北化大材料导论讲义第1章 绪论(共1学时)、第2章材料的性质(共3学时)(彩色版)

Whatarematerials?MaterialsaretheWhatarematerials?Materialsarethematteroftheuniverse.Thesesubstanceshavepropertiesthatmakethemusefulinstructures,machines,devices,products,andsystems.材料是宇宙间可用于制造有用物品的物质。铝铜碳钢通用塑料不锈钢超级合金特殊金属传统工程塑料高性能工程塑料工程塑料合金光导纤维树脂基复合材料金属基复合材料结构陶瓷课程安排第一讲绪论，力学性质第二讲聚合物材料第三讲复合材料第四讲陶瓷材料第五讲金属学基础课中考试40%第六讲金属材料第七讲材料与环境第八讲电性能第九讲磁性能，光学性质课末考试60%1986年奔驰汽车钢铁：67%高分子：12%合金铝：4%纺织品：12%1996年奔驰汽车钢铁：62%高分子：18%合金铝：6%纺织品：12%MATERIALSSCIENCE&involvesthegenerationandapplicationofknowledgerelatingthecomposition,structure,andtheprocessingofmaterialstotheirpropertiesanduses.材料组成、结构、加工与材料性质、使用之间关系的发现与应用WHYSTUDYMATERIALSSCIENCEANDENGINEERINGMaterialsWHYSTUDYMATERIALSSCIENCEANDENGINEERINGMaterialsscientistsandengineersarespecialistswhoaretotallyinvolvedintheinvestigationanddesignofmaterials.WHYSTUDYMATERIALSSCIENCEANDENGINEERINGManytimes,amaterialsproblemisoneofselectingtherightmaterialfromthemanythousandsthatarcavailable.Willthematerialbeacceptableonaestheticgrounds?Willthematerialgivesufficientdegreeofreliabilityandquality?acceptablecost?recycled?丢弃/回收C服务期原材料制取预加工工程化材料环材料环生产制品生产制品Doesthematerialpossessthenecessarymechanical,electrical,andthermalproperties?Canthematerialbeformedtothedesiredshape?Willthepropertiesofthematerialalterwithtimeduringservice?Willthematerialbeadverselyaffectedbytheenvironmentalconditionsandresistcorrosionandotherformsofattack?Processing→Structure→Properties→PerformanceSubatomicstructureAtomiclevelstructureStructureMicroscopicMacroscopicSubatomicstructureAtomiclevelstructureStructureMicroscopicMacroscopic钢铁粉末金属金属材料结晶陶瓷玻璃碳材料半导体高分子材料橡胶复合材料涂料--陶瓷材料材料粘合剂有色金属TheelementsinherentlymetallicinnatureMETALSquitestrong,yetdeformablegoodconductorsofelectricityandheatnottransparcnttovisiblelight;polishedmetalsurfacehasalustrousappearanceCeramicscompoundsbetweenmetallicandnonmetallicelementstypicallyinsulativetothepassageofelectricityandheatmoreresistanttohightemperaturesandharshenvironmentshardbutverybrittleCeramiccompoundsindicatedbyacombinationCeramiccompoundsindicatedbyacombinationofmetallicelementswithnonmetallicelementsTheelementsassociatedwithcommercialpolymersEXAMPLESOFCOMPOSITESPOLYMERSElectricalinsulationThermalinsulationMagneticinertnessChemicalresistanceExtremelylightweightTransparencyToughnessColorabilityCOMPOSITESAcompositematerialisacombinationoftwoormorechemicallydifferentmaterials,havingadistinctinterfacebetweenthem,whichacttogethertoproduceadesired(tailored)setofproperties.Acompositeisdesignedtocombinethebestcharacteristicofeachconstituentmaterial.SEMICONDUCTORSSemiconductorshaveelectricalpropertiesthatareintermediatebetweentheelectricalconductorsandinsulators.Furthermore,theelectricalcharacteristicsofthesematerialsareextremelysensitivetothepresenceofminuteconcentrationsofimpurityatoms.TheelementsTheelementsinvolvedinsemiconductorsADVANCEDMATERIALSMaterialsthatareutilizedinhigh-technologyapplicationsaresometimestermedadvancedmaterials.BIOMATERIALSBiomaterialsarcemployedincomponentsimplantedintothehumanbodyforreplacementofdiseasedordamagedbodyparts.ExamplesofHigh-techLasers,integratedcircuits,magneticinformationstorage,liquidcrystaldisplays(LCDs),fiberoptics,spacecraft,aircraft,andmilitaryrocketryandthethermalprotectionsystemforthespaceshuttleorbiter.NanostructuredMaterialsThebuildingblocksofthesematerials,beitmetal,ceramicorpolymers,arenanometersizeparticles.Thepropertiesofmaterialscanbeengineeredbycontrollingthesizesofthesebuildingblocksinthe1-100nmsizerangeandtheirassembly.力学性质拉伸性质压缩性质韧性蠕变性质硬度动态力学性质化学性质组成耐腐蚀性微观结构相结构晶相结构阻燃性力学性质拉伸性质压缩性质韧性蠕变性质硬度动态力学性质化学性质组成耐腐蚀性微观结构相结构晶相结构阻燃性材料性质物理性质熔点热学性质电学性质磁学性质光学性质颜色材料性质2.1.1拉伸性质极限强度弹性区断裂点屈服点A：低碳钢；2.1.1拉伸性质极限强度弹性区断裂点屈服点A：低碳钢；B：中碳钢；C：熟石膏；D：碳化钨；）；偏屈服强度的确定断裂伸长率=断裂伸长率=l截面积收缩率=A_AA截面积可以为任何形状,为方便加工，设计一圆棒，其直径为d:Amm2即d=38.8mm最大容许弹性形变为6mm，而170MPa应力所对应的应变约为0.0025，由工程应变的定义可确定棒的最大长度：即l0=2400mm=2.4m工程应力：工程应变：真应力：真应变：lnln例2－1设计一铝棒以承受200kN(0.2MN)的力。为确保安全，棒上最大应力不能超过170MPa。棒的长度至少为3.8m，受力时弹性形变不能超过6mm。所用铝材的弹性模量为69GPa。解：先利用工程应力的定义计算棒的截面积：但规定的最小长度为3.8m。加长棒的长度，截面积必须随之变大。3.8m长的棒的最小应变为：这一应变相应于110MPa的应力，小于最大应力170MPa。则最小截面积为：所以，为同时满足最大应力最小伸长两项条件，棒的截面积至少为1820mm2，即直径至少48mm。2.1.22.1.2剪切强度与挠曲强度例2-2：一玻璃纤维增强复合材料的挠曲强度为315MPa，挠曲模量为124GPa。一样品宽12mm，厚9.5mm，长200mm，置于相距125mm两圆辊之间。计算使样品断裂所需的力以及样品断裂时的挠曲。假设无塑性形变。剪应力：剪切应变：剪切模量：G=τ/γ3FL挠曲强度=2wh2L3F4wh3δ挠曲模量4wh3δ解：将样品尺寸代入挠曲强度公式：δ=0.7mm2.1.32.1.3韧性2.1.4疲劳强度轴的直径与所受交变应力的关系：耐久比----疲劳极限与拉伸强度之比轴的直径与所受交变应力的关系：耐久比----疲劳极限与拉伸强度之比铁合金：~0.5其它材料：0.25~0.45σ-N曲线例2-3：一工具钢的轴长度必须为2.44m，必须承受0.05MN的交变应力1年。轴的转速为每分钟一周。设计符合上述要求的轴。解：一年时间轴所经历的交变应力周数为：直径为136mm的轴已能满足上述要求。但如果我们对设计作进一步改进，可得到永不破坏的材2.1.52.1.5蠕变例2-4：设计一个铸铁链用于砖窑。链必须在600ºC下受力22kN连续运转5年。解：铸铁的Larson-Miller参链必须运转5年，即43800h。L.M.T/1000A＋Blnt）由前图，所施应力不能大于20MPa。链受力为22kN，则截面积应为：则半边链的截面积为550mm2，即直径为26.5mm。2.1.6抗扭强度2.1.6抗扭强度TTorque–twistdiagram例2.5Howmuchtorque(T)isneededtoproduceashearstressof79.6MPaonthesurfaceofa40.mm.diametershaftwithapolarmomentinertia(J)equalto25.12×10.8m4?扭矩Torq