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, 可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.据当前已知的考古资料, 中国的陶器制作至少已80 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, 经过不同的加工工艺也能够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。
①力学性能:主要包括工程材料的强度、硬度、塑性、韧性、蠕变和疲劳性能。
②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。
③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: σ=P/F
o 单
位: 单位: MPa(MN/mm 2 )
( 1)
屈服强度σs( yield strength) 和条件屈服强度σ0.02
a: σs=Ps/Fo ( σs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 ) σs = ( M pa ) F0 - 试样原始横截面积( mm 2 )
b: σ0.2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) σ0.2 = ( M pa )
S0-试样原始横截面积( mm 2
) 脆性材料: σb=σs 灰口铸铁
( 2) ．抗拉强度( tensile strength )
σb=Pb/Fo 材料被拉断前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) σb = ( M pa )
S0- 试样原始横截面积( mm 2 )
( 3) 疲劳强度σ-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
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＝ρL／S( 电阻率: ρ 电导率: 1/ρ)
( 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＝X·H X: 磁化率( 或磁化系数)
c: 导磁率 B＝μ·H ( μ: 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能够将未经成型的坯料加工成要状和性能. 常见的加工工艺有: ①铸造②焊接和胶接③热处理④机械加工⑤粉末冶金⑥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度系数的物质, 一般具有良好的导电性、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, 一般具有良好的导电性、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重要原因。
§1.2 非晶体的特点是: ①结构无序; ②物理性质表现为各向同性; ③没有固定的熔点; ④热导率( 导热系数) 和膨胀性小;
晶体的主要特点是: ①结构有序; ②物理性质表现为各向异性; ③有固定的熔点; ④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;组成合金最基本的独立的物质, 一般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: 合金的组元经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:经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。