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1、结构与性能结构与性能 制作人：时间：2024年X月目录目录第第1 1章章 简介简介第第2 2章章 晶体结构基础晶体结构基础第第3 3章章 力学性能力学性能第第4 4章章 物理性能物理性能第第5 5章章 化学性能化学性能第第6 6章章 总结总结 0101第第1章章 简简介介 课程介绍课程介绍本章节主要介绍本课程的教学目标，课程安排和教学方法。结构与性能的概结构与性能的概结构与性能的概结构与性能的概念念念念结构与性能是材料科学的两个重要分支，结构指材料内部的排列方式，性能结构与性能是材料科学的两个重要分支，结构指材料内部的排列方式，性能则是材料在外部环境下所表现出来的特性，本幻灯片将详细介绍两者的
2、概念则是材料在外部环境下所表现出来的特性，本幻灯片将详细介绍两者的概念及其联系。及其联系。结构的种类结构的种类具有规则的周期性结构晶体结构晶体结构无规则的结构非晶态结构非晶态结构 力学性能力学性能材料在外部受力情况下能够承受的最大应力强度强度材料抵抗划伤或切削的程度硬度硬度材料在受力情况下能够延展变形的能力韧性韧性材料在受到外力时会发生破裂的程度脆性脆性具有等边立方晶胞，如钠氯化物立方晶系立方晶系0103具有长方形晶胞，如二氧化硅、石墨正交晶系正交晶系02具有等边正方形晶胞，如硫、钛四方晶系四方晶系化学性能化学性能化学性能化学性能描述材料在化学反应中的性质描述材料在化学反应中的性质及表现形式及
3、表现形式如腐蚀、氧化等如腐蚀、氧化等区别区别区别区别物理性能可通过物理量来衡量，物理性能可通过物理量来衡量，化学性能需要通过实验来检测化学性能需要通过实验来检测物理性能受外部环境影响较小，物理性能受外部环境影响较小，化学性能容易受到外部环境影化学性能容易受到外部环境影响响 物理性能、化学性能比较物理性能、化学性能比较物理性能物理性能物理性能物理性能描述材料在外部环境下的物理描述材料在外部环境下的物理特性特性如热导率、电导率、密度等如热导率、电导率、密度等总结总结本章节主要介绍了结构与性能的概念及其联系，结构和性能在材料科学中都具有重要的地位，对于材料的选择、设计和应用都有着重要的指导意义。02
4、02第第2章章 晶体晶体结结构基构基础础 晶体结构的分类晶体结构的分类晶体结构的分类晶体结构的分类晶体结构的分类是按照原子排列方式和晶胞形状进行分类，这种分类方式可晶体结构的分类是按照原子排列方式和晶胞形状进行分类，这种分类方式可以帮助我们更好地理解晶体结构的特征和性质。原子排列方式包括面心立方以帮助我们更好地理解晶体结构的特征和性质。原子排列方式包括面心立方密堆积、体心立方密堆积和六方密堆积等。晶胞形状则包括立方晶系、正交密堆积、体心立方密堆积和六方密堆积等。晶胞形状则包括立方晶系、正交晶系、单斜晶系、三斜晶系、菱面晶系和三方晶系等。晶系、单斜晶系、三斜晶系、菱面晶系和三方晶系等。晶体结构示
5、例晶体结构示例晶体结构示例晶体结构示例本节将采用实际晶体图像进行举例，详细解释晶体结构的特征和性质。其中本节将采用实际晶体图像进行举例，详细解释晶体结构的特征和性质。其中包括包括NaClNaCl晶体、石墨烯、金属晶体等多种晶体结构。晶体、石墨烯、金属晶体等多种晶体结构。晶体缺陷晶体缺陷包括空位、自间隙和杂质原子等点缺陷点缺陷包括位错和螺旋度等线缺陷线缺陷包括晶格畸变和孪晶等面缺陷面缺陷 人工生长人工生长人工生长人工生长气相传输法气相传输法熔体传输法熔体传输法溶液传输法溶液传输法生长条件生长条件生长条件生长条件温度温度压力压力浓度浓度生长机制生长机制生长机制生长机制溶质扩散溶质扩散界面反应界面反
6、应晶体续生晶体续生晶体生长晶体生长自发生长自发生长自发生长自发生长熔融状态熔融状态气态状态气态状态溶液状态溶液状态包括导电性和介电常数等电学性能电学性能0103包括热导率和热膨胀系数等热学性能热学性能02包括折射率和吸收系数等光学性能光学性能 0303第第3章章 力学性能力学性能 弹性模量弹性模量弹性模量是材料受力后在力的作用下发生变形时，单位应力下单位变形量的比值。它是材料内部原子、离子间相互作用力的度量。弹性模量可以反映材料变形抵抗性的大小，其值越大，说明变形抵抗能力越强。常用符号为E，单位为帕斯卡。计算方法多种多样，可根据材料的性质和使用条件选择不同的计算公式。塑性变形塑性变形塑性变形是
7、材料受力后在一定条件下发生的不可逆变形，通常发生在材料的屈服点之后。材料的塑性变形是由原子、离子的移动所引起的，是材料内部构造的变化。塑性变形的影响因素有很多，如温度、应力水平、应变速率等。塑性变形是材料材料加工和设计的重要因素之一。疲劳性能疲劳性能疲劳性能是材料在受循环载荷作用下发生损伤或破坏的迎故能力。疲劳损伤的初期是塑性变形，随着循环次数的增加，疲劳残余寿命不断缩短，最终引起材料失效。影响疲劳性能的因素有很多，如应力幅值、应力比、循环次数、应力施加方式等。断裂韧性断裂韧性断裂韧性是材料受到拉伸、弯曲等复杂载荷作用下抗裂纹扩展的能力。断裂韧性常用来刻画材料极限承载能力，是衡量材料断裂特性的
8、重要指标。常用符号为KIC，单位为MPam1/2。计算方法有很多种，如能量法、抗拉强度漏率法等。公式E200GPa钢材弹性模量钢材弹性模量0103公式E=10GPa石墨弹性模量石墨弹性模量02公式E=70GPa铝合金弹性模量铝合金弹性模量塑性变形的影响因素塑性变形的影响因素材料的塑性变形随温度的升高而降低温度温度较高应力水平下材料容易发生塑性变形应力水平应力水平应变速率较大时，材料容易发生塑性变形应变速率应变速率材料晶粒的形状、大小、取向等均会影响材料的塑性变形材料的内部结材料的内部结构构旋转弯曲测试法旋转弯曲测试法旋转弯曲测试法旋转弯曲测试法测试时间较短，较简单测试时间较短，较简单适用于高周
9、疲劳适用于高周疲劳得到的数据相对比较粗略得到的数据相对比较粗略疲劳裂纹扩展测试法疲劳裂纹扩展测试法疲劳裂纹扩展测试法疲劳裂纹扩展测试法测试时间长，较复杂测试时间长，较复杂适用于高周疲劳适用于高周疲劳得到的数据相对比较准确得到的数据相对比较准确共振频率测试法共振频率测试法共振频率测试法共振频率测试法测试时间短，较简单测试时间短，较简单适用于低周疲劳适用于低周疲劳得到的数据相对比较粗略得到的数据相对比较粗略疲劳性能测试方法的比较疲劳性能测试方法的比较拉伸拉伸拉伸拉伸-压缩测试法压缩测试法压缩测试法压缩测试法测试时间长，较复杂测试时间长，较复杂适用于低周疲劳适用于低周疲劳得到的数据相对比较准确得到的
10、数据相对比较准确断裂韧性的计算断裂韧性的计算断裂韧性的计算断裂韧性的计算方法方法方法方法断裂韧性断裂韧性KICKIC的计算方法有多种，其中一种常用的方法是能量平衡法。该方法的计算方法有多种，其中一种常用的方法是能量平衡法。该方法基于材料的应力应变关系和弹性势能概念，可以比较准确地计算出材料的断基于材料的应力应变关系和弹性势能概念，可以比较准确地计算出材料的断裂韧性。但该方法需要知道断口区域的裂纹长度和断口前后的几何尺寸，实裂韧性。但该方法需要知道断口区域的裂纹长度和断口前后的几何尺寸，实验条件较为苛刻。验条件较为苛刻。疲劳寿命约为105次循环4545钢钢0103疲劳寿命约为107次循环钛合金钛
11、合金02疲劳寿命约为106次循环铝合金铝合金总结总结力学性能是材料重要的基本性能指标，包括弹性模量、塑性变形、疲劳性能和断裂韧性等。不同性能的测试方法和计算方法不尽相同，在实际工程中需要根据具体使用条件和要求进行选择，以保证材料性能满足工程需求。0404第第4章章 物理性能物理性能 热膨胀系数热膨胀系数热膨胀系数是指材料在温度变化过程中，单位温度变化下的长度变化率。材料的热膨胀系数对于各种工程问题，例如温度场计算，材料性能分析和设计等具有重要的影响。热膨胀系数的计算公式为deltaL/L0alpha*deltaT，其中deltaL是长度变化，L0是原始长度，alpha是热膨胀系数，deltaT
12、是温度变化量。导电性能导电性能导电性能是指材料导电能力的大小。在电子材料和导电材料中，导电性能是非常重要的物理指标。材料的导电性能受到许多因素的影响，例如温度，界面状态，晶体结构和氧化状态等。导电性能的计算公式为J=sigma*E，其中J是电流密度，sigma是导电系数，E是电场强度。磁性能磁性能磁性能是指材料磁化能力的大小。材料的磁性能也是材料的另一项重要性能，对于磁性材料的选用、设计和应用具有重要的意义。材料的磁性能通常通过磁滞回线、饱和磁场、磁导率和剩磁等参数来描述。光学性能光学性能光学性能是指材料对光线的特性。光学性能涉及到材料的折射率、反射率、透射率和散射等特性。在光学材料的设计和应
13、用中，光学性能是非常重要的物理指标。材料的光学性能受到许多因素的影响，例如波长、温度和材料的化学成分等。热膨胀系数的计算方法热膨胀系数的计算方法单位长度的长度变化率线膨胀系数线膨胀系数单位面积的面积变化率面膨胀系数面膨胀系数单位体积的体积变化率体膨胀系数体膨胀系数 包括晶格结构、化学成分、杂质等因素材料本身材料本身0103电场强度越大，材料的导电性能越好电场强度电场强度02随着温度的升高，材料的导电性能会下降温度温度顺磁性材料顺磁性材料顺磁性材料顺磁性材料氧化铁氧化铁氧化钠氧化钠氧化铜氧化铜氧化铝氧化铝氧化钛氧化钛抗磁性材料抗磁性材料抗磁性材料抗磁性材料铜铜银银金金铂铂铝铝铁铁 磁性材料分类磁
14、性材料分类铁磁性材料铁磁性材料铁磁性材料铁磁性材料高温软磁体高温软磁体高痕量磁体高痕量磁体永磁体永磁体半硬磁体半硬磁体软磁铁氧体软磁铁氧体非晶态铁基合金非晶态铁基合金低压铸造钕铁硼低压铸造钕铁硼金属间化合物金属间化合物光学性能测试方光学性能测试方光学性能测试方光学性能测试方法法法法光学透射率是指光线穿过材料后透过的光线占总光线的比例。光学透射率测光学透射率是指光线穿过材料后透过的光线占总光线的比例。光学透射率测试是通过将光线照射在样品上，然后测量透射光强度和入射光强度，计算透试是通过将光线照射在样品上，然后测量透射光强度和入射光强度，计算透射率。射率。透射率透射率测试测试磁性测试方法磁性测试方
15、法通过对材料施加交变外磁场，测量其在H方向上的磁滞曲线磁滞回线测试磁滞回线测试施加外磁场，使材料的磁化强度达到饱和，此时外磁场大小即为材料的饱和磁场饱和磁场测试饱和磁场测试通过施加外磁场，测量材料的磁感应强度和外磁场大小之间的比例关系磁导率测试磁导率测试 0505第第5章章 化学性能化学性能 腐蚀性能腐蚀性能腐蚀性能是材料在特定环境下受到腐蚀破坏的能力。腐蚀现象可以引起材料的力学性能、物理性能、化学性能等方面的变化，对材料的使用寿命和安全性会产生影响。腐蚀性能的测试方法包括失重法、电化学方法、电位-电流曲线法等。腐蚀性能的影响因素有温度、介质、成分等。氧化性能氧化性能氧化性能是指材料在高温、高
16、氧环境下受到氧化破坏的能力。氧化现象会影响材料的力学性能、物理性能和化学性能，因此氧化性能也是重要的材料化学性能之一。氧化性能的测试方法包括等温氧化、非等温氧化、循环氧化等。影响氧化性能的因素有氧化环境、温度、材料成分等。高温氧化行为高温氧化行为高温氧化行为是指材料在高温环境下受到氧化破坏的行为。高温氧化现象会导致材料的化学成分、晶体结构等方面的变化，进而影响材料的力学性能、物理性能等方面。高温氧化行为的测试方法包括等温氧化、非等温氧化、循环氧化等。影响高温氧化行为的因素有氧化温度、氧化环境、材料成分等。耐蚀性能耐蚀性能耐蚀性能是指材料在特定腐蚀介质中不受腐蚀破坏的能力。耐蚀性能的好坏直接关系
17、到材料的使用寿命和安全性。耐蚀性能的测试方法包括失重法、电化学方法、电位-电流曲线法等。影响耐蚀性能的因素包括腐蚀介质、温度、材料成分等。腐蚀性能测试方法腐蚀性能测试方法原理：失重法失重法原理：电化学方法电化学方法原理：电位电位-电流曲电流曲线法线法原理：剥落度法剥落度法氧化性能测试方法氧化性能测试方法原理：等温氧化等温氧化原理：非等温氧化非等温氧化原理：循环氧化循环氧化原理：恒温恒湿氧化恒温恒湿氧化氧化温度氧化温度0103材料成分材料成分02氧化环境氧化环境材料成分材料成分材料成分材料成分合金元素合金元素杂质含量杂质含量晶体结构晶体结构环境因素环境因素环境因素环境因素温度温度湿度湿度氧气含量
18、氧气含量其他因素其他因素其他因素其他因素形状形状表面处理表面处理应力状态应力状态耐蚀性能影响因素耐蚀性能影响因素腐蚀介质腐蚀介质腐蚀介质腐蚀介质酸碱成分酸碱成分盐度盐度温度温度腐蚀性能测试方腐蚀性能测试方腐蚀性能测试方腐蚀性能测试方法法法法失重法是测定材料腐蚀初始速率最基本的方法。失重法的原理是在固定条件失重法是测定材料腐蚀初始速率最基本的方法。失重法的原理是在固定条件下，浸泡试样一定时间后分析失重，从而得出材料在相应腐蚀环境下的腐蚀下，浸泡试样一定时间后分析失重，从而得出材料在相应腐蚀环境下的腐蚀速率。失重法适用于各种腐蚀条件下材料的腐蚀速率测定，具有广泛的适用速率。失重法适用于各种腐蚀条件
19、下材料的腐蚀速率测定，具有广泛的适用性。性。耐蚀性能测试方法耐蚀性能测试方法原理：失重法失重法原理：电化学方法电化学方法原理：电位电位-电流曲电流曲线法线法原理：扫描电子显微扫描电子显微镜镜(SEM)(SEM)0606第六章第六章 总结总结 课程总结课程总结课程总结课程总结本章节将对本课程的学习内容进行总结，通过回顾重要概念和知识点，帮助本章节将对本课程的学习内容进行总结，通过回顾重要概念和知识点，帮助学生梳理思路，为下一步的学习和应用打下基础。学生梳理思路，为下一步的学习和应用打下基础。知识点回顾知识点回顾复习课程核心概念重点概念重点概念回顾课程重要理论关键理论关键理论巩固课程实践操作实践技能实践技能复习相关案例案例分析案例分析分享结构与性能领域的实践经验实践经验实践经验0103分析结构与性能行业的发展趋势行业趋势行业趋势02介绍相关学术研究成果学术研究学术研究课程评价课程评价评价课程的教学质量教学质量教学质量评估课程内容的丰富度内容丰富度内容丰富度学生对课程的学习收获评价学习收获学习收获提出对课程改进的建议改进建议改进建议结语结语通过本章节的总结和回顾，希望同学们能够深刻理解结构与性能相关知识，并能够灵活运用于实践中。同时，欢迎同学们对课程提出宝贵意见和建议，让我们共同进步，感谢大家的参与与支持！THANKS 谢谢观看！