材料科学与人类文明-第5章

1、材料科学与人类文明材料科学与人类文明 第五章第五章 材料性能基础材料性能基础材料性能q 物理性能：密度、熔点、热、电、光、磁q 化学性能：抗氧化、耐蚀性、催化性、生物相容性q 力学性能：弹性、强度、韧性、硬度、疲劳、耐磨性、高温力学性能调控材料力学性能的主要方法l 金属材料， 强化(塑性变形、细化晶粒、合金化、热处理)l 无机非金属材料，增强增韧l 高分子材料， 增强与改性 材料在给定条件下的行为成分组织结构性能制备技术、加工过程不同组织下，Fe-0.45 wt% C性能完全不同铁素体(F)+珠光体(P)：较软、韧马氏体(C原子在-Fe中的过饱和固溶体)：较硬、脆价 键一般性能特点金属金属键强

2、度较高；塑性韧性好；导电导热性好无机非金属离子键、共价键强度高；塑性韧性差；一般不导电；耐热；耐腐蚀高分子共价键、分子键强度低；绝缘；不导热；耐热差、易燃；轻；软；易加工材料的物理性能l 热学性能：热容、热传导、热膨胀、热辐射、耐热性l 电学性能：导电、介电、铁电、压电l 光学性能：光的透过、吸收和反射；荧光性l 磁学性能：铁磁、顺磁、抗磁表征材料从周围环境吸收热量的能力，表示1 mol物质温度升高1 K所吸收的热量材料的热学性能热容热传导由于温差而发生的、材料相邻部分间的能量迁移3种热传导方式l 金属的热传导 自由电子传导 热导率较高(20400 W/m-K) l 无机非金属的热传导晶格振动

3、传导 良好的绝热材料(热导率2-50 W/m-K)l 高分子的热导率 分子或链段传导 热导率低，可用作绝热材料热膨胀热膨胀系数温度变化1 K，单位长度(线膨胀系数l)或体积(体积膨胀系数v)变化量主要取决于原子(或分子、链段)间结合力； 结合力越大，热膨胀系数越低材料金属陶瓷高分子l / 10-6 K-15-250.5-1550-300材料的物理性能热应力约束热胀冷缩，引起热应力加热时，Tf T0， 0，为压缩应力冷却时，Tf 0，为拉伸应力材料内部温度梯度，引入热应力急冷时，外部冷得快，尺寸收缩较快，被内部阻碍而在外部产生拉应力，在内部产生压应力材料的热学性能温度变化在材料内部引入的应力，导

4、致断裂或塑性变形热冲击抗热冲击性(TSR)材料抵抗由于热冲击引起的脆性断裂的能力提高TSR的简单有效的方法：降低热膨胀系数例如，普通玻璃 l=910-6 K-1； 耐热玻璃 l=310-6 K-1塑性材料，热应力导致塑性变形脆性材料，热应力导致脆性断裂材料的物理性能欧姆定理：电导率：/1IRU 电导率载流子密度n 迁移率电子迁移率，反映电子迁移的难易程度材料的电学性能迁移率迁移率m2/V/S载流子密度载流子密度1/m3Na0.00532.6x1028Ag0.00575.9x1028Al0.00131.8x1029Si0.151.5x1010GaAs0.851.8x106InSb8.00材料的物

5、理性能metalsemimetalsemiNNmetalsemi金属键结合的材料载流子为价电子，密度高，迁移容易，电导率高共价键结合的材料(半导体或绝缘体材料)须打开共价键后电子才能迁移，电导率低离子键结合的材料载流子为整个离子，通过离子扩散导电材料的电学性能材料的物理性能金属： 105 -1 m-1半导体：10-6 105 -1 m-1绝缘体： 临界值，晶界处离子被激活，参与导电，电阻值下降材料的物理性能载流子：离子单原子中，电子占据不同的能级在固体材料中， 不同原子的能级叠合，构成一个未满的导带(能带) 基态时，低能量的能带先被占据，逐步向上填 电场作用下，电子从价带跃迁到导带，金属导电N

6、a: 1s22s22p23s1只要存在未充满的导带，电场作用下电子就会定向流动，使材料导电材料的电学性能能带理论材料的物理性能能带特征绝缘体满带、导带间有很宽的禁带半导体禁带宽度较小(本征半导体)，或存在杂质能级(杂质半导体)导 体满带和导带相连，无禁带绝缘体半导体导体满带导带禁带由价电子所填充的带，为价带满带 价带中所有状态都被价电子占满导带 未被占满的价带空带 没有电子的能带满带中的电子，对导电无贡献导带中的电子，对导电有贡献材料的电学性能材料的物理性能导体、半导体、绝缘体的能带结构Si、Ge禁带宽度较小(1ev)，一些电子有足够的热能从满带跳跃到导带 在满带留下空穴，在导带产生个电子外加

7、电压作用下，电子向正极、空穴向负极运动电阻介于导体、绝缘体之间材料的电学性能本征半导体n型半导体Si、Ge中掺少量五价元素(P、Sb、Bi)，多出一个价电子，在导带附近形成杂质能级，电子易跃迁到导带p型半导体Si、Ge中掺少量低价元素(Al)，在满带附近形成杂质能级，电子从满带跃迁到杂质能级，在满带中留下空穴，以空穴导电掺杂半导体l 化学计量比半导体：常为金属间化合物。晶体结构、能带结构与Si、Ge类似l非化学计量比半导体：阳离子(n型)或阴离子(p型)过量ZnSZnTeCdTeGaPGaAsGaSbInSbInAsZnOCdSTiO2PbS3.542.261.442.241.350.670.

8、1650.363.22.423.20.37禁带宽度(ev)半导体化合物材料的物理性能1957，美国物理学家巴丁、库柏、施里弗提出金属超导理论(BCS理论)，获1972诺贝尔物理奖材料的电学性能超导体永磁环超导态(c)，电子不是单个运动，而是一对对地存在(称为库柏对)结合紧密的电子对的运动，不受晶格作用的阻碍，出现超导态 材料的物理性能临界超导温 度Tc：T Tc时，出现零电阻、迈斯纳效应临界磁场强度Hc：破坏超导态(T800 nm)可见光(400-800 nm)紫外线(400 nm)材料对光的反射、吸收和透射金属材料陶瓷材料高分子材料反射强反射微波、红外线、可见光不反射可见光反射率小吸收吸收微

9、波、红外线、可见光晶格振动，红外波段有吸收；含过渡金属、稀土金属离子时，吸收可见光吸收可见光、红外光透射透过紫外线；厚1050 nm的薄膜透过可见光一般透过近红外、可见光杂质、气孔、多晶，使透过率下降透光性高材料对光波的作用与能带结构有关材料的光学性能光学性能材料的物理性能金属不发光价带与导带重叠吸收光后，发射的光子能量很小，对应波长在可见光范围内荧光材料发光时间10-8 s杂质引入施主能级价带电子受激跃迁到导带，先落入施主能级，停留一段时间后逃脱陷阱，再返回价带，同时释放出光子应 用：荧光灯、夜光表、彩色电视机、数字显示管等激发源：电子射线、紫外线、X射线、光波等材料的光学性能材料的发光材料

10、的物理性能也称机械性能，是材料抵抗外力作用所引起的变形和断裂的能力包括：强度(Strength) 硬度(Hardness) 塑性(Ductility) 韧性(Toughness) 耐磨性(Wear resistance) .影响因素l 内因材料的成分、显微组织、应力状况l 外因载荷大小种类、加载速率、环境温度、介质载荷静载荷：静拉伸、压缩、弯曲、扭转动载荷周期变动载荷：如交变载荷，大小方向均作周期性变动随机变动载荷材料的力学性能材料的力学性能几类典型载荷材料的力学性能应力受外加载荷作用时，材料单位面积的内力 应变()单位长度(面积)上的伸长(收缩)lFF0l0PP材料的力学性能应力、应变0PF

11、00lll00FFF材料的力学性能材料静拉伸试验bKse /MPaeKE塑性材料拉伸应力应变曲线静拉伸载荷作用下，塑性材料变形分3个阶段l 弹性变形l 塑性变形 (加工硬化)l 断裂弹性模量 抵抗弹性变形的能力 正切弹性模量：E = tan = / (虎克定理)对组织不敏感，取决于原子性质、晶格类型反映原子间作用力大小原子间作用力大，弹性模量大 熔点越高，弹性模量越大原子间距增大，弹性模量减小 温度升高，弹性模量减小弹性极限e 由弹性变形过渡到塑性变形的应力一般规定，以产生一定残余伸长(如0.01%)时的应力 为弹性极限，记为0.01弹 性e 可回复的最大变形量弹性比功e 材料吸收弹性变形功的

12、能力可完全回复的变形 /MPaee2eeee122E 弹性变形特点l 变形可完全回复l 变形量小材料的力学性能弹性变形弹性模量熔点关系Ceramics, glasses, semiconductors Diamond (C) 1000Tungsten Carbide (WC) 450-650Silicon Carbide (SiC) 450Aluminum Oxide (Al2O3) 390Berylium Oxide (BeO) 380Magnesium Oxide (MgO) 250Zirconium Oxide (ZrO) 160-241Mullite (Al6Si2O13)145Sil

13、icon (Si) 107Silica glass (SiO2) 94Soda-lime glass (Na2O-SiO2) 69MetalsTungsten (W) 406Chromium (Cr) 289Berylium (Be) 200-289Nickel (Ni) 214Iron (Fe) 196Low Alloy Steels 200-207Stainless Steels 190-200Cast Irons 170-190Copper (Cu) 124Titanium (Ti)116Brasses and Bronzes 103-124Aluminum (Al) 69Polymer

14、sPolyimides 3-5Polyesters 1-5Nylon 2-4Polystryene 3-3.4Polyethylene 0.2-0.7Rubbers 0.01-0.1材料的力学性能一些材料的弹性模量(GPa)弹性模量l 应力-应变关系非线性l 通过原子价键的断开、重排实现(晶体材料，通过滑移和孪生方式实现)材料的力学性能塑性变形不可逆的变形通过位错运动实现，只在少数晶面间发生切向滑动，塑变不均匀变形使位错密度增加，互相缠结，位错运动越来越困难经缀饰的位错网络滑移滑移孪生孪生滑移系少，或环境温度低，位错不易进行，以孪生方式实现塑性变形不改变晶体类型，但使切变区中的晶体变为与未切变

15、区晶体呈镜面对称的取向孪晶一部分相对于另一部分沿一定的晶面、晶向作均匀切向移动塑性变形后，晶粒拉长，晶格变形位错增殖缠结，阻碍位错运动，使材料强度增加、塑性降低材料的力学性能冷变形，产生纤维组织，材料各向异性塑性变形加工硬化(形变强化)冷变形金属的回复、再结晶塑性变形再结晶加热冷变形金属至适当温度，变形组织内部出现等轴晶粒 强度降低、塑性提高，加工硬化消除回 复低温加热，冷变形金属显微组织无可见变化，性能部分恢复 位错减少，形成亚晶粒，内应力消失，但保持加工硬化效果冷变形后的Cu350C 再结晶500C 再结晶800C 再结晶T回(0.250.30)T熔T再0.40T熔屈 服 强 度s 开始产

16、生塑性变形的应力条件屈服强度s 产生0.2%残余变形的应力材料的力学性能s屈服强度：0.2%残余变形屈服点：开始偏离弹性区上屈服点下屈服点(屈服强度)屈服强度、条件屈服强度低碳钢抗拉强度(强度极限，UTS)b断裂前承受的最大应力 断裂强度K样断裂时的应力抗拉强度、断裂强度强度指标：s、b (UTS)、K凡是阻碍位错运动的因素，都提高材料强度！bs延伸率K试样拉断后，长度的相对伸长量断面收缩率K试样拉断后，截面的相对收缩值f0K0100%lll0fK0100%AAA一般规定延伸率 5%：塑性材料的力学性能塑性零件的尺寸、形状，或材料的组织、性能发生变化，不能完满地完成指定的功能常见的失效形式有变

17、形失效、断裂失效、表面损失失效、老化失效材料的力学性能失效弹性变形失效 不恰当的弹性变形量导致失效l增加零件截面l采用弹性模量高的材料l防止超载塑性变形失效 外加应力 屈服极限时，发生塑性变形(永久变形)l采用屈服强度高的材料l进行合理的热处理l防止超载 防止措施防止措施变形失效断裂失效 断裂而产生的失效l按断口宏观形貌分为韧性断裂、脆性断裂l按断裂模式分为穿晶断裂、沿晶断裂l按断裂机制分为解理断裂、微孔聚集型断裂、纯剪切断裂材料的力学性能是材料中裂纹形核、扩展的过程断裂韧性断裂断裂前产生明显的宏观塑性变形，吸收大量能量 宏观变形方式为颈缩，断口呈韧窝状脆性断裂断裂前无明显的宏观塑性变形，几乎

18、不吸收能量 包括疲劳断裂、应力腐蚀断裂、腐蚀疲劳断裂、蠕变断裂等圆柱形静拉伸试样韧性断裂形貌(杯锥状断口)圆柱形静拉伸试样脆性断裂形貌(平直断口)材料的力学性能韧性断裂、脆性断裂人字纹，放射方向平行于裂纹扩展方向，尖顶指向裂纹源裂纹源薄板矩形拉伸试样断口穿晶断裂，可是韧性断裂，或脆性断裂(低温下)沿晶断裂，多数是脆性断裂冰糖状断口沿晶断裂(脆性)放射状断口穿晶断裂(脆性)微孔型断口穿晶断裂(韧性)材料的力学性能穿晶断裂、沿晶断裂解理断裂：沿特定界面发生的脆性穿晶断裂等轴韧窝拉长韧窝韧窝底部的颗粒，微孔往往在硬质点处形核微孔聚集型断裂解理断裂、微孔聚集型断裂l疲劳断裂 交变应力作用下，应力 屈服

19、点，零件经长时间工作而产生裂纹，导致断裂l低应力脆性断裂 应力 屈服应力，材料固有裂纹扩展，发生无明显塑性变形的突然断裂ttsin0-1循环周次N疲劳曲线材料的力学性能疲劳断裂是损伤累积过程疲劳是局部永久结构变化的发展过程 某点或某些点承受足够多的循环扰动应力作用，形成裂纹或完全断裂 静载破坏，取决于结构整体 疲劳破坏，由应力或应变较高的局部开始，形成损伤并逐渐累积，发生破坏局部性是疲劳的明显特点疲劳辉纹，疲劳断口光亮区裂纹缓慢扩展裂纹在表面形核，慢慢扩展，形成光亮区，最后因承载面积减少而快速扩展材料的力学性能疲劳断裂飞机轮毂疲劳断口裂纹源裂纹扩展区海滩条带最后断裂区l 疲劳断口有裂纹源、裂纹

20、扩展区、最后断裂区l 与静载破坏相比，即使是延性材料，也不发生明显的塑性变形SEMTEM主要原因，缺陷或裂纹导致的断裂l 19世纪3040年代，英国，铁路车辆轮轴，轴肩多次发生破坏(应力=0.4s)l 20世纪50年代， 美国，北极星导弹固体燃料发动机壳体，发射时断裂(应力=0.64s)l 材料为高强度钢，s=1.4GPa，工作应力0.9GPal 1954.01，英国，Comet号喷气客机，机身舱门拐角处开裂，坠入地中海l 1965.01，英国，大型氨合成塔，水压试验(应力=0.48s)时断裂为二段，碎块最重2吨，源于焊缝裂纹l 1967.12，美国，西弗吉尼亚Point Pleasant桥倒

21、塌，46人死亡l 1980.03，英国，北海油田Kielland号钻井平台倾复，127人落水，救起 89人材料的力学性能疲劳断裂断裂，使美国年损失1190亿美元1982，美众院科学技术委员会委托商业部国家标准局(NBS)，调查断裂坏对美经济的影响国际民航组织(ICAO)发表“涉及金属疲劳断裂的重大飞机失事调查” 上世纪80年代，金属疲劳断裂引起的机毁人亡重大事故，年均100次(不含中、苏) Int. J. Fatigue, 6(1), 1984工程实际中， 疲劳断裂占全部力学破坏的5090%，是机械、结构失效的最常见形式分压入法、刻划法两类常用硬度，有布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRA、HRB

22、、HRC)和维氏硬度(HV)材料的力学性能硬度衡量材料软硬程度的性能指标钢材，b3.45HB硬度测试的优点：l制样简单，设备便宜l基本上是非破坏性l可大致预测一些其它力学性能硬度抗拉强度关系指标：冲击韧性(冲击值)冲击试验标准试样：l U型缺口（梅氏试样）l V型缺口（夏氏试样）冲击值值越大，料断裂前吸收的能量越大，韧性越好材料的力学性能冲击韧性温度 疲劳强度，产生塑性变形和微裂纹，进而扩展、剥落形成：接触应力反复作用。轴承、齿轮现象：表层剥落，形成点蚀凹坑影响因素：表面硬度、粗糙度，润滑油粘度疲劳磨损(疲劳点蚀)磨粒对摩擦面产生的切削、塑性变形、疲劳、脆性断裂流体磨粒、冲蚀磨损形成：一定速度

23、硬质微粒反复作用，表面受法向力及切向力。燃气涡轮机叶片现象：表面疲劳，材料损失影响因素：材料硬度腐蚀磨损-电化学作用形成：空气中的酸、润滑油中的无机酸所产生的化学或电化学作用现象：表面腐蚀并磨损影响因素：环境、润滑油的腐蚀性形成：小振幅、大频率、点或线接触现象：磨损面积小影响因素：载荷微动磨损材料的力学性能其他磨损键合强度 共价键、离子键 金属键 弹性模量大，是金属的2倍以上l 共价键结构， 抗晶格畸变、阻碍位错运动的能力高l 晶体结构复杂，滑移系少，位错运动困难材料的力学性能陶瓷材料的力学性能断 裂 各种缺陷为裂纹源，裂纹从最薄弱处扩展，瞬时脆断 主要机制：解理；易从穿晶变为沿晶断裂拉应力作

24、用水平裂纹易失稳扩展，裂纹沿径向扩展压应力作用倾斜裂纹易失稳扩展，裂纹沿轴向扩展陶瓷强度高l 实际强度比其理论值低12个数量级。晶须、纤维，实际强度比较接近理论值l 抗压强度 抗拉强度，约10倍材料的力学性能陶瓷材料的力学性能l 塑性变形 室温下， 多数陶瓷 塑性变形极小 1000C 以上，多数陶瓷可发生塑性变形(主滑移系运动)l 超塑性 是微晶超塑性。晶界滑动，晶界液相流动 存在条件：超细等轴晶、第二相弥散分布、晶粒间存在液相或无定形相 如，含Y2O3的ZrO2陶瓷，超塑性达800% 利用超塑性，可对陶瓷进行超塑加工 超塑加工 扩散焊接陶瓷增韧l 改善组织(细密、纯、匀)，减少应力集中 传统

25、陶瓷粒径较大，为脆性 纳米陶瓷晶粒为纳米级。室温下，纳米TiO2陶瓷压缩至1/4长度不破碎l 相变增韧(外力诱发相变，伴有体积膨胀)l 微裂纹增韧(主裂纹遇到微裂纹时，改变前进方向，松弛主裂纹尖端的应力集中，减慢裂纹扩展速度)工程陶瓷断裂韧性，比金属低12个数量级高分子材料有3种应力-应变行为l 脆 性l 塑 性l 高弹性力学性能受外在因素影响巨大 应变速率 温 度 环 境(有机溶液、水等)材料的力学性能线形非晶态高分子有3种物理状态l 玻璃态 变形量小，模量高，瞬时达到平衡l 高弹态 变形量大，模量显著降低 形变可逆，外力去除后变形可回复 具有橡胶特性l 粘流态 变形量很大，不可逆 模量很快

26、下降，高分子开始产生粘性流动高分子材料的力学性能l TTg，应力-应变呈正比，脆性断裂，如曲线1l T Tg，进入高弹态，无屈服点，有较长的平台，如曲线3 断裂前应力才明显上升材料的力学性能高分子材料的力学性能高分子的一般应力-应变行为线弹性阶段屈服阶段，伴随一个应力下降过程颈缩形成及其扩展应力增大 分子链沿受力方向定向排列，称取向强化断裂半晶态高分子非晶热塑性高聚物纤维与塑料，哪个强度大？结晶度越低，取向强化越明显材料的力学性能取向强化过程示意图高分子材料的力学性能温度升高， 抗拉强度下降 弹性模量下降 塑性增大材料的力学性能降低应变速率，与升高温度的作用相同高分子材料的力学性能分子量越大，

27、结晶度越高，强度越高韧性高分子韧性较好，断裂前能吸收较大的能量但是，高分子强度低，冲击韧性 金属，仅为金属的1%减摩、耐磨性塑料的优点是磨损率低多数塑料对金属、塑料对塑料的摩擦系数一般在0.20.4有些塑料的摩擦系数很低聚四氟乙烯对聚四氟乙烯的摩擦系数只有0.04，几乎是所有固体中最低的材料的力学性能高分子材料的力学性能高分子、金属材料一般力学性能比较材料的力学性能高分子材料的力学性能高分子高分子金属金属弹性模量/MPa7 (高弹性)4,000 (刚性) 48,000410,000最大拉伸强度/MPa 200400伸长率/%可达1000很少超过100 应变不仅取决于应力，也取决于应力作用的速率

28、 应变较应力有所滞后，不随作用力而建立即时平衡大多数材料呈现“平衡弹性” 应变、应力同步发生 应变、应力即时达到平衡 高分子，具有强烈的时间依赖性高分子，具有强烈的时间依赖性材料的力学性能高分子材料的粘弹性粘弹性原因 链段需时间来调整构象，以适应外力 应力作用的速度愈快，链段愈来不及作出反应，粘弹性愈显著1.ABS2.尼龙 3.聚甲醛4.ABS(耐热级)5.改性聚苯醚 6.聚碳酸酯 7.聚苯醚 8.聚砜应力松弛 高分子变形后，应力随时间而逐渐衰减如，连接管道的法兰盘中的密封垫圈，经长时间工作后发生渗漏，是应力松弛的表现蠕变 长期受力的作用时，高分子发生不可逆塑性变形如，架空的PVC电线套管，在

29、电线和自身重量作用下发生缓慢蠕变蠕变，反映材料在一定外力作用下的尺寸稳定性l 改性聚苯醚、聚碳酸酯、聚苯醚、聚砜，抗蠕变性能较好l 对尺寸精度要求高的零件，蠕变将导致失效。应选用抗蠕变性好的材料，如聚砜、聚碳酸酯等高分子的蠕变比其它材料严重 金属在高温时发生明显的蠕变 高分子在室温下蠕变就很明显材料的力学性能高分子材料的粘弹性滞后 高分子受周期载荷时，产生伸-缩循环应变。应变随时间的变化始终落后于应力内耗 一次伸-缩循环所储存的能量 (等于曲线ACB、BDA所包围的面积)l 内耗导致高分子温度的升高，加速其老化l 内耗能吸收震动波，有利于高分子的减震性能l 交变应力作用下，滞后效应使高分子应变来不及完全恢复l 未能释放的弹性能消耗于克服分子间内摩擦上，产生内耗，转化为热能材料的力学性能高分子材料的粘弹性t除工艺因素外，影响复合材料性能的因素有l 增强材料的形状、含量、分布l 增强材料与基体的界面结合l 界面结构混合法则 Rule of mixtures 复合材料的力学性能(如强度、弹性模量)、物理性能(密度、电导率、热导率、热膨胀系数等)，主要取决于材料组分的体积分数材料的力学性能CiiPPV体积分数复合材料的力学性能 连续纤维单向增强复合材料 沿纤维方向，拉伸强度符合加和律(并联)c fVf