考试复习笔记材料概论(上)

考试复习笔记材料概论考试复习笔记材料概论 上上 考试复习笔记 材料概论 上 1 The wide range of materials availableto engineerscan bedivided intofive categories metals ceramics and glasses polymers posites and semiconductors 可以被工程师使用的材料的范围很广泛 这些材料 可以划分为5类金属 陶瓷 玻璃 聚合物 复合材料和半导体材 料 The firstthree categoriescan beassociated withdistinct tyresof atomicbending 前三类材料的分类与他们独特的化学键的类型相关 The fourthcategory posites involves binationof twoor morematerials fromthe previousthree categories 第四类材料 复合材料 是由前三类材料中的2种或2种 以上的材料复合而成 The firstfour categoriesprise thestructural materials 前四类材料构成了结构材料 The fifthtype semiconductor is aseparate categoryof clectronicmaterials distinguishedby itsunique intermediate electricalconductivity 第五类材料 半导体材料 是单独的一类 材料 即电子材料 它与其他材料的显著区别是其独特的中等大小 的导电能力 Understanding the properties of these variousmaterial requiresexamination ofstructure at either amicroscopicor submicroscopic scale 要理解这各种材料的性能需要从微观或亚微观尺度上研究材 料的结构 2 The relativeductility ofcertain metalalloys is related toatomic scale architecture 某些金属合金的延展性的相对大小与其原子 尺度上的 构造有关 Similarly the development of transparentceramics hasrequired carefulcontrol ofmicroscopic scale architecture 与此类似 透明陶瓷的研制也需要严格控制 其微观尺度上的 构造 Once theproperties ofmaterial areunderstood the practicalselection ofmaterials isdone attwo levels 当我们了解了材料的性能 材料的实际选择就可以在两个层 次上进行 First there ispetition amongthe variouscategories ofmaterials 首先 在材料的各种类之间存在竞争 Second there ispetition within the mostappropriate categoryfor theoptimum specified material 其次 在合适的材料种类中还存在究竟哪种材料最适合的 竞争 In addition new developmentscan lead to therejection of an alternatematerial fora givendesign 另外 对于某些特定的设计 新研制出来的材料还带 来替代材料选择的问题 3 To understand thepropertiesof engineering materials it isnecessary tounderstand theirstructure on the atomicand microscopicscale 为了理解工程材料的性能 必须理解它们在原子 尺度和微观尺度上的结构 Virtually everymajor propertyof thefive materials categories justoutlined willbe shownto resultdirectly frommechanisms ourringateitherthe atomicor themicroscopicscale 实际上 前面列出的五类材料中每一种材料 的主要性能都直接取决于它们发生在原子或微观尺度上的机制 4 Metals playamajor solein engineeringdesign especially asstructural element 在工程设计中 金属材料起主要作用 特别是对于结构组 元的设计更是如此 Over90 by weightof thematerials usedfor engineeringare iron based orferrous allows which include the steels containing0 05to2 0wt C and thecart irons with2 0to4 5wt C 超过90 重量的工程材料是铁基合金 包 括刚 含0 05 2 0wt C 和铸铁 含2 0 4 5wt C Most steelsinvolve aminimum of alloy additionsto maintainmoderate costs 大多数的刚只含有少量的合金添加剂使材料的成本适中 These areplain carbon or low alloy 5wt total noncarbonadditions steels 这些钢是普碳钢或低合金钢 非碳添 加剂的总加入量 5wt 5 Special carein alloyselection and processing canresult inhigh strength low alloy HSLA steels 对合金选择和加工处理的特别关注导致了高强 度低合金钢的出现 For demandingdesign specificationshigh alloy 5wt total noncarbonadditions steels arerequired 对于要求苛刻的设计师需要高合金刚 非碳添加剂的 总加入量 5wt 来满足要求 Chromium additionsproduce stainlesssteels forcorrosion resistance 加入铬添加剂可以生产耐腐蚀的不锈钢 Additions such as tungstenleadtohigh hardness alloyused astool steels 加入钨之类的添加剂可以生产用做工具刚的高硬度合金 superalloys includemany stainlesssteels thatbine corrosionresistance withhigh strengthat elevatedtemperatures 超合金包括多种不锈钢 这些不锈钢在高温 下即耐腐蚀同时又具有高强度 The castirons exhibita widerange ofbehavior dependingon positionand processinghistory 铸铁的性能变化比较大 这取决于其化学组成 和加工处理过程 White andgray irons are typicallybrittle whereas ductileand malleableironsarecharacteristically ductile 白铁和灰铁是典型的脆性材料 而软铁和可锻铁的特征是 其良好的延展性 6 Nonferrous alloysinclude awiderange ofmaterialswith individualattributes 非铁合金包括很多种材料 这些材料具有各 自性能特性 Aluminium magnesium and titaniumalloys havefound wideuse aslightweight structuremembers 铝合金 镁合金和钛合金作为轻质结构材料而得 到广泛应用 Copper and nickel alloysare especialattractive forchemical andtemperature resistanceand electricaland magicapplications 铜合金和镍合金因其良好的耐化学和高温性能 以及在电子和磁性材料方面的应用而具有特别的吸引力 Other importantnonferrous alloysincludethezinc andlead andthe refractoryand preciousmetals 其他重要的非铁合金包括锌合金 铝合金以及高温 合金和贵金属 7 The wideuse ofmetals asstructural elementslead usto concentrateon theirmechanical properties 金属材料作为结构组元的广泛应用使得我们特别关注其 力学性能 The tensile test givesthe mostbasic designdata includingmodulus ofelasticity yield strength tensile strength ductility and toughness 通过拉伸实验可以获得最基本的设计数据 包括弹性模 量 屈服强度 拉伸强度 延展性和韧性 Closely relatedelastic propertiesare Poisson s ratioandtheshear modulus 与弹性密切相关的是泊松比和剪切模量 The hardnesstest isasimple alternativeto thetensiletestthat providesan indicationofalloystrength 硬度试验是拉伸试验的简单替代方法 可以获得合金强度方面的指示 The impacttest providesa measureof energyto fractureand correlateswith toughnessas determinedby tensiletesting 通过冲击实验可以进行断裂能的测量 而且该实验 与韧性相关 类似于通过拉伸实验进行的测量 A specialconsideration ofthis testis theductile to brittle transition temperature forb alloyssuch asstructural steels 对于这个实验需要特别考虑的是b结构的合金 如结构钢 的延展性 脆性转变温度 8 Fracture toughnesstesting measuresthe stress intensification caused by acrack responsiblefor thecatastrophic failureof thealloy 断裂韧性实验测量的是由裂纹引起的应力集中情况 这些 裂纹可能会引起合金的灾难性破坏 This isa microscopicstatement oftendency towardbrittleness orductility 这个实验是对材料的脆性或延展性趋势的微观描述 Fatigue testingdemonstrates that the failurestress ofan alloydrops offdramatically withprolonged cyclicloading 疲劳实验表明 合金破坏应力随循环载荷的延展而 显著下降 The creeptest indicatesthat abovea temperatureof aboutone half timethe absolutemelting point an alloyhas sufficientatomic mobilityto deformplastically atstresses belowthe room temperature yieldstress 蠕变实验表明 在材料的绝对熔点一半以上的温度下 合金的原子具有足够的迁移能力而使得合金在低于室温屈服应力 的条件下发生塑性形变 9 Steel generallycontains between0 05and2 0wt C 钢一般还有0 05 2 0 的C The castiron generallycontain between2 0and4 5wt C 铸铁一般含有2 0 4 5 的C Within thesteel category we shalldistinguish whetheror nota significantamount ofallowing elementsother thancarbon isused 在钢这类材料中 必须清楚它是否使用了显著含量的非碳合 金元素 A positionof5wt total noncarbonadditions willserve asan arbitraryboundary betweenlow alloy andhigh alloy steels 在化学组成中总量5 的非碳添加剂是人为设定的低合金钢和 高合金钢的划分界限 These alloyadditions arechosen carefullybecause theyinvariably bringwith themsharply increasedmaterial costs 这些合金添加剂的选择是谨慎的 因为他们的加入总是会显 著增加材料成本 They arejustified onlyby essentialimprovements inproperties suchas higherstrength orimproved corrosionresistance 只有确实能够改进材料的性能 如提高材料 强度或改善材料的耐腐蚀性 这些添加剂的加入才能是正确的 10 Ceramics and glasses representa diversefamily ofengineeringmaterials 陶瓷与玻璃代表的是品种繁多的一个工程 材料体系 The termceramics isassociated withpredominantly crystallinematerials 陶瓷主要是指多晶材料 Silicates areabundant andeconomical examplesfinding usesin numerousconsumer andindustrial products 硅酸盐材料的原料资源丰富且成本低廉 在各个领域中获 得广泛应用 Nonsilicate oxidessuchasMgO arewidely usedin suchareas asrefractories nuclear fuels and electronicmaterial 非硅酸盐氧化物材料 如MgO 广泛应用与耐 火材料 核燃料以及电子材料领域 Partially stabilisedzirconia PSZ is aprimarycandidate forhigh temperature engine ponents 部分稳定的氧化锆PSZ材料是高温发动机部件的首选替代品 Nonoxide ceramicsinclude siliconnitride anothercandidate forengineponents 非氧化物陶瓷还包括氧化硅 这是发动机部件的 另一个替代品 11 Glasses arenoncrystalline solidschemically similarto thecrystalline ceramics 玻璃是在化学组成上与多晶陶瓷相似的非晶固体材料 The predominantcategory isthe silicates which includematerials fromthe expensive high temperature vitreoussilica tomon sodalime silicawindow glass 玻璃中最重要的是硅酸盐玻璃 从昂贵的高温石英玻璃 到 普通的钠钙硅酸盐窗玻璃 Protective anddecorative glasscoating onceramics andmetals aretermed glazesamdenamels respectively 陶瓷和金属表面的保护性和装饰 性的玻璃质涂层分别被称为釉和搪瓷 Many silicateglasses containsubstantial amountof otheroxide ponent although thereis littlemercial usefor pletelynonsilicate oxideglasses 许多硅酸盐玻璃含有相当量的其它氧化物组分 尽管 完全的非硅酸盐氧化物玻璃的商业应用价值不大 Some nonoxideglasses havefound mercialusers chalcogenide glassesand amorphoussemiconductors 有些非氧化物玻璃已经找到了商业应用 如硫族玻璃用于无定形半导体材料 12 The glass ceramics aredistinctive productsthat areinitially processedas glassesand thencarefully crystallizedto forma dense fine grained ceramicproduct withexcellent mechanicaland thermalshock resistance 玻璃陶瓷是一种很独特的产品 它首先是被加工成玻璃 然后通过严格的控制使它析晶而成为致密细晶的析晶产品 具有 优越的力学和抗热震性能 Most mercialglass ceramics arein theLi2O Al2O3 SiO2system which ischaracterized bypounds withexceptionally lowthermal expansioncoefficients 应用最多的是系玻璃陶瓷 其特点是具有 特别低的热膨胀系数 13 Several mechanicalproperties playimportant rolesin thestructural applicationsandprocessing of ceramics and glasses 在陶瓷与玻璃的作为结构应用极其加工处理过程中 力学 性能起重要的作用 Both ceramics andglassesare characterizedby brittlefracture陶瓷和玻璃的特征都是脆性断裂 The lowvalues offracture toughnessof traditionalceramics correlatewith lowtensile strength although pressivestrength arerelatively high 传统陶瓷的断裂韧性很低 这与其拉伸强度低有关 尽管其抗 压强度很高 A majorarea ofresearch anddevelopment forstructure ceramicsis inthe significantincrease offracture toughness 对结构陶瓷进行研究与开发的主要领域是显著增加其断 裂韧性 Transformation toughnessPSZ isa primeexample 相变增韧PSZ就是很好的例子 14 In contractto metal 26726andglassesdemonstrate astatistic fatiguemechanism dueto chemicalattack by atmosphere moisturearound roomtemperature 与金属相比 陶瓷与玻璃具有静态疲劳机制 这 是由于室温下大气水分的化学腐蚀造成的 Creep playsan importantrole inthe applicationof coralinthehigh temperatureservice 对于陶瓷在高温条件下的应用 瑞变起重要的 作用 Diffusional mechanismsbine withgrain boundarysliding toprovide thepossibility ofextensive deformation 扩散机制再加上晶界滑移使得材料具有很大的可变形 性 The inherentbrittleness ofceramicsandglasses binedwith thermalexpansion mismatchorlowthermal conductcan leadto thermalshock 陶瓷和玻璃固有的脆性再加上热膨胀失配或低的热传 导率导致材料的热震破坏 15 Below the glass transitiontemperature Tg glasses deformby anelastic mechanism 在玻璃转变温度 Tg 以下 玻璃通过弹性机制发生变 形 Above Tgthey deformbyaviscous flowmechanism 在Tg温度以上 玻璃通过粘性流动机制发生变形 The exponentialchange ofviscosity withtemperature providesa guidedfor routineprocessingofglass productsas well as thedevelopmentoffracture resistanttempest glass 粘度随温度而指数变化这一特征为玻璃产品的一般加工处理 和抗脆断的钢化玻璃的研制提供了指导方针 16 The wideuse ofceramicsand especially glasses foroptical applicationsmake aknowledge ofoptical propertiesimportant 陶瓷材料的广泛应用 特别是玻璃在光学方 面的应用 使得材料的光学性能非常重要 The refractiveindex n has astrong effecton thesubjective appearanceof transparentsolid orcoating andnisrelatedto thereflectance ofthe surfacethrough fresnelformula 折射率 n 对于透明固体材料或涂层的外观具有 重要的影响 并且n通过fresnel公式而与表面反射相关 Surface roughnessdetermine therelative amountof speculateand diffusereflection 表面粗糙度决定镜面反射和漫反射的量的相对 大小 Transparency islimited bythe matureof second phase pores or particle which serveas scattercenters 透明度受到材料中的气孔或颗粒等作为散射中心的 第二相的性质的限制 Color isproduced bythe selectiveabsorption ofcertain wavelengthrange inthe visiblelight spectrum 颜色是由于材料对可见光谱中一定波长的光进行选择性吸 收而产生 17 Having secondphase particlesof tetragonalzirconia ina matrixof cubiczirconia isthe keyto improved 在立方氧化锆的基质中含有第二相四方氧化锆的颗粒 这 是材料韧性改善的关键 A propagatingcrack createa localstress fieldthat inducea transformationof zirconiaparticle tothe monoclinicstructure inthat vicinity 扩展裂纹产生一个局部应立场 进而在该区域引起四方氧 化锆颗粒向单斜结构的相变 The slightlylarger specificvolume ofthe monoclinicphase causean effectivepressive loadlocally and in turn the squeezeofthe crack shut 单斜相相对稍大的单位体积产生一个有效的局部压缩载荷 反 过来 通过 挤压 作用使裂纹闭合 18 Microcracks purposelyintroduced duringprocess ofthe ceramicsare availableto bluntthe tipofanadvance crack 在陶瓷加工过程中有目的的引入微裂纹能够钝化扩展裂纹的 尖端 The Griffithexpression indicatethatthelarger tipradius candramatically reducethe localstress atthecracktip Griffith公式表明 裂纹尖端半径的增大可以显著 降低裂纹尖端的局部应力 19 The glassis firstequilibrium abovetheglasstransitiontemperatureTg followed