材料科学与工程导论.

材料的分类分类一：按物理化学属性划分无机非金属材料金属材料高分子材料复合材料分类二：按用途分电子信息材料航空航天材料核材料建筑材料生物医用材料能源材料分类三：按性能分•结构材料：力学性能为基础，制造受力构件所需的材料。•功能材料：利用物质独特的物理化学性质或生物功能而形成的材料。21世纪材料生产模式•材料的单项循环：材料产业：资源能源消耗大户环境污染的主要来源材料循环•材料双向循环模式废物在不同生产过程中循环多产品共生的工业模式三废综合利用材料科学与工程的定义材料科学：研究材料的组织结构与性质之间的关系。材料工程：是研究材料在制备、处理加工过程中的工艺和各种工程问题。材料科学与工程：是指出研究有关材料的组成、结构、制备工艺流程与材料性能和用途关系的知识和它的应用。材料科学与工程的特点基础科学研究结构性能使用特性社会需求和经验科学知识经验积累MSE工艺材料科学与工程的特点􀂾一是多学科交叉。它是物理学、化学、冶金学、金属学、陶瓷学、高分子化学及计算科学相互融合和交叉的结果；􀂾二是一种与实际使用结合非常紧密的科学。发展材料科学的目的在于开发新材料，提高材料的性能和质量，合理使用材料，同时降低材料成本和减少污染；􀂾三是材料科学是一个正在发展中的科学。不像物理学、化学已有很成熟的体系，它将随着各有关学科的发展而得到充实和发展。材料科学与工程的内涵组成要素：成分结构合成加工使用效能是各学科综合发展的必然结果固体物理、无机有机化学、物理化学物质结构和性质冶金学、金属学陶瓷学、高分子学材料的制备结构与性能金属材料、高分子材料与陶瓷材料之间的共性规律材料科学材料性质：是功能特性和效用的描述符，是材料对电.磁.光.热.机械载荷的反应。9材料性质描述力学性质物理性质化学性质•强度•硬度•刚度•塑性•韧性•电学性质•磁学性质•光学性质•热学性质•催化性质•腐蚀性•氧化性10材料力学性能在外加载荷或与环境因素联合作用下表现出的各种行为。11结构材料性质的表征----材料力学性质强度：材料抵抗外应力的能力。塑性：外力作用下，材料发生不可逆的永久性变形而不破坏的能力。硬度：材料在表面上的小体积内抵抗变形或破裂的能力。刚度：外应力作用下材料抵抗弹性变形能力。12结构材料性质的表征----材料力学性质疲劳强度：材料抵抗交变应力作用下断裂破坏的能力。抗蠕变性：材料在恒定应力（或恒定载荷）作用下抵抗变形的能力。韧性：材料从塑性变形到断裂全过程中吸收能量的能力。13强度范畴刚度范畴塑性范畴韧性范畴应力应变142.强度表征：弹性极限屈服强度抗拉强度断裂强度……强度1.强度定义：抵抗变形和断裂的能力强度指标的意义弹性极限：发生弹性形变中的最大应力。弹性结束塑性变形的开始。理论值。σ0.01残留塑性变形0.01应力。15弹性变形是物体卸载后就完全消失的那种变形,而塑性变形则是指卸载后不能消失而残留下来的那部分变形又称残余变形。强度指标及意义屈服强度：屈服现象开始发生时的应力，是材料发生明显塑性变形的抗力。屈服：试样继续拉长载荷却不增加。条件屈服强度：一定残余伸长对应的应力。σ0.01σ0.2应用：制品的设计材料加工如高压气密容器紧锢螺栓密封圈橡胶垫16强度指标的意义抗拉强度：开始发生颈缩时的应力。断裂强度：断裂时的应力值。17σbσf比较各种材料的性能。但对材料选择和加工意义不大。屈服强度决定18材料力学性能塑性表征及意义塑性：断裂前材料发生塑性变形的能力。指卸载后不能消失而残留下来的那部分变形延伸率δ断面收缩率φ19延伸率δ是塑性伸长的量度δ=ΔL/L0=（L-L0）/L0原始标距长度断裂后试样的标距长度断面收缩率φ是塑性收缩的量度=ΔAf/A0加工硬化•金属材料在再结晶温度以下经加工（压锻）产生塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象。20加工硬化•有利：它可提高金属的强度、硬度和耐磨性。如冷拉高强度钢丝和冷卷弹簧•负面：进一步加工带来困难。•冷轧钢板愈轧愈硬•切削加工使工件表层变脆硬使刀具磨损、增大切削力2122材料力学性能硬度：材料表面局部抵抗变形的能力。测量：压痕法压头一定压力材料表面压痕尺寸。布氏试验----------布氏硬度洛氏试验-----------洛氏硬度维氏试验-----------维氏硬度硬度表征及意义•布氏硬度：淬火钢球载荷压痕总面积•维氏硬度：金刚石棱锥载荷压痕总面积•洛氏硬度：金刚石圆锥压入深度2324材料力学性能刚度表征和意义刚度：外应力作用下材料抵抗弹性变形能力。弹性变形：外载荷撤去后，能完全消失恢复试样原样的变形。刚度的表征•弹性模量：弹性变形阶段应力和应变的比值，E•取决于材料本质，内部原子结合键的强弱。•与组织变化关系不大25弹性行为：载荷取消后，试样尺寸恢复原样的行为。刚度表征和意义•弹性行为分类26线形非线性滞弹性阻尼减震27材料力学性能疲劳强度表征疲劳强度：材料抵抗交变应力作用下断裂破坏的能力。疲劳：承受载荷低于屈服强度，但在交变应力下长时间工作材料失效的现象。疲劳失效过程：裂纹形成，裂纹发展和突然断裂。28疲劳寿命：在一定交变应力下，不发生断裂的最大时间疲劳极限：材料能够经受无限多次（108）循环应力而不断裂的最大应力。29材料力学性能抗蠕变性能表征意义抗蠕变性：材料在恒定应力（或恒定载荷）作用下抵抗变形的能力。蠕变：高温下受到应力，随时间发生缓慢塑性变形的现象。抗蠕变性表征：蠕变极限持久强度•蠕变极限：在一定温T度和规定时间t内,式样产生一定蠕变伸长量的应力。符号表示和意义•持久强度：在一定温度下，规定时间内•发生断裂的应力。符号表示和意义3031材料力学性能韧性表征和意义韧性表征：冲击韧性KIC断裂韧性KIC韧性：材料从塑性变形到断裂全过程中吸收能量的能力。是强度和塑性的综合量度。韧性表征和意义•断裂韧性：抵抗裂纹失稳扩展而断裂的能力。•断裂：裂纹产生，扩展超过临界尺寸，失稳快速扩展断裂。•KI应力场强因子•KIC临界应力场强因子•裂纹扩展的临界状态对应的场强因子，代表材料的断裂韧性。3233KI应力场强因子外加应力•决定电导率的基本参数parameters•载流子类型chargecarrier——电子、空穴、正离子、负离子•载流子数chargecarrierdensity----n,个/m3•载流子迁移率electronmobility聚合物的电导性结构型共轭效应双键环添加型参杂添加或去掉电子卤族原子碱金属离子复合导电的纳米粉体石墨碳纳米管金属粉末等导电聚合物的应用理想情况下，导电聚合物具有金属导电性，且重量轻、易加工、材料来源广等特点。用作电极、电磁波屏蔽、抗静电材料等半导体器件和发光器件方面得应用聚合物电池、电致变色显示器、电化学传感器、场效应管、聚合物发光二极管（LED）超导电性——在一定低温下材料突然失去电阻的现象（小于10-25Ω·cm）1913年,超导现象发现,诺贝尔物理奖1987年,在陶瓷（金属氧化物）中发现超导现象，超导研究取得重大突破,诺贝尔物理奖超导体的两种特性：完全导电性完全抗磁性磁场强度始终为零三个性能指标超导转变温度Tc愈高愈好临界磁场Hc破坏超导态的最小磁场。随温度降低，Hc将增加；当T＜Tc时,Hc=Hc临界电流密度Jc材料的分类及其电导率材料电阻率电导率超导体导体半导体绝缘体010-8-10-510-5-107107-1018∞105-10810-7-10510-18-10-740材料物理性能磁性2.磁学性：磁化强度外磁场，物质被磁化的程度。磁化:在外磁场作用下,各磁矩规则取向，宏观呈磁性磁导率磁感应强度和磁场强度比值，表征物质被磁化程度的物理量磁化率磁化强度和磁场的比值磁矩——表征磁性物体磁性大小的物理量。m电子轨道磁矩电子自旋磁矩磁感应强度：物质在外磁场中，会被磁化并感生一附加磁场，其磁场强度H′与外磁场强度H之和称为该物质的磁感应强度B磁性的本质电子的磁矩电子的自旋磁矩＞＞轨道磁矩孤立原子具有“永久磁矩”有未被填满的电子壳层不具磁性原子各层都充满电子抗磁性外磁场中，感生一个磁矩，与外磁场方向相反顺磁性原子内部存在永久磁矩有外磁场，显示极弱磁性无外磁场，宏观无磁性铁磁性强磁性物质，Fe，Co，Ni室温下磁化率可达103。较弱磁场较高的磁化强度；外磁场移去保留较强磁性44矫顽力：使剩磁降低为零所需要的磁场强度。磁滞特性软磁材料硬磁材料无机非金属材料的磁学性能磁性无机材料一般是含铁及其它元素的复合氧化物，通常称为铁氧体亚铁磁性高分子材料的磁学性能1、大多数体系为抗磁性材料2、顺磁性仅存在于两类有机物含有过渡金属含有属于定域态或较少离域的未成对电子（不饱和键、自由基等）47材料物理性能热学性能表征：热导率热膨胀系数熔点比热热应力耐热性热导率：单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积上的热量耐热性——指在受负荷下，材料失去其物理机械性能而发生永久变形的温度。耐热性——指在受负荷下，材料失去其物理机械性能而发生永久变形的温度。各种材料的使用上限温度高分子材料常温及中温条件下使用，500C，一般170C。钢——550C；合金——900C；石墨——3000C。陶瓷——2000C。材料的化学性质•腐蚀：材料在周围介质作用下，基体遭受破坏的现象。•化学腐蚀•电化学腐蚀•物理腐蚀49•腐蚀防护合金化涂层阴极保护502.性质与使用性能的区别与关系成分结构环境性质规范使用性能所以，性能是包括材料在内的整个系统特征的体现；性质则是材料本身特征的体现。51性能是随着外因的变化而不断变化，是个渐变过程，在这个过程中发生量变的积累，而性质保持质的相对稳定性；当量变达到一个“度”时，将发生质变，材料的性质发生根本的变化。性质与性能的区别与关系52失效性质失效环境失效行为力学低温、过载荷脆断、疲劳、断裂化学化学介质腐蚀破坏催化剂失效电学电压、电流电介质击穿电流过载热学高温高温融化蠕变破坏3.失效分析材料使用性能的重要研究内容53断裂磨损腐蚀三类主要的材料力学失效形式54材料的结构键合结构晶体结构组织结构55材料的结构----键合结构离子建共价键金属键•化学键氢键分子键•物理键结合能陶瓷材料高分子材料金属材料冰（H20）卤族晶体注：1.有些陶瓷材料属共价键化合物，如SiC陶瓷；2.分子键又称范德瓦尔斯力3.实际晶体并非只有一种键合结构，如冰晶（共价键、氢键）原子参量及原子空间配位•材料是众多原子的以一定的键和方式形成“聚集”体。•原子间距和各原子的空间配置（配位）•原子间距由原子本身的尺寸和成键类别决定。•原子配位数：一个原子以化学键形式所连接的原子数，也是此原子所具有的第一近邻数。键和结构与材料性质弹性模量：组成原子的间距的变化弹性变形原子的键和形式陶瓷材料金属材料高分子高弹模量模量高模量低共价键金属键分子间58晶体：原子排列长程有序，有周期材料的结构----原子的排列晶体结构非晶体：原子排列短程有序，无周期准晶体：原子排列长程有序，无周期晶体和非晶体晶体大多有规则外形本质区别：原子是否周期规则排列（X射线）凝固点和熔点晶体各向异性非晶体各项同性一定条件下可相互转化玻璃高温处理晶态玻璃，晶体液化后快速冷凝成非晶体（差热分析）•晶核单晶多晶晶粒晶界晶体和非晶体非晶体：短程有序，长程无序热力学上处于亚稳态高温退火晶化低温退火结构松弛。金属纯铁显微组织及晶粒位向示意图假各向同性晶体结构的基本概念•晶体：组成原子分子或离子在三维空间规则周期排列的物体。•这种排列方式为晶体结构。•空间点阵原子抽象为点•空间格子点连接起来晶格参数•单位晶胞：能够反映晶格特性的最小几何单元。•晶胞描述：晶胞一点为原点，过此点的三棱为晶轴XYZ各轴夹角为轴间夹角。七大晶系14种布拉斐点阵根据各棱长是否相等棱角是否相等成直角等为分类依据。晶向指数和晶面指数•晶向：任意两个原子连线所指的方向。•晶向指数的确定•1。选坐标晶轴为长度单位。•2。平移晶向线得OP•3。确定点P及坐标值•4。取最小整数[uvw]•晶面：一系