材料科学与工程导论.ppt

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料分类三 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 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 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 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 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 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 9 材料性质描述 力学性质 物理性质 化学性质 10 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 11 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 12 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 13 强度范畴 刚度范畴 塑性范畴 韧性范畴 应力 应变 14 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 15 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 16 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 17 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 18 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 19 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 20 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 21 22 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 23 24 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 25 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 26 线形非线性滞弹性 阻尼减震 27 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 28 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 29 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 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 30 31 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 32 33 KI应力场强因子外加应力 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 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 40 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 44 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 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 47 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 49 腐蚀防护合金化涂层阴极保护 50 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 51 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 52 3 失效分析材料使用性能的重要研究内容 53 断裂 磨损 腐蚀 三类主要的材料力学失效形式 54 材料的结构 键合结构 晶体结构 组织结构 55 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 58 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 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 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 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 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 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 83 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 结构分析 84 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 85 86 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 88 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 89 2 合成与加工的主要内容 90 一 材料的制备 冶金过程 熔炼与凝固 粉末烧结 高分子聚合 91 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 92 冶金过程 化学冶金 93 熔炼与凝固 物理冶金 94 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 95 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 96 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 97 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 98 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 99 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 100 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 101 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 102 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 103 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 104 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 105 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 106 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 107 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 108 三 材料表面工程 表面改性表面防护薄膜技术 109 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 110 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 111 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 112 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 113 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 114 腐蚀防护 摩擦磨损防护 表面防护 115 腐蚀防护 大气腐蚀 海水腐蚀 工业介质腐蚀 116 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 117 摩擦磨损防护 增加抗磨损性 增加润滑性 118 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 119 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 120 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 121 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 122 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 123 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 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 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 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 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 铁及铁基合金 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 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 材料应力 应变曲线 热塑性塑料 受热后软化 冷却后又变硬 可重复循环 热固性塑料 由单体直接形成网状聚合物或通过交联线型预聚体而形成 一旦形成交联聚合物 受热后不能再回到可塑状态 制品不溶不熔 优点 质轻 电绝缘 耐化学腐蚀 容易成形加工等 缺点 力学性能比金属材料差 表面硬度低 大多数品种易燃 耐热性差 热塑性与热固性 聚合物分子运动特点 聚合物分子运动具有多重性 运动单元 侧基 支链 链节 链段及整个大分子等 运动方式 键长 键角的振动或扭曲 侧基 支链或链节的摇摆 旋转 分子内旋转及整个大分子的重心位移等 聚合物分子运动具有明显的松弛特性 具有时间依赖性的过程称为松弛过程 分子运动是一个速度过程 要达到一定的运动状态 提高温度和延长时间具有相同的效果 这称为时 温等效原理 或时 温转化效应 玻璃化转变 聚合物的玻璃化转变是指从玻璃态到高弹态之间的转变 从分子运动的角度看 玻璃化温度Tg是大分子链段开始运动的温度 玻璃化转变是一个松弛过程 在时间尺度不变时 凡是加速链段运动速度的因素 如大分子链柔性的增大 分子间作用力减小等结构因素 都使Tg下降 聚乙烯 PE 聚乙烯从1939年开始工业化生产 是目前产量最大 应用最广泛的品种 低密度聚乙烯 LDPE 在各种聚乙烯中产量最大 主要用于生产薄膜 制造食品袋 垃圾袋 地膜 大鹏膜等 约10 用于生产注塑用品 线型低密度聚乙烯 LLDPE 主要用于生产薄膜 厚度比低密度聚乙烯更薄 制品性能更好 还用于生产扁丝 制造编织袋 高密度聚乙烯注塑制品 工业容器 家用器皿 玩具等 中空吹塑制品 食品 药品 化妆品的包装瓶等 薄膜制品 约占20 大量用于食品包装 聚乙烯管材应用领域主要有 生活用水和煤气管道 农业排灌用管道以及圆珠笔内的油墨管子等 质轻 坚韧耐磨 力学性能良好 使用寿命长 施工安装简便 输送阻力小 安全可靠 铺设费用低 超高分子量聚乙烯 UHMWPE 可作为工程塑料在汽车 机械 原子能以及宇宙飞行等领域得到重要应用 具有优异的耐冲击和自润滑性 耐腐蚀 抗磨损 不粘着等特性 可作齿轮 轴套 滑板 储罐衬里等 催化剂决定材料性能齐格勒茂金属聚乙烯韧性 透明度 热粘性 热封温度 低气味方面等明显优于传统聚乙烯 PVC 是耗石油最少的热塑性树脂 具有阻燃及较高的机械强度 PVC可以兼有两种截然不同的性能 从软质到硬质 具有不同的用途 应用 农用塑料制品 农地膜 渔用单丝 绳缆等 包装材料 保鲜 防锈 防霉等 塑料编织袋 包装容器等 日用品 塑料鞋 塑料袋 人造革 塑料玩具等 化学建材 塑钢门窗 水管 电线穿线管等 PS 无色透明 相对密度1 05 电绝缘性能优异 耐热性好 吸湿性低 质硬 刚性强 耐化学性好 易被染色 有良好的加工性 应用 世界市场上 PS主要用于包装 其次是电子 电器 发泡聚苯乙烯 EPS 质轻 隔热 防震 价廉 用于建筑和包装 国内最大的市场是家电行业 国内彩色电视机外壳有60 使用高抗冲聚苯乙烯 HIPS 氟塑料 是各种含氟塑料的总称 聚四氟乙烯 PTFE 1950年首先由杜邦公司投产 有 塑料王 之称 是高结晶度聚合物 无熔融态 分解温度400 可在260 以下长期下使用 耐低温达 200 力学性能优异 光滑不粘 摩擦系数极小 具有自润滑性 耐化学腐蚀性极强 耐强酸 强碱 有机溶剂 能耐王水及沸腾的氢氟酸 具有塑料中最好的电绝缘性能 广泛用于化工机械和容器的防腐 耐磨密封 电绝缘等 四氟乙烯 六氟丙烯 三氟氯乙烯等单体 纤维 涤纶尼龙 锦纶 聚丙烯腈 腈纶 人造羊毛 保鲜膜 性能要求保鲜 保洁 自粘安全 无毒市场上的保鲜膜聚乙烯 PE 聚氯乙烯 PVC 偏聚氯乙烯及其他材质聚氯乙烯 PVC 保鲜膜存在的问题 聚合物光盘基片 性能要求高的透光率 光学纯度 尺寸稳定性和热变形温度 较好的机械性能和加工性能 低的双折射和成本等 主要材料 聚碳酸酯 聚甲基丙烯酸甲酯 PMMA 改性双酚A环氧树脂 非晶态聚烯烃等 铝及铝合金 铝及铝合金的特点 密度低 比强度高 纯铝的密度只有2700kg m3 仅为铁的1 3 优良的物理 化学性能 导电性能好 磁化率低 耐腐蚀等 加工性能好 铸造性能好 易于塑性变形 经热处理后还具有很高的强度 有色金属材料 铝及铝合金 合金元素的作用 铝中加入合金元素后 可提高合金的强度 并保持良好的加工性能 提高强度 阻碍位错运动 铜及铜合金 纯铜 纯铜为紫色 又称紫铜 主要用于制作电导体及配制合金 工业纯铜分为4种 T1 T2 T3 T4 编号越大 纯度越低 纯铜的强度低 不宜用作结构材料 钛及钛合金 钛及钛合金的特点 密度低 比强度高 生物相容性 耐高温 耐腐蚀性能 低温韧性好等 加工条件复杂 成本较高 镁及镁合金 纯镁的特点 密度低 比强度高 纯镁的密度只有1749kg m3 仅为铁的1 4 铝的2 3 镁的电极电位较低 抗腐蚀性能差 镁属于密排六方结构 因此塑性变形能力差 镁及镁合金 镁合金的特点 低比重 工业用材料中最轻量材料 铝的2 3重 高比强度 优于钢和铝 震动吸收性好 可将震动能吸收并转化成热放出 易机械加工 切削力为铝和软钢的1 2 耐冲击性好 优于铝合金和软钢 电磁屏蔽性好 可再生利用 有利于环境优化 镁及镁合金 21世纪的绿色工程材料 镁的冶炼 什么是无机非金属材料 金属材料和有机高分子材料以外的固体材料通称为无机非金属材料 主要特性 熔点高 硬度高 化学稳定性好 耐高温 耐腐蚀 耐磨损 耐氧化 弹性模量大 强度高 一般为脆性材料 陶瓷材料的物质结构 陶瓷材料的相组成 晶体相 晶体相是陶瓷材料最主要的组成相 主要是某些固溶体或化合物 其结构 形态 数量及分布决定了陶瓷材料的特性和应用 晶体相又分为主晶相 次晶相和第三相 陶瓷中晶体相主要有含氧酸盐 硅酸盐 钛酸盐等 氧化物 MgO Al2O3 非氧化物 SiC Si3N4 等 硅氧四面体是硅酸盐陶瓷中最基本的结构单元 陶瓷材料的物质结构 陶瓷材料的相组成 玻璃相 玻璃相是陶瓷材料中原子不规则排列的组成部分 其结构类似于玻璃 玻璃相的作用是 将分散的晶体相粘结起来 填充晶体之间的空隙 提高材料的致密度 降低烧成温度 加快烧结过程 阻止晶体转变 抑止晶粒长大 玻璃相对陶瓷强度 介电常数 耐热性能是不利的 陶瓷材料的物质结构 陶瓷材料的相组成 气相 气孔 陶瓷中气孔主要是坯体各成分在加热过程中单独或互相发生物理 化学作用所生成的空隙 这些空隙可由玻璃相来填充 还有少部分残留下来形成气孔 气孔对陶瓷的性能是不利的 它降低材料的强度 是造成裂纹的根源 陶瓷材料的性能特点 力学性能 硬度 陶瓷的硬度很高 多为1000Hv 1500Hv 普通淬火钢的硬度500 800Hv 陶瓷硬度高的原因是离子晶体中离子堆积密度大 以及共价晶体中电子云的重叠程度高引起的 刚度 陶瓷的刚度很高 刚度是由弹性模量衡量的 而弹性模量又反映其化学键的键能 离子键和共价键的键能都要高于金属键 因此陶瓷材料的弹性模量要高于金属材料 陶瓷材料的性能特点 力学性能 强度 陶瓷材料的强度取决于键的结合力 理论强度很高 但陶瓷中由于组织的不均匀性 内部杂质和各种缺陷的存在 使得陶瓷材料的实际强度要比理论强度低100多倍 陶瓷材料的强度也受晶粒大小的影响 晶粒越细 强度越高 此外 陶瓷材料一般具有优于金属材料的高温强度 高温抗蠕变能力强 且有很高的抗氧化性 常用于高温材料 陶瓷材料的性能特点 力学性能 塑性与韧性 陶瓷材料的塑性和韧性较低 这是陶瓷最大的弱点 陶瓷材料受到载荷时在不发生塑性变形的情况下 就发生断裂 陶瓷内部和表面所产生的微裂纹 由于裂纹尖端的应力集中 内部裂纹在受到外应力时扩展很快 这是导致陶瓷材料断裂的根本原因 陶瓷材料的性能特点 热学性能 熔点 陶瓷材料由离子键和共价键结合 因此具有较高的熔点 热容 热膨胀 陶瓷材料在低温下热容小 在高温下热容增大 陶瓷材料的热膨胀系数小 这是由晶体结构和化学键决定的 一般为10 5 10 6 K 陶瓷材料加工方法 配料 成形 煅烧 结构陶瓷材料 结构陶瓷的种类 氧化物结构陶瓷 炭化物结构陶瓷 氮化物结构陶瓷 功能陶瓷材料 什么是功能陶瓷 功能陶瓷是指具有电 光 磁以及部分化学功能的多晶无机固体材料 其功能的实现主要来自于它所具有的特定的电绝缘性 半导体性 导电性 压电性 铁电性 磁性 生物适应性等 功能陶瓷材料 功能陶瓷的种类 电子陶瓷 超导陶瓷 磁性陶瓷 光学陶瓷 生物陶瓷 敏感陶瓷 功能陶瓷材料 电子陶瓷 压电陶瓷 当外力作用于晶体时 发生与应力成比例的介质极化 同时在晶体两端将出现正负电荷 这种由于形变而产生的电效应 称为压电效应 反之 当在晶体上施加电场引起极化时 将产生与电场成比例的变形或压力 称之为逆压电效应 材料的压电效应取决于晶体结构的不对称性 晶体必须有极轴 才有压电效应 压电陶瓷是具有压电效应的陶瓷材料 压电陶瓷的晶体结构随温度的变化而变化 对钛酸钡和钛酸铅 当温度高于居里温度Tc时 为立方晶体 具有对称性 无压电效应 低于Tc时 为四方晶体 具有非对称性 有压电效应 功能陶瓷材料 压电陶瓷的应用 压电陶瓷的有点是价格便宜 可以批量生产 能控制极化方向 添加不同成分 可改变压电特性 压电陶瓷可用作超声波发生源的振子或水下测声仪器上的振子 也可用作声电转换器 压电陶瓷收到机械应力的作用时 由压电效应发生的电能可用于煤气灶的点火器和打火机等 压电陶瓷还可用于滤波器等 功能陶瓷材料 磁性陶瓷 什么是铁氧体 铁氧体是铁和其他金属的复合氧化物 MO Fe2O3 M代表一价 二价金属 铁氧体属半导体 电阻率在1 1010 m 由于电阻率高 涡流损失小 介质耗损低 故广泛用于高频和微波领域 磁性陶瓷主要指铁氧体 铁氧体 软磁铁氧体 硬磁铁氧体 功能陶瓷材料 生物陶瓷的种类 1 生物惰性陶瓷 2 生物活性陶瓷 该陶瓷的物理 化学性能稳定 在生物体内完全呈惰性状态 具有优异的生物相容性 能与骨形成结合面 结合强度高 稳定性好 参与代谢 功能陶瓷材料 生物活性陶瓷 1 磷酸钙陶瓷 具有生物降解性 能被人体吸收 2 生物活性玻璃陶瓷 3 Na2O K2O MgO CaO SiO2 P2O5陶瓷 4 BCG人工骨头 功能陶瓷材料 敏感陶瓷 1 热敏电阻陶瓷 指某些性能随外界条件 温度 湿度 气氛 的变化而发生改变的陶瓷材料 2 压敏电阻陶瓷 3 磁敏电阻陶瓷 4 气敏电阻陶瓷 5 湿敏电阻陶瓷 功能陶瓷材料 气敏电阻陶瓷 将气体参量转化成电信号的陶瓷材料 它能以物理或化学吸附的方式吸附气体分子 气敏陶瓷有氧化铁系气敏陶瓷 氧化锌系气敏陶瓷 氧化锡系气敏陶瓷等 应用 可燃气体和毒气的检测 检漏 报警 监控等 它的灵敏度高 对被测气体以外的气体不敏感 功能陶瓷材料 湿敏电阻陶瓷 将湿度信号转化成电信号的陶瓷材料 应用 用于湿度指示 记录 预报 控制和自动化等 MgCr2O4 TiO2陶瓷 ZnO Cr2O3陶瓷 Zn Cr2O3 Fe2O3陶瓷 传统日用 建筑材料 水泥 什么是水泥 水泥是一种加入适量水后 成为塑性浆体的 既能在空气中硬化 又能在水中硬化的 并能把砂 石等材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料 水泥的种类 硅酸盐水泥 铝酸盐水泥 硫铝酸盐水泥 氟铝酸盐水泥 火山灰水泥 传统日用 建筑材料 硅酸盐水泥 原料 石灰石 黏土 铁粉 煤粉 矿化剂等 CaO Al2O3SiO2 Fe2O3 工艺 配料 粉磨 成球 煅烧 粉磨 包装 传统日用 建筑材料 硅酸盐水泥 配料 粉磨 成球 煅烧 矿渣 水泥的生料 水泥的熟料 1300 1450度 粉煤灰 火山灰 普通水泥 矿渣水泥 粉煤灰水泥 火山灰水泥 粉磨 包装 传统日用 建筑材料 衡量水泥性质和质量的指标 密度 容重 细度 需水性 凝结时间 安定性 强度 标号 水化热 传统日用 建筑材料 玻璃 什么是玻璃 凡熔融体通过一定方式冷却 因黏度逐渐增加而具有固体性质与一定结构特征的非晶态物质 都称为玻璃 玻璃的种类 钠钙玻璃 铅玻璃 硼硅酸盐玻璃 石英玻璃 钢化玻璃 微晶玻璃 彩色玻璃 变色玻璃 磨光玻璃 磨砂玻璃 压花玻璃 夹层玻璃 传统日用 建筑材料 耐火材料的性能指标 耐火度 材料在高温下不熔化的性质 荷重软化温度 指耐火材料在温度和荷重的作用下抵抗变形的能力 高温体积稳定性 在高温下外形体积及线度保持稳定的能力 抗热震性 抗渣性 在高温下 温度急剧变化不破坏的能力 抵抗熔渣或熔融液侵蚀的能力 耐真空性 在真空和高温下服役的能力 一 填空题 陶瓷材料的晶体缺陷有 其中导电性与有直接关系 陶瓷材料的和较低 这是陶瓷材料的最大弱点 陶瓷材料热膨胀系数小 这是由和决定的 称为压电效应 材料的压电效应取决于晶体结构的 晶体必须有 才有压电效应 制造透明陶瓷的关键是和 简答题 1 举例说明陶瓷材料的结合键主要有哪两种 各有什么特点 2 陶瓷材料主要有哪些相组成 各有什么作用 4 简述陶瓷材料的力学性能特点 6 什么是水泥 水泥的种类主要有哪些 7 衡量耐火材料性能的指标主要有哪些 什么是复合材料 复合材料是由两种或两种以上物理 化学 力学性能不同的物质 经人工组合而成的多相固体材料 复合材料的种类 力学复合材料 功能复合材料 树脂基复合材料 金属基复合材料 无机非金属基复合材料 导电导磁复合材料 阻尼吸声复合材料 屏蔽功能复合材料 摩擦磨损复合材料 基体材料的不同 增强材料的形状分布 长纤维增强复合材料 短纤维 晶须 颗粒强化复合材料 弥散强化复合材料 积层结构复合材料 纤维 颗粒混杂复合材料 粒度1 50微米100纳米 复合材料的组成 2 抗疲劳与断裂安全性能好 a基体中初始裂纹b裂纹扩展受阻于增强纤维 纤维增强复合材料中疲劳裂纹扩展过程示意图 3 良好的减震性能 1 纤维增强复合材料具有较高的自震频率 不易产生共振现象2 复合材料相界面对振动有反射和吸收作用 钢 碳纤维复合材料的振动衰减特性比较 纤维增强复合材料的纤维种类 纤维增强复合材料中主要的新型纤维与晶须有 碳纤维 硼纤维 芳纶纤维 碳化硅纤维 氧化铝纤维以及碳化硅晶须 氧化铝晶须和氧化锌晶须等 这些纤维与晶须的主要特点是 密度低 强度高 弹性模量高 线膨胀系数小等特点 复合材料的基本理论 1 纤维增强复合材料的复合原理 假设复合材料中基体是连续的 均匀的 纤维的性质和直径都是均匀的 且平行连续排列 同时纤维与基体间的结合为理想结合 在界面上不产生滑移 外载荷与纤维方向一致 c f m 则 在外载荷作用下纤维和基体处于等应变状态 Fc cAc fAf mAm c fVf mVm Ec c Ef fVf Em mVm 复合材料上总力等于纤维和基体受力的和 Fc Ff Fm 由于 c f m 则Ec EfVf EmVm