【大学课件】材料科学基础（中英版）.pptVIP

材料科学基础欢迎来到材料科学基础课程。本课程将带您探索材料的奥秘，从原子层面到宏观应用。我们将深入研究各类材料的结构、性能和应用。

课程大纲1材料基础知识包括材料分类、原子结构和键合、晶体结构等。2材料性能与处理探讨扩散、相平衡、强化机理和热处理等主题。3特殊材料学习陶瓷、高分子、复合材料等先进材料。4应用与前沿涵盖材料选择、智能材料、生物医用材料等热点领域。

材料的分类金属材料具有良好的导电性、导热性和延展性，如钢铁、铝、铜等。陶瓷材料耐高温、硬度高，但较脆，如氧化铝、氧化锆等。高分子材料轻质、柔韧，如塑料、橡胶等。复合材料结合多种材料优点，如玻璃钢、碳纤维复合材料等。

原子结构和原子键合原子结构原子由原子核和电子组成。原子核包含质子和中子，而电子围绕原子核运动。原子键合原子间的相互作用形成化学键。主要包括离子键、共价键、金属键和范德华力。

晶体结构立方晶系包括简单立方、体心立方和面心立方结构。六方晶系如六方密堆结构，常见于某些金属和合金。金刚石结构碳原子以特殊方式排列，形成坚硬的晶体结构。

晶格缺陷1点缺陷包括空位、间隙原子和替位原子。影响材料的扩散和电学性能。2线缺陷主要是位错，包括刃型位错和螺型位错。影响材料的塑性变形。3面缺陷如晶界、孪晶界和堆垛层错。影响材料的强度和韧性。4体缺陷如空洞和夹杂物。可能导致材料性能下降。

扩散空位扩散原子通过晶格中的空位移动。间隙扩散小原子在晶格间隙中移动。表面扩散原子在材料表面移动。晶界扩散原子沿晶界快速移动。

相平衡1吉布斯相律2单组元相图3二元相图4三元相图相平衡是理解材料组织和性能的关键。它描述了在不同条件下，材料中各相的稳定状态。

铁碳合金相图1奥氏体面心立方结构，高温稳定相。2铁素体体心立方结构，室温稳定相。3珠光体铁素体和渗碳体的层状结构。4马氏体快速冷却形成的亚稳相。

强化机理固溶强化通过添加溶质原子，增加晶格畸变，阻碍位错运动。析出强化通过细小的第二相颗粒阻碍位错运动。加工硬化通过塑性变形增加位错密度，提高强度。细晶强化减小晶粒尺寸，增加晶界面积，阻碍位错运动。

热处理1退火消除内应力，软化材料。2正火细化晶粒，提高强度和韧性。3淬火快速冷却，形成马氏体，提高硬度。4回火调节强度和韧性的平衡。

陶瓷材料传统陶瓷如瓷器、砖瓦等。主要由黏土、长石和石英组成。具有良好的耐火性和绝缘性。新型陶瓷如氧化铝、氮化硅等。具有优异的机械性能、耐高温性和化学稳定性。广泛应用于航空航天、电子和生物医学领域。

陶瓷的性能高硬度陶瓷材料通常具有很高的硬度，耐磨性好。耐高温许多陶瓷材料具有优异的耐高温性能。化学稳定性陶瓷对多种化学介质具有良好的抵抗力。脆性陶瓷材料的主要缺点是脆性大，抗冲击能力差。

高分子材料热塑性塑料可重复加热软化、冷却固化。如聚乙烯、聚丙烯等。热固性塑料一旦固化就不能再熔融。如酚醛树脂、环氧树脂等。弹性体具有良好的弹性。如天然橡胶、合成橡胶等。工程塑料性能优异，可替代金属。如尼龙、聚碳酸酯等。

高分子的结构和性能分子量影响高分子的强度、粘度和加工性能。分子结构决定高分子的物理和化学性质。结晶度影响高分子的透明度、强度和韧性。交联程度影响高分子的硬度、耐热性和溶解性。

复合材料定义复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学方法复合而成的新材料。它们结合了各组分的优点，克服了单一材料的局限性。组成复合材料通常由增强体和基体两部分组成。增强体提供强度和刚度，基体则起到粘结和保护作用。常见的复合材料包括玻璃钢、碳纤维复合材料等。

复合材料的分类和性能纤维增强复合材料如玻璃纤维、碳纤维复合材料。具有高强度、轻质的特点。颗粒增强复合材料如金属基复合材料。提高材料的耐磨性和硬度。层状复合材料如夹层结构。兼具轻质和高强度的特点。功能梯度材料性能沿某一方向连续变化，可实现特殊功能。

金属腐蚀与防护1腐蚀机理2腐蚀类型3防腐技术4腐蚀监测金属腐蚀是一种自发的电化学过程，会导致材料性能下降。防腐技术包括表面处理、阴极保护和使用缓蚀剂等。

材料的选择与设计1确定要求明确产品的性能、环境和经济要求。2筛选材料根据性能指标初步筛选合适的材料。3性能评估对候选材料进行详细的性能评估。4优化选择综合考虑各方面因素，确定最终材料。

智能材料形状记忆合金能够记忆并恢复原始形状。压电材料能够将机械能转化为电能，反之亦然。磁流变材料在磁场作用下改变流变性质。光致变色材料在光照下改变颜色。

生物医用材料金属生物材料如钛合金、不锈钢。用于骨科植入物。高分子生物材料如人工血管、隐形眼镜。具有良好的生物相容性。陶瓷生物材料如羟基磷灰石。用于骨修复和牙科。复合生物材料结合多种材料优点。如牙科填充材料。

材料的加工成型传统加工方法包括铸造、锻造、焊接、机械加工等。这些方法已经发展成熟，广泛应用于各种材料的加工。