材料科学与工程方法论—4材料结构、性能与表征的因果

材料科学与工程方法论中南大学王德志材料科学与工程的整体观材料结构、性能与表征的因果关系材料设计与制备的统一性四方法论概述一三五提纲六环境、能源、信息、军工、铁道材料的发展观材料科学与工程研究的客观规律性二四、材料结构、性能与表征的因果关系1、材料的结构与性能核心关系其核心是围绕:“结构与性能”的相互辩证关系1、材料的结构与性能组织结构材料性能1、材料的结构与性能材料的合成与制备：研究获取材料的手段，以工艺技术的进步为标志；成分与组织结构：反映材料的本质，是认识材料的理论基础；材料特性：表征了材料固有的性能，是选用材料的重要依据；服役行为与使用寿命：与材料的加工和服役条件相结合来考察材料的使用寿命，它往往成为MSE的最终目标。合成与制备材料特性成分与组织结构服役行为与寿命1、材料的结构与性能化学成分组成制备加工工艺组织结构性能结构表征与性能检测工作条件定义：表明材料的组元及其排列和运动方式。(1)组元：一般用材料中原子的种类和数量来表示成分，原子种类叫组元。(2)排列方式：组元间的排列方式取决于组元间的结合类型。(3)运动方式：用文字描述或参量来表达原子(或分子)及电子的运动。结构的测定：通过人眼来确定。具有以下特点：(1)籍助于可见光入射在材料的断面上；(2)从反射光获得断口的图象；(3)从已有的知识对图象进行判断，作出结论；(4)分辨能力约0.1mm；(5)断面上的外来物质或其它环境因素对于图象及判断可以有干扰。2、材料的结构材料的晶体结构：(1)金属的晶体结构：a.典型的晶体结构在金属元素中，约90%以上的金属晶体结构属于如下三种密排的晶格形式：体心立方(b.c.c)面心立方(f.c.c)密排六方(h.c.p)body-centeredcubicface-centeredcubichexagonalclose-packed2、材料的结构b.实际的晶体结构◆点缺陷：是一种在三维空间各个方向上尺寸都很小，尺寸范围约为一个或几个原子间距的缺陷。如空位(正常晶格结点上，未被原子占有而空着的位置)、间隙(不占有正常的晶格位置，而处在晶格间隙中的多余原子)、置换原子(置换晶格结点上的原子，占据正常结点)。空位置换原子间隙原子点缺陷的存在，原子间作用力的平衡被破坏，周围其它原子发生靠拢或撑开的不规则排列，此变化为晶格畸变。2、材料的结构◆线缺陷：是在三维空间两维方向尺寸较小，在另一维方向的尺寸相对较大的缺陷。如位错。位错：是晶体中的某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。位错对材料的强度理论有很大贡献。◆面缺陷：是在三维空间一维方向上尺寸很小，另外两维方向上尺寸较大的缺陷。主要是晶界和亚晶界。多晶体中，晶粒位向不同，存在位向差，晶粒交界处原子排列不一致，存在一个过渡层，即晶界。实际晶体中，这三种缺陷随加工条件变化而变化，可产生、发展，也可消失，对材料性能有很大影响。2、材料的结构(2)非金属的晶体结构a.陶瓷的组织结构：陶瓷：是由金属和非金属的无机化合物所构成的多晶固体物质，实际上是各种无机非金属材料的总称。晶体结构：以离子键为主的离子晶体(呈晶态)以共价键为主的共价晶体(呈非晶态)组织：晶相：是主要组成相。(主晶相、次晶相、第三晶相)材料的性能取决于主晶相。玻璃相：高温烧结时各组成物与杂质反应后形成的一种非晶态物质。其作用是将分散的晶相粘结在一起，抑制晶粒长大，填充气孔。缺点：强度低、热稳定性差，应控制在一定范围。(20~40%)气相：即材料中的气孔，使性能下降。(若要求材料密度小，绝热性好，则希望一定气相)2、材料的结构b.高分子材料的结构：高分子材料：以高分子化合物为主要组分的材料。高分子化合物是分子中含原子数很多，分子量很大的物质。高分子亦称大分子，高分子化合物又称高聚物或聚合物。结构：大分子链的组成：非金属或非金属元素组成。大分子链的构型：即高聚物结构单元的排列顺序和连接方式。大分子链的形态：线型结构：整个分子呈细长线条状支链型结构：主链上有一些或长或短支链体型结构：在空间呈网状结构。大分子链的构象：由于单键内旋引起的原子在空间占据不同位置所构成的分子链的各种形象。柔性链、刚性链高聚物的聚集态结构：晶性高聚物：排列规则有序无定性高聚物：排列规则无序2、材料的结构相：(1)定义：具有相同的物理或化学性能并与该系统的其余部分以界面分开的物质部分。(具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态，并以界面互相分开的、均匀的组成部分)(2)相的结构类型：固溶体：相的晶体结构与某一组元的晶体结构相同；金属化合物：相的晶体结构与组元的晶体结构均不相同(3)固溶体：置换固溶体间隙固溶体2、材料的结构(4)金属化合物(金属间化合物)：是指合金组元间发生相互作用而形成的具有金属特性的新相。此新相可能是另一种固溶体，也可能是一种晶格类型和性能完全不同于任一合金组元的化合物。a.特点：具有一定的金属性质；熔点高、硬而脆，塑性、韧性不高。b.种类：正常价化合物：符合一般化合物的原子价规律，成分固定，可用化学式表示。Mg2Si电子化合物：不遵守原子价规律，服从电子浓度规律；间隙化合物：过渡族金属元素与C、N、H、B等原子半径较小的非金属元素形成的化合物。显微组织：材料中各相及更微观组元(化学或几何学的)的形貌及含量所构成的图象。(显微镜下所观察到的金属中的各种晶粒的大小、形态和分布)2、材料的结构金属的加工工艺与结构、性能的关系金属塑性变形后的组织结构与性能(1)塑性变形后金属的组织结构：a.显微组织的变化：形成“纤维组织”；b.亚结构的细化：位错缠结、晶粒破碎；c.织构现象的产生：织构：在塑性变形过程中，晶粒转动，当变形量达到一定程度(70~90%以上)时，会使绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致。缺陷：制耳；优点：使硅钢片的特定晶界、晶向平行于磁力线方向，提高导磁率，减小磁滞耗损。2、材料的结构(2)塑性变形后金属的性能：a.力学性能：强度、硬度↗，塑性、韧性↘残余应力：材料经塑性变形后残存在内部的应力。其产生是由于金属内部各区域变形不均匀所致；可分为三种：宏观残余应力(第一类内应力)：由宏观变形不均匀引起，使工件变形；微观残余应力(第二类内应力)：由晶粒或亚晶粒间变形不均匀引起，使工件内部产生微裂纹晶格畸变应力(第三类内应力)：由晶格畸变引起，使工件强度、硬度↗，塑性、抗蚀性↘。b.理化性能：电阻率↗；电阻温度系数↘；导磁率↘；导热率↘；腐蚀↗。2、材料的结构变形金属加热后的组织结构与性能(1)回复：把经过冷变形的金属加热时，在显微组织发生变化前所发生的一些亚结构的改变过程称为回复。特点：a.显微组织没有明显变化；b.力学性能变化不大；c.残余应力显著降低；d.理化性能基本恢复到变形前情况。应用：低温去应力退火(如深冲黄铜弹壳，会自动变形，甚至开裂，需经2600℃左右的去应力退火)。2、材料的结构(2)再结晶：变形金属加热到较高温度时，由于原子扩散能力增加，在晶格畸变严重处形成一些位向与变形晶粒不同，内部缺陷减少的等轴小晶粒，这些小晶粒不断向外扩展长大，直至金属中的变形金属全部被等轴晶取代，即冷变形组织完全消失，这一过程为再结晶。a.变形金属的再结晶：位错密度↘，强度、硬度↘，塑性、韧性↗，内应力消除。b.再结晶温度：开始产生再结晶现象的最低温度；工业条件下定义：经大变形量(~70%以上)的金属，在一小时的保温时间内全部完成再结晶所需的最低温度。影响因素：预先变形程度加热速度与保温时间原始晶粒度金属纯度及成分2、材料的结构(3)晶粒长大：再结晶后，形成等轴晶，若T↗，或t↗，则d↗。a.是一个自发过程：d↗，晶界面积↘，表面能↘，是一个能量降低的自发过程。b.实质：晶界迁移。一个晶界的边界向另一晶粒迁移，把另一晶粒中的晶格位向逐步地改变成为与这个晶粒相同的晶格位向，于是另一晶粒便逐步地被这一晶粒“吞并”，合并成为一个大晶粒。c.正常长大与异常长大：正常长大：再结晶后的晶粒细而均匀，长大时均匀；异常长大：再结晶后的晶粒大小不均匀，大晶粒吞并小晶粒，形成异常粗大的晶粒。(二次再结晶)2、材料的结构3、材料的性能材料的性能是指材料的性质和功能。性质是本身所具有的特质或本性；功能是人们对材料的某种期待与要求或某种可以承担的功效，以及承担该功效下的表现或能力。材料的性能使用性能工艺性能力学性能物理性能化学性能铸造性可锻性可焊性切削加工性热处理性力学性能：材料在不同环境（温度、介质、湿度）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征。常用的力学性能：脆性：材料在损坏之前没有发生塑性变形的一种特性。它与韧性和塑性相反。脆性材料没有屈服点，有断裂强度和极限强度，并且二者几乎一样。强度：金属材料在静载荷作用下抵抗永久变形或断裂的能力。它可以定义为比例极限、屈服强度、断裂强度或极限强度。没有一个确切的单一参数能够准确定义这个特性。塑性：金属材料在载荷作用下产生永久变形而不破坏的能力。塑性变形发生在金属材料承受的应力超过弹性极限并且载荷去除之后，此时材料保留了一部分或全部载荷时的变形。硬度：金属材料表面抵抗比他更硬的物体压入的能力。韧性：金属材料在拉应力的作用下，在发生断裂前有一定塑性变形的特性。疲劳强度：材料零件和结构零件对疲劳破坏的抗力。弹性：金属材料在外力消失时，能使材料恢复原先尺寸的一种特性。伸长率：材料在拉应力或压应力的作用下，材料断裂前承受一定塑性变形的特性。刚性：金属材料承受较高应力而没有发生很大应变的特性。刚性的大小通过测量材料的弹性模量E来评价。屈服点或屈服应力：金属的应力水平，用MPa度量。在屈服点以上，当外来载荷撤除后，金属的变形仍然存在，金属材料发生了塑性变形。3、材料的性能•材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。•外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。•外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。五万吨水压机3、材料的性能低碳钢的应力-应变曲线拉伸试样拉伸试验机应力=P/F0应变=(l-l0)/l03、材料的性能弹性和刚度•弹性：指标为弹性极限e，即材料承受最大弹性变形时的应力。•刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模量E。）（MPatgEe弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。3、材料的性能陶瓷强度的测定：a.弯曲强度：三点弯曲或四点弯曲方法；b.抗拉强度：测定时技术上有一定难度，常用弯曲强度代替，弯曲强度比抗拉强度高20~40%；c.抗压强度：远大于抗拉强度，相差10倍左右，特别适合于制造承受压缩载荷作用的零部件。3、材料的性能强度与塑性•强度：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。条件屈服强度0.2：残余变形量为0.2%时的应力值。抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大应力值。s0.23、材料的性能塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。指标为：伸长率：%100001lll%100010FFF断面收缩率：断裂后拉伸试样的颈缩现象3、材料的性能硬度•材料抵抗表面局部塑性变形的能力。•布氏硬度HB)(2102.022dDDDPHB布氏硬度计3、材料的性能洛氏硬度h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计•洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002•根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。3、材料的性能•维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。•根据载荷范围不同，规定了三种测定方法—维氏硬度试验、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。•维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计3、材料的性能维氏硬度断裂：含裂纹体承载达到临界值时，致使裂纹失稳扩展，最终产生