1 材料基础

材料概论第1章材料科学基础知识第1章材料科学基础知识1.1绪论1.1.1材料与材料科学材料是可以用来制造有用的构件、器件或物品的物质。什么是材料？材料是什么？什么是材料科学？材料科学是有关材料成分、组织与工艺流程对于材料性能与用途的影响规律的知识与运用。第1章材料科学基础知识材料科学研究材料的成分（结构）（compositionormicrostructure）、合成（工艺流程）（synthesisorprocessing）、性能（properties）和效能（performance）以及它们之间的关系。成分（结构）合成（工艺流程）性能效能第1章材料科学基础知识1.1.2工程材料概述用途结构材料：主要利用其力学性能功能材料：主要利用其物理、化学性能成分金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料第1章材料科学基础知识1、金属材料金属材料是至今为止最重要的工程材料，包括钢铁（黑色金属）、有色金属（轻金属）及其合金。由于金属材料具有良好的力学性能、物理性能、化学性能及工艺性能，生产工艺成熟，能采用比较简便和经济的工艺方法制成各种构件和零件，因此是目前应用最广泛的工程材料。第1章材料科学基础知识2、无机非金属材料无机非金属材料主要是陶瓷材料、水泥、玻璃、耐火材料等。这类材料具有不可燃性、高耐热性、高化学稳定性、不老化性以及高的硬度和良好的耐压性，且原材料丰富，日益受到工程行业的关注。第1章材料科学基础知识3、高分子材料高分子材料因其原料丰富、成本低、加工方便等优点，发展极其迅猛。工程上通常根据高分子材料的机械性能和使用状态将其分为塑料、橡胶和合成纤维。工程塑料具有一系列优异的性能和很高的使用价值，能在较宽的温度范围内承受机械应力和较苛刻的物理化学环境中使用。工程塑料易成型加工，可调节性和可配制性强，品种繁多。目前工程塑料正朝着高性能化、高功能化、多用途和低成本方向发展。第1章材料科学基础知识4、复合材料用原有的金属材料、无机非金属材料和高分子材料等作为组分，通过一定的工艺方法将它们复合在一起，制成既能保留原有材料组分的特征，又可以克服组分材料的不足，还能显示出某些新性能的材料。复合材料也可以分为结构复合材料和功能复合材料两大类，有金属基复合材料、陶瓷基复合材料、树脂基复合材料以及碳/碳复合材料。由于复合材料具有性能可设计性、材料与构件制造的一致性和优异的物理化学性能，从而比传统材料具有无可比拟的优越性。第1章材料科学基础知识1.2材料中的晶体结构1.2.1晶体学基础1、晶体与非晶体固体材料按照原子（原子团、分子）的排列晶体和非晶体晶体非晶体原子按某种特定方式在三维空间内周期性地规则重复排列。原子排列是有序的非晶体内部原子的排列是无序的。第1章材料科学基础知识晶体材料的性能表现为各向异性，有确定的熔点（凝固点）；而非晶体各向性能基本相同，也没有确定的熔点。实际晶体材料大都是多晶体，由很多晶粒组成。材料的组织就是指各种晶粒的相对量、尺寸大小、形状及分布等特征，是一个影响材料性能的极为敏感而重要的结构因素。第1章材料科学基础知识2、空间点阵和晶胞实际晶体的原子排列可能有无限多种方式第1章材料科学基础知识“晶格”或“点阵”“晶胞”晶向和晶面第1章材料科学基础知识石墨结构金刚石结构C第1章材料科学基础知识3、纯金属的晶体结构（1）体心立方晶格bbcCr、Mo、W、V、-Fe、-Ti第1章材料科学基础知识3、纯金属的晶体结构（2）面心立方晶格fccAl、Cu、Ni、Pb、Ag、Au、-Fe第1章材料科学基础知识3、纯金属的晶体结构（2）密排六方晶格hcpMg、Zn、Be、-Ti、Cd第1章材料科学基础知识4、离子晶体的结构离子键结合硬度高、强度大、熔点和沸点较高、热膨胀系数较小，但脆性大良好的绝缘体，往往是无色透明的Al2O3CaF2Fe3O4SnS2NaCl第1章材料科学基础知识5、共价晶体的结构由同种非金属元素的原子或异种元素的原子以共价键结合而成的无限大分子原子晶体强度高、硬度高、脆性大、熔点高、沸点高和挥发性低，结构比较稳定，导电能力较差金刚石型（单质型）、ZnS型（AB型）和SiO2型（AB2型）ZnSSiO2金刚石第1章材料科学基础知识1.2.2晶体缺陷1.2材料中的晶体结构第1章材料科学基础知识第1章材料科学基础知识1.2.3相结构与相图1.2材料中的晶体结构构成材料最基本的、独立的物质称为组元，简称元。多组元金属材料称为合金，两个组元构成的合金称为二元合金，三个组元的称为三元合金组元可以是纯元素，如Cu、Fe、C、Al等，也可以是化合物，如Fe3C、Al2O3、SiO2、ZrO等。二元合金：Fe-CCu-ZnAl-SiAl-Li三元合金:Fe-C-MnFe-C-CrFe-Cr-NiCu-Pb-Si第1章材料科学基础知识1.2.3相结构与相图1.2材料中的晶体结构1、材料的相结构相是合金中具有同一聚集状态、同一晶体结构和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分。材料的性能与各组成相的性质、形态和数量直接相关。不同的相具有不同的晶体结构，根据其特点可以归纳为两大类：固溶体与中间相。第1章材料科学基础知识（1）固溶体以合金中某一组元作为溶剂，其他组元为溶质，所形成的与溶剂有相同晶体结构、晶格常数稍有变化的固相称为固溶体。固溶体可在一定成分范围内存在，性能随成分变化而连续变化。置换固溶体间隙固溶体第1章材料科学基础知识（2）中间相（金属间化合物）固溶体的溶解有一个限度，当溶质含量超过这一限度后便会形成一种新相，称为中间相。中间相的晶体结构和性能完全不同于其构成组元中的任一组元。以金属键为主导的中间相具有一定的金属性，称为金属间化合物；主要以离子键结合的化合物，如FeS、MnS等，没有金属性，常作为非金属夹杂处理。第1章材料科学基础知识金属间化合物一般具有高的熔点及硬度，可使合金的强度、硬度、耐磨性及耐热性提高。具有特殊的物理、化学性能的中间相，其中不少正在开发应用中，如性能远远优于硅半导体材料的GaAs；具有形状记忆效应的NiTi、CuZn合金；新一代能源的储氢材料LaNi5等。第1章材料科学基础知识第1章材料科学基础知识2、二元相图相图是描述系统的状态、温度、压力和成分之间关系的一种图形。利用相图可以知道不同成分的材料在不同温度下存在哪些相、各相的相对量、成分及温度变化时所可能发生的变化。典型的二元合金基本相图第1章材料科学基础知识3、相图与性能的关系第1章材料科学基础知识1.3高分子材料的结构1.3.1高分子材料的基本概念第1章材料科学基础知识1.3高分子材料的结构1.3.1高分子材料的基本概念高分子化合物是指由一种或多种简单低分子化合物聚合而成的相对分子质量很大的化合物，所以又称聚合物或高聚物，通常把相对分子质量小于5000的称为低分子化合物，而大于5000的则称为高分子化合物。（1）高分子化合物第1章材料科学基础知识高分子化合物的每个大分子都是由一种或几种简单的低分子化合物，通过聚合反应连接起来的。这些能够聚合成高分子化合物的低分子化合物称为单体。（2）单体单体是合成聚合物的起始原料。乙烯（CH2=CH2）是聚乙烯的单体氯乙烯（CH2=CHCH）是聚氯乙烯的单体第1章材料科学基础知识高分子化合物的分子呈长链形，因此常称为大分子链或分子链。大分子链截面一般不到一个纳米，长度可达数百纳米，是由许许多多结构相同的基本单元重复连接构成的。组成大分子链的这种特定的结构单元叫作链节。（3）链节聚乙烯大分子链的结构式为：…CH2—CH2—CH2—CH2—CH2—CH2—CH2—…简写为[—CH2—CH2—]n聚乙烯的链节第1章材料科学基础知识高分子化合物的大分子链中链节的重复次数称为聚合度。一个大分子链的相对分子质量M，等于链节的相对分子质量m和聚合度n的乘积，即M=nm。聚合度反映了大分子链的长短和相对分子质量的大小。（4）聚合度链段是指大分子链中可以独立运动的结构单元。（5）链段第1章材料科学基础知识1.4材料的力学性能1.4.1常规性能指标拉伸试验、性能第1章材料科学基础知识1、强度指标1.4.1常规性能指标屈服极限——屈服点s工程屈服强度0.2抗拉强度（强度极限）b2、塑性指标伸长率K510断面收缩率%10000lllKK%10000FFFK第1章材料科学基础知识3、硬度硬度是衡量材料软硬程度的一种性能指标。硬度是表征材料的弹性、塑性、形变强化、强度和韧性等一系列不同物理量组合的一种综合性能指标，不是一个单纯的物理量。一般可以认为硬度是材料表面抵抗局部压入变形（金属）或刻划破裂（陶瓷）的能力。第1章材料科学基础知识（1）布氏硬度HBW通常用于测试有色金属，调质和正火、退火态的黑色金属。350HBW5/750（2）洛氏硬度HRHRA、HRB和HACHRC通常用于淬火钢、高硬度铸件、珠光体可锻铸铁。60HRBW表面洛氏硬度第1章材料科学基础知识（3）维氏硬度及显微硬度HV640HV30显微硬度：可测定金属箔、极薄的表面层的硬度以及合金中各组成相的硬度。（4）肖氏硬度HS里氏硬度HL肖氏硬度只能在相同弹性模量的材料之间进行硬度对比。手提式（便携式），使用方便，可在现场测量大型工件的硬度。第1章材料科学基础知识1.4.2疲劳强度1、疲劳抗力材料抵抗交变应力作用的能力。fffff第1章材料科学基础知识2、疲劳抗力指标及性质（1）疲劳极限应力循环变化无限次材料不发生疲劳破坏的最大应力rrn（2）条件疲劳极限（疲劳强度）承受大于5×107～5×108次应力循环而不破坏的最大应力（3）疲劳破坏的持久值在一定的应力水平下（＞r），试件破坏前的应力循环次数第1章材料科学基础知识1.4.3材料韧性低应力脆性断裂?第1章材料科学基础知识1.4.3材料韧性低应力脆性断裂通常发生脆断时的宏观应力很低，按强度设计是安全的脆断通常发生在比较低的工作温度下脆断从应力集中处开始，裂纹源通常在结构或材料的缺陷处，如缺口、裂纹、夹杂等厚截面、高应变速率促进脆断?韧性是材料从变形到断裂全过程中吸收能量的大小，是强度和塑性的综合表现第1章材料科学基础知识1、冲击韧度在材料测试和工程实践中应用比较广泛的是缺口冲击实验。常用的冲击试样有夏氏V型和梅氏U型缺口试样，用冲击试样的断裂功AK（J）或ak（J/cm2）作为材料的韧性指标。第1章材料科学基础知识工程上常用的结构钢在一定的温度TT以下均会产生脆性断裂。温度TT称为材料的冷脆转变温度，或称韧脆转变温度。2、冷脆用材料的脆性转变温度TT作为防止脆断发生的安全判据，设计时根据构件的工作温度来选取具有合适脆化温度TT的材料。TTAK（J）T（oC）第1章材料科学基础知识3、断裂韧度裂纹体的断裂应力场强度因子KI？aYKI断裂韧度KICaYKIKIC安全判据第1章材料科学基础知识1.5相变与热处理1.5.1材料的凝固吉布斯自由能G温度TGSGLG=GS-GLOTm在非平衡温度，存在液固两相自由能差G，产生凝固或熔化驱动力。Tm是理论熔点或凝固点。物质在实际凝固过程中，只有在低于Tm的温度才能开始凝固，这一现象称为过冷，实际凝固温度与理论温度的差值称为过冷度。第1章材料科学基础知识2、金属的结晶（1）金属的结晶过程第1章材料科学基础知识（2）晶粒尺寸的控制a.提高冷却速度b.化学变质法c.振动和搅拌3、凝固技术的应用（1）单晶的制备（2）定向凝固（3）区域熔炼（提纯）第1章材料科学基础知识1.5.2铁碳合金相图图1-18Fe-Fe3C相图第1章材料科学基础知识（1）铁素体（F）碳原子溶入-Fe形成的间隙固溶体。1、铁碳合金的相和组织铁素体的力学性能与纯铁相近，强度极限b=250MPa，屈服极限s=140MPa，延伸率=40%～50%，冲击韧度aK=200J/cm2，布氏硬度80HBW。铁素体具有优良的塑性和韧性，但强度、硬度较低，在铁碳合金中属于软韧相。第1章材料科学基础知识（2）奥氏体（A）碳原子溶入-Fe中形成的间隙固溶体。奥氏