《材料基础特性》课件

材料基础特性本课程探讨材料微观结构与性能关系学习各类材料力学热学电学特性材料的定义与分类金属材料无机非金属导电导热好耐高温塑性强硬而脆复合材料有机高分子性能互补质轻绝缘可设计性强加工性好金属材料简介铁基合金铝合金钢铁产量最大，强度高密度低，耐腐蚀性好铜合金钛合金导电导热优异比强度高，耐高温非金属材料简介陶瓷材料高分子材料复合材料高硬度高熔点质轻易加工强度高质量轻脆性大耐腐蚀电绝缘低强度可设计定向性如氧化铝氮化硅如聚乙烯聚丙烯如碳纤维复合物材料的发展与应用1234石器时代青铜时代钢铁时代现代材料原始工具金属冶炼工业革命半导体纳米材料材料的微观结构晶体结构非晶结构半晶体结构原子排列规则原子排列无序兼有晶区非晶区长程有序性仅具短程有序如半结晶高分子大多数金属陶瓷如玻璃高分子晶体结构类型体心立方BCC面心立方FCC六方密堆HCP单胞中有个原子单胞中有个原子原子排列最紧密914如铁铬钨如铜铝镍如镁钛锌晶体缺陷点缺陷空位杂质原子线缺陷位错影响塑性面缺陷晶界孪晶界堆垛体缺陷夹杂气孔疏松晶界与材料性能晶粒细化位错运动受阻强度提高晶界增多塑性变形难细晶强化材料的物态固态形状体积固定原子振动位置固定液态体积固定形状可变原子可自由流动气态形状体积均可变原子运动无规则材料的密度与比重材料类别密度范围典型实例g/cm³轻金属铝镁钛

1.7-

4.5重金属铁铜铅金

7.0-

19.3陶瓷氧化铝氮化硅

2.0-

5.6高分子聚乙烯聚酯

0.9-

2.2材料的热膨胀性

23.6铝合金热膨胀系数10⁻⁶/K

11.8不锈钢热膨胀系数10⁻⁶/K

8.4碳钢热膨胀系数10⁻⁶/K

0.5石英玻璃热膨胀系数10⁻⁶/K材料的熔点与相变相变温度固态液态气态转变相变种类同素异构同质异晶晶粒长大相变热力学吸热放热能量变化导热性能热导率影响因素晶格结构杂质含量原子排列规则度影响热传递散射热能降低导热率缺陷密度温度缺陷增多导热率降低金属升温导热率降低材料的导电性金属导体半导体绝缘体电阻率低电阻率中等电阻率高⁻⁻⁻10⁸~10⁶Ω·m10⁴~10⁴Ω·m10⁸~10¹⁶Ω·m例铜银铝例硅锗例陶瓷高分子电导率的影响因素温度金属升温电阻增大杂质散射电子降低导电率微观结构晶界影响电子迁移频率高频下趋肤效应超导现象临界温度以下电阻突降为零迈斯纳效应排斥磁场完全抗磁超导应用磁共振强磁场粒子加速器材料的磁性分类从左到右顺磁性抗磁性铁磁性亚铁磁性反铁磁性铁磁材料与应用软磁材料硬磁材料特种磁材料低矫顽力易磁化高矫顽力难退磁磁致伸缩巨磁阻变压器感应器永磁体磁记录传感器存储器材料的力学性能塑性强度永久变形能力抵抗变形破坏硬度抵抗压入变形5疲劳韧性循环载荷下抗力吸收能量不断裂拉伸性能抗压与抗弯性能抗压性能抗弯性能压缩载荷下不破坏弯曲载荷下不断裂陶瓷混凝土强木材复合材料好建筑支柱地基桥梁横梁家具材料的硬度布氏硬度洛氏硬度维氏硬度钢球压痕金刚石圆锥压痕金刚石棱锥压痕材料的冲击韧性简支梁冲击缺口作用摆锤法测冲击能量降低吸能容量组织影响温度影响晶粒细化韧性增低温脆性转变疲劳与断裂循环载荷反复施加应力微裂纹萌生应力集中处产生裂纹扩展每循环增长微量断裂失效剩余截面承载不足蠕变性能弹性与塑性变形弹性变形塑性变形应力去除恢复原状应力去除不恢复晶格弹性变形晶格永久位移符合胡克定律位错滑移孪晶转变条件超过屈服强度位错开始大量运动材料的弹性模量杨氏模量E剪切模量G泊松比ν拉伸刚度指标剪切刚度指标横向变形比应力应变比值剪应力剪应变横向轴向应变///单位单位大多为左右GPa GPa

0.3强化机制简介固溶强化溶质原子阻碍位错运动析出强化细小颗粒阻碍位错细晶强化晶界阻碍位错运动加工硬化4位错密度增加相互阻碍金属加工硬化冷加工材料塑性变形位错密度增加位错相互纠缠位错运动受阻进一步变形困难硬度强度增加塑性韧性下降热处理对性能的影响淬火快速冷却形成马氏体硬度高强度大韧性低回火中低温加热保持降低脆性提高韧性退火3高温长时间加热缓冷消除应力软化材料材料的化学性能耐腐蚀性抵抗环境介质侵蚀耐氧化性高温下抗氧化化学稳定性抵抗化学反应分解耐候性抵抗大气长期侵蚀金属腐蚀机理化学腐蚀电化学腐蚀直接化学反应电子转移过程如高温氧化阳极溶解阴极保护气体环境中发生水溶液中常见材料表面处理技术涂层技术电镀技术氧化处理有机涂料金属喷涂电解沉积金属层铝阳极氧化钢蓝变表面改性离子注入激光熔覆聚合材料特性电绝缘性密度低电阻率高耐温性低多数低于℃

0.9-

2.2g/cm³200分子结构加工性好长链分子交联网络注塑挤出成型陶瓷材料特性高硬度高熔点硬度高耐磨损多数超℃1500莫氏硬度耐高温不软化6-9切削刀具耐磨部件高温窑具航天部件脆性大无塑性变形能力缺口敏感性高精细陶瓷强韧化处理复合材料特性纤维增强型颗粒增强型层状复合型强度高方向性强各向同性较均匀层间结合利用各层特性碳纤维玻璃纤维增强碳化硅氧化铝增强金属陶瓷高分子复合航空航天领域普通结构部件多功能材料纳米材料特性尺寸效应表面原子比例增大量子效应电子行为变化性能改变熔点降低催化活性增强材料性能测试方法从左至右拉伸测试导热测试电学测试显微观察射线分析X力学性能实验案例高分子材料应用实例薄膜材料纤维制品注塑成型件包装农业防水服装绳索滤网日用品汽车零件金属材料工程应用35%建筑领域钢结构框架地基钢筋25%交通运输汽车船舶铁路航空20%机械制造设备零件工具模具20%其他领域电子包装医疗日用品陶瓷与玻璃工程应用电子元件绝缘体电容介质压电建筑材料地砖卫浴外墙玻璃高温部件发动机零件高温窑具化工装备耐腐蚀管道阀门容器新型智能材料形状记忆合金压电陶瓷温度变化恢复形状力电转换互感镍钛铜铝系合金钛酸铅锆系材料管道连接机器人传感器驱动器材料服役失效案例断裂失效腐蚀失效1脆性断裂疲劳断裂均匀腐蚀应力腐蚀2蠕变失效磨损失效高温长期变形破坏黏着磨损腐蚀磨损材料性能的改善途径优化结构设计避免应力集中合金化改性添加有益元素热处理优化调控微观组织表面处理4改善表面性能复合化设计优势材料组合可持续发展与材料科学材料回收再利用减少资源消耗环境污染节能材料开发减少能耗提高效率绿色加工工艺减少有害物排放全生命周期设计从材料获取到回收评估本章小结与思考微观结构决定性能原子排列缺陷影响材料表现多维度评价材料力学热学电学全面考量应用场景选材根据服役条件科学选择材料发展趋势轻量化高性能智能化绿色化问题与探讨思考题1微观结构如何影响材料力学性能？举例说明晶粒尺寸与强度关系思考题2如何选择适合高温环境应用的材料？不同温度下应考虑哪些性能指标？思考题3讨论复合材料相比单一材料的优势与局限举例说明复合材料如何克服材料性能矛盾思考题4未来材料科学面临哪些挑战与机遇？如何平衡材料性能与环保要求？。