材料导论复习资料2012年修订版.doc

材料环：物质从一种形式转变为另外一种形式、声声不息的过程可以看作是一个循环圈，我们将之称为材料环：原料的制取预加工工程化生产制品服务期丢弃/回收维修：是服役期内的补充制造过程在很多生产过程中，先是将原材料制成一定规格、一定尺寸的预制件或零件。以下材料可分别预制成：1.橡胶管材、片材、皮带、垫圈2,塑料管材、板材、薄膜3.金属带钢、角钢、工字钢、钢板、齿轮、垫圈、螺钉、螺母单体经过加成缩合或者聚合缩合得到高分子材料：1.聚乙烯-乙烯2.聚苯乙烯-苯乙烯3.尼龙66-己二酸和己二胺4.尼龙610-己二酸和癸二胺5.尼龙6是己内酰胺的开环产物6.酰胺基之间是芳环芳香尼龙6.聚酯-对苯二甲酸和乙二醇酯材料分作四大类：金属、陶瓷、聚合物和复合材料黑色金属：钢铁又被总称为黑色金属，包括铸铁、钢与其他铁合金。 碳含量：钢不超过2 铸铁24有色金属：主要包括铝、铜、镍、镁、钛和锌。占有色金属总量90热固性和热塑性塑料的区别：二者最本质的区别就是分子构造的区别：热塑性分子构造是非网络的，即线形链或支化链，可以在热或溶剂作用下具有流动性；而热固性是网络构造。（热塑性塑料）在热活溶剂作用下会变成粘稠的液体，降低温度活脱去溶剂后就会变成固体，所以热塑性塑料可以反复加工成型。热塑性塑料既可以是结晶性的，又可以是非结晶性的。（热固性塑料）加热后即发生固化，固化后分子形成三维交联网络，不能再次回收加工利用。热固性塑料都是非结晶的韧性：材料在塑性变形过程中吸收能量的能力称为韧性。韧性可以用应力应变曲线下的面积来度量。疲劳极限：在一应力以下，无论应力变化多少周，材料也不会破坏的这一应力疲劳强度：材料维持某一周数而不破坏的应力蠕变：材料在恒定应力下随时间缓慢塑性形变的过程。影响蠕变断裂的因素：应力、温度、时间硬度的测定方法比较1.布氏法：压痕面积大，能反映较大范围内材料各组分组成相的综合性能，适合于像灰铸铁和轴承合金这样具有粗大组成相的材料。2.维氏法：测量范围较宽，精度较布氏高，压痕过小，测试时间过长。3.努氏法：同样压力下压痕比维氏法小，适用于测极薄材料，丝、带等细长材料。4.肖氏法：操作简便，测量迅速，压痕小，携带方便，可现场测试；精度较低，两种弹性模量不同的材料不能比较，用于检验轧辊的质量和大型工件，如机床床面、导轨、曲轴、大齿轮等的硬度。聚合物和弹性体的硬度一般用邵氏硬度计测定。线胀系数：每度温度升高产生的应变。线胀系数与金属的熔点有关：熔点越高，线胀系数越低。而金属的熔点又反映了金属键键能的强弱：键能越强，线胀系数越小。键能和线胀系数之间的关系：由共价键或离子键构成的材料线胀系数最小；金属由金属键结合，线胀系数居中；聚合物大分子间主要是范德华力，线胀系数最高。热导率：就是热流能与温度梯度的比例系数，是热能在材料内部流动能力的度量。金属材料的热导率较高，无机非金属材料与高分子材料的热导率较低，可作绝热材料。温度升高对金属和半导体电阻率的影响：金属随温度升高使原子振动能增加，给电子的通过增加了困难，即使电子的“平均自由路径”变短。电子自由路径是值电子在晶体结构中运动不与正离子碰撞或不互相发生碰撞的平均距离。显然，平均自由路径越短，电子运动越困难，电阻率越高。而在半导体材料中，温度升高使材料内载流子的数目增加，电阻率降低。极化：将原子或分子置于电场下，会发生电子云中心的位移，即电荷的重新分布，这一现象称为极化。非极性分子的极化仅有电子云的偏移引起，故称为电子极化。非共价键分子如果极性键的排列不对称，就会在分子中产生一个偶极，分子中正电与负电的中心不重合，因此分子在电场中发生转动：带负电的一端指向阳极，带正电的一端指向阴极，这一效应称为偶极极化。离子极化：在电场作用下，晶格中的离子发生位移。超导体：一些晶体冷却到绝对零度就变成超导体，此时电阻为零。1.软磁材料：H值（磁场强度）很小，B值（磁流密度）很大。磁滞环面积相对较小，可通过反复改变外磁场方向不断被磁化与消磁，由于磁性易于消除以及磁性损耗能量很小，这种材料常用作变压器铁芯、电磁铁等。2.硬磁材料（永磁铁）：在生产过程中便获得磁性，不能被消磁，具有很大的磁滞环。影响结晶度的因素：一切结构规整的聚合物分子链在适当条件小都可以结晶，结晶度的高低取决于分子链规整的程度以及外部条件。结构规整性包括化学规整性和立构规整性。1.化学规整性：指链的化学结构和构造的规整性。从组成的角度看应该是均聚物链，如果是共聚链就不够规整；从几何角度看应为线形链，有支化就不能算是规整。但一定程度的共聚和支化还是容许的。2.立构规整性：是指构型的规整性。全同立构与间同立构的分子链具有规整性，能够结晶。无规立构的聚合物一般不能结晶。但如果聚合物链上侧基尺寸较小，对旋光立构的要求不少那么严格，均可结晶。高密度聚乙烯基本上为线形分子，结晶度高，熔点为136；而低密度聚乙烯的分子链有较高的支化度，结晶度低，熔点只有110。低密度聚乙烯适用于薄膜，纸张的涂层，导线包裹等非结构应用，而高密度聚乙烯则应用于注射制品、容器、地下管线等。ABS：即丙烯腈、丁二烯与苯乙烯的三元共聚物。具有较高的韧性和良好的加工流动性氟塑料：聚四氟乙烯是化学稳定性最高的塑料，具有塑料王之称。可以耐任何酸碱及氧化剂。聚四氟乙烯的分子结构具有光滑的表面，所以它是最好的防沾材料，许多食品与卫生器具都用它作防沾表面处理。聚四氟乙烯的流动性能差，不能进行熔体加工而只能烧结成型PET纤维就是涤纶、尼龙的学名是聚酰胺热塑性塑料：聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯(PVC)、苯乙烯系塑料、氟塑料、尼龙（PA）、聚酯(PU)、聚碳酸酯(PC)、聚酰亚胺（PI）热固性塑料：酚醛、不饱和聚酯热固性塑料主要加工方法：注射成型、压制成型、浇铸；热塑性塑料：挤出成型、注射成型、压延注射加工方法的优点：是制造单件制品的最方便方法，使用最多的是热塑性塑料。同挤出一样，可以向模具中注射一种物料，也可以从两个机筒注射两种物料。注射成型可以与发泡过程同时进行。反应注射是注射成型的一个变种，物料在模具中反应、固化、成型，发泡过程自动形成一个压力，而反应热又自动加速固化反应，使整个反应成型过程在短时间内结束，最适合制造大型制品，如汽车保险杠，仪表盘等。天然橡胶的主要成分是聚异戊二烯。优点：强度高、弹性大、抗氧化性能好；缺点：不耐老化，易受光、氧、热的侵害。硫化的作用：橡胶与硫磺作用的过程称为硫化。加入硫磺后，在邻近分子链的双键之间形成硫链，使材料发生了交联。交联将使聚戊二烯分子链用化学键连在一起提高了强度，同时控制了分子间的滑移，产生了巨大弹性，同时降低了双键的数量，提高了抗氧化性能合成橡胶：1.丁苯橡胶是丁二烯与苯乙烯的无规共聚物，可以根据苯乙烯含量调节强度与弹性，性能接近天然橡胶、价格低廉，主要应用是轮胎，还用于导管、垫圈、传送带等。2.丁晴橡胶是丁二烯与丙烯晴的共聚物，优异的耐油性，专门用于石油产品的传送与密封。3.氯丁橡胶是氯化丁二烯的聚合物，优点是耐候性、耐光照和耐溶剂，缺点是电绝缘性差，多用于汽车上的垫圈与导管。4.顺丁橡胶是顺式聚丁二烯的聚合物，性能与天然橡胶相仿，但价格稍高，只作为其他橡胶的添加剂，改善滞后性与耐臭氧性质。5.丁基橡胶的主要成分是异丁烯，含少量的异戍二烯，具有极佳的空气阻隔性和耐臭氧性质，广泛用于制作充气内胎。6.乙丙橡胶主要是乙烯与丙烯的共聚物，具有优异的耐候性，抗老化性与电绝缘性，缺少耐溶剂性。7.硅橡胶实际上是无机聚合物，具有极高的热稳定性，用于印刷工业。嵌段共聚物：由化学结构不同的链段交替聚合而成的线型共聚物。最熟知的线性或星形的苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）增强纤维各自的特性：1.硼纤维：用硼纤维增强的聚合物复合材料有具有比铝还轻的质量、比钢还高的强度和刚度，产物直径100-140m，相对密度2.32.6，拉伸强度3.65GPa,模量400GPa，在航空、航天行业中仍然有较大市场，但价格高。2.碳化硅纤维：产物直径140m，密度3Mg/m3，拉伸强度2.8-4.6GPa,模量400GPa，价格比硼纤维和碳纤维都低。3.碳纤维：有优异的抗蠕变和耐疲劳性能，并有突出的热稳定性，导热性能超过大部分金属，仅次于铝，不存在内应力问题，不需要退火。直径0.008mm-0.01mm,拉伸强度1.72GPa-3.1GPa,模量193-517GPa。4.芳香尼龙：高韧性、高模量、高强度、低密度。5.陶瓷纤维：氧化物、碳化物、氮化物都可以制成连续纤维和不连续纤维，强度高，使用温度高，陶瓷纤维多用于金属基复合材料。6.玻璃纤维：E玻璃：价格低，可以在较低温度下操作，用于电气场合；S玻璃：高强度。7.金属纤维：金属很少作为聚合物的增强材料。其在聚合物基复合材料中最大应用是制造夹心材料中的蜂窝结构，最常用的是铝。碳纤维与石墨纤维的区别：碳纤维和石墨纤维之间无严格的分界线，区别仅在于碳化程度及石墨化程度的高低。为区别两种纤维，人们作出约定：凡碳含量在92%95%之间，模量在344GPa以下的为碳纤维，碳含量在99%以上，模量在344GPa以上的为石墨纤维。另一种方法是根据热解的温度，在1300C左右热解的为碳纤维，在1900C以上热解的为石墨纤维（石墨纤维的模量高）高性能类热固性树脂基可分为三类：中温型、高温型、中温高强型。中温型代表是酚醛：其加工比较困难，在固化时产生缩合水，造成气孔，降低材料强度。但酚醛树脂耐温性强，具有良好的炭化强度（即炭化后仍具有强度），燃烧时很少发烟，很少释放有害气体。用于制造飞机内壁，火箭上重要的烧蚀材料，如尖锥、喷管、发动机外壳等。树脂基复合材料的加工特点：1.模面成型：手工涂敷只需简单模具，现场施工，室温固化；喷涂模塑法可大大加快涂敷速度，混合过程与浸润过程同时发生，室温固化，适合制造大型制品，如船体、浴缸。2.模压成型：特别适合制造大型热塑性制品，因为热塑性塑料熔体粘度大，温度高，不适宜手工成型。真空成型：省却了昂贵的金属模具。3.缠绕成型：缠绕法能得到最高的比强度，达到最高的玻璃纤维含量（85%），缠绕制品都是对内径有要求而对外径无限制的。4.挤拉成型：适合生产固定截面的制品，截面可以是任意形状。5.纤维编织：如果纤维是单轴取向的，平行于纤维方向的强度和模量极高，而垂直于纤维方向的性质很差。为适应不同的受力情况，可以将不同取向的纤维迭合在一起，至少可以保证在两维上各向同性，为了得到三维上各向同性，需要预先将纤维编织，使之在三维方向上的取向均等。热冲击及影响因素：指材料经历温度突变。因素：弹性模量、线胀系数、热导率、拉伸强度、断裂韧性、陶瓷的孔隙率、颗粒尺寸。对热冲击性而言，热导率越大越好，线胀系数越小越好。冷等静压的特点：可以比较方便的提高成型压力；由于坯体各向受压力均匀，其密度高而且均匀，烧成收缩小，因而不易变形；模具方便，寿命长，成本低；可以使用不同的粘接剂，可以生产一般方法不能生产的形状复杂，大件及细长的制品，而且成型量高。反应烧结法融合碳化硅：将碳化硅与碳的粉末混合物制成所需形状，然后在高温下与硅的蒸汽或与硅的熔体作用。碳与硅反应生产碳化硅，将原有的碳化硅颗粒融合起来。过剩的硅渗透到颗粒的每一个缝隙，最后形成无空隙的复合材料（SiC/Si）工程陶瓷材料：氧化物拜耳法碳化物：1.碳化硼 ：硬度高，仅次于金刚石和立方氮化硼；耐磨性是金刚石的60%70%，优于SiC和,强度高，热膨胀系数小，热导率高，密度低。主要用途是中子吸收剂和屏蔽材料。2.碳化硅：高温强度高，耐磨性好。用途：a碳化硅粉末与第二相材料如树脂、金属、氧化硅、粘土等混合，根据第二相材料处理；b碳化硅粉末与纯碳粉或纯硅粉混合制成型坯；c用碳化硼作助剂，烧结碳化硅制品，可得到高密度制品。氮化物：氮化物家族中最主要的成员是1.氮化硅，主要优势是耐高温性能或抗热冲击性能，主要取决于烧结助剂。2.氮化硼：润滑性、耐热性、耐磨性好。电子结构与碳相似，晶体有两种变体，一种类似于石墨（六方），一种类似于金刚石（立方）。六方氮化硼较软，具片层结构，可热压成型，材料具各向异性；立方氮化硼的密度和硬度要高得多，用六方氮化硼在高温高压下制得，可用作磨料或切削刀具。金属陶瓷：是金属与陶瓷结合成的一种复合材料，分散相是陶瓷颗粒，多为碳化物：碳化钛、碳化钨等；基体是一种金属或几种金属的混合物：镍、钴、铬、钼等。金属起粘合剂作用。最著名的是钴粘合的碳化钨。金属陶瓷的共同特点：1.模量比钢高2.密度高于钢3.压缩强度高于大多数工程材料4.硬度高于任何钢与其他合金5.拉伸强度与合金钢相当6.具有室内耐腐蚀性陶瓷的增韧途径：复合、预应力法、相转变法 。增韧体的形状偏离球形越远，增韧效果越好。最高的增韧效果来自连续纤维，连续纤维的增韧主要源于裂缝尾部纤维的拔出。而纤维的拔出又强烈依赖于界面的滑动阻力与纤维的性质。玻璃的种类：1.钠钙玻璃是最古老的玻璃，民用窗玻璃、瓶用玻璃都是这一类，产量占全部玻璃的90%，有较好的化学抵抗性，但不耐高温，不能承受热冲击，破碎时会形成大片，故不宜用于易伤人的场合。2.铅硅玻璃虽比钠钙玻璃略好一些，但不能耐高温与热冲击。3.硼硅玻璃是传统的耐热玻璃。4.铝硅玻璃耐热冲击性好。5.石英玻璃耐热冲击性好，价格昂贵。6.熔硅玻璃纯度最高，可以在900-1200C间使用，耐腐蚀性最高。立方晶系的三种晶格：简单立方（SC）、体心立方（BCC）、面心立方（FCC）晶体的缺陷：点缺陷（正常的晶体位置缺少原子）、线缺陷（晶体中的位错）、面缺陷（晶粒的边界与相的边界构成）细化晶粒为什么会既可以提高韧性和硬度：晶界是位错运动的障碍，因而晶粒越细小，晶界的总面积越大，位错的运动越困难，材料的强度也就越高，细晶强，所以可以通过细化晶粒来提高晶粒的强度。单位体积中晶粒越多变形时同样是变形量，便可以分散到更多的晶粒中，产生较均匀的变形而不改造成局部应力集中，引起裂纹的过早产生和发展金属的强化方法：1、固溶强化，形成点缺陷的强化；2、细晶强化，为形成面缺陷的强化；3、形成化合物的强化或称第二相强化；4、应变强化，即在冷加工过程中提高位错密度造成强化。分散强化：从过饱和固溶体系中析出的第二相往往为分散相，故这种强化称为分散强化。分散强化体系具有下列性质：基体应为软而具有延展性的，分散相应具有高强度，可得到延展性与强度的适当组合；小而多的分散相能更有效地抑制位错的滑动。分散相粒子数越多，强化效果越好；分散相最好为球状。如为针状或其它尖锐形状则会起到类似缺口的作用。铁-碳相图：1.铁素体：即相，是碳溶于-Fe(BCC铁)的间隙固溶体，为