Storia e sviluppo materiale
Materiale
I materiali sono sostanze, ma non tutte le sostanze sono materiali
Definizione: si riferisce a sostanze accettabili per la società umana e che possono essere utilizzate per produrre in modo economico dispositivi utili.
effetto
I materiali sono una pietra miliare nel progresso della società umana
I materiali sono il fondamento e il precursore dello sviluppo economico e sociale
1. È il precursore della rivoluzione industriale e dello sviluppo industriale.
2. È il fondamento di varie industrie
3. Costituisce la base per lo sviluppo dell'alta tecnologia
Sette ere di sviluppo materiale
Età della pietra (ceramica)
Età del Bronzo (la prima lega nella storia umana fu la lega rame-stagno)
Classificazione dei materiali
Classificati per composizione e struttura
materiale metallico
I legami di legame dei metalli semplici sono legami metallici
Materiali inorganici non metallici (ceramica)
I materiali ceramici si basano principalmente su legami ionici
Materiali polimerici
Gli atomi nelle macromolecole sono tenuti insieme da forti legami covalenti
materiali compositi
Il legame è molto complesso
Classificato in base alle prestazioni
Materiali strutturali: materiali per componenti tecnici, materiali per la produzione di macchinari, ecc.
Enfasi sulle proprietà meccaniche
Materiali funzionali: materiali elettronici, materiali semiconduttori, materiali magnetici, materiali energetici, materiali biologici, ecc.
Cenni sulle proprietà fisiche e chimiche
Classificato per applicazione e sviluppo
Quattro elementi base della scienza e ingegneria dei materiali
prestazione
Il punto di partenza e l'obiettivo (punto d'appoggio) dei materiali di ricerca
Rottura dei materiali strutturali
Il cedimento si verifica quando un materiale perde le sue prestazioni originali sotto l'azione combinata di carichi esterni e ambiente fino a quando non può più continuare a funzionare.
Forme di fallimento materiale
Deformazione eccessiva
Eccessiva deformazione elastica → La rigidità insufficiente è la causa principale dell'eccessiva deformazione elastica delle parti (la ceramica ha il modulo elastico più alto)
Eccessiva deformazione plastica → il basso limite di snervamento è la causa principale dell'eccessiva deformazione plastica delle parti
Non c’è alcuna differenza evidente tra i due
cedimento della frattura
Esistono tre processi: inizio della cricca, propagazione e frattura finale.
Classificazione delle fratture
Entità della deformazione plastica: frattura duttile
frattura fragile
Percorso di propagazione della cricca: frattura transgranulare
frattura intergranulare
Frattura di parti sotto carichi statici e di impatto
Frattura per fatica di parti sotto carichi alternati
Lo stress che causa la frattura per fatica è spesso inferiore al carico di snervamento sotto carico statico
Non vi è alcuna evidente deformazione plastica macroscopica durante la frattura, che è una frattura fragile.
La frattura per fatica può mostrare chiaramente la formazione, la propagazione e la frattura finale delle cricche
Fatica da trazione e compressione
Fatica da varie modalità di stress misto
Frattura di parti sotto carichi statici e di impatto
Guasto per danni superficiali
usura
Usura adesiva, usura abrasiva, usura corrosiva, usura per fatica
Il miglioramento della durezza superficiale del materiale è la chiave per migliorare la resistenza all’usura in varie condizioni di usura
corrosione
Proprietà di corrosione
Corrosione elettrochimica
Parti corrose
Corrosione per vaiolatura (perforante)
corrosione intergranulare
Proprietà e prestazioni dei materiali
Classificazione delle proprietà
proprietà termali
Effetti termici: assorbimento del calore, trasmissione del calore e dilatazione
Proprietà elettriche
Dielettricità
Perdita dielettrica (piccola perdita dielettrica, buone prestazioni di isolamento)
Rigidità dielettrica (un'elevata rigidità dielettrica significa una buona qualità dell'isolante)
Peggiore è il dielettrico, migliore è l'isolamento
Proprietà ottiche (fluorescenza)
Proprietà meccaniche dei materiali
Definizione: comportamento alla deformazione e alla frattura dei materiali sottoposti a carichi e ambienti diversi
Categoria: deformazione elastica
deformazione plastica
Resistenza (forza esterna): resistenza a trazione, compressione, taglio, fatica
La resistenza al creep e la durabilità sono misure della capacità di un materiale di resistere alla deformazione e alla frattura alle alte temperature.
elasticità e plasticità
Reversibile (elasticità) e irreversibile (plasticità)
tenacità e fragilità
Gli indicatori che misurano la tenacità includono la resilienza all'impatto e la tenacità alla frattura.
Durezza: si riferisce alla capacità di un materiale di resistere alla deformazione locale
Sintesi e lavorazione dei materiali
Selezione delle materie prime
Materiali minerali naturali (minerale di ferro, galena, ecc.)
Materie prime chimiche inorganiche
Materie prime di ossido (allumina, ossido di magnesio, spinello, mullite, ecc.)
Materie prime chimiche organiche (materiali naturali e sintetici)
Preparazione dei materiali
Metodo della fase gassosa (utilizzando direttamente il gas o trasformando le sostanze in gas con vari mezzi)
Metodo PVD (metodo di deposizione fisica da vapore)
Metodo CVD (metodo di deposizione chimica da fase vapore)
metodo in fase liquida
Metodo di fusione, metodo in soluzione, metodo interfacciale, metodo di precipitazione in fase liquida, metodo sol-gel, metodo idrotermale (alta temperatura e alta pressione o alta temperatura e pressione normale), metodo a spruzzo, metodo di crescita della soluzione,
metodo in fase solida
Metodo di sinterizzazione ad alta temperatura
metallurgia delle polveri
Metodo della policondensazione in fase solida
Metodo di sintesi autopropagante ad alta temperatura
Elaborazione della formatura del materiale
Classificazione dei metodi di formatura
stampaggio a flusso libero
Formatura a flusso forzato
Stampaggio plastico forzato
Proprietà di stampaggio
La fusione del metallo viene formata sfruttando la scorrevolezza del materiale
Scorrevolezza e deformabilità plastica
Metodi di formatura e lavorazione dei materiali metallici
Modanatura di connessione
progettazione dei materiali
I materiali devono avere una buona compatibilità ambientale durante la produzione, l'uso, lo smaltimento e il riciclaggio
Composizione materiale e struttura organizzativa
Composizione: si riferisce alla tipologia e al contenuto degli elementi che compongono il materiale, solitamente rappresentati da (w) e (x)
Componente: si riferisce alla sostanza indipendente più elementare che costituisce un materiale. Può essere un elemento puro o un composto stabile.
Fase: si riferisce ad una parte omogenea di un materiale che ha la stessa composizione chimica e la stessa struttura
Struttura: si riferisce alla morfologia microscopica interna al materiale, che riflette forma, dimensione e distribuzione di ciascuna fase componente
Struttura: disposizione spaziale della mutua attrazione e repulsione tra le unità costitutive di un materiale (atomi, ioni, molecole, ecc.)
Struttura organizzativa materiale
Legami ionici e cristalli ionici
1. A causa della forte forza legante dei legami ionici, i cristalli ionici hanno generalmente punti di fusione e di ebollizione più elevati e una maggiore durezza.
2. I cristalli ionici tipici sono incolori e trasparenti
3. I cristalli ionici sono buoni isolanti
Legami covalenti e cristalli covalenti
Legami metallici e cristalli metallici
Legami molecolari e cristalli molecolari
La durezza molecolare dei cristalli è molto bassa e anche i punti di fusione e di ebollizione sono molto bassi.
Cristalli di legame idrogeno e legame idrogeno
Tre strutture di materiali solidi
quasicristallo
Una sorta di cristallo tra il cristallo e l'amorfo
Amorfo
È un solido in cui lo spazio tridimensionale delle particelle interne non mostra una disposizione ripetuta periodica. Ha una disposizione ordinata a corto raggio ma non ha una disposizione ordinata a lungo raggio.
cristallo
Si riferisce ad un solido formato dalla disposizione regolare di atomi o gruppi atomici, ioni o molecole in uno spazio tridimensionale in modo periodico e ripetuto.
base strutturale
Reticolo spaziale e cella unitaria
Le celle unitarie sono giustapposte senza lacune e sono completamente identiche.
Altri concetti
(1) Numero di atomi in una cella unitaria: si riferisce al numero di atomi contenuti in una cella unitaria (2) Raggio atomico: metà della distanza tra i due atomi più vicini nella cella unitaria (3) Numero di coordinazione: si riferisce al cristallo reticolo Il numero di atomi che si trovano alla stessa distanza e più vicini a qualsiasi atomo nella cella unitaria (4) Densità: si riferisce alla frazione di volume occupata dagli atomi stessi nella cella unitaria, noto anche come coefficiente di impaccamento della cella unitaria reticolo cristallino
difetti del cristallo
difetto del punto
Difetti intrinseci (posti vacanti, lacune)
Difetti di impurità (gli atomi sostitutivi devono essere difetti di impurità)
Difetti elettronici (difetti strutturali non stechiometrici)
Difetti di linea (dislocazioni)
La differenza tra cristalli e cristalli amorfi: 1. La disposizione atomica dei cristalli ha un ordine a lungo raggio, mentre la disposizione degli atomi amorfi non ha un ordine a lungo raggio 2. I cristalli hanno forme geometriche pulite e regolari, mentre le forme amorfe sono irregolari solidi 3. I cristalli sono fissi Il punto di fusione dei cristalli amorfi non è chiaro 4. Anche i cristalli singoli hanno anisotropia, mentre i cristalli amorfi hanno isotropia.
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