)用于建筑、機械、航空航天等領(lǐng)域。金屬材料的特性決定了其在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用，例如鋼鐵材料用于建筑結(jié)構(gòu)，鋁合金用于航空航天，銅用于電氣設(shè)備。金屬材料的分類1黑色金屬以鐵為主要成分，如鋼和鑄鐵。2有色金屬除鐵以外的金屬，如銅、鋁、鋅、錫、鉛等。3貴金屬稀有且價格昂貴的金屬，如金、銀、鉑等。4輕金屬密度小于4.5克/立方厘米的金屬，如鋁、鎂等。金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)1晶體結(jié)構(gòu)分類金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)主要分為三種：體心立方結(jié)構(gòu)、面心立方結(jié)構(gòu)和密排六方結(jié)構(gòu)。2晶體結(jié)構(gòu)影響晶體結(jié)構(gòu)直接影響金屬的物理性能、化學(xué)性能和機械性能，如強度、硬度、塑性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等。3結(jié)構(gòu)特點不同的晶體結(jié)構(gòu)具有不同的原子排列方式和晶格常數(shù)，決定了材料的性能差異。4實際應(yīng)用對金屬材料進行熱處理或加工時，需要根據(jù)其晶體結(jié)構(gòu)來選擇合適的工藝參數(shù)。金屬材料的相變固態(tài)相變金屬材料在固態(tài)下，其原子排列方式會發(fā)生改變，形成新的晶體結(jié)構(gòu)。相變類型常見的相變類型包括：同素異形轉(zhuǎn)變、共析轉(zhuǎn)變、共晶轉(zhuǎn)變等。影響因素溫度、壓力、合金成分等因素會影響金屬材料的相變過程。相變應(yīng)用相變可用于調(diào)控金屬材料的性能，例如提高強度、硬度、韌性等。鋼鐵材料簡介鋼鐵材料是最重要的金屬材料之一。鋼鐵材料具有強度高、韌性好、價格低廉等優(yōu)點。鋼鐵材料在建筑、橋梁、汽車、機械等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。鋼鐵材料主要由鐵和碳組成，其中鐵含量在95%以上。根據(jù)含碳量不同，鋼鐵材料可分為生鐵、鋼和特鋼等。鑄鐵材料簡介灰鑄鐵灰鑄鐵是應(yīng)用最廣泛的鑄鐵品種，具有良好的鑄造性能，易于加工。球墨鑄鐵球墨鑄鐵具有良好的機械性能，特別是抗拉強度和沖擊韌性較高?？慑戣T鐵可鍛鑄鐵具有較高的強度和韌性，可替代部分鋼材。有色金屬材料簡介有色金屬材料是指除鐵以外的所有金屬材料，包括銅、鋁、鉛、鋅、錫等。與黑色金屬相比，有色金屬材料具有密度小、強度高、耐腐蝕性好、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能優(yōu)異等優(yōu)點。在現(xiàn)代工業(yè)中，有色金屬材料應(yīng)用廣泛，如航空航天、電子信息、汽車制造等領(lǐng)域。陶瓷材料陶瓷材料是由金屬和非金屬元素組成的無機非金屬材料。陶瓷材料具有高硬度、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良性能，在工業(yè)生產(chǎn)、日常生活等方面有著廣泛的應(yīng)用。陶瓷材料的種類繁多，常見的陶瓷材料包括：氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷、硅酸鹽陶瓷、氮化硅陶瓷等。陶瓷材料的特點高硬度陶瓷材料通常具有高硬度和耐磨性，可以承受高壓和磨損，適用于各種應(yīng)用領(lǐng)域。耐高溫陶瓷材料能夠在高溫下保持其結(jié)構(gòu)完整性和強度，適用于各種高溫應(yīng)用，例如在引擎和爐子等領(lǐng)域。耐腐蝕陶瓷材料具有優(yōu)異的耐腐蝕性，可以抵抗各種化學(xué)物質(zhì)的侵蝕，在各種環(huán)境中保持穩(wěn)定性。絕緣性能陶瓷材料通常具有良好的絕緣性能，可以防止電流的通過，適用于電子設(shè)備和其他領(lǐng)域。陶瓷材料的制備1燒結(jié)粉末在高溫下發(fā)生固相反應(yīng)2成型將粉末壓制成所需形狀3粉體選擇合適的原料進行研磨陶瓷材料的制備通常包含三個主要步驟：粉體、成型和燒結(jié)。首先，選擇合適的原料進行研磨制備粉體。然后，將粉末壓制成所需的形狀，例如通過壓塑、注漿或擠壓等方法。最后，在高溫下將成型的坯體進行燒結(jié)，使粉末顆粒相互結(jié)合，形成致密的陶瓷材料。陶瓷材料的應(yīng)用建筑行業(yè)陶瓷材料具有耐高溫、耐腐蝕和隔熱性能好等特點，因此在建筑行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。電子行業(yè)陶瓷材料的優(yōu)異電氣性能，使其成為電子元器件的重要材料。醫(yī)療行業(yè)陶瓷材料的生物相容性和耐腐蝕性，使其在醫(yī)療器械和假體方面有廣泛應(yīng)用。高分子材料高分子材料是由許多重復(fù)結(jié)構(gòu)單元（單體）通過化學(xué)鍵連接而成的聚合物。它們通常具有較低的密度、較高的強度、較好的可加工性、較好的絕緣性能，以及對特定環(huán)境的耐受性。高分子材料廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，包括建筑、汽車、電子、醫(yī)療等。高分子材料的結(jié)構(gòu)單體結(jié)構(gòu)單體是構(gòu)成高分子鏈的基本單元，它們通過化學(xué)鍵連接在一起形成長鏈。單體的種類和結(jié)構(gòu)決定了高分子材料的性質(zhì)，例如聚乙烯是由乙烯單體組成的。鏈結(jié)構(gòu)高分子鏈的排列方式影響材料的性能，常見的排列方式包括線性、支化和交聯(lián)。線性結(jié)構(gòu)的聚合物通常具有較高的強度和韌性，而交聯(lián)結(jié)構(gòu)的聚合物則具有較高的耐熱性和耐溶劑性。高分子材料的性能機械性能高分子材料通常具有較高的強度、韌性和耐沖擊性，也有較好的彈性和柔性。這些性能與其分子結(jié)構(gòu)和分子間作用力密切相關(guān)。熱性能高分子材料的熔點和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度往往較低，具有良好的熱塑性和熱固性。其耐熱性取決于材料的結(jié)構(gòu)和添加劑。電性能高分子材料通常具有良好的絕緣性，但一些特殊材料可以表現(xiàn)出導(dǎo)電性。其電性能受分子結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)的影響。化學(xué)性能高分子材料的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性、耐溶劑性等性能取決于其化學(xué)結(jié)構(gòu)和組成。一些高分子材料具有生物相容性，可用于醫(yī)療領(lǐng)域。高分子材料的應(yīng)用包裝廣泛應(yīng)用于食品、飲料、日用品等的包裝。汽車制造用于汽車車身、保險杠、內(nèi)飾等。醫(yī)療器械制造各種醫(yī)療器械，如針筒、輸液管、人工器官等。紡織制造合成纖維，用于制作服裝、地毯等。復(fù)合材料碳纖維復(fù)合材料強度高、重量輕，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車等領(lǐng)域。玻璃纖維增強塑料耐腐蝕、抗沖擊，應(yīng)用于船舶、建筑等領(lǐng)域。陶瓷基復(fù)合材料耐高溫、耐磨損，應(yīng)用于航空發(fā)動機、熱防護等領(lǐng)域。復(fù)合材料的特點高強度復(fù)合材料通常由多種材料組成，可以將不同材料的優(yōu)點結(jié)合起來，從而獲得比單一材料更強的強度。輕量化復(fù)合材料通常由密度較低的材料制成，例如玻璃纖維或碳纖維，從而可以減輕重量。耐腐蝕復(fù)合材料可以抵抗多種化學(xué)物質(zhì)的腐蝕，因此在惡劣環(huán)境中具有較高的耐用性?？稍O(shè)計性復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能可以根據(jù)需要進行設(shè)計，以滿足不同應(yīng)用的需求。復(fù)合材料的種類增強型復(fù)合材料增強型復(fù)合材料以基體材料為主體，加入增強材料以提高材料的強度、剛度等性能。結(jié)構(gòu)型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)型復(fù)合材料由兩種或多種材料通過界面相互作用組成，以實現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)。功能型復(fù)合材料功能型復(fù)合材料主要注重材料在特定領(lǐng)域的特殊功能，例如導(dǎo)電、導(dǎo)熱、吸波等性能。復(fù)合材料的應(yīng)用11.航空航天復(fù)合材料輕量化優(yōu)勢，適用于飛機機身、機翼、尾翼等部件。22.汽車制造復(fù)合材料用于汽車車身、保險杠、座椅等部件，提升燃油經(jīng)濟性。33.電子產(chǎn)品復(fù)合材料用于手機、筆記本電腦等外殼，提高產(chǎn)品耐用性和外觀。44.土木工程復(fù)合材料應(yīng)用于橋梁、建筑結(jié)構(gòu)等，具有耐腐蝕性、耐疲勞性。材料選擇的原則適用性首先要考慮材料是否適合特定的應(yīng)用場景，例如需要耐高溫、抗腐蝕，還是具有良好的導(dǎo)電性等。成本材料的成本也是重要的考慮因素，需要綜合考慮材料本身的價格，以及加工、制造、維護等方面的成本。性能材料的性能指標(biāo)需要滿足設(shè)計要求，例如強度、硬度、韌性、耐磨性等?？色@得性需要確保材料的供應(yīng)充足，且供應(yīng)穩(wěn)定，以保證項目的順利進行。材料選擇的方法11.性能指標(biāo)比較法根據(jù)工程設(shè)計要求，確定材料的性能指標(biāo)，并進行比較，選擇最優(yōu)的材料。22.綜合經(jīng)濟評價法綜合考慮材料的成本、性能、加工工藝等因素，選擇經(jīng)濟效益最佳的材料。33.可用性分析法考慮材料