物料管理_材料应用现状与新材料的发展趋势

基础材料与新材料 绪论木工教研室于晓芳 第一节材料发展概述材料 人类用来制造各种产品的物质 是人类生产和生活的物质基础 能源 信息和材料被称为现代科学技术的三大支柱 历史学家将人类早期历史划分为石器时代 陶器时代 青铜时代和铁器时代等 现在人类已进入人工合成材料的新时期 一 石器时代 石器是人类最先使用的工具 在新石器时代 出现了玉器 陶器和瓷器 如金镂玉衣 秦始皇兵马俑等 我国是生产瓷器最早的的国家 二 青铜器时代 青铜 铜锡合金 人类历史上发明的第一种合金 晚商和西周是我国青铜器时代的鼎盛时期 如 司母戊 大方鼎 越王勾践的两把宝剑等 三 铁器时代 春秋战国时期已开始大量使用铁器 春秋晚期出土的铁器 江苏六合程桥楚墓的铁丸 长沙楚墓的铁鼎 战国时期已有韧性铸铁生产工艺 在汉代冶铁遗址中 发掘出20多座冶铁炉和锻炉 炉型庞大 结构复杂 并有鼓风装置和铸造坑 四 钢铁工业和有色金属的发展 铸铁 用来制作农具 兵器等 瓦特发明蒸气机以后 实现工业化生产 炼钢技术是在蒸气机出现 能够提供强大的鼓风和动力以后才发展起来的 目前我国的钢产量已跃居世界首位 五 非金属材料的发展 丝绸是一种天然高分子材料 有机合成材料每年以14 的速度增长 而金属材料的年增长率仅为4 陶瓷材料在冶金 建筑 化工以及尖端技术领域 已成为耐高温 耐腐蚀和各种功能材料的主要材料 六 复合材料及新材料技术的发展 传统的单一材料已不能满足使用要求 复合材料和新材料的研究和应用引起了人们的重视 新材料是指那些对现代科学技术的进步和国民经济的发展有重大推动作用的材料 这些材料具有传统材料所没有的或无法比拟的优异性能 它的出现将极大地促进生产力的提高 推动社会飞速发展 第二节材料应用现状与新材料的发展趋势 一 材料应用的现状目前 用量最大的材料是钢铁材料和铝合金 铜合金 钛合金及镍合金等有色金属 工程塑料常用于计算机外壳 接线板 控制按钮 窗玻璃 容器等 传统陶瓷主要用于建筑行业 而先进陶瓷材料则在高新技术领域得到应用 复合材料尤其是金属基复合材料在航空航天部门得到了广泛应用 二 新材料的发展趋势新材料的研制与开发应用和一个国家的工业实力及经济 军事力量的增长都有十分密切的关系 1 先进复合材料金属基复合材料是当前先进复合材料研究中引人注目的重点领域之一 如碳纤维增强铝 粉末颗粒增强铝 硼纤维增强铝等 陶瓷复合材料尚处于研究试制开发阶段 研究的品种包括陶瓷纤维增强陶瓷和玻璃材料 金属纤维增强陶瓷和玻璃材料 晶须增强陶瓷和玻璃材料等 2 光电子信息材料基本材料的研究 如超高纯玻璃 新型半导体材料 先进薄膜材料等 3 低维材料所谓低维材料就是指超微粒子 零维 纤维 一维 和薄膜 二维 材料 这是近年来发展最快的材料领域 通过溶胶 凝胶法 多相沉积或激光等方法 可以制备出亚微米级的陶瓷或金属粉末 其大小只有几个原子到几百个原子 一般称为纳米级超细微粉 纳米级金属颗粒是电的绝缘体及吸光的黑体 以纳米颗粒制成的陶瓷具有较高的韧性和超塑性 纳米级金属铝的硬度是块状铝的8倍等 一维纤维中最重要的是光导纤维 可用于通信工程材料 光导纤维的特点是其信息传输量远比用铜 铅的同轴电缆大 而且光纤有很强的保密性 二维材料 薄膜 的发展也很快 特别是电子技术的发展 需要各种类型的薄膜材料 当前发展最快的是金刚石薄膜 高温超导薄膜和半导体薄膜等 4 新型金属材料高性能金属新材料近期发展方向 主要是通过新技术 新工艺 提高合金化程度或改变组织 从而大幅度提高材料的性能 开发出新的品种 例如 可以通过对合金成分的合理设计及微量元素的控制 研制出了高比强度与高比模量的AL Li合金 通过快速冷却 104K s 105K s 可使某些合金成为非晶态 或可以得到微晶 提高合金化程度 从而使合金得到强化 5 高性能塑料新型的高性能高分子材料 强度可比金属更高 且更耐腐蚀 生产过程耗能低 成型加工工艺性能良好 成本较低 所以发展较快 目前高性能塑料主要应用于家用器皿 建筑构件以及军用品 以及汽车及飞机工业上 6 先进陶瓷材料先进陶瓷材料可分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类 目前人们关注的是高温结构陶瓷在内燃机上的应用研究 它将使热机效能大大提高 减少环境污染 扩大燃料使用范围 7 超导材料目前研制的重点是高温超导材料的研制 第三节材料的分类 按使用性能分类 可分为以力学性能为主的结构材料和以物理 化学性能为主的功能材料 按用途分类 可分为机械材料 信息材料 电子材料 能源材料 生物材料 建筑材料 电工电器材料 农用材料等 目前材料通常是按其组成和结构特点 分为金属材料 高分子材料 陶瓷材料和复合材料四大类 见下表 工程材料的分类 一 金属材料 金属材料 是以金属元素为基础的材料 合金 是在纯金属中 有意地加入一种或多种其他元素 通过冶金或粉末冶金方法制成的具有金属特性的材料 金属材料可以分为两大部分 黑色金属 铁和以铁为基的合金 包括钢 铸铁和铁合金 有色金属 黑色金属金属以外的所有金属及其合金 二 高分子材料 高分子材料由大量相对分子质量特别大的大分子化合物组成 每个大分子皆包含有大量结构相同 相互连接的链节 高分子化合物具有较高的强度 良好的塑性 较强的耐腐蚀性能 很好的绝缘性 以及重量轻等性能 在工程上是发展最快的一类新型结构材料 工程上通常根据机械性能和使用状态将高分子材料分为四大类 塑料 强度 韧性和耐磨性较好 可制造某些机器零件或构件的工程塑料 可分为热塑性塑料和热固性塑料 合成纤维 由单体聚合而成的 强度很高的聚合物 通过机械处理所获得的纤维材料 橡胶 经硫华处理的 弹性特别优良的聚合物 有通用橡胶和特种橡胶两种 胶粘剂 通过粘附作用 使同质或异质材料连接在一起 并在胶接面上有一定强度的物质 又叫黏合剂或黏结剂 三 陶瓷材料 陶瓷是一种或多种金属元素同一种非金属 通常为氧 的化合物 其中尺寸较大的氧原子为陶瓷的基质 较小的金属 或半 金属如硅等 原子处于氧原子之间的空隙中 陶瓷的特点是强度高 硬度大 耐腐蚀 缺点是脆性大 陶瓷材料属于无机非金属材料 由于大部分无机非金属材料含有硅和其他元素的化合物 所以又叫做硅酸盐材料 它一般包括无机玻璃 硅酸盐玻璃 玻璃陶瓷 或称微晶玻璃 和陶瓷等三类 按照成分和用途 工业陶瓷材料可分为 普通陶瓷 即传统陶瓷 主要为硅 铝氧化物的硅酸盐材料 特种陶瓷 又叫新型陶瓷 主要为高熔点的氧化物 碳化物 氮化物 硅化物等的烧结材料 金属陶瓷 主要指由金属和陶瓷性非金属组成的烧结材料 四 复合材料 复合材料是由两种或两种以上不同材料组合的材料 其性能优于它的组成材料 复合材料在强度 刚度和耐腐蚀性方面比单纯的金属 陶瓷和聚合物都优越 是一类特殊的工程材料 具有广阔的发展前景 第一章材料科学基础知识木工教研室于晓芳 第一节固体材料中的原子排列固体分为晶体与非晶体两大类 晶体的特点 原子排列有规则 有固定的熔点 各向异性 非晶体的特点 原子排布没有规律 没有固定的熔点 各向同性 一 短程有序与长程有序1 短程有序 原子仅在很小的范围 几个原子的尺度 内呈一定的规则排列 2 长程有序 原子在很大的范围内是按一定的规则排列的 具有长程有序排列的材料称为晶体材料 金属 半导体 大部分陶瓷材料都是晶体材料 某些高分子材料也是晶体材料 二 晶体中原子的结合 化学键分离子键 共价键 金属键和分子键四种 1 离子键和离子晶体离子键 由正负离子通过强烈的化学作用而形成的化学键 称为离子键 离子晶体 离子键构成的晶体 离子晶体的特点 硬度大 强度高 热膨胀系数小 绝缘性好 脆性大 氯化钠离子晶体结构 2 共价键共价键 由共用电子对产生的化学键称为共价键 共价晶体 原子晶体 共价键构成的晶体 共价晶体的特点 强度高 硬度大 熔点高 挥发性低 脆性大 是良好的绝缘体 金刚石共价晶体结构 3 金属键和金属晶体金属键 在金属中 正离子与自由电子之间的强烈的化学作用 金属晶体 金属键构成的晶体 金属晶体的特点 具有良好的导电性和导热性 塑性好 强度高 不耐腐蚀 4 分子键和分子晶体分子键 存在于中性分子或原子之间的结合力 称为分子键 分子晶体 依靠分子键结合的晶体 分子晶体的特点 熔点低 硬度低 熔点 强度 硬度和分子之间的作用力有密切的关系 作用力越大 则熔点 强度 硬度越大 塑性与脆性与分子间的作用力有关 离子晶体和原子晶体脆性大 金属晶体塑性大 三 晶体结构的一些重要概念 晶体的刚性球模型1 晶体 晶格 晶胞及晶系晶体中原子 离子或分子 在空间呈规则排列 规则排列的方式称为晶体结构 晶格 假设通过原子 分子或离子 的中心划出许多空间直线 构成空间格架 这种假想的格架称为晶格 晶胞 晶格中能够反映晶格几何特征的最小几何组成单元 晶格常数 a b c 晶胞 晶体结构的七种晶系十四种点阵 2 晶格尺寸晶格尺寸是指晶胞的大小 用晶格常数表达 晶格常数的单位为nm 晶体的晶格常数多为0 1 0 7nm 3 晶胞原子数是指一个晶胞所含的原子数目 4 原子半径晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半 5 致密度晶胞中原子所占体积的百分数 致密度 晶胞中原子的体积 晶胞的体积6 配位数晶格中 与任一原子处于相等距离并相距最近的原子数目称为配位数 配位数越大 则致密度越高 5 三种典型的金属晶体结构体心立方晶格 原子分布在立方晶胞的中心和八个角上 典型的有 Fe Cr Mo W等 面心立方晶格 原子分布在立方晶胞的六个面的中心和八个角上 典型的有Au Ag Cu Al Ni Pb等 密排六方晶格 原子分布在六方晶胞的十二个角 上下底面的中心以及两底之间三个均匀分布的间隙里 当c a 1 633时 结构最紧密 属于这种晶格的有Mg Zn Be等 四 晶体中的晶面和晶向 晶面 通过晶体中原子 分子或离子 中心的平面 晶向 通过原子 分子或离子 中心的直线 在晶体学中经常用晶面指数和晶向指数来表示晶面和晶向 1 立方晶系晶面指数的确定方法 确定立方晶系晶面指数的步骤如下 1 选定不在预定晶面上的晶格中任一节点为空间坐标系的原点 以晶格三棱边为坐标轴ox oy oz 以晶格常数a b c分别作为ox oy oz轴的长度度量单位 2 求出预定晶面在三个轴上的截距 3 取欲定晶面的三轴截距的倒数 并将其化为最小整数 4 把三正数写在圆括号内 并将其化为最小整数 注意 当某一平面与某轴平行时 该晶面与该轴的截距为无穷大 2 立方晶系晶向指数的确定方法确定晶向指数的步骤如下 1 选定坐标系 其方法与晶面指数的方法相同 2 过坐标原点作一平行于欲求晶向的直线 求出该直线上任一节点的坐标轴 并将其化为最小整数 3 将整数记在方括号内 整数之间不用标点分开 这样 即得到晶向指数 uvw 3 晶面和晶向的原子密度晶面原子密度是指晶面单位面积中的原子数 晶向指数密度是指该晶向单位长度上的原子数 体心立方与面心立方晶体各主要晶面和晶向的原子密度如下图 体心立方与面心立方晶体各主要晶面的原子排列与密度 体心立方与面心立方晶体各主要晶向的原子排列与密度 7 堆垛方式假设原子同是半径相等的刚性球 面心立方结构和密排六方结构密排面上原子堆垛方式有很大的相似之处 面心立方结构和密排六方结构中原子堆垛方式 FCC按 111 面的堆垛次序 8 各种金属晶体的四面体间隙和八面体间隙 体心立方结构的间隙 面心立方结构的间隙 a 八面体间隙 b 四面体间隙 密排六方结构的间隙 a 八面体间隙 b 四面体间隙 第二节晶体中的缺陷实际晶体并非是由晶胞规则地重复排列而成的理想晶体结构 由于种种原因 在金属中存在着缺陷 晶体中的缺陷有三种 分别是点缺陷 线缺陷以及面缺陷 点缺陷影响材料的物理性能 线缺陷影响材料的力学性能 各种缺陷均影响材料的冶金性能 一 点缺陷点缺陷是指在三维尺度上都很小 不超过几个原子直径 的缺陷 主要有以下三种 1 空位空位 晶格上没有原子的节点称为空位 空位产生的原因 晶体中的热运动 塑性变形以及高能离子辐射等也能形成空位 2 间隙原子间隙原子 在晶格节点以外位置上的原子称为间隙原子 间隙原子一般为原子半径小的异类原子 如C N O B H 等 间隙原子产生的原因 金属中存在着空隙 3 置换原子置换原子 占据晶格节点的异类原子称为置换原子 一般说来 置换原子的半径和基体原子相当 或比基体原子大 产生原因 晶体中存在着大量空隙 注 由间隙原子或置换原子融入基体晶格内 可形成间隙固溶体或置换固溶体 由于形成固溶体会造成弹性应力场 从而使金属的强度增加 电阻率增大 即固溶强化 金属强化的一种方式 4 点缺陷的运动点缺陷并非固定不动 而是处于不断的运动变化之中 例如 当空位周围的原子跳入空位后 在原子的原来位置上就形成了一个新的空位 这相当于空位移动了一定距离 此过程不断进行 即形成了空位的运动 同理 间隙原子也可由一个间隙位置迁移到另一个间隙位置 当间隙原子与空位相遇时 它填入此空位而使两者都消失 这一过程称为复合 空位和间隙原子的运动是晶体中原子扩散的重要方式 晶体的理论切变强度 一般金属 m 104 105MPa 实际金属单晶 1 10MPa 线缺陷 位错 滑移面 滑移台阶 1934年提出位错的概念 位错滑移的比喻 位错的基本类型1 刃型位错位错线和滑移方向垂直的位错 通常称晶体上半部多出原子面的位错为正刃型位错 用符号 表示 反之为负刃型位错 用 表示 刃型位错的滑移过程示意图 正刃型位错 位错线 负刃型位错 2 螺型位错位错线和滑移方向平行的位错 螺旋位错分为左旋和右旋 以大拇指代表螺旋面前进方向 其他四指代表螺旋面的旋转方向 符合右手法则的称右旋螺旋位错 符合左手法则的称左旋螺旋位错 螺型位错的滑移过程示意图 螺型位错的滑移 混合位错示意图 3 混合位错 4 柏氏矢量 1 柏氏矢量的确定方法先确定位错的方向 一般规定位错线垂直纸面时 由纸面向外为正 按右手法则做柏氏回路 右手大拇指指位错正方向 回路方向按右手螺旋方向确定 从实际晶体中任一原子M出发 避开位错附近的严重畸变区作一闭合回路MNOPQ 回路每一步连结相邻原子 按同样方法在完整晶体中做同样回路 步数 方向与上述回路一致 这时终点Q和起点M不重合 由终点Q到起点M引一矢量QM即为柏氏矢量b 柏氏矢量与起点的选择无关 也与路径无关 刃型位错柏氏矢量的确定 a 有位错的晶体 b 完整晶体 M N O P Q M N O P Q 柏氏矢量 螺型位错柏氏矢量的确定 a 有位错的晶体 b 完整晶体 柏氏矢量 位错的特点 易动性 增殖性 缠结性 3 螺形位错和刃型位错的力学模型 a 刃位错 b 螺位错 三 面缺陷面缺陷 指晶体中一维尺度很小而二维尺度较大的缺陷 主要指晶体中晶界和亚晶界 细化晶粒 增大晶界的总面积是金属材料 陶瓷材料重要的强化手段 面缺陷 晶界 四 晶界的特性 1 常温下 晶界对位错的运动起阻碍作用 使材料具有较高的塑性变形抗力 因此 晶粒越细 材料的强度 硬度越高 2 晶界上原子具有较高的动能 而且存在较多的空位 位错等缺陷 因而原子的扩散速度比在晶粒内部快得多 3 晶界具有较高的能量 易于满足相变所需的能量起伏条件 所以在发生相变时 新相往往首先在母相的晶界内形核 4 当材料中加入某些微量元素时 那些能降低晶界能的元素 将优先富集于晶界于晶界 这种现象叫内吸附 以区别于外表面的吸附 5 晶界容易被优先腐蚀和氧化 第三节材料的力学性能 一 强度与塑性 一 应力 应变图 二 弹性模量 三 强度 二 硬度几种测量硬度方法的比较 三 韧性定义 材料抵抗裂纹萌生与扩展的能力 分冲击韧性和断裂韧性两种 冲击韧性 材料受冲击而断裂的过程中所吸收的冲击功的大小 断裂韧性 材料裂纹尖端应力强度因子的临界值 四 疲劳特性