材料科学与工程导论.pdf

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1、 材料科学与工程导论 1 本课程的基本概念：材料科学虽然是一门基础科学，但是它涉及到诸如本课程的基本概念：表面物理学、表面化学、金属学、陶瓷学、高分子学、传热学、传质学等多个学科的理论；同时也与信息科学、生命科学、深海和深空科学等现代科学技术紧密相连。1.1 材料与人类文明 一、材料与人类文明发展（历史贡献）-石器时代、铜器时代、铁器时代、钢铁时代、合成材料时代、复合材料时代 陶器（china）1.陶器出現是人类跨入新石器时代的重要标志之一，2.据目前已知的考古资料，中国的陶器制作至少已 8000年以上的历史。青铜：第一种合金 1.青铜，古称金或吉金，是红铜与其它化学元素（锡、镍、铅、磷等）的

2、合金。2.史学上所称的“青铜时代”是指大量使用青铜工具及青铜礼器的时期。3.到春秋战国時期，齐国工匠总结科技经验写成的考工记一书中，提出了金有六齐，这是世界科 技史上最早的冶铜经验总结。二、材料与人类现代文明 材料是发展高科技的先导和基石 （一）支撑人类现代文明大厦的四大支柱技术 1.材料科学与技术 2.生物科学与技术 3.能源科学与技术 4.信息科学与技术*其中材料是基础！材料的应用：计算机与材料；飞机和材料;复合科学材料能源。（二）新能源材料则是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料。1.主要包括储氢电极合金材料为代表的镍氢电池材料；2.嵌锂碳负极和 LiCoO2正

3、极为代表的锂离子电池材料、燃料电池材料；3.Si半导体材料为代表的太阳能电池材料；4.铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料等。1.2 材料科学概论 化学成分不同的材料其性能也不相同。但对于同一成分的材料，通过不同的加工工艺也可以使其性能发生极大的变化。*可见，除化学成分外，材料内部的结构和组织状态也是决定材料性能的重要因素。*材料科学与工程（MSE）四要素:材料的合成与制备;成分与组织结构;材料特性;服役行为与使用寿命。*性能:工程材料的性能主要是指材料的使用性能和工艺性能。一使用性能:材料的使用性能是指在服役条件下，能保证安全可靠工作所必备的性能，其中包括材料的 力学性能、物理性能和化学性能。力

4、学性能:主要包括工程材料的强度、硬度、塑性、韧性、蠕变和疲劳性能。物理性能:主要包括工程材料的熔点、密度以及电、磁、光和热性能。化学性能:是指工程材料在环境作用下的耐腐蚀和抗老化性能。（一）、力学性能 材料在外加载荷（外力或能量）作用下或载荷环境因素（温度、介质和加载速率）联合作用下表现出来的行为。主要是指材料在力的作用下抵抗变形和开裂的性能。机械设计中应首先考虑材料的力学性能。通俗地讲力学性能决定了在多大和怎样形式的载荷条件下而不致于改变零件几何形状和尺寸的能力。指标:弹性、塑性、韧性、强度、硬度和疲劳强度等。1、材料的强度(strength)材料所能承受的极限应力。物理意义:材料在载荷作用

5、下抵抗变形和破坏的能力。抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。公式：=P/Fo 单位：单位：MPa(MN/mm2)（1）屈服强度 s（yield strength）和条件屈服强度 0.02 a:s=Ps/Fo （s代表材料开始明显塑性变形的抗力,是设计和选材的主要依据之一。）Ps-试样屈服时的载荷(N)s=(M pa)F0-试样原始横截面积(mm2)b:0.2条件屈服强度 P0.2-试样产生 0.2%残余塑性变形时的载荷(N)0.2=(M pa)S0-试样原始横截面积(mm2)脆性材料：b=s 灰口铸铁（2）抗拉强度(tensile strength)b=Pb/Fo 材料被拉断前

6、所承受的最大应力值（材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值）。Pb-试样断裂前的最大载荷(N)b=(M pa)S0-试样原始横截面积(mm2)（3）疲劳强度 -1(fatigue strength)a:疲劳现象：承受载荷的大小和方同随时间作周期性变化，交变应力作用下，往往在远小于强度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。b:影响因素：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、表面状态、残余应力 2、塑性(plasticity):材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。*延伸率（specific elongation）：指试样拉断后的标距伸长量Lk-L0与原始标距L0 之比。（二）物理性能

7、 1.热容：材料在温度升高 1 时所吸收的热量叫做热容。一克（g）物质的热容也叫比热容。2.电磁学性能（1）导电性 R L S（电阻率：电导率：1/）（2）磁性 a：物质接磁性分类：抗磁性物质 顺磁性物质 铁磁性物质 b：磁化强度 M XH X：磁化率（或磁化系数）c：导磁率 B H（：介质导磁率）d：磁弹回线和矫顽。（三）化学性能 二 工艺性能:材料的工艺性能是指材料的可加工性。利用材料的加工工艺可以将未经成型的坯料加工成要状和性能.常用的加工工艺有：铸造焊接和胶接热处理机械加工粉末冶金塑性加工。1.3 材料的分类：金属材料 陶瓷材料 高分子材料 复合材料 1.金属材料：金属是具有正的电阻温

8、度系数的物质,通常具有良好的导电性、导热性、延展性、高的密度和高的光泽。2.陶瓷材料：金属和非金属元素间的化合物。具有很高的强度和硬度，较低的导电、导热性，延性、成型性及耐冲击性都很差。极好的耐高温和耐腐蚀特性,还有一些独特的光学、电学。3.高分子材料：非金属原子共有电子而构成大分子材料称为高分子材料。每个大分子由许多结构相同的单元相互连接而成，因此高分子材料又称为聚合物。它具有较高的强度、良好的塑性、较强的耐腐蚀性、绝缘性和低密度等优良性能。4.复合材料:由两种或两种以上材料组成的，其性能是它的组成材料所不具备的。复合材料可能具有非同寻常的刚度、强度、高温性能和耐蚀性 第一章 金属和合金的晶

9、体结构 结构：原子结构 原子的空间排列 显微组织 金属的定义:金属是具有正的电阻温度系数的物质,通常具有良好的导电性、导热性、延展性、高的密度和高的光泽。结合力:当原子靠近到一定程度时，原子间会产生较强的作用力 1.1 金属原子间的键合特点 金属键：共有价电子电子云键无方向性和饱和性 性能特点：1)良好的导电性及导热性；2)正的电阻温度系数；3)良好的强度及塑性；4)特有的金属光泽;结合力与结合能 吸引力：正离子与负离子(电子云)间静电引力,长程力 排斥力:正离子间、电子间的作用力，短程力 结合力吸引力排斥力;结合能吸引能排斥能 原子间必须保持一定的平衡距离，这是固态金属中的原子趋于规则排列的

10、重要原因。1.2 非晶体的特点是：结构无序；物理性质表现为各向同性；没有固定的熔点；热导率（导热系数）和膨胀性小；晶体的主要特点是：结构有序；物理性质表现为各向异性；有固定的熔点；在一定条件下有规则的几何外形。原子半径：晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距离的一半。晶胞中所含原子数：一个晶胞内真正包含的原子数目。配位数：晶体结构中与任一原子最近且等距的原子数。致密度:晶胞中原子所占体积分数：K=n v/V，n为晶胞所含原子数，v 为单个原子体积，V 为晶胞体积。1.3 合金相结构 合金;两种或两种以上金属元素，或金属元素与非金属元素，经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的物质 组元;

11、组成合金最基本的独立的物质，通常组元就是组成合金的元素。相;是合金中具有同一聚集状态、相同晶体结构，成分和性能均一，并以界面相互分开的组成部分 固溶体：合金的组元通过溶解形成一种成分及性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相，称为固溶体。与固溶体结构相同的组元为溶剂，另一组元为溶质。固溶体的分类:1.置换固溶体 2.间隙固溶体 固溶体的性能:通过形成固溶体而产生晶格畸变，使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。1.4 金属晶体缺陷;点缺陷又称零维缺陷;线缺陷;面缺陷。在多相组织中，具有不同晶体结构的两相之间的分界面称为相界。第二章 纯金属的结晶 2.1凝固：金属由液态转变为固态的过程。结晶：从原

12、子不规则排列的液态转变为原子规则排列 的晶体状态的过程。通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶。而把金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为二次结晶或重结晶。结晶过程：形核和长大 形核方式：均匀形核和非均匀形核 形核条件：结构起伏能量起伏成分起伏 差异：1 异分结晶结晶时结晶出的固相与液相成分不同，也称为选择性结晶。2变温结晶固溶体合金的结晶需要在一定温度范围内进行。2.2匀晶相图及固溶体的结晶 匀晶结晶有下列特点：1）与纯金属一样，固溶体从液相中结晶出来的过程中，也包括有生核与长大两个过程，但固溶体更趋向于树枝状长大。2）固溶体结晶是在一个温度区间内进行，即为一个变温结晶过

13、程。3）在两相区内，温度一定时，两相的成分（即Ni 含量）是确定的。匀晶结晶有下列特点：4）在两相区内，温度一定时，两相的质量比是一定的，由杠杆定律可算出在 T 时液相和固相在合金中的质量分数 5）固溶体结晶时成分是变化的，如果冷却较快，原子扩散不能充分进行，则形成成分不均匀的固溶体。一个晶粒中先结晶的树枝晶晶枝含高熔点组元较多，后 结晶的树枝晶晶枝含低熔点组元较多，结果造成在一个晶粒内化学成分的分布不均，这种现象称为枝晶偏析。消除枝晶偏析的方法采用扩散退火。金相制作及金相分析 金相制作:在用金相显微镜来检验和分析材料的显微组织时，需将所分析的材料制备成一定尺寸的试样，并经磨制、抛光与腐蚀工序

14、，才能进行材料的组织观察和研究工作 金相分析：利用金相显微镜在专门制备的试样上观察材料的组织和缺陷的方法。是研究工程材料内部组织结构的主要方法金相显微分析法 金相制作（主要步骤）金相制作（详细步骤）2.3钢的热处理及其对组织和性能的影响 钢的热处理：通过钢在固态范围内的加热、保温和冷却操作，来改变其内部组织，从而获得所需要的物理、化学、机械和工艺性能的过程。普通热处理有：退火、正火、淬火、回火。热处理基本工艺要素：加热温度、保温时间和冷却方式。正确合理选择这三者的工艺规范，是热处理质量的基本保证。回火的加热温度 低温回火：加热温度为 150250。中温回火：加热温度为 350500。高温回火：

15、加热温度为 500650。冷却方法的选择 退火冷却：一般采用随炉冷却。正火冷却：采用空气冷却，大件可用风冷却。淬火冷却：根据工件状况选择淬火介质。淬火介质不同冷却能力不同工件获得冷速不同 合理选择冷却介质是保证淬火质量的关键 碳钢：通常用室温的水作淬火介质 合金钢：合金结构钢、合金工具钢、特殊钢。铸 铁：白口铸铁、灰口铸铁、麻口铸铁、灰口铸铁、灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁等。有色金属材料：铜、铝、镍、钛及其合金。铜合金：黄铜、青铜、白铜等。合 金：形变铝合金铸造铝合金。铸铝合金：硅铝合金-硅铝明等 轴承合金：巴氏合金-以锡或铅为基的抗磨轴承合金。2.4 常用金属材料 钢铁；铝及铝合金；铜及铜合金

16、；钛及钛合金；镁及镁合金。（一）1.钢的分类及编号 按金相组织分按用途分 2.铸铁的特点及分类 工业上使用的铸铁主要是灰口铸铁。铸铁的性能特点 力学性能低 耐磨性能好 消振性能好。铸造性能好 切削性能好 （二）铝合金的分类 可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。变形铝合金分为可热处理强化和不可热处理强化两类。常用变形铝合金 1.防锈铝合金 2.硬铝合金（三）、铜及铜合金 铜及铜合金的性能特点 纯铜呈紫红色，故又称紫铜，具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。纯铜具有优良的导电性和导热性，在大气、淡水和 冷凝水中有良好的耐蚀性。塑性好。铜合金分为黄铜、青铜、白铜三大类。（四）、钛及钛合金

17、：工业纯钛 纯钛密度小，熔点高,纯钛比强度高，塑性、低温韧性和耐蚀性好。（五）镁合金的分类 1.分为两类，变形镁合金和铸造镁合金。不过，许多镁合金既可做铸造合金，也可做变形合金。2 经锻造和挤压后，变形合金比同成分的铸造合金有更高的强度。镁合金的特点 1.密度小、质量轻；2.比强度和比刚度高；3.良好的导热导电性能；4.良好的电磁屏蔽能力；5.镁的标准电极电位比铝还低，并且它的表面氧化膜是不致密的，故抗蚀性较差，铸件均需进行表面氧化处理和涂层保护。高分子材料 1.高分子材料(macromolecular material)是以高分子化合物为基础的一大类材料的总称。是由相对分子质量较高的化合物构

18、成的材料。2.高分子就是那些分子量特别大的物质。高分子物质的分子一般由几千、几万甚至几十万个原子组成，它的分子量也就是几万、几十万、甚至以亿来计算。高 分子的“高”就是指它的分子量高(104-107)。3.化学组成比较简单，由重复单元链接而成长链分子 a质量轻，易加工 b：耐酸碱，耐腐蚀，绝缘性，可塑性，弹性 c：韧性好，不易脆裂 塑料 1.根据塑料制品的用途可分为:通用塑料;工程塑料;特种塑料;2.根据塑料受热特性可分类:热塑性塑料;热固性塑料 橡胶的分类;天然橡胶 合成橡胶 纤维：长度比直径大上百倍的线状或丝状高分子材料 1.特点：具有高的抗拉断裂强度，聚合物的玻璃化转化温度最高，结晶度高，分子间有强相互作用 2.分类：天然纤维 化学纤维 生物医用材料(biomedical materials)是用于与生命系统接触和发生相互作用，并能对其细胞、组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的一类天然或人工合成的特殊功能材料，亦称生物材料。一、生物医用材料的用途 替代损害的器官或组织；改善或恢复器官功能；用于治疗过程；按材料的组成分类:金属生物医用材料;无机生物医用材料;有机高分子生物医用材料;杂化生物医用材料