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材料科學與工程綱要(1)(1)
這是一個關於材料科學與工程綱要(1)(1)的心智圖，包含材料的歷史與發展、材料的分類、材料科學與工程的四個基本要素、材料的合成與加工等。
Отредактировано в 2024-03-10 19:32:59
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- Структура
材料科學與工程綱要
材料的歷史和發展
材料
材料是物質，但不一定所有的物質都是材料
定義：是指人類社會可接受的、能經濟地製造有用元件的物質
作用
材料是人類社會進步的里程碑
人類社會
科學技術
材料是經濟和社會發展的基礎和先導
1.是工業革命和產業發展的先導
2.是各類產業的基礎
3.是高技術發展的基礎
材料發展的七個時代
石器時代（陶瓷）
青銅器時代（人類歷史上出現的第一個合金是銅錫合金）
鐵器時代
水泥時代
鋼時代
矽時代
新材料時代
材料的分類
依組成與結構分類
金屬材料
簡單金屬的結合鍵為金屬鍵
無機非金屬材質（陶瓷）
陶瓷材料主要以離子鍵為主
高分子材料
大分子內的原子之間由強烈的共價鍵結合
複合材料
結合鍵非常複雜
按使用效能分類
結構材料－工程構件用材，機械製造用材等
強調機械性能
功能性材料－電子材料、半導體材料、磁性材料、能源材料、生物材料等
強調物理、化學性質
按應用和發展分類
傳統材料
新材料
材料科學與工程的四個基本要素
效能
研究材料的出發點和目標（落腳點）
合成加工
組織結構
核心
化學成分
結構材料的失效
材料在外加載荷和環境的共同作用下，損失原有的性能直到不能繼續服役的現象為失效
材料失效的形式
過量變形
過量彈性變形→剛度不夠是零件產生過量彈性變形的根本原因（陶瓷彈性模量最高）
過量塑性變形→屈服強度低是零件產生過量塑性變形的根本原因
兩者無明顯區別
斷裂失效
有裂痕的萌生、擴展、最終斷裂三個過程
斷裂的分類
塑性變形量的大小: 韌性斷裂 脆性斷裂
裂紋擴展的途徑: 穿晶斷裂 晶間斷裂
零件在靜載和衝擊載重下的斷裂
零件在交變載重下的疲勞斷裂
造成疲勞斷裂的應力常常低於靜態負荷下的屈服強度
斷裂時無明顯的宏觀塑性變形，為脆性斷裂
疲勞斷口能清楚地顯示出裂紋的形成、擴展和最後斷裂
伸展疲勞
拉壓疲勞
彎曲疲勞
扭轉疲勞
各種混合受力方式的疲勞
零件在靜載和衝擊載重下的斷裂
蠕變強度
持久強度
表面損傷失效
分類
表面磨損
接觸疲勞
表面腐蝕
磨損
黏著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損、疲勞磨損
在各種磨損條件下，提高材料表面硬度是提高耐磨性的關鍵
腐蝕
腐蝕性質
化學腐蝕
電化學腐蝕
腐蝕部位
均勻腐蝕
點腐蝕（穿孔）
晶間腐蝕
材料的性質和使用性能
性質分類
磁學性質
熱學性質
熱效應:吸熱、傳熱和膨脹
電學性質
介電性
介電常數
介電損耗（介電損耗小，絕緣性能好）
介電強度（介電強度大，絕緣體的品質好）
介電性越差，絕緣性越好
光學性質（螢光性）
材料的力學性質
定義:材料在不同載重和環境作用下表現出來的變形和斷裂行為
分類:彈性變形 塑性變形
強度（外力作用）:抗拉、抗壓、抗剪、疲勞強度 蠕變強度與持久強度是度量材料在高溫下抵抗變形與斷裂的能力
彈性和塑性
可逆（彈性）與不可逆（塑性）
韌性和脆性
度量韌性的指標有衝擊韌性和斷裂韌性
硬度:是指材料抵抗局部變形的能力
材料的合成與加工
原料的選用
天然礦物材料（鐵礦石、方鉛礦等）
無機化工原料
氧化物原料（氧化鋁、氧化鎂、尖晶石、莫來石等）
非氧化物原料
有機化學原料（天然和合成材料）
材料的製備
氣相法（直接利用氣體or透過各種手段將物質變成氣體）
PVD法（物理氣相沉積法）
CVD法（化學氣相沉積法）
液相法
熔融法、溶液法、界面法液相沉澱法、溶膠-凝膠法、水熱法（高溫高壓or高溫常壓）、噴霧法、溶液生長法、
固相法
高溫燒結法
粉末冶金法
固相縮聚法
自蔓延高溫合成法
材料的成型加工
成型方法分類
自由流動成型
受力流動成型
受力塑性成型
其他成型
成型特性
金屬鑄造是利用材料的可流動性能成型的
可流動性和可塑性變形性
金屬材料的成型加工方法
鑄造成型
塑性成型
連接成型
材料設計
材料在製造、使用、廢棄和再生的過程中都須具備良好的環境協調性
材料的成分及組織結構
成分：是指組成材料的元素種類及其含量，通常以（w)和（x)表示 組元：是指組成材料最基本獨立的物質，可以是純元素，也可以是穩定的化合物 相：是指材料中具有相同化學成分且結構相同的均勻部分 組織：是指材料內部的微觀形貌，它反映各組成相的形態、尺寸及分佈
結構：材料的組成單元（原子、離子或分子等）之間相互吸引與排斥作用達到平衡時的空間排列方式
結構的層次
宏觀層次
顯微層次
微觀層次
材料的組織結構
離子鍵和離子晶體
1.由於離子鍵的結合力很大，離子晶體一般具有較高的熔點、沸點和較高的硬度
2.典型的離子晶體是無色透明的
3.離子晶體都是良好的絕緣體
共價鍵和共價晶體
具有方向性和飽和性
金屬鍵和金屬晶體
分子鍵和分子晶體
分子晶體硬度很低，熔點和沸點也都很低
氫鍵和氫鍵晶體
具有方向性和飽和性
固體材料的三種結構
準晶體
介於晶體和非晶體之間的一種晶體
非晶體
是在內部質點三維空間不呈現週期性重複排列的固體，具有近程有序排列，但不具有長程有序排列
晶體
是指原子或原子團、離子或分子以週期性重複方式在三維空間有規則排列形成的固體
結構基礎
空間點陣和晶胞
晶胞無隙並置，完全等同
其他概念
（1）晶胞原子數：是指一個晶胞內所包含的原子數目（2）原子半徑：晶胞中相距最近的兩個原子之間距離的一半（3）配位數：是指晶格中與任一原子處於相等距離且相距最近的原子數目（4）緻密度：是指晶胞中原子本身所佔有的體積分數，也稱為晶格的密排係數
晶體缺陷
點缺陷
本徵缺陷（空位、間隙）
雜質缺陷（替換原子一定是雜質缺陷）
電子缺陷（非化學計量結構缺陷）
線缺陷（位錯）
面缺陷
晶體和非晶體的區別: 1.晶體的原子排列長程有序，非晶體的排列不具有長程有序2.晶體有整齊規則的幾何外形，非晶體外形為無規則性質的固體3.晶體有固定的熔點，非晶體沒有明確的熔點4.單晶體還有各向異性，非晶體有各向同性