マインドマップギャラリー 材料工学の概要(1)(1)
材料の歴史と発展、材料の分類、材料理工学の4つの基本要素、材料の合成と加工などを含む材料理工学概論(1)(1)に関するマインドマップです。
2024-03-10 19:32:59 に編集されました材料科学と工学の概要
材料の歴史と開発
材料
物質は物質ですが、すべての物質が物質であるわけではありません
定義: 人間社会に受け入れられ、有用なデバイスを経済的に製造するために使用できる物質を指します。
効果
素材は人類社会の進歩のマイルストーンです
人間社会
科学技術
素材は経済的および社会的発展の基礎であり、先駆者です
1. 産業革命と産業発展の先駆けである。
2. さまざまな産業の基盤となる
3. ハイテク開発の基盤です
材料開発の 7 つの時代
石器時代(陶器)
青銅器時代(人類史上最初の合金は銅と錫の合金)
鉄器時代
セメントの時代
鋼鉄時代
シリコン時代
新素材の時代
材質の分類
組成と構造による分類
金属素材
単純な金属の結合は金属結合です
無機非金属材料(セラミックス)
セラミックス材料は主にイオン結合に基づいています
ポリマー材料
高分子内の原子は強い共有結合によって結合されています
複合材料
結合は非常に複雑です
性能別に分類
構造材料 - エンジニアリング部品材料、機械製造材料など
機械的特性の重視
機能性材料 - 電子材料、半導体材料、磁性材料、エネルギー材料、生体材料など
物理的および化学的特性の重視
用途と開発ごとに分類
伝統的な素材
新しい素材
材料科学と工学の4つの基本要素
パフォーマンス
研究資料の出発点と目標(足場)
合成処理
組織構造
芯
化学組成
構造材料の破損
故障は、材料が外部負荷と環境の複合作用により本来の性能を失い、機能し続けることができなくなるときに発生します。
材料破損の形態
過度の変形
過剰な弾性変形 → 部品の過剰な弾性変形の根本原因は剛性不足です(セラミックスが最も弾性率が高い)
過度の塑性変形 → 降伏強度の低下が部品の過度の塑性変形の根本原因です
両者の間に明らかな違いはありません
破壊破壊
亀裂の発生、伝播、最終的な破壊の 3 つのプロセスがあります。
骨折の分類
塑性変形量:延性破壊 脆性破壊
亀裂伝播経路:粒内破壊 粒界破壊
静荷重および衝撃荷重による部品の破壊
交番荷重下での部品の疲労破壊
疲労破壊を引き起こす応力は、多くの場合、静荷重下での降伏強度よりも低くなります。
破壊時に肉眼で見える明らかな塑性変形はありません。これは脆性破壊です。
疲労破壊は、亀裂の形成、伝播、最終的な破壊を明確に示します。
ストレッチ疲労
引張疲労と圧縮疲労
曲げ疲労
逆疲労
さまざまな混合ストレスモードによる疲労
静荷重および衝撃荷重による部品の破壊
クリープ強度
持続力
表面損傷故障
分類
表面摩耗
接触疲労
表面腐食
摩耗と損傷
凝着摩耗、摩耗摩耗、腐食摩耗、疲労摩耗
さまざまな摩耗条件下での耐摩耗性を向上させるには、材料の表面硬度の向上が鍵となります
腐食
腐食特性
化学腐食
電気化学腐食
腐食した部品
均一腐食
孔食(貫通)
粒界腐食
材料特性と性能
財産の分類
磁気特性
熱特性
熱効果: 熱吸収、熱伝達、膨張
電気的特性
誘電性
誘電率
誘電損失(誘電損失が小さく、絶縁性能が良い)
絶縁耐力 (絶縁耐力が高いことは絶縁体の品質が良いことを意味します)
誘電率が悪いほど絶縁性は良くなります
光学特性(蛍光)
材料の機械的性質
定義: さまざまな荷重および環境下での材料の変形および破壊挙動
カテゴリ: 弾性変形 塑性変形
強度(外力):引張、圧縮、せん断、疲労強度 クリープ強度と耐久強度は、高温での変形や破壊に対する材料の能力の尺度です。
弾性と可塑性
可逆性(弾性)と不可逆性(可逆性)
靭性と脆性
靭性を測る指標には衝撃靭性と破壊靭性があります。
硬度: 局所的な変形に耐える材料の能力を指します。
材料の合成と加工
原材料の選択
天然鉱物原料(鉄鉱石、方鉛鉱など)
無機化学原料
酸化物原料(アルミナ、酸化マグネシウム、スピネル、ムライトなど)
非酸化物原料
有機化学原料(天然・合成原料)
材料の準備
気相法(ガスを直接使用する、または物質を様々な手段でガス化する)
PVD法(物理蒸着法)
CVD法(化学気相成長法)
液相法
溶融法、溶液法、界面法、液相析出法、ゾルゲル法、水熱法(高温高圧または高温常圧)、スプレー法、溶液成長法、
固相法
高温焼結法
粉末冶金
固相重縮合法
自己伝播型高温合成法
材料成形加工
成形方法の分類
フリーフロー成形
強制フローフォーミング
プラスチックの強制成形
その他の成形品
成形特性
金属鋳物は材料の流動性を利用して成形されます。
流動性と塑性変形性
金属材料の成形・加工方法
鋳造
プラスチック成形品
接続成形
マテリアルデザイン
材料は、製造、使用、廃棄、リサイクルの際に良好な環境適合性を備えていなければなりません
材料構成と組織構造
構成: 材料を構成する要素の種類と内容を指し、通常は (w) と (x) で表されます。 成分: 材料を構成する最も基本的な独立した物質を指します。純粋な元素または安定した化合物です。 相: 同じ化学組成と同じ構造を持つ材料の均質な部分を指します。 構造: 材料内部の微細な形態を指し、各成分相の形状、サイズ、分布を反映します。
構造: 材料の構成単位 (原子、イオン、分子など) 間の相互引力と反発力の空間配置。
構造のレベル
マクロレベル
顕微鏡レベル
ミクロレベル
物質的な組織構造
イオン結合とイオン結晶
1. イオン結合の強い結合力により、イオン結晶は一般に融点、沸点が高く、硬度も高くなります。
2. 典型的なイオン結晶は無色透明です。
3. イオン結晶は優れた絶縁体です
共有結合と共有結合結晶
指向性と飽和性
金属結合と金属結晶
分子結合と分子結晶
分子結晶の硬度は非常に低く、融点と沸点も非常に低いです。
水素結合と水素結合結晶
指向性と飽和性
固体材料の3つの構造
準結晶
結晶と非晶質の間の結晶の一種
まとまりのない
粒子内部の三次元空間が周期的な繰り返し配列を示さない固体であり、短距離では規則的な配列を有するが、長距離では規則的な配列を持たない。
結晶
原子や原子団、イオンや分子が三次元空間に周期的かつ繰り返し規則正しく配置されて形成される固体を指します。
構造的基礎
空間格子と単位格子
単位セルは隙間なく並べられており、完全に同一です。
その他の概念
(1) 単位格子内の原子数:単位格子に含まれる原子の数を指します。 (2) 原子半径:単位格子内の最も近い 2 つの原子間の距離の半分を指します。 (3) 配位数:結晶を指します。格子 単位格子内の原子に同じ距離にあり、最も近い原子の数 (4) 密度: 単位格子内の原子自体が占める体積分率を指し、最密充填係数としても知られています。結晶格子
結晶欠陥
点欠陥
本質的欠陥(空孔、ギャップ)
不純物欠陥(置換原子は不純物欠陥である必要があります)
電子的欠陥 (非化学量論的構造欠陥)
線欠陥(転位)
表面欠陥
結晶とアモルファス結晶の違い: 1. 結晶の原子配列には長距離秩序がありますが、アモルファス原子の配列には長距離秩序がありません。 2. 結晶は整然とした規則的な幾何学的形状をしていますが、アモルファス形状は不規則です。 3. 結晶が固定されている 非晶質結晶の融点は明確ではありません。 4. 単結晶にも異方性がありますが、非晶質結晶には等方性があります。