材料科学基础张代东chap0 绪论ppt课件.ppt

材料科学基础FoundamentalsofMaterialsScience 课程概况 材料成型及控制工程专业基础课学时 56H考核方式 考试成绩组成 平时成绩 40 考试成绩 60 平时成绩 考勤 10 课堂表现 15 作业 15 绪论 现代科学技术进步的三大支柱产业现代一个国家的实力与水平主要取决于其能源 材料 信息的发展 能源 信息 材料 科技发展的基础 绪论 材料材料的性能材料的分类材料科学课程要求学习方法学习资源材料科学与工程领域历史上十个 最伟大事件 材料 材料是指用来制造某些有形物体的基本物质 如金属 木料 塑料 纤维等 一般把来自采掘工业和农业的劳动对象称为 原料 把经过工业加工的原料成为 材料 材料具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状 材料 材料是人类社会发展的巨大推动力生产工具制造的物质基础是材料石器时代 陶器时代 青铜时代 铁器时代 复合材料材料的使用和发展 与生产力和科学技术的水平密切相关 材料 没有先进材料的生产及应用 就没有先进的工业 农业 国防和科学技术的发展 人类已步入先进材料发展与应用的新时代 航空航天飞行器在超高温 超低温 高真空 高应力 强腐蚀等极端条件下工作 除了依靠优化的结构设计之外 还有赖于材料所具有的优异特性和功能 航空航天结构材料的高性能主要是 轻质 高强 高模 高韧 耐高温 耐低温 抗氧化 耐腐蚀等性能 材料的性能 金属材料加工 冶炼 铸造 铸锭 板棒型管 焊接 机加工 冷轧冷拔 深冲 锻件 铸件 机加工 车 铣 刨 磨 零件或构件 热轧 热锻 工艺性能 使用性能 材料的性能 包含使用性能与工艺性能两方面使用性能 在使用条件下所表现的性能 力学性能 强度 硬度 塑性 韧性等 物理性能 光 电 磁等 化学性能 抗氧化性 抗腐蚀性等 其他 耐磨性 热硬性 消振性等 工艺性能 材料制备 加工过程中所表现的性能 材料力学性能 材料处于特定环境因素 温度 介质等 时 在外力或能量作用下表现出来的变形和破坏的特征 主要力学性能 弹性强度塑性 硬度冲击韧性疲劳特性耐磨性 强度 塑性是结构材料最重要 最基本的性能由拉伸实验测定 概念补充 应力物体由于外因 受力 湿度 温度场变化等 而变形时 在物体内各部分之间产生相互作用的内力 以抵抗这种外因的作用 并试图使物体从变形后的位置恢复到变形前的位置 在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力 同截面垂直的称为正应力或法向应力 同截面相切的称为剪应力或切应力 概念补充 应力应力会随着外力的增加而增长 对于某一种材料 应力的增长是有限度的 超过这一限度 材料就要破坏 该应力限度称为该种材料的极限应力 通过材料的力学试验来测定材料要想安全使用 在使用时其内的应力应低于它的极限应力 否则材料就会在使用时发生破坏 将测定的极限应力作适当降低 规定出材料能安全工作的应力最大值 这就是许用应力 概念补充 应力有些材料在工作时 其所受的外力不随时间而变化 这时其内部的应力大小不变 称为静应力还有一些材料 其所受的外力随时间呈周期性变化 这时内部的应力也随时间呈周期性变化 称为交变应力 材料在交变应力作用下发生的破坏称为疲劳破坏 通常材料承受的交变应力远小于其静载下的强度极限时 破坏就可能发生 另外材料会由于截面尺寸改变而引起应力的局部增大 这种现象称为应力集中 对于组织均匀的脆性材料 应力集中将大大降低构件的强度 概念补充 应变物体受力产生变形时 体内各点处变形程度一般并不相同 用以描述一点处变形的程度的力学量是该点的应变 为此可在该点处取一无限小单元体 比较变形前后单元体大小和形状的变化 概念补充 应变线应变在直角坐标中所取单元体为正六面体时 三条相互垂直的棱边的长度在变形前后的改变量与原长之比 定义为线应变 用 表示一点在x y z方向的线应变分别为 x y z线应变以伸长为正 缩短为负 概念补充 应变切应变单元体的两条相互垂直的棱边 在变形后的直角改变量 定义为角应变或切应变 用 表示一点在x y方向 y z方向z x方向的切应变 分加别为 xy yz zx切应变以直角减少为正 反之为负 材料力学性能 拉伸试验 外力增加 试样伸长 得到P L曲线 换算为 曲线材料表现为弹性变形 均匀塑性变形 颈缩 断裂 金属的拉伸实验视频链接 材料力学性能 弹性与刚度 弹性变形特点应力撤消后 变形消失 应力与应变成正比关系 总变形量很小 1 金属 弹性模量与刚度弹性模量E是物质组分的性质 微观性质 刚度是结构的性质 宏观性质 为弹性模量与相应截面几何的乘积弹性极限 e保持弹性变形的最大应力 MPa 材料力学性能 塑性与强度 塑性变形应力撤消后 变形仅部分消失 存在残余 永久性的变形特点 变形具永久性 不可逆性应力与应变非正比关系变形量较大 可以塑性加工的原因 材料力学性能 塑性与强度 塑性变形屈服强度 s 抵抗微量塑性变形的应力值抗拉强度 b 抵抗最大均匀塑性变形的应力值断裂前塑性变形量断后伸长率 断面收缩率 材料力学性能 强度与塑性 强度材料抵抗变形或断裂的能力弹性极限 e 屈服强度 s 材料开始发生明显塑性变形时的应力值 MPa 实质是抵抗微量塑性变形的抗力无明显屈服现象时采用条件屈服极限 0 2 规定残余伸长率为0 2 时对应的应力值 材料力学性能 强度与塑性 强度抗拉强度 b材料在破断前所承受的最大应力值 Mpa产生最大均匀塑性变形的抗力存在颈缩现象 不均匀塑性变形 塑性变形中 s b屈强比 s b 0 6 0 85屈强比高 强度利用率高屈强比低 安全性高 综合考虑材料利用率和安全性 材料力学性能 强度与塑性 强度 断裂与塑性变形是材料失效的形式 材料力学性能 强度与塑性 塑性材料断裂前发生永久不可逆变形的能力伸长率 试样拉断后标距的增长量与原始标距长度之比 L断后 L原始 L原始 L L0 断面收缩率 试样拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积之比 A原始 A断后 A原始 A A0 越高 材料的塑性越好通常 5 为脆性材料 材料力学性能 硬度 衡量材料软硬程度的指标 反映材料抵抗局部塑性变形的能力硬度与强度间存在一定关系莫氏硬度 矿物硬度标准 布氏硬度 HB 洛氏硬度 HR 维氏硬度 HV 显微硬度 HV 材料力学性能 硬度 布氏硬度直径D钢球在力P的作用下压在试样上一定时间 压痕直径d 适用于较软的塑性材料 如有色金属 灰口铸铁等 球面压痕单位表面积上所承受的平均压力值通常碳素钢 b HB 材料力学性能 硬度 洛氏硬度HR用120度圆锥金刚石压头 1470N 150kgf 力压入材料 以压入材料表面的深度来度量材料的硬度 用于硬度较高的淬火钢件适合测量的材料HRA 硬质合金HRC 淬火钢 软硬范围较宽 应用最广 HRB 低碳钢 铜合金 铁素体可锻铸铁 HR k h 0 002注 h 压痕深度k 常数 0 2或0 26mm 0 002mm 一个洛氏硬度单位 材料力学性能 硬度 维氏硬度HV用对面夹角136度四棱锥金刚石压头 在力P作用下压入材料 用压痕单位面积上承受的力作为材料硬度的度量 力的大小从980N 490N 297N到 0 192N不等 压痕小用显微镜来观察 用于测量表层或微区 材料力学性能 冲击韧性 材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力常用一次弯曲冲击韧性试验ak值来表示 带缺口标准试样快速冲断时单位横截面积吸收的功 冲击韧性是材料强度和塑性综合作用的结果 k 或 k 材料力学性能 冲击韧性 金属的 k与温度直接相关T k 韧脆转变温度Tk当T Tk时 金属为脆性状态 k 材料力学性能 断裂韧性 断裂韧性是材料中存在缺陷时 材料抵抗脆性断裂的能力 大型构件不可避免存在各种缺陷 在缺陷前端有不同的应力作用 都存在应力集中 其中裂纹受张开应力作用为最危险 断裂韧性指标为KIC 有专门的测定方法 工程应用要求 Y裂纹形状系数 a裂纹长度的一半 材料力学性能 疲劳强度 零件在低于屈服应力的交变应力的反复作用下 而发生的断裂现象称为疲劳断裂疲劳断裂是损伤的积累过程 包括疲劳裂纹的产生 扩展 瞬间断裂三各阶段 应力大小和循环次数有关高周疲劳对称应力作用趋于水平线的最大应力为 1 作为永久可用的疲劳强度极限 实际大多以107次未断裂的应力来测定 低周疲劳又称条件疲劳极限 参照零件工作周期可能作用的次数下能承受的应力极限值 可以有效发挥材料的作用 材料力学性能 耐磨性 磨损一个零件相对另一零件有摩擦运动而造成接触面的尺寸变化 质量损失现象磨损后果因零件尺寸变化 影响部件的使用性能甚至造成零件断裂磨损形式磨粒磨损 切削 粘着磨损 分子作用力 测定方法让两试样组成摩擦付 在设定条件 力 润滑剂 进行一定时间的摩擦运动后 测定试样的尺寸减小值 质量的损失值 摩擦表面外观形貌来比较不同材料的耐磨性 材料物理性能 材料的物理性能是指材料本身的具有各种物理量 热 电 光 磁等 以及环境变化时它们的变化程度 密度与比容单位体积物质的质量Kg M3单位质量的物质所占的体积M3 Kg导热性 物体内温度梯度为1 M时 在单位时间 单位面积内传递的热量W M K 材料物理性能 热膨胀系数 温度上升1 时 单位长度的伸长量mm mm 或 1熔点物质由固态转变为液态的温度 反映固态下原子间结合力电阻与电导电阻率 为单位长度和单位截面积导体的电阻 单位是 M 其倒数称为电导率S M 材料物理性能 电阻温度系数温度上升1 时 电阻率 的变化系数 单位 1电子导电的特点是温度升高 电阻率上升 离子导电是热激活过程 温度升高 电阻率下降超导现象是材料在很低温度下 电阻突然从某个值降为零的特征 每种材料有自己的转变温度 某些化合物的转变温度达到100K 173 以下导磁率铁合金 化合物 铁氧体 特有性能 材料化学性能 反映材料与各种化学试剂发生化学反应的可能性和反应速度大小的相关参数工程材料主要考虑其耐腐蚀性 电化学材料有的考察电极电位 储能密度等腐蚀 材料由于周围环境介质侵蚀而造成的损伤和破坏腐蚀过程化学腐蚀 氧化 电化学腐蚀和应力腐蚀等腐蚀速度 与材料 介质 温度 应力 辐照 因素有关腐蚀后果影响零件表面质量 并且可以造成零件早期损坏防腐设计应考虑材料的选择和防腐措施相结合 材料加工工艺性能 材料的加工工艺性能是材料力学 物理 化学性能的综合表现主要反映材料生产或零部件加工的可能性或难易程度 材料加工工艺性能 切削加工工艺性能 可切削性材料进行切削加工的难易程度与材料种类 成分 硬度 韧性 导热性等有关切削抗力加工表面质量排屑难易程度切削刀具的使用寿命 材料加工工艺性能 铸造加工工艺性能 可铸性将材料加热得到熔体 注入较复杂的型腔后冷却凝固 获得零件的方法流动性 充满型腔能力收缩率 缩孔数量的多少和分布特征偏析倾向 材料成分的均匀性 材料加工工艺性能 锻造加工工艺性能 可锻性材料进行压力加工 锻造 压延 轧制 拉拔 挤压等 的可能性或难易程度的度量塑性变形能力材料不破坏前提下的最大变形量塑性变形抗力发生塑性变形所需要的最小外力 材料加工工艺性能 焊接加工工艺性能 可焊性利用部分熔体 将两块材料连接在一起连接能力焊接头部位强度与母材的差别程度焊接缺陷焊接处出现气孔 裂纹可能性的大小或母材变形程度 材料加工工艺性能 热处理加工工艺性能 可热处理性可以实施的热处理方法和材料在热处理时性能改变的程度 材料性能 决定材料性能的因素材料成分材料的成分描述了组成材料的元素种类以及各自占有的比例化学成分不同 性能不同 b MPa 铝合金400 600铜合金600 70040钢 退火态 50040钢 调质态 800 纯铝40纯铜60纯铁200 材料性能 决定材料性能的因素材料中原子排列方式原子的排列方式除和元素自身的性质有关以外 还和材料经历的生产加工过程有密切的关系化学成分相同 处理方式不同 性能不同 材料性能 决定材料性能的因素 石墨和金刚石均由碳原子构成 但性能迥异原因 碳原子的空间排列方式不同 即内部组织结构不同0 8 C的钢锯条 800 冷却方式不同出炉后水冷 性硬而脆 一弯就断随炉缓慢冷却 性软 弯曲90 不断 材料分类 按用途分工程材料主要利用其力学性能制作结构件有 建筑材料 结构材料 工具材料功能材料主要利用其物理 化学性能或效应制作具有特定功效的器件有 半导体材料 磁性材料 激光材料 热电材料光电材料 声电材料等等 材料分类 按成分分 金属材料 MetallicMaterials 无机非金属材料 InorganicMaterials 高分子材料 Polymers 复合材料 Composites 固体材料四大家族 人类社会发展的极为重要的物质基础之一 现代工 农 国防中应用最为广泛 在机械制造业占主导地位 90 以上 金属材料 金属由金属元素 纯金属 或以金属元素为主要成分 合金 组成的 具有金属特性的材料的统称金属特性导电性 导热性 延展性 金属光泽和正电阻温度系数等 来源在自然界已知所存在94种化学元素中金属元素占了72种 像铝 铁 钙 钠 钾 镁 铜等金属元素在地壳中含量较大 通过冶炼等手段可获得纯金属或合金 绪论 金属材料 金属材料 钢铁材料 黑色金属 钢铸铁非铁金属材料 有色金属 轻金属AlMgCaNa 重金属CuNiPbSnZn 贵金属AgAuPbRbIr稀有金属ZrTiNb 稀土金属Re YNd 放射性金属RaUTh 金属材料作用 对人类文明发挥重要的作用具有比其它材料优良的使用性能和加工工艺性能在性能方面以及数量和质量方面蕴藏着的巨大潜力 无机非金属材料 陶瓷由一种或多种金属元素 含半金属元素如Si等 同一种非金属元素形成的化合物如 CaO TiO2 Al2O3 SiC Si3N4 CaTiO3 MgAl2O4 传统 硅酸盐类材料现今 各种无机非金属材料 不含碳氢氧结合的化合物 的统称 无机非金属材料 陶瓷离子键为主 硬 脆普通陶瓷硅 铝氧化物的硅酸盐材料特种陶瓷高熔点的氧化物 碳化物 氮化物 硅化物等的烧结材料金属陶瓷金属与碳化物或其他化合物的粉末冶金制品发展纳米技术 陶瓷增韧 高分子材料 有机合成材料 聚合物大分子化合物 共价键 分子键较高强度 良好的塑韧性 较强的耐腐蚀性 优良的绝缘性 合成树脂 合成纤维 合成橡胶 复合材料 金属基复合材料非金属基复合材料目前非金属材料的应用 5 6 金属材料仍是最主要的工程材料 材料科学 材料科学的发展与人类社会的进步和发展密切相关 是人类文明进程的一种标志 铜 青铜 铁 钢 铝 铝合金 钛 钛合金 镁 镁合金 21世纪绿色金属材料 材料科学 一门以固体材料为研究对象 以固体物理 热力学 动力学 量子力学 冶金 化工为理论基础的边缘交叉基础应用学科 它运用电子显微镜 X 射线衍射 热谱 电子离子探针等各种精密仪器和技术 探讨材料的成分 加工工艺 组织结构同材料性能及材料应用之间的相互关系的一门基础应用学科 是研究材料共性的一门学科 材料科学 材料科学 研究材料四要素及相互关系的科学 性能Performance 加工工艺Process 化学成分Composition 组织结构Construction 提高材料性能的主要途径 一方面改变材料的化学成分 另一方面改进材料的生产工艺 进而改变材料内部的组织结构与性能 材料科学 组织结构层次原子结构取决于原子种类晶体结构原子在空间的排列方式组织结构 显微组织 不同放大倍数下观察到的内部形貌 材料科学 组织结构决定因素原子种类内部原子排列方式合金元素的存在方式内部不同尺度的各种结构缺陷 材料科学 研究目的利用上述四要素关系和规律 进行科学研究指导生产实践研制新合金材料 课程要求 掌握金属材料的基本概念 基本理论与基本实验方法 掌握金属材料的成分 工艺 组织结构 性能间关系的一般规律 了解金属材料常用的分析方法 主要是金相分析方法 学习方法 INTRESTINGISTHEMOSTIMPORTANT通过物质结构与组成的基本理论的学习 掌握材料的结构 性能内在关系 通过对比 了解高分子材料与金属和无机非金属材料在材料结构和性能特点上的主要异同点 运用结构 性能关系的原理 了解主要材料品种的制备和应用的特点 具有一定材料设计的基础知识 相关资源 精品课程 上海交通大学 国家级 西北工业大学 国家级 四川大学 材料科学与工程领域历史上十个 最伟大事件 2006年9月 美国 金属杂志 JournalofMetals JOM 发起了评选材料科学与工程历史上 最伟大的材料事件 GreatestMaterialsMoments 活动 材料科学与工程领域历史上十个 最伟大事件 最伟大的材料事件 定义一项人类的观测或者介入 导致人类对材料行为的理解产生标志性进展的关键或决定性事件 它开辟了材料利用的新纪元 或者产生了由材料引发的社会经济重大变化 材料科学与工程领域历史上十个 最伟大事件 NO 1元素周期表现代公认元素周期律是由俄国化学家门捷列夫在1869年第一次比较完整的提出来的 在周期律发现以前 人们发现元素是偶然的 在周期律的指导下 人们开始有计划 有目的的寻找化学元素了 它是把化学和原子物理学联系起来的纽带 元素周期律还在哲学上有着重大意义 它用科学事实证明了量变引起质变的客观规律 材料科学与工程领域历史上十个 最伟大事件 NO 2炼铁公元前3500年 推测 埃及人首次熔炼铁 或许是作为铜精炼的一种副产品 微量的铁主要用于装饰或礼仪 揭开了将成为世界主导冶金材料的第一个制备秘密 材料科学与工程领域历史上十个 最伟大事件 NO 3晶体管1948年巴丁 J Bardeen 布拉顿 W H Brattain 和肖克利 W Shockley 发明晶体管 成为所有现代电子学的基石和微芯片与计算机技术的基础 材料科学与工程领域历史上十个 最伟大事件 NO 4玻璃公元前2200年左右伊朗西北部人发明了玻璃 成为第二种伟大的非金属工程材料 继陶瓷之