1、材料简介,材料与人类文明材料分类与性能,引言,人和动物的本质区别?人在制造工具时,需要物质但不是所有的物质都能用于工具,从这个角度出发:材料能为人类制造有用器件的物质。,材料科学与人类文明的关系密切,可以说,人类的衣、食、住、行均离不开它。,一、材料与人类文明发展(历史贡献),人类的文明进程是依据什么而划分的?可以使用的占主导地位的材料。,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。发展得越来越快。,1.1 材料与人类文明,材料应用的发展是人类发展的里程碑!,400,000 BC4,500 BC石器时代(Stone Age),燧石:神奇的石头,陶器(Pottery),陶
2、器的出現是人類跨入新石器時代的重要標誌之一,據目前已知的考古資料,中國的陶器製作至少已有8000年以上的歷史。,西安半坡人面网纹陶盆,战国陶制四通水管,4,500 BC1,000 BC青铜时代(Bronze Age),从矿石中提炼铜冶金业的黎明,这张埃及古墓壁画是人类冶金业的最早纪录之一,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。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。保守的估计,这一时期主要从夏商周直至秦汉,时间跨度约为两千年左右,这也是青铜器从发展、成熟乃至鼎盛的辉煌期。到春秋戰國時期,齊國工匠總結科技經驗寫成的考工記一書中,提出了金有六齊,
3、這是世界科技史上最早的冶銅經驗總結。,青铜:第一种合金,夏钺,戈,三星堆,立人像铸于商代晚期,人像高172厘米,底座高90厘米,通高262厘米,是世界上最大的青铜立人像,被尊称为“世界铜像之王”。突目面具铸于商代晚期,原件高64.5厘米,宽138厘米,眼球柱状外突长达13.5厘米,其造型在世界上亦属首见。,司母戊鼎,司母戊鼎,商代大鼎,1939年出土,鼎高133厘米,重875公斤。為已知的中國古代體量最大的青銅器。銅禁,中國已知最早應用失蠟法鑄造的作品,春秋時代的楚國王子午墓出土的,年代為公元前6世紀。,1450BC铁制车轮,1500AD廉价的冶铁业,1000BC铁器时代(Iron Age),
4、What?华夏文明的独特贡献,瓷器則是中國先民的偉大發明,要比國外出現早1500 年以上,它是中華民族的寶貴歷史遺產之一.世界四大文明古國對於掌握製陶技術與生產陶器都是獨立發明的,發展時間上也相差不遠。從原始瓷器到成熟瓷器的提高幾乎經歷了1500 年之久,至遲在東漢晚期,中國已能燒製出成熟的青瓷,完成了由原始瓷器向標準瓷器的過渡。,這件江蘇南京出土的吳國青瓷羊是成熟青瓷的代表作。,二、 材料与人类现代文明,支撑人类现代文明大厦的四大支柱技术:材料科学与技术生物科学与技术能源科学与技术信息科学与技术,材料是发展高科技的先导和基石,其中材料是基础!,材料技术大厦的砖石,材料是所有科技进步的核心,建
5、筑、交通、能源、计算机、通信、多媒体、生物医学工程无一不依赖材料科学与技术的发展来实现和突破。,没有钢铁材料,就没有今天的高楼大厦;没有专门为喷气发动机设计的材料,就没有靠飞机旅行的今天;没有耐高温复合涂层材料,就没有人类探索外空的飞船;没有固体微电子电路用的半导体材料,就没有计算机。,建筑,交通,福特2000与西纳给2010这两款由材料工程师设计的汽车将成为未来交通工具。,汽车用高强钢,比原先的轻24%,而强度高34%。,汽车,轻质材料,在美国卡拉维纳尔角航天基地待升空的(穿梭机)。它是人类高技术的结晶。它应用了成千上万种材料,特别是一些高技术的新型材料(本照片选自美国Kennedy Spa
6、ce Center 的Tourbook)。,航天飞机,超导磁悬浮列车 西南交通大学已研制成功全国唯一一辆“世纪号”超导磁悬浮列车,这种高温超导磁悬浮列车最大特点就是乘坐平稳、安全和快捷。和世界上最先进的轻轨列车比较,它没有一点轰隆隆的噪声,十分安静。,1980s:高温超导体,能源,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。主要包括储氢电极合金材料为代表的镍氢电池材料嵌锂碳负极和LiCoO2正极为代表的锂离子电池材料、燃料电池材料Si半导体材料为代表的太阳能电池材料铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料等。,核能材料,Nuclear power station at
7、 Leibstadt, Switzerland,uranium oxide beads,钨钒钢(W-V steel)铬钒钢(Cr-V steel)镍基高温合金(Hastelloy material),核反应堆材料:耐中子辐射、腐蚀、高温,烧结后,烧结前,信息人类正在步入信息时代,同时也是信息材料竞争的时代。,电子管晶体管集成电路,电子管16K内存器。图中的女士要用显微镜才看得到现在的集成电路16 K内存器,第一台电子管组成的计算机重达30吨,用电相当于一个小的城市。,钨、钼电极。,锗、硅半导体。,单晶硅片,高纯钛、SiO2和铬等薄膜,生物、生活材料技术的发展改变我们的生活,仿真手臂,人工关节,
8、微机械,碳纤维制品,组织结构,材料科学与工程( MSE )四要素,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,材料的分类与性能,一、材料的分类,二、材料的性能,一、材料的分类,复合材料,工程材料分类,各类材料的性能特点,金属材料主要为金属键。热和电的良导体具有良好的强度与延展性以及金属光泽陶瓷材料通常为离子键或共价键
9、。绝缘体而且比较耐热。高分子材料通常为共价键、分子键和氢键,以共价键为主。分子结构都非常巨大通常密度较低,在高温下不稳定。复合材料性能的复合.,玻璃纤维增强高分子复合材料,材料在外加载荷(外力或能量)作用下或载荷与环境因素(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。,力学性能,指标:弹性、塑性、韧性、强度、硬度和疲劳强度等。,二、材料的强度(strength) 材料所能承受的极限应力.,单位: MPa(MN/mm2),公
10、式:=P/Fo,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。,三、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。,Lk:试样拉断后最终标距长度延伸率与试样尺寸有关, d5 , d10 (Lo=5do, 10do),1延伸率(specific elongation), 10% 属塑性材料,是指试样拉断后的标距伸长量L k与原始标距L 0之比。,四、刚度和弹性,1刚度,E=/ 杨氏弹性模量 GPa, MPa 本质是:反映了材料内部原子种类及其结合力的大小,组织不敏感的力系指标。,2弹性( elast
11、icity ),比例极限:p=Pp/Fo 应力应变保持线性关系的极限应力值弹性极限:e=Pe/Fo 不产永久变形的最大抗力。工程上,p、e视为同一值,通常也可用0.01,材料在受力时,抵抗弹性变形的能力,材料不产生塑性变形的情况下,所能承受的最大应力,五:硬度( hardness ),抵抗外物压入的能力,称为硬度综合性能指标。,1布氏硬度HB ( Brinell-hardness ),适用于未经淬火的钢、铸铁、有色金属或质地轻软的轴承合金。,适用范围:,450HBS;,650HBW;,2洛氏硬度HR ( Rockwll hardness ),定义:每0.002mm相当于洛氏1度洛氏硬度常用标尺
12、有:B、C、A三种HRB 轻金属,未淬火钢HRC 较硬,淬硬钢制品HRA 硬、薄试件,10HRCHBS,3维氏硬度( diamond penetrator hardness ) 科学试验,维氏硬度的压力一般可选5,10,20,30,50,100,120kg等,小于10kg的压力可以测定显微组织硬度。,适用范围:,测量薄板类 ;,HVHBS ;,Titanic沉没原因,Titanic 含硫高的钢板,韧性很差,特别是在低温呈脆性。所以,冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。,Titanic 号钢板(左图)和近代船用钢板(右图)的冲击试验结果,一项新的科学研究回答了80
13、年未解之谜,材料的其它性能,一、热学性能,1热膨胀原子(或分子)受热后平均振幅增加(1)体积膨胀系数(2)线膨胀系数 结合键越强则原子间作用力越大,原子离开平衡位置所需的能量越高,则膨胀系数越小。2热传导自由电子的运动和晶格振动。导热系数:单位温度梯度下,单位时间内通过单位垂直面积的热量3热容: 材料在温度升高10时所吸收的热量叫做热容。 一克物质的热容也叫比热。,材料的热学性能与原子和自由电子的能量交换密切相关。,二、电磁学性能,1、导电性,电阻率: 电导率:1/超导体:0导体:=10-810-5 半导体:=10-5107绝缘体:=1071022,2、磁性,RLS,四、比重和熔点 1比重 2
14、熔点五、耐磨性能六、抗蚀性能,失效分析的主要方法,1、无损检测 无损检测是针对材料在冶金、加工、使用过程中产生的缺陷和裂纹用无损探伤法进行检查,以查清其状态及分布。,2、断口分析 断口分析是对断口进行全面的宏观(肉眼、低倍显微镜)及微观(高倍显微镜、电子显微镜)观察分析,确定裂纹的发源地、扩展区和最终断裂区,判断出断裂的性质和机理。,3、金相分析 通过观察分析零件(特别是失效源周围)显微组织构成情况,如组织组成物的形态、粗细、数量、分布及其均匀性等,辨析各种组织缺陷及失效源周围组织的变化,对组织是否正常作出判断。,4、化学分析 检验材料整体或局部区域的成分是否符合设计要求。,5、力学分析 检查
15、分析失效零件 的应力分布、承载能力以及脆断倾向等。,(a) (b)图8-3 分析破坏的顺序(a)T型法则 (b)分叉法则,断口分析,T型法则 分叉法则,脆性断口,宏观:根据人字纹路的走向和放射棱线汇聚方向确定裂纹区。,(a) (b)图8-4 失效源分析,宏观:结晶状,平齐而光亮,有闪亮小刻面。无明显变形微观:平坦的解理台阶与河流花样。,(a) (b)图8-5 脆性结晶状断口的宏观及微观形貌(a)宏观形貌 (b)微观解理花样,脆性断口,脆性断裂也可能沿晶界发生。,(a) (b)图8-6 脆性沿晶断裂断口(a)回火脆性断口 (b)应力腐蚀断口,韧性断口宏观:纤维状,色质灰暗, 有明显的塑性变形微观:大小不等的韧窝,(a) (b)图8-7 韧性断口的宏观及微观形貌(a)纤维状韧性宏观断口 (b)微观典型韧窝形貌,金属材料的工艺性能,金属零件的加工工艺路线,高分子材料的工艺性能,高分子材料的加工工艺路线,陶瓷材料的工艺性能,陶瓷材料的加工工艺路线,