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材料科学与工程导论Introductiontomaterialscienceandengineering 河南理工大学矿物加工专业 绪论材料的定义与分类材料的地位和作用材料科学与工程的形成和发展 材料的定义 材料是人类用于制造机器 构件和产品的物质 是人类赖以生存和发展的物质基础 挑战者1983首航第十次一个O形环失效 升空后73秒时 爆炸解体坠毁 机上的7名宇航员 RMSTitanic 冰山撞击了船体 导致船底的铆钉承受不了撞击因而毁坏 当初制造时也有考虑铆钉的材质使用较脆弱 而在铆钉制造过程中加入了矿渣 但矿渣分布过密 因而使铆钉变得脆弱无法承受撞击 冰海沉没 材料的分类 分类一 按物理化学属性划分无机非金属材料金属材料高分子材料复合材料 材料的分类 分类二 按用途分电子信息材料航空航天材料核材料建筑材料生物医用材料能源材图13中科院金属所研制的纳米碳纤维储氢材料 材料的分类 分类三 按性能分结构材料 力学性能为基础 制造受力构件所需的材料 功能材料 利用物质独特的物理化学性质或生物功能而形成的材料 材料的分类 分类三 按性能分功能材料智能材料 材料的分类 分类四 按应用与发展分传统材料新材料 材料是人类文明的里程碑 人类使用不同材料的开始时间 材料是社会现代化的物质基础与先导 第一次工业革命 18世纪 蒸汽机 煤 铁 钢四个主要因素 theageofmachine 钢铁材料的进步是其主要物质基础 第二次工业革命 20世纪中叶以来 单晶硅材料对电子技术的发明和应用起了核心作用 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 900 1100 1500 1300 材料的表面温度 1700 单晶合金 普通铸件 定向凝固超级合金 共晶合金 弥散强化超级合金 隔热涂层 陶瓷复合材料碳 碳 在发动机上应用的年份 叶片材料的发展历程 纤维增强超级合金 火箭壳体材料与导弹射程 alight strongpara aramidsyntheticfiber芳族聚酰胺合成纤维 5timesstrongerthansteelonanequalweightbasis Kavlar 苯二胺对苯二酰 ENIACElectronicNumericalIntegratorAndComputer电子管1941 1946美国vacuumtubecomputers 170平方米 30吨 150千瓦 48万美元17 468电子管10 000电容器 1500继电器 6000多个开关 绝招 1秒5000次加法和500次乘法 继电器计算机快1000多倍 手工计算20万倍 TRADIC TransistorizedAirborneDigitalComputer美国贝尔实验室1954晶体管 transistors 800 Itcouldperformamillionlogicaloperationseverysecond stillnotquiteasfastasthevacuumtubecomputersoftheday butprettyclose Andbestofall itoperatedonlessthan100wattsofpoweranditwasmuchmorereliablethanitsvacuumtubepredecessors IBM360集成电路计算机1964Itwasthefirstfamilyofcomputersdesignedtocoverthecompleterangeofapplications fromsmalltolarge bothcommercialandscientific 1970stensofthousandsoftransistorsperchipLSIMillionVLSI1989Million2005billiontransistor2007tensbilliontransistor IBM515019818088微处理器ImacG42002 CompaqLTE386laptop1989Intel8086processor 小结 上述事例雄辩的表明 新材料在人类社会进步 产业革命和提高人类生活品质中具有特别重要的基础和先导作用 其发展对提高国家的综合国力具有巨大的推动作用和深远影响 21世纪重点发展的高技术领域的材料选择 信息科学技术信息材料新能源科学技术新能源材料生物科学技术生物医用材料空间科学技术空间技术用材料生态环境科学技术生态环境材料用高技术改造 更新现有材料 发展材料科学技术 信息科学技术正在发生结构性变革 仍然是经济持续增长的主导力量通信网络技术为信息产业注入强大活力3G时代3rd generation半导体技术进入纳米时代纳米芯片机器人计算机智能技术日新月异 高锟光纤之父高锟教授在一九六六年发表光通讯九十年代n1 481 46LED激光光敏元件2亿m s3亿单模多模反射光子晶体衍射 生物技术正经历着一场前所未有的技术革命 一个庞大的生物产业正在孕育和形成基因组学 蛋白质科学 干细胞及再生医学的研究成为生命科学的前沿与热点干细胞及再生医学的研究及应用为人类健康开辟了新道路生物芯片在医疗和科研领域转基因技术 航天技术快速发展 不断开辟人类探索的新空间太空探索带动太空探索技术加速发展研制多种用途的新一代航天飞行器成未来趋势小卫星技术日趋成熟并将广泛应用太空攻防技术成为未来航天技术发展的重要领域 能源材料煤炭的高效清洁利用成为化石能源技术研发热点核能技术氢能储氢材料新能源和可再生能源技术展现良好前景 南非沙索技术转让10亿 新材料技术出现群体性突破 将对21世纪基础科学和几乎所有工业领域产生革命性影响纳米技术是前沿技术中最具前瞻性和带动性的领域之一光电子材料 光子材料将成为发展最快和最有前途的电子信息材料 新型功能材料 超导材料 智能材料 生物医用材料 新型结构材料 高温合金 难熔金属 金属间化合物 金属基复合材料 高分子材料 钛合金 镁合金 21世纪材料生产模式 材料的单项循环 材料产业 资源能源消耗大户环境污染的主要来源 单项模式的灾难 材料循环 材料双向循环模式 废物在不同生产过程中循环多产品共生的工业模式三废综合利用 矿物加工矿产原材料工业废料粉煤灰废旧电子产品等 双向循环模式 双向循环模式 材料科学与工程的定义 材料科学 研究材料的组织结构与性质之间的关系 材料工程 是研究材料在制备 处理加工过程中的工艺和各种工程问题 材料科学与工程 是指出研究有关材料的组成 结构 制备工艺流程与材料性能和用途关系的知识和它的应用 材料科学与工程的特点 基础科学研究 结构性能使用特性 社会需求和经验 科学知识 经验积累 MSE 工艺 材料科学与工程的特点 一是多学科交叉 它是物理学 化学 冶金学 金属学 陶瓷学 高分子化学及计算科学相互融合和交叉的结果 二是一种与实际使用结合非常紧密的科学 发展材料科学的目的在于开发新材料 提高材料的性能和质量 合理使用材料 同时降低材料成本和减少污染 三是材料科学是一个正在发展中的科学 不像物理学 化学已有很成熟的体系 它将随着各有关学科的发展而得到充实和发展 材料科学与工程的内涵 组成要素 成分结构合成加工使用效能 材料科学与工程的形成和发展 材料科学与工程学科的形成与发展 反映了学科发展从细分到整合的基本规律 材料科学与工程的由来 为了满足经济和社会的需求 人们早已大量使用材料 并推动材料的不断发展 但20世纪之前的材料进步往往大量依靠人们的经验 技巧 继承和积累 发展的速度还是缓慢的 其原因在于人们还没有对材料在科学上有深刻的认识和理解 直到20世纪60年代才提出 材料科学 的概念 材料科学 的形成实际上也是科学技术发展的结果 是各学科综合发展的必然结果 固体物理 无机有机化学 物理化学 物质结构和性质 冶金学 金属学陶瓷学 高分子学 材料的制备结构与性能 金属材料 高分子材料与陶瓷材料之间的共性规律 材料科学 从社会经济需求的牵引 科学技术发展的推动以及不同材料的诸多共性来看 有必要形成一门材料科学 材料科学一般认为研究材料的组织 结构和性质的关系 探索自然规律 属于基础研究 但实际上 研究和发展材料的目的在于应用 材料又是一门应用科学 研究材料必须通过合理工艺流程才能制备出具有实际价值的材料来 即材料工程问题 美国MIT1865 1879地质与采矿工程1879 1884采矿工程1884 1888采矿工程 地质 采矿 冶金 1888 1890采矿与冶金1890 1927采矿工程与冶金1927 1937采矿与冶金1937 1966冶金1966 1975冶金与材料科学1975 现在材料科学与工程 高校材料系的发展历史 Thanksforyourattention 第二部分材料科学与工程的四要素 MSE四要素使用性能材料的性质结构与成分合成与加工 两个重要内容仪器与设备分析与建模 54 材料性质 是功能特性和效用的描述符 是材料对电 磁 光 热 机械载荷的反应 55 材料性质描述 力学性质 物理性质 化学性质 56 材料的结构 键合结构 晶体结构 组织结构 57 材料的结构 键合结构 结合能 陶瓷材料 高分子材料 金属材料 冰 H20 卤族晶体 注 1 有些陶瓷材料属共价键化合物 如SiC陶瓷 2 分子键又称范德瓦尔斯力3 实际晶体并非只有一种键合结构 如冰晶 共价键 氢键 58 晶体 原子排列长程有序 有周期 材料的结构 晶体结构 非晶体 原子排列短程有序 无周期 准晶体 原子排列长程有序 无周期 59 定义 组成材料的不同物质表示出的某种形态特征 材料的结构 组织结构 匀晶型组织 共晶型组织 包晶型组织 相图特征 结构特征 马氏体组织 奥氏体组织 贝氏体组织 组合特征 单相组织 两相组织 多相组织 60 材料力学性能在外加载荷或与环境因素联合作用下表现出的各种行为 61 结构材料性质的表征 材料力学性质 强度 材料抵抗外应力的能力 塑性 外力作用下 材料发生不可逆的永久性变形而不破坏的能力 硬度 材料在表面上的小体积内抵抗变形或破裂的能力 刚度 外应力作用下材料抵抗弹性变形能力 62 结构材料性质的表征 材料力学性质 疲劳强度 材料抵抗交变应力作用下断裂破坏的能力 抗蠕变性 材料在恒定应力 或恒定载荷 作用下抵抗变形的能力 韧性 材料从塑性变形到断裂全过程中吸收能量的能力 63 强度范畴 刚度范畴 塑性范畴 韧性范畴 应力 应变 64 2 强度表征 弹性极限屈服强度抗拉强度断裂强度 强度 1 强度定义 抵抗变形和断裂的能力 强度指标的意义 弹性极限 发生弹性形变中的最大应力 弹性结束塑性变形的开始 理论值 0 01残留塑性变形0 01应力 65 弹性变形是物体卸载后就完全消失的那种变形 而塑性变形则是指卸载后不能消失而残留下来的那部分变形又称残余变形 强度指标及意义 屈服强度 屈服现象开始发生时的应力 是材料发生明显塑性变形的抗力 屈服 试样继续拉长载荷却不增加 条件屈服强度 一定残余伸长对应的应力 0 01 0 2应用 制品的设计材料加工如高压气密容器紧锢螺栓密封圈橡胶垫 66 强度指标的意义 抗拉强度 开始发生颈缩时的应力 断裂强度 断裂时的应力值 67 b f比较各种材料的性能 但对材料选择和加工意义不大 屈服强度决定 应力应变曲线 68 69 材料力学性能塑性表征及意义 塑性 断裂前材料发生塑性变形的能力 指卸载后不能消失而残留下来的那部分变形延伸率 断面收缩率 70 延伸率 是塑性伸长的量度 L L0 L L0 L0原始标距长度断裂后试样的标距长度 断面收缩率 是塑性收缩的量度 Af A0 加工硬化 金属材料在再结晶温度以下经加工 压锻 产生塑性变形时强度和硬度升高 而塑性和韧性降低的现象 71 加工硬化 有利 它可提高金属的强度 硬度和耐磨性 如冷拉高强度钢丝和冷卷弹簧 负面 进一步加工带来困难 冷轧钢板愈轧愈硬切削加工使工件表层变脆硬使刀具磨损 增大切削力 72 73 材料力学性能 硬度 材料表面局部抵抗变形的能力 测量 压痕法压头一定压力材料表面压痕尺寸 布氏试验 布氏硬度洛氏试验 洛氏硬度维氏试验 维氏硬度 硬度表征及意义 布氏硬度 淬火钢球载荷压痕总面积维氏硬度 金刚石棱锥载荷压痕总面积洛氏硬度 金刚石圆锥压入深度 74 75 材料力学性能刚度表征和意义 刚度 外应力作用下材料抵抗弹性变形能力 弹性变形 外载荷撤去后 能完全消失恢复试样原样的变形 刚度的表征 弹性模量 弹性变形阶段应力和应变的比值 E 取决于材料本质 内部原子结合键的强弱 与组织变化关系不大 76 弹性行为 载荷取消后 试样尺寸恢复原样的行为 刚度表征和意义 弹性行为分类 77 线形非线性滞弹性 阻尼减震 78 材料力学性能疲劳强度表征 疲劳强度 材料抵抗交变应力作用下断裂破坏的能力 疲劳 承受载荷低于屈服强度 但在交变应力下长时间工作材料失效的现象 疲劳失效过程 裂纹形成 裂纹发展和突然断裂 79 疲劳寿命 在一定交变应力下 不发生断裂的最大时间 疲劳极限 材料能够经受无限多次 108 循环应力而不断裂的最大应力 80 材料力学性能抗蠕变性能表征意义 抗蠕变性 材料在恒定应力 或恒定载荷 作用下抵抗变形的能力 蠕变 高温下受到应力 随时间发生缓慢塑性变形的现象 蠕变试验和蠕变曲线 81 抗蠕变性表征 蠕变极限持久强度 蠕变极限 在一定温T度和规定时间t内 式样产生一定蠕变伸长量的应力 符号表示和意义持久强度 在一定温度下 规定时间内发生断裂的应力 符号表示和意义 82 83 材料力学性能韧性表征和意义 韧性表征 冲击韧性KIC断裂韧性KIC 韧性 材料从塑性变形到断裂全过程中吸收能量的能力 是强度和塑性的综合量度 韧性表征和意义 断裂韧性 抵抗裂纹失稳扩展而断裂的能力 断裂 裂纹产生 扩展超过临界尺寸 失稳快速扩展断裂 KI应力场强因子KIC临界应力场强因子裂纹扩展的临界状态对应的场强因子 代表材料的断裂韧性 84 85 KI应力场强因子外加应力 86 材料物理性能 电学性能表征 电流 电场作用下正负离子的定向移动 电力机械 交通电子 微电子日常生活 击穿现象 介电性质 导电性质 静电现象 导电率电阻率介电常数 电学性质 电阻率金属导体半导体 超导现象零电阻抗磁性 88 决定电导率的基本参数parameters载流子类型chargecarrier 电子 空穴 正离子 负离子载流子数chargecarrierdensity n 个 m3载流子迁移率electronmobility 不同材料的电导率举例 离子固体室温绝缘体T高电导率大 无机非金属 高分子杂质致有导电性 金属自由电子电导率高导电性好 硅半导体 影响电导率的因素温度晶体结构晶格缺陷杂质缺陷 聚合物的电导性 结构型共轭效应双键环添加型参杂添加或去掉电子卤族原子碱金属离子复合导电的纳米粉体石墨碳纳米管金属粉末等 导电聚合物的应用 理想情况下 导电聚合物具有金属导电性 且重量轻 易加工 材料来源广等特点 用作电极 电磁波屏蔽 抗静电材料等半导体器件和发光器件方面得应用聚合物电池 电致变色显示器 电化学传感器 场效应管 聚合物发光二极管 LED 超导电性 在一定低温下材料突然失去电阻的现象 小于10 25 cm 1913年 超导现象发现 诺贝尔物理奖1987年 在陶瓷 金属氧化物 中发现超导现象 超导研究取得重大突破 诺贝尔物理奖 超导体的两种特性 完全导电性 完全抗磁性磁场强度始终为零 三个性能指标 超导转变温度Tc愈高愈好 临界磁场Hc破坏超导态的最小磁场 随温度降低 Hc将增加 当T Tc时 Hc Hc 临界电流密度Jc 材料的分类及其电导率 97 材料物理性能磁性 2 磁学性 磁化强度外磁场 物质被磁化的程度 磁化 在外磁场作用下 各磁矩规则取向 宏观呈磁性磁导率磁感应强度和磁场强度比值 表征物质被磁化程度的物理量磁化率磁化强度和磁场的比值 磁矩 表征磁性物体磁性大小的物理量 m电子轨道磁矩电子自旋磁矩 磁感应强度 物质在外磁场中 会被磁化并感生一附加磁场 其磁场强度H 与外磁场强度H之和称为该物质的磁感应强度B 磁性的本质电子的磁矩电子的自旋磁矩 轨道磁矩孤立原子具有 永久磁矩 有未被填满的电子壳层不具磁性原子各层都充满电子 抗磁性外磁场中 感生一个磁矩 与外磁场方向相反 顺磁性原子内部存在永久磁矩 有外磁场 显示极弱磁性 无外磁场 宏观无磁性 铁磁性强磁性物质 Fe Co Ni室温下磁化率可达103 较弱磁场较高的磁化强度 外磁场移去保留较强磁性 101 矫顽力 使剩磁降低为零所需要的磁场强度 磁滞特性软磁材料硬磁材料 无机非金属材料的磁学性能 1 尖晶石型铁氧体 磁性无机材料一般是含铁及其它元素的复合氧化物 通常称为铁氧体亚铁磁性 高分子材料的磁学性能1 大多数体系为抗磁性材料2 顺磁性仅存在于两类有机物含有过渡金属含有属于定域态或较少离域的未成对电子 不饱和键 自由基等 104 材料物理性能 光学性能表征 光反射率光折射率光的吸收 光 电磁波固体材料的光学性质 取决于电磁辐射与材料表面 近表面以及材料内部的电子 原子 缺陷之间的相互作用 106 材料物理性能 热学性能表征 热导率热膨胀系数熔点比热热应力耐热性 热导率 单位温度梯度下 单位时间内通过单位垂直面积上的热量 耐热性 指在受负荷下 材料失去其物理机械性能而发生永久变形的温度 耐热性 指在受负荷下 材料失去其物理机械性能而发生永久变形的温度 各种材料的使用上限温度高分子材料常温及中温条件下使用 500 C 一般170 C 钢 550 C 合金 900 C 石墨 3000 C 陶瓷 2000 C 材料的化学性质 腐蚀 材料在周围介质作用下 基体遭受破坏的现象 化学腐蚀电化学腐蚀物理腐蚀 108 腐蚀防护合金化涂层阴极保护 109 高分子制品的老化 110 不同种类材料性能的比较 111 112 2 性质与使用性能的区别与关系 环境 性质 规范 使用性能 所以 性能是包括材料在内的整个系统特征的体现 性质则是材料本身特征的体现 113 性能是随着外因的变化而不断变化 是个渐变过程 在这个过程中发生量变的积累 而性质保持质的相对稳定性 当量变达到一个 度 时 将发生质变 材料的性质发生根本的变化 性质与性能的区别与关系 114 在材料科学研究及工程化应用中 材料人员应具备这样一种能力 能针对不同的使用环境 提取出关键的材料性质并选择优良性能的材料 115 例1 高速飞行器表面结构材料的选择使用环境 高速度使用下的结构体 性质 材料性能与性质的区别与联系 116 满足高速飞行的使用性能 必须要求表面结构材料具备两个基本性质 比强度高耐高温强 117 例二现代通讯技术中材料的选择使用条件 远距离 大容量的信号传导体 性质 光通量大光学损耗低 电信号通量大电流损耗低 118 119 120 3 失效分析材料使用性能的重要研究内容 121 断裂 磨损 腐蚀 三类主要的材料力学失效形式 122 材料的结构 键合结构 晶体结构 组织结构 123 材料的结构 键合结构 结合能 陶瓷材料 高分子材料 金属材料 冰 H20 卤族晶体 注 1 有些陶瓷材料属共价键化合物 如SiC陶瓷 2 分子键又称范德瓦尔斯力3 实际晶体并非只有一种键合结构 如冰晶 共价键 氢键 原子参量及原子空间配位 材料是众多原子的以一定的键和方式形成 聚集 体 原子间距和各原子的空间配置 配位 原子间距由原子本身的尺寸和成键类别决定 原子配位数 一个原子以化学键形式所连接的原子数 也是此原子所具有的第一近邻数 键和结构与材料性质 弹性模量 组成原子的间距的变化弹性变形原子的键和形式 陶瓷材料金属材料高分子高弹模量模量高模量低共价键金属键分子间 键和结构与材料性质 密度熔点电导率 127 晶体 原子排列长程有序 有周期 材料的结构 原子的排列晶体结构 非晶体 原子排列短程有序 无周期 准晶体 原子排列长程有序 无周期 大多金属和陶瓷材料是晶体结构 大多数聚合物高分子材料为非晶结构 晶体和非晶体 晶体大多有规则外形本质区别 原子是否周期规则排列 X射线 凝固点和熔点晶体各向异性非晶体各项同性一定条件下可相互转化玻璃高温处理晶态玻璃 晶体液化后快速冷凝成非晶体 差热分析 晶核单晶多晶晶粒晶界 晶体和非晶体非晶体 短程有序 长程无序热力学上处于亚稳态高温退火晶化低温退火结构松弛 金属纯铁显微组织及晶粒位向示意图假各向同性 晶体结构的基本概念 晶体 组成原子分子或离子在三维空间规则周期排列的物体 这种排列方式为晶体结构 空间点阵原子抽象为点空间格子点连接起来 晶格参数 单位晶胞 能够反映晶格特性的最小几何单元 晶胞描述 晶胞一点为原点 过此点的三棱为晶轴XYZ各轴夹角为轴间夹角 七大晶系14种布拉斐点阵 根据各棱长是否相等棱角是否相等成直角等为分类依据 晶向指数和晶面指数 晶向 任意两个原子连线所指的方向 晶向指数的确定1 选坐标晶轴为长度单位 2 平移晶向线得OP3 确定点P及坐标值4 取最小整数 uvw 晶面 一系列原子构成的平面 晶面指数确定 1 定坐标原点不在晶面上2 晶面截距平行无穷3 取倒数4 化为最小整数 hkL 三种典型晶体结构 金属晶体尽可能的紧密排列结构 面心立方face centeredcubic fcc 体心立方body centeredcubic bcc 密排六方hexagonalclosed packed hcp 面心立方n 4 体心立方n 2 密排六方n 6 各自的配位数晶体中任一原子最近邻且距离相等的原子数 晶体中原子间隙面心立方 晶体中原子间隙体心立方 晶体中原子间隙密排六方 同素异晶转变 有的元素具有多种晶体结构 在一定条件下可以相互转变这种转变称为 高分子材料的结构 单体链节分子链聚合度 分子链结构 弹性塑性好硬度低 硬度高脆性 分子链排列 高聚物的聚集态结构 高分子链之间的几何排列和堆砌结构 晶体缺陷 点缺陷空位间隙原子置换原子等线缺陷位错刃型螺旋型面缺陷晶界亚晶界 热致无序 273度原子基本静止原子在平衡位置附近 因热振动引起的微小位移所产生的不规则性 点缺陷 空位原子热运动离开原位置间隙原子置换原子共价晶体引起电子缺陷离子晶体引起阳离子空位 点缺陷对晶体性能的影响 附加电子散射 电阻 屈服强度 对扩散 内耗 高温形变和热处理等过程有重要影响 线缺陷 面缺陷 晶体材料的表面就是最大的面缺陷 晶界 晶体材料一般由许多小晶粒组成 各晶粒之间的分界面 相邻晶粒的晶轴取向一般不同 位相差在10 15以下形成的晶界小角度晶界 不同晶粒的原子的取向不同 所以晶界处的原子排列极为混乱 也就形成了面缺陷 亚晶界 相界等 面缺陷 准晶态 1984年底 D Shechtman等人宣布 他们在急冷凝固的AlMn合金中发现了具有五重旋转对称但并无无平移周期性的合金相 在晶体学及相关的学术界引起了很大的震动 不久 这种无平移同期性但有位置序的晶体就被称为准晶体 非晶态 玻璃热固性树脂非晶态金属液体急速冷却106k s非晶态金属玻璃软糍材料涡磁损耗硅钢片的1 3超强耐高温耐腐蚀 熔化晶体结构破坏 原子取向和位置有序消失 玻璃化转变和结晶 结晶 温度低于熔点 缓慢降温 晶核形成 长大 是结构无序向结构有序 原子无定域向有定域的共同转变 液晶态 晶态结构受热熔融或溶剂溶解 成流动性液体 分子位置无序 但结构上有序排列 具有各向异性 是晶体和液体的过渡态 热致液晶溶致液晶 相图原理 相图 一定条件下 处于热力学平衡态的物质系统中平衡相之间关系的图形 每一点都反映该条件下 材料由什么相组成 各相的成分与含量 吉布斯相率 热力学平衡 自由度与组元数和相数之间关系的规律 相图原理 相 系统中性质与成分均一的一部分 不同的相之间有界面隔开 可以是固液或气态气相数最多为一液固可有两相或更多相的种类大小形态和分布构成材料的显微组织结构 相平衡 多相系统中 所有相的强度性质 温度 压强 每个组分在所有相中的化学位等 均相等 体系性质不会自发随时间变化的状态 相图原理 组元 决定各平衡相的成分 且可以独立变化的成分 元素或化合物 自由度 可以在一定范围内任意改变而不引起任何相的产生与消失的最大变量数 变量 一般指温度压强和成分 组元数C 自由度F和相数P在热力学平衡系统中 F C P n自由度必须大于或等于零n影响系统平衡的外界条件温度压强等 材料相图意义 用图解的方式描述平衡状态下 材料的成分 相合外界条件的相互关系 一般以成分 温度和压力为变量来绘制相图 二元匀晶相图两组元在液态和固态都能无限互溶 如Cu Ni Ag Au形成二元合金对应的相图就是二元匀晶相图 相图的构成 由两条曲线将相图分为三个区 左右两端点分别为组元的熔点 上面的一条曲线称为液相线 液相线之上为液相的单相区 常用L表示 下面的一条曲线称为固相线 固相线之下为固溶体的单相区 常用 表示 两条曲线之间是双相区 标记L 表示 相图的用途 由材料的成分和温度预知平衡相 材料的成分一定而温度发生变化时其他平衡相变化的规律 估算平衡相的数量 预测材料的组织和性能 二元共晶相两组元在液态下无限互溶 固态下有限溶解 一组元溶入另一组元中时都使凝固温度下降 并发生共晶转变 如Pb Sn Ag Cu等形成二元合金对应的相图就是二元匀晶相图 相图的构成 tAE和tBE为两液相线 与其对应的tAC和tBD为两固相线 CG和DH固溶体 的溶解度随温度变化线 CED为水平共晶线 将相图分成三个单相区L 三个双相区L L 和一个三相区L 即CED为共晶线 相图的热力学基础 熵焓自由能化学位热力学定律 177 成分 结构检测技术 现代材料对材料成分 结构的认识是由分析 检测实现的 178 结构分析 179 铜含量铝锌合金 187 扫描隧道显微镜像 在扫描隧道显微镜下 在硅 111 表面直接取出原子而 刻写 出平均线宽为2纳米的字体 188 磷锡青铜铸造组织105倍 189 扫描电镜像 纤维形貌 190 扫描电镜像 六方晶体形貌 191 Si3N4 Si3N4 5nm 无压烧结Si3N4材料 透射电镜像 原子排列面 192 场离子显微镜像 S3N4晶须形貌 193 扫描隧道显微镜像 方铝矿 100 解理面 Pb S 2 3合成与加工 1 定义2 合成与加工的主要内容3 与其它要素的关系4 发展方向 194 195 1 定义 合成 与 加工 是指建立原子 分子和分子团的新排列 在所有尺度上 从原子尺寸到宏观尺度 对结构的控制 以及高效而有竞争力地制造材料与元件的演化过程 合成是指把各种原子或分子结合起来制成材料所采用的各种化学方法和物理方法 加工可以同样的方式使用 还可以指较大尺度上的改变 包括材料制造 Fe2O3 3H2 2Fe 3H2O 合成 制备 197 需要说明的问题 在材料科学与工程中 合成和加工之间的区别变得越来越模糊 合成是新技术开发和现有技术改进的关键性要素 现代材料合成技术是人造材料的唯一实现途径 198 2 合成与加工的主要内容 199 一 材料的制备 冶金过程 熔炼与凝固 粉末烧结 高分子聚合 200 不同的材料制备方法 分别具有不同的材料科学基础内容 即 冶金过程 冶金物理化学 熔炼与凝固 凝固学理论 粉末烧结 烧结原理 高分子聚合 聚合反应 201 冶金过程 化学冶金 铁的生产过程 炼铁高炉 电解铝 204 熔炼与凝固 物理冶金 206 目的 粉末成型2 粉末颗粒的结合 内容 1 粉末冶金技术2 现代陶瓷材料的制备 粉末烧结 粉末烧结过程 208 目的 实现小分子发生化学反应 相互结合形成高分子 高分子聚合是人工合成三大类高分子材料 塑料 橡胶 合成纤维的基本过程 内容 1 本体聚合3 悬浮聚合2 乳液聚合4 溶液聚合 高分子聚合 209 二 材料的加工 传统意义上 材料的加工范畴包括四个方面 材料的切削 车 铣 刨 磨 切 钻材料的成型 铸造 拉 拔 挤 压 锻材料的改性 合金化 热处理材料的联接 焊接 粘接 注 从课程体系上分析 材料的切削应在机械工程中重点讨论 210 三大类材料的成型技术在材料工程中是内容最为丰富的一部分 如果按材料的流变特性来分析 则材料的成型方法可分为三种 液态成型 塑变成型3 流变成型 金属的铸造 溶液纺丝金属的压力加工金属 陶瓷 高分子成型 材料的成型 212 液态成型 成分 温度 A C 铸造 研究的内容 1 凝固过程 2 成型工艺 3 流变特性 213 塑变成型 A 高应力低形变量实现加工硬化 B 应变 应力 冷加工 热加工 A B 低应力大形变量实现超塑性变形 214 流变成型 金属的半固态成型 高分子材料的熔融成型 陶瓷泥料 浆料成型 玻璃的熔融浇注 215 目的 通过改变材料的成分 组织与结构来改变材料的性能 内容 材料的 合金化 2 材料的热处理 材料的改性 216 材料的 合金化 通过改变材料的成分 达到改变材料性能的方法 这种方法在金属材料和现代高分子材料的改性方面有广泛的应用 217 材料的热处理 通过一定的加热 保温 冷却工艺过程 来改变材料的相组成情况 达到改变材料性能的方法 这种方法在金属材料和现代陶瓷材料的改性方面有广泛的应用 典型热处理工艺 淬火 退火 回火 正火 218 淬火工艺 通过快速冷却 获得远离平衡态的不稳定组织 达到强化材料的目的 219 正火工艺 在奥氏体状态下 空气或保护气体冷却获得珠光体均匀组织 提高强度 改善韧性 220 时间 温度 退火工艺 通过缓慢冷却 获得接近平衡态的组织 达到均匀化 消除内应力的目的 221 时间 温度 回火工艺 淬火或正火的材料重新加热 目的在于松懈淬火应力和使组织向稳态过度 改善材料的延展性和韧性 并稳定工件的尺寸 222 目的 实现材料间的整体结合 内容 1 焊接3 铆接2 粘接4 栓接 材料的联接 224 三 材料表面工程 表面改性表面防护薄膜技术 225 改变材料表面的性质 三束表面改性 化学表面改性 化学热处理 表面淬火 表面改性 226 从工艺机理上分析 表面改性同整体材料的改性是相同的 即 在表面实现材料的成分 组织与结构的变化 达到改变材料表面性能的目的 不同点就是采用了特殊的能量输入方式 使能量作用效果或成分变化仅发生在表面 227 三束表面改性 激光束 组织变化 电子束 组织变化 离子束 成分 组织变化 细晶化均匀化非晶化 金属元素 合金化 228 化学表面改性 化学热处理 改变材料表面的化学成分 化学渗入 C0 纳米粉体表面改姓 230 表面淬火 高频淬火 电磁能 集肤电流 表面热能 火焰淬火 气体化学反应 表面热能 组织改变 性能改变 231 腐蚀防护 摩擦磨损防护 表面防护 232 腐蚀防护 大气腐蚀 海水腐蚀 工业介质腐蚀 233 由腐蚀造成的材料失效量 占世界材料总产量的比例很高 腐蚀问题十分严重 因此 腐蚀防护非常重要 234 美国八个工业部门对材料性质的需求情况 235 化学反应 腐蚀的原因 主动防护 被动防护 合金化 非晶化 高纯度 表面涂镀 表面改性 表面钝化 电化学保护 抗蚀材料 236 摩擦磨损防护 增加抗磨损性 增加润滑性 237 薄膜技术 有许多种薄膜技术能够在基材表面覆盖薄膜材料层 其中最重要的两种方法是 物理气相沉积PVD 化学气相沉积CVD液相沉积LD 240 随着材料科学技术的不断发展 薄膜技术已不仅仅是材料改性的手段 更重要的是 现代薄膜技术在高新技术领域 如 微电子器件 纳米结构与组装 光电子器件 等方面正发挥着越来越重要的作用 241 四 材料的复合 金属基复合材料陶瓷基复合材料高分子复合材料 242 材料复合的主要目的就是依据不同材料性能的优势互补 协调作用的原则 进行材料的设计与制备 因此材料复合的过程就是材料制备 改性 加工的统一过程 复合材料的制备过程融合了金属 陶瓷 高分子材料制备的基本原理 目前材料科学的发展 复合的概念越来越重要 出现了许多新型的复合材料及制备方法 原位聚合法粘土聚合物复合材料 溶液插层法示意图 熔融插层法 247 现代材料的合成与加工不仅涉及到微观和宏观范围内的内容 同时也涉及到更微细化 甚至达到了原子尺度范围上的问题 因此 这里论述的合成与加工的内涵要大于通常所说的材料工程的内涵 248 与其它要素的关系 从材料的产生到进入使用过程 直至损耗 四大要素存在着逻辑上的因果顺序 即 合成与加工 结构与成分 材料性质 使用性能 产生 具备 提供 249 250 提拉法制取单晶硅 251 大尺寸单晶硅 252 定向凝固技术 在熔模铸造型壳中建立特定方向的温度梯度 使熔融合金沿着与热流相反的方向按照要求的结晶取向凝固的一种铸造工艺 定向凝固技术最突出的成就是在航空工业中的应用 253 定向凝固共晶组织的涡轮叶片 垂直于主应力的横向晶界往往是裂纹产生和扩展的主要部位 生长方向与主应力方向一致的单向生长的柱状晶体 定向凝固由于消除了横向晶界 254 近终形技术制备的叶片 255 在极端化的条件下 完成合成与加工过程 获得更多的功能特性 超纯条件 单晶硅晶片高压条件 人工金刚石低温条件 超导体超细条件 纳米材料 4 发展趋势 256 我国与工业发达国家材料加工存在很大差距 257 大尺寸 高均匀性 高完整性的晶体生长技术 高精度晶片加工技术 MOCVD MBE超薄膜生长技术 高纯和超高纯材料纯制技术 低维材料的微细加工和制备技术 高均匀超细粉体制备技术 电子陶瓷 磁性材料的焙烧和成型技术 材料的修饰或改性技术 电子材料合成与加工的关键技术 258 由此看出 我国在合成与加工方面同先进国家的差距还很大 许多关键技术落后的根源都归到这里 因此提高材料合成与加工的技术水平是我们的最重要的课题 第三章结构材料 钢铁材料 有色金属材料 陶瓷材料 玻璃材料 水泥材料 高分子材料 复合材料 什么是 结构材料 结构材料是主要利用材料的强度 韧性 弹性等力学性能 用于制造在不同环境下工作时承受载荷的各种结构件和零部件的一类材料 即机械结构材料和建筑结构材料 钢铁材料 纯铁 工业纯铁强度低 硬度低 塑性好 一般不用于结构材料 铸铁 C质量分数大于2 11 的铁碳合金 钢 含C量 碳钢 合金钢 成分 结构与性能的关系 钢铁是怎样炼成的 碳钢的分类 含碳量越高 硬度 强度越大 但塑性降低 2 按钢的质量分 主要是杂质硫 磷的含量 普通碳素钢 S 0 055 P 0 045 优质碳素钢 S 0 040 P 0 040 高级优质碳素钢 S 0 030 P 0 035 3 按用途分 碳素结构钢 主要用于桥梁 船舶 建筑构件 机器零件等碳素工具钢 主要用于刀具 模具 量具等 碳钢的牌号与用途 普通碳素结构钢 Q195 Q215 Q235 Q255等 数字表示最低屈服强度 Q195 Q215 Q235塑性好 可轧制成钢板 钢筋 钢管等 Q255 Q275可轧制成型钢 钢板等 用途 碳钢的牌号与用途 铸钢 铸钢牌号是在数字前冠以ZG 数字代表钢中平均质量分数 以万分数表示 如ZG25 表示含C 0 25 用途 主要用于制造形状复杂并需要一定强度 塑性和韧性的零件 如齿轮 联轴器等 奥氏体是碳溶解在 Fe中的间隙固溶体 常用符号A表示 它仍保持 Fe的面心立方晶格 其溶碳能力较大 在727 时溶碳为 c 0 77 1148 时可溶碳2 11 奥氏体是在大于727 高温下才能稳定存在的组织 奥氏体塑性好 是绝大多数钢种在高温下进行压力加工时所要求的组织 奥氏体是没有磁性的 碳钢的常规热处理 渗碳体渗碳体是铁与碳形成的金属化合物 其化学式为Fe3C 渗碳体的含碳量为 c 6 69 熔点为1227 其晶格为复杂的正交晶格 硬度很高HBW 800 塑性 韧性几乎为零 脆性很大 在铁碳合金中有不同形态的渗碳体 其数量 形态与分布对铁碳合金的性能有直接影响 珠光体珠光体是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体 其形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物 也称片装珠光体 用符号P表示 含碳量为 c 0 77 其力学性能介于铁素体与渗碳体之间 决定于珠光体片层间距 即一层铁素体与一层渗碳体厚度和的平均值 马氏体分级淬火是将奥氏体化工件先浸入温度稍高或稍低于钢的马氏体点的液态介质 盐浴或碱浴 中 保持适当的时间 待钢件的内 外层都达到介质温度后取出空冷 以获得马氏体组织的淬火工艺 也称分级淬火 分级淬火由于在分级温度停留到工件内外温度一致后空冷 所以能有效地减少相变应力和热应力 减少淬火变形和开裂倾向 分级淬火适用于对于变形要求高的合金钢和高合金钢工件 也可用于截面尺寸不大 形状复杂地碳素钢工件 碳钢的常规热处理 退火 将钢加热到适当温度 保温一定时间 然后缓慢冷却 随炉冷却 以获得接近于平衡状态组织的热处理工艺 正火 完全退火 等温退火 球化退火 扩散退火 去应力退火 将钢件加热到AC3和Acm以上30 50度 保持适当时间后 在空气中冷却 得到珠光体类组织的热处理工艺 碳钢的常规热处理 淬火 将钢件加热到奥氏体化后 快速冷却 使组织转变为马氏体的热处理工艺 所得的马氏体的形态与钢的成分 原始奥氏体晶粒的大小以及形成条件有密切关系 奥氏体晶粒越小 马氏体越细 回火 将钢件淬火后 为了消除内应力并获得所要求的性能 将其加热到AC1以下的某一温度 保温一定时间 然后冷却到室温的热处理工艺 合金钢 合金钢分类 铁及铁基合金 在碳钢中加入一种或多种合金元素 形成的钢称之为合金钢 按所含合金元素的多少分 低合金钢 总质量分数低于5 中合金钢 总质量分数5 10 高合金钢 总质量分数高于10 按主要合金元素种类分 铬钢 铬镍钢 锰钢 硅锰钢等 按用途分 结构钢 工具钢 特殊性能钢 合金元素的作用 铁及铁基合金 1 合金元素与铁的作用 合金元素加入钢中 首先溶于铁形成固溶体 超过溶解度极限时与碳形成化合物 合金元素溶与铁 形成合金铁素体或合金奥氏体 合金元素溶于铁素体会使钢的室温强度提高 这种作用称为固溶强化 2 合金元素与碳的作用 对于与碳的亲和力较弱的合金元素 不与碳发生作用 只溶于铁素体或奥氏体中 对于与碳的亲和力较强的合金元素 当质量分数较低时 与铁一起形成合金渗碳体 当质量分数较高时 形成合金碳化物 不锈钢 铁及铁基合金 能在大气和一般腐蚀性介质中具有很高耐蚀性的钢种 用途 主要用来制造在各种腐蚀性介质中工作并具有较高抗腐蚀能力的零件或结构件 广泛用于石油 化工 原子能 海洋开发 国防和一些尖端科学技术领域 铁及铁基合金 合金元素的作用 1 耐腐蚀性要求越高 碳的质量分数应越低 2 加入主要的合金元素Cr Cr能提高基体的电极电位 在氧化性介质中极易钝化 形成致密的氧化膜 提高耐腐蚀性 3 加入合金元素Ni 可获得单项的奥氏体组织 显著提高耐腐蚀性并改善钢的塑性 通过热处理还可以改善钢的强度 铁及铁基合金 合金元素的作用 5 加入合金元素Ti Nb等 能优先同C形成稳定的碳化物 使Cr保留在基体中 避免晶界贫Cr 提高钢的耐腐蚀性 6 加入合金元素Mn N等 部分替代Ni以获得奥氏体组织 并能提高铬不锈钢在有机酸中的耐腐蚀性 4 加入合金元素Mo Cu等 提高钢在非氧化性酸中的耐腐蚀能力 铸铁 铁及铁基合金 碳的质量分数大于2 11 的铁碳合金称之为铸铁 通常还含有较多的Si Mn S P等元素 用途 铸铁时工程上最常用的金属材料 广泛应用在机械制造 冶金 矿上 石油化工 交通等领域 铸铁的生产设备和工艺简单 价格便宜 铁及铁基合金 铁碳合金中碳的存在形式 间隙固溶于铁 化合态的渗碳体 游离态的石墨 亚稳态 在一定条件下分解为铁和石墨 稳定态 可以从铸铁熔液中析出 也可以从奥氏体中析出 Fe3C 碳溶解在 Fe中的间隙固溶体 铁及铁基合金 铸铁的种类 根据石墨化程度的不同 铸铁的类型和组织也不同 灰口铸铁 白口铸铁 可煅铸铁 球墨铸铁 蠕墨铸铁 铸铁 白口铸铁 碳绝大部分以化合物存在 断口银白色 性能 硬而脆 难于加工 使用价值低 铁及铁基合金 灰口铸铁 碳以形式存在 断口呈暗灰色 性能 价格低廉 易切削加工 常用于气缸 支座机床等 渗碳体Fe3C 片状石墨 铁及铁基合金 铸铁 可锻铸铁 由一定成分的白口铸铁经石墨化退火处理而获得 其中碳大部分或全部以团絮状石墨形式存在 由于具有较灰口铸铁高得多的塑性和韧性 习惯上称为可锻铸铁 实际上并不可锻 渗碳体 团絮石墨 生产周期长 单件成本高 一般制作形状复杂的薄壁小件 铸铁 特性 球化减小应力集中 基体强度利用率高 可以进行热处理加工 屈强比高 机械性能高 生产工艺比可锻铸铁简单 近年来日益得到广泛的应用 以铁代钢 以铸代锻 球墨铸铁 铁水在浇注前经球化处理 其中碳大部分或全部以球状石墨形式存在 铁及铁基合金 铸铁 碳以蠕虫状石墨存在 介于片状和球状之间 所以性能在在灰铸铁和球墨铸铁之间 优点 导热性和耐疲劳性好 高部件 合金铸铁 铸铁中加入合金元素如Cr Cu Al 等 可得到耐蚀 耐热及耐磨等特性的合金铸铁 铁及铁基合金 蠕墨铸铁 蠕化处理不宜控制 铸铁性能特点 石墨的形态对铸铁的性能影响较大 灰口铸铁的抗拉强度和塑性较低 这是因为石墨对基体的严重割裂所造成的 石墨相当于钢基体中的裂纹和空洞 它减小基体的抗拉强度 并引起应力集中 石墨量越多 铸铁的抗拉强度越低 石墨的存在对铸铁的特殊作用 减弱晶粒间振动能的传递 并将振动能转变为热能 流动性好 凝固过程中析出比容较大的石墨 减小凝固收缩 减摩 断屑的作用 脱落形成显微凹穴 起储油作用 可维持油膜的连续性 片状石墨相当于许多微小缺口 良好的润滑剂 脱落在摩擦面 高分子材料 2000年 世界合成高分子材料的年总产量已达到2亿吨 其中塑料1 63亿吨 合成橡胶0 11亿吨 合成纤维0 28亿吨 高分子科学既是一门基础学科 又是一门应用科学 主要由四个学科分支组成 高分子化学 高分子物理 高分子材料和高分子工艺 多种多样的高分子材料 防弹衣 高比强度的降落伞绳索 什么是高分子 高分子的含义主要由C H O等元素组成分子量很大 104 107 甚至更大 分子似 一条链 由许多相同的结构单元组成 以共价键的形式重复连接而成 与小分子比较分子量不确定 只有一定的范围 是分子量不等的同系物的混合物 没有固定熔点 只有一段宽的温度范围 分子间力很大 没有沸点 加热到2000C 3000C以上 材料破坏 降解或交联 高分子材料分类 按材料来源分类天然高分子合成高分子按材料性能和用途分类塑料橡胶纤维涂料粘合剂功能高分子 称为三大合成材料 通用高分子材料 塑料 橡胶 纤维 称为三大合成材料全世界产量1亿多吨塑料主要品种有 合成橡胶主要用途为制造轮胎 约占60 合成纤维主要品种有 涤纶 PET 尼龙 聚丙烯腈 聚丙烯等 聚乙烯 聚丙烯 聚氯乙烯 聚苯乙烯等 工程塑料 性能 坚硬 韧性 耐磨 耐热水及蒸气 加工时尺寸稳定性好 化学稳定性好 主要有 尼龙 聚酰胺 聚碳酸酯 PC 聚苯醚 PPO 聚甲醛 POM 饱和聚酯 PET PBT 等 三大高分子材料的比较 材料应力 应变曲线 按结构单元的化学组成分类 1 碳链高分子主链以C原子间共价键相联结加聚反应制得如聚乙烯 聚氯乙烯 聚丙烯 聚甲基丙稀酸甲酯 聚乙烯 2 杂链高分子 涤纶 主链除C原子外还有其它原子如O N S等