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材料概论.pdf

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材料 概论
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材 料 概 论姓 名 : 郭 立 童学 院 : 材 料 学 院电 话 :150 5082 3281课程性质 公共基础课(通识课程) 课程目的使得非材料类专业学生对材料科学与材料工 程的基本知识、材料的发展状态有一个基本的认 识,能够在各自的技术领域更好地利用材料发展 的成果。 第1章 材料科学基础知识 1 材料与材料科学材料是可以用来制造有用的构件、器件或物 品的物质。 什么是材料?材料是什么? 什么是材料科学?材料科学是有关材料成分、结构与工艺流程对 于材料性能与用途的影响规律的知识与运用。 1.1 绪论第1章 材料科学基础知识 成分(结构) 合成(工艺流程) 性能 效能第1章 材料科学基础知识 1.1.2 工程材料概述 用途 p结构材料:主要利用其力学性能 p功能材料:主要利用其物理、化学性能 成分 金属材料、无机非金属材料、高分子材料、 复合材料 第1章 材料科学基础知识 1、金属材料金属材料是至今为止最重要的工程材 料,包括黑色金属(钢铁)、有色金属(轻 金属)及其合金。由于金属材料具有良好的力学性能、 物理性能、化学性能及工艺性能,生产工艺 成熟,能采用比较简便和经济的工艺方法制 成各种构件和零件,因此是目前应用最广泛 的工程材料。第1章 材料科学基础知识 2、无机非金属材料无机非金属材料主要是水泥、玻璃、陶 瓷材料、耐火材料等。这类材料具有不可燃性、高耐热性、高 化学稳定性、不老化性以及高的硬度和良好的 耐压性,且原材料丰富,日益受到工程行业的 关注。第1章 材料科学基础知识 3、高分子材料高分子材料因其原料丰富、成本低、加工方便 等优点,发展极其迅猛。工程上通常根据高分子材 料的机械性能和使用状态将其分为塑料、橡胶和合 成纤维。工程塑料具有一系列优异的性能和很高的使用 价值,能在较宽的温度范围内承受机械应力和较苛 刻的物理化学环境中使用。第1章 材料科学基础知识 4、复合材料用原有的金属材料、无机非金属材料和高分子 材料等作为组分,通过一定的工艺方法将它们复合在 一起,制成既能保留原有材料组分的特征,又可以克 服组分材料的不足,还能显示出某些新性能的材料。复合材料也可以分为结构复合材料和功能复合 材料两大类。 太空梯-克拉克,19781.2、材料中的晶体结构 固体材料按照原子(原子团、分子)的排列 晶体 和 非晶体 晶体 非晶体 原子按某种特定方式在三维空间内周期性地 规则重复排列。原子排列是有序的 非晶体内部原子的排列是无序的。 1. 晶体与非晶体 晶体材料的性能表现为各向异性, 有确定的熔点 (石英) ;而非晶体各向性能基本相同,也没 有确定的熔点。 (玻璃)实际晶体材料大都是多晶体,由很多晶粒组成。 2、空间点阵和晶胞 晶格常数第1章 材料科学基础知识 实际晶体的原子排列可能有无限多种方式 3、纯金属的晶体结构 (1)体心立方晶格 bbc Cr、Mo、W、V、 ?-Fe、 ?-Ti 3、纯金属的晶体结构 (2)面心立方晶格 fcc Al、Cu、Ni、Pb、Ag、Au、 ?-Fe 3、纯金属的晶体结构 (3)密排六方晶格 hcp Mg、Zn、Be、 ?-Ti、Cd 4、离子晶体的结构 离子键结合 硬度高、强度大、熔点和沸点较高、热膨胀 系数较小,但脆性大 良好的绝缘体,往往是无色透明的。 Cl - Na + NaCl 晶体CaF 2晶体 第1章 材料科学基础知识 5、共价晶体的结构以共价键结合而成的晶体原子晶体 强度高、硬度高、脆性大、熔点高、 沸点高和挥发性低,结构比较稳定,导电能力较差 金刚石 和 石墨 第1章 材料科学基础知识 石墨结构 金刚石结构 C 第1章 材料科学基础知识 1.2.2晶体缺陷 1.2 材料中的晶体结构第1章 材料科学基础知识 刃 位错 螺 位错第1章 材料科学基础知识 1.2.3 相结构与相图 1.2 材料中的晶体结构相是合金中具有同一聚集状态、同一晶体结构 和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分。材料的性能与各组成相的性质、形态和数量直 接相关。不同的相具有不同的晶体结构,根据其特点可 以归纳为两大类:固溶体与中间相。 第1章 材料科学基础知识 (1)固溶体固溶体可在一定成分范围内存在,性能随成分 变化而连续变化(Fe,C)。 置换固溶体 间隙固溶体以合金中某一组元作为溶剂,其他组元为溶质, 所形成的与溶剂有相同晶体结构、晶格常数稍有变 化的固相称为固溶体。第1章 材料科学基础知识 (2)中间相(金属间化合物)固溶体的溶解有一个限度,当溶质含量超过这一 限度后便会形成一种新相,称为中间相。 中间相的晶 体结构和性能完全不同于其构成组元中的任一组元。以金属键为主导的中间 相具有一定的金属性,称为 金属间化合物;第1章 材料科学基础知识金属间化合物一般具有高的熔点及 硬度,可使合金的强度、硬度、耐磨性 及耐热性提高。具有特殊的物理、化学性能的中间相,其中 不少正在开发应用中,如性能远远优于硅半导体 材料的GaAs;具有形状记忆效应的NiTi合金;新 一代储氢材料LaNi 5 等。 第1章 材料科学基础知识 2、二元相图 相图是描述系统的状态、温度、 压力和成分之间关系的一种图形。利用相图可以知道不同成分的材料在不同温度 下存在哪些相、各相的相对量、成分及温度变化时 所可能发生的变化。 A 典型的二元合金基本相图 第1章 材料科学基础知识 1.3.1 高分子材料的基本概念 高分子化合物是指由一种或多种简单低分 子化合物聚合而成的相对分子质量很大的化合 物,所以又称聚合物或高聚物,通常把相对分 子质量小于5000的称为低分子化合物,而大于 5000的则称为高分子化合物。 1.3 高分子化合物第1章 材料科学基础知识高分子化合物的每个大分子都是由一种或几 种简单的低分子化合物,通过聚合反应连接起来 的。这些能够聚合成高分子化合物的低分子化合 物称为单体。 (2)单体单体是合成聚合物的起始原料。 乙烯(CH 2 =CH 2 )是 聚乙烯 的单体 氯乙烯(CH 2 =CHCl)是 聚氯乙烯 的单体第1章 材料科学基础知识高分子化合物的分子呈长链形,因此常称为大 分子链或分子链,由许许多多结构相同的基本单元 重复连接构成的。组成大分子链的这种特定的结构 单元叫作链节。 (3)链节 聚乙烯大分子链的结构式为: …CH 2 —CH 2 —CH 2 —CH 2 —CH 2 —CH 2 —CH 2 —… 简写为[—CH 2 —CH 2 —]n 聚乙烯的链节第1章 材料科学基础知识高分子化合物的大分子链中链节的重复次数称 为聚合度。聚合度反映了大分子链的长短和相对分 子质量的大小。一个大分子链的相对分子质量M,等于链节的 相对分子质量m和聚合度n的乘积。即 M = n ? m。 (4)聚合度 [—CH 2 —CH 2 —] n人是衡量万物的尺度。放大镜显微镜电子云内层的2个电子一花一世界第1章 材料科学基础知识 1.4 材料的力学性能 1.4.1 常规性能指标 拉伸试验、性能 第1章 材料科学基础知识 1、强度指标 1.4.1 常规性能指标 屈服极限——屈服点 ? s工程屈服强度 ? 0.2抗拉强度(强度极限) ? b2、塑性指标 伸长率 ? K 断面收缩率 ? % 100 0 0 ? ? ? l l l K K ? % 100 0 0 ? ? ? F F F K ?第1章 材料科学基础知识 3、硬度 硬度是衡量材料软硬程度的一种性能指标。一般可以认为硬度是材料表面抵抗局部压入变 形(金属)或刻划破裂(陶瓷)的能力。 1滑石 2石膏 3方解石 4萤石 5磷灰石 6正长石 7石英 8黄玉 9刚玉 10金刚石 摩氏硬度计(1822)第1章 材料科学基础知识 (1)布氏硬度HBW 通常用于测试有色金属,调质和正火、退火态 的黑色金属。 350HBW5/750 (2)洛氏硬度HR HRA、HRB和HAC HRC 通常用于淬火钢、高硬度铸件、珠光体 可锻铸铁 。60HRBW 硬质合金球120 o 的金刚石园锥或淬火钢球或硬质合金球第1章 材料科学基础知识 (3)维氏硬度及显微硬度HV 可测定金属箔、极薄的表面层的硬度以及合金 中各组成相的硬度。 (4)肖氏硬度HS肖氏硬度只能在相同弹性模量的材料之间进行 硬度对比。 动载荷试验法(规定形状的金刚石冲头),手 提式,使用方便,可在现场测量大型工件的硬度。 金刚石正四棱锥第1章 材料科学基础知识 1.4.2 疲劳强度 1、疲劳抗力 材料抵抗交变应力作用的能力。 2、疲劳抗力指标及性质 疲劳极限 应力循环变 化无限次材料不发生疲 劳破坏的最大应力 ? r。第1章 材料科学基础知识 1.4.3 材料韧性 低应力脆性断裂 韧性是材料从变形到断裂全过程中吸收能量 的大小,是强度和塑性的综合表现 。第1章 材料科学基础知识 1.4.3 材料韧性 低应力脆性断裂 u 通常发生脆断时的宏观应力很低,按强度设 计是安全的 u 脆断通常发生在比较低的工作温度下 u 脆断从应力集中处开始,裂纹源通常在结构或材料的缺陷处,如缺口、裂纹、夹杂等 u 厚截面、高应变速率促进脆断 第1章 材料科学基础知识 1、冲击韧度 在材料测试和工程实践中应用比较广泛的是 缺口冲击实验。常用的冲击试样有夏氏V型和梅氏 U型缺口试样,用冲击试样的断裂功A K (J)或a k (J/cm 2 )作为材料的韧性指标。 第1章 材料科学基础知识工程上常用的结构钢在 一定的温度T T 以下均会产生 脆性断裂。温度T T 称为材料 的冷脆转变温度,或称韧脆 转变温度。 2、冷脆用材料的脆性转变温度T T 作为防止脆断发生的 安全判据,设计时根据构件的工作温度来选取具有 合适脆化温度T T 的材料 。 T T A K (J) T( o C)第1章 材料科学基础知识 3、断裂韧度 裂纹体的断裂 应力场强 度因子K Ia Y K ? ? I a Y K ? ? I ? K IC 断裂韧度 安全判据第1章 材料科学基础知识 1.5 相变与热处理 1.5.1 材料的凝固 吉布斯自由能 G 温度 T G S G L ?G= G S- G L O T m在非平衡温度,存在 液固两相自由能差 ?G,产 生凝固或熔化驱动力。 T m 是理论熔点或凝固点。 物质在实际凝固过程中,只有在低于T m 的温 度才能开始凝固,这一现象称为过冷,实际凝固 温度与理论温度的差值称为过冷度。 ?第1章 材料科学基础知识 2、金属的结晶 (1)金属的结晶过程 第1章 材料科学基础知识 (2)晶粒尺寸的控制 a. 提高冷却速度 b. 化学变质法 c. 振动和搅拌 3、凝固技术的应用 (1)单晶的制备 (2)区域熔炼(提纯) 第1章 材料科学基础知识 1.5.2 铁碳合金相图 图1-18 Fe-Fe 3 C相图 第1章 材料科学基础知识 (1)铁素体(F) 碳原子溶入 ?-Fe (911 ?C)形成 的间隙固溶体。 1、铁碳合金的相和组织 铁素体具有优良的塑性和韧性,但强度、硬 度较低,在铁碳合金中属于软韧相。 (2)奥氏体(A) 碳原子溶入 ?-Fe (1394 ?C)中 形成的间隙固溶体。奥氏体是在727 ?C以上的高温平衡相,具有 极好的塑性,所以碳钢具有优良的轧、锻等热 加工工艺性能。第1章 材料科学基础知识 (3)渗碳体(Fe 3 C,Cem) 渗碳体是铁与碳原 子结合形成的具有金属性质的复杂间隙化合物, 分子式为Fe 3 C,w(C)为6.69%。渗碳体硬度很高,约800 HV,但极脆,塑性 和韧性几乎为零。 (4)珠光体(P) 铁素体与渗碳体的机械混合 物,是共析反应的产物,w(C)为0.77%。珠光体综合了铁素体和渗碳体的性能特点, 因而具有优良的综合机械性能,是钢铁合金中的 基本组织 。第1章 材料科学基础知识 1.5.3 固态相变 1、钢在加热时的转变 按照钢的含碳量,可以把钢分为亚共析钢[w(C) <0.77%]、共析钢[w(C)=0.77%]和过共析钢[w(C)> 0.77%] 。 加热时,奥氏体 转变。(珠光体=铁素体+渗碳体)第1章 材料科学基础知识 2、钢在冷却时的转变 (1)珠光体类型转变(~650~550 o C,奥氏 体向珠光体转变) (珠光体,索氏体,屈氏体,粒状珠光体)第1章 材料科学基础知识 (2)贝氏体类型转变 ①上贝氏体(B U ,B 上 )。形成 温度550~350 o C。塑变抗力低, 易引起脆断。工程上不用。 ②下贝氏体(B L ,B 下 )。约在350 o C~Ms形成。 强度、韧性和塑性高,具 有优良的综合力学性能,在工 业中得到广泛应用。 上贝氏体 下贝氏体第1章 材料科学基础知识当奥氏体获得极大过冷时(如共析碳钢过冷至 230o C以下),将转变为马氏体类型组织。 (3)马氏体类型转变 板条马氏体 低碳马氏体(C1%) 薄板状马氏体 铁碳合金组织:铁素体(F),奥氏体(A),渗 碳体(Fe 3 C),珠光体(P)固态相变:珠光体(珠光 体P,索氏体S,屈氏体T), 贝氏体(上贝氏体B U ,下 贝氏体B L ),马氏体(板 条状,片状,薄板状) 第1章 材料科学基础知识第1章 材料科学基础知识将工件加热到适当温度,保温一定时间,加 热得到的组织均匀化后缓慢冷却(一般为随炉冷 却)的工艺称为退火处理。 (1)退火 1.5.4 材料热处理 热处理通常包括加热和冷却两个过程,其实 质是固态相变过程。 第1章 材料科学基础知识 (2)正火加热至A c 以上30~50 o C,然后在空气中均匀 冷却的热处理工艺。 (3)淬火加热至A c 以上30~50 o C,然后在介质中快速 冷却,以获得马氏体和(或)贝氏体组织的热处 理工艺称为淬火 。第1章 材料科学基础知识第1章 材料科学基础知识淬火钢一般不宜直接使用,必须进行回火处 理。将淬火后的钢件再加热至A c 点以下保温的热 处理工艺。 (4)回火 主要目的是: 降低脆性,消除或减少内应力,防 止变形和开裂,提高力学性能。第1章 材料科学基础知识 2、表面热处理 要求表面有高的硬度、耐磨性和疲劳强度,心部又要 求有足够的强度、韧性和塑性的匹配。 (1)表面淬火 感应加热和火焰加热淬火 (2)化学热处理 渗碳、渗氮、 渗硼等 (3)高能束表面处理 利用激光、电子束(X射线)、等离子弧等高功率高 能量密度能源加热工件的热处理工艺。第1章 材料科学基础知识阳光动力号(Solar Impulse):2003 瑞士
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