材料物理性能(姚远).ppt
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1、材料物理性能,姚遠,现代材料发展的特点:明显地超出了传统组成和工艺范围;创造出具有各种性能的新材料;在现代工业和科学技术上获得广泛的应用。现代材料科学的重要研究内容:在严格控制材料组成和结构的基础上,深入了解和研究各项物理化学性能。也是发展材料的主要途径。工程学看材料:首先注意材料的物性,然后考虑它与外界条件相互作用出现的各种现象,最后联系到用途,作为制品出售。,材料与物性、现象、用途间的关系:,以材料为中心,从物性 现象 用途周转循环,巧妙地应用此表征方法能容易做到逐步地改进材料,不断创造出性能更好、更稳定的制品。,需了解以下内容:一、材料的特性与应用二、材料的性能本质三、材料的制备过程四、
2、材料设计的工作思路五、材料物理性能课程研究的内容六、相关课程七、本课程的理论与知识体系,一、材料的特性与应用,不同的化学组成和材料结构决定其具有不同的特殊性质和功能。例如:如高强,高硬,耐温,耐腐,绝缘和各种电,磁,光及生物相容性等,材料的这些性能,可以广泛应用于机械,电子,宇航,医学工程等各个方面,成为近代尖端科学技术的重要组成部分。,材料的结构包括:原子结构、原子间的结合状态、键型或电子结构、晶体结构、相的体系及其结合,它们尺寸 因素各类缺陷的存在及分布等。,材料的不断发展与进步一直是人类社会前进的重要基础之一;它是人类赖以生存和发展、征服自然的物质基础,从人类的发展史看,当社会发展向材料
3、提出更新更高的要求时,可以促进新材料的发展;而一种重要的新材料的发现与应用,能使人类支配自然的能力向前跨一大步。,材料是社会进步的物质基础与先导。,正是因为这种原因,人类的历史曾以使用的主要材料来加以划分,如石器时代、青铜器时代、铁器(钢铁)时代等等。,目前人类正进人信息社会,材料、能源和信息技术是当前国际公认的新技术革命的二大支柱。一个国家的材料的品种、数量和质量,已成为衡量该国科学技术、内民经济水平和国防力量的重要标志。,1.材料科学的重要性,信息社会对材料科学提出了更高的要求。,材料科学是信息社会的基石。,传感器件,半导体芯片,半导体技术,液晶材料,光学材料,金属材料,磁性材料,拍照功能
4、,显示功能,金属外壳,信号接受,对话功能,电子线路,照片存储,功能材料,介电材料,2.材料的多样性,能源材料,金属材料,无机非金属材料,光电材料,有机高分子材料,智能材料,生物材料,生态环境材料,复合材料,你知道那些材料?,单晶,多晶,非晶,准晶,液晶,建筑材料,航空航天材料,结构材料,功能材料,信息材料,还有哪些材料?请补充!,3.材料的分类,按状态分,材料可分为单晶、多晶、非晶、准晶和液晶。,从化学的角度,材料则可分为无机材料与有机材料。,从应用来看,材料可分为信息材料、能源材料、生物材料、建筑材料、航空航天材料等。,目前常根据材料的用途,将材料分为结构材料和功能材料两大类。,功能材料是指
5、除强度外还有其他功能的材料。它们对外界环境具有灵敏的反应能力,即对外界的光、热、电、磁、压力、气氛等各种刺激,可以有选择性地作出反应,从而有许多特定的用途。电子、激光、能源、通讯、生物等许多新技术的发展都必须有相应的功能材料。可以认为,没有许多功能材料的出现,就不可能有现代科学技术的发展。,结构材料主要利用其力学性质,这类材料是机械制造、工程建筑、交通运输、航空航天等各种工业的物质基础。,智能材料:具有环境判断、自我修复等功能的功能材料,传统材料,先进材料,注重实际,主要论及材料的加工工艺。,它是一门及复杂的技艺,高性能陶瓷,高纯金属,生物工程,薄膜,纳米材料,半导体,超导体,聚合物,材料工程
6、,4.什么是材料工程?,5.材料有共通性,制备、使用过程中现象、概念、转变相似。,单晶,多晶,非晶,准晶,结构、缺陷行为,平衡热力学,扩散、界面结构与行为,材料相变机理,电子迁移及电性能,从物理学的角度,从微观的角度来阐述材料中的种种规律是很重要的。,材料物理是研究物质的微观结构、组织形式、运动状态、物理性能、化学成分以及它们之间相互关系的学科。突出物理学的主干,从物理学的一些基本概念、基本原理、基本定律出发,建立相应的物理模型、力图阐述材料本身结构、性质和它们在各种外界条件下变化及其变化规律,得出结论,进而指导材料的生产和科学研究。,材料物理是物理学和材料学之间的边缘学科。,目的:利用物理中
7、的成果来阐明材料中的种种规律和转变过程。,内容:材料的微观组织结构、运动状态、物理性质、化学成分以及它们之间的相互关系。,材料性能,物理学模型,物理学概念、原理等,6.材料物理的定义,7.材料物理是和材料科学的关系,息息相关、相互促进和共同发展材料物理研究课题来源于材料、对象也是材料,都是生产、科研中提出来的新问题。材料物理的基本研究指导材料的生产应用。,例子,金属材料:结构材料,研究强度、范性很重要,微结构的问题。,陶瓷:烧结体,烧结技术,微结构的问题。,低维材料,薄膜材料(2维)、纳米线(1维)纳米点(0维)的研究,尺寸效应。,在结晶结构的研究改变了硅钢片的质量。,利用非晶硒的研究,发展了
8、新的静电复印技术。,集成铁电学的研究,促进了铁电存储器的实际开发。,8.材料科学的研究导致新的物理学现象,研究材料的性质在各种外界条件(力、热、光、气、电、磁、辐照、极端条件等)下发生的变化。发现到新的物理现象和效应、规律、形成新的概念。比如铁电、热释电、压电、电致伸缩等效应。,好的试验结果要有好的理论来解释。一个试验现象应该有一个相应的理论解释才是完美的。,为什么?,是什么?,材料科学,物理学,这需要长期的、逐步、系统的科学研究。,金属物理学,半导体物理学、电介质物理学、铁电物理学、磁学、非晶态物理学、高分子物理学、薄膜物理学等。每一个材料学的分支都相应的有相应的材料物理学分支,9.材料物理
9、的范围,材料物理是物理研究中的重要领域。比如超导体、半导体、永磁材料。也是物理中发展最快的领域。,它涉及面很广。基础包括:晶体学、材料力学、物理化学、材料科学基础、材料物理性能和物理学中的分支,包括热力学、弹塑性理论、统计物理、量子力学、固体物理学。材料物理是利用这些学科的成果,形成了以各种材料为对象的一门独立的综合性的物理学科。,晶体学揭示材料的微观组织结构,材料科学有助于材料的内在联系,量子力学、统计物理、弹性力学帮助我们理解材料中的电子、原子以及晶体缺陷的运动规律和它们的相互作用。,固体物理学提供了原子键合、原子振动、电子结构、能带结构等的基础知识。,热力学、物理化学、材料力学、材料物理
10、性能可以用来阐明材料一些宏观的规律合材料特性。,10.材料物理是物理和材料的交叉学科。,作为物理学的一个分支,其发展与物理学的实验技术和基础理论的进展密切相关。,11.材料物理和物理学的实验技术,X射线技术XRD,扫描电镜SEM,透视电镜TEM,高分辨率透视电镜HREM,场离子显微镜FIM,远红外光谱IR,核磁共振NMR,电子顺磁共振谱 ESR,X光荧光谱XPS,拉曼光谱Raman,12.无机材料的特性与应用,性能本质:外界因素(作用物理量)作用于某一物体,如:外力、温度梯度、外加电场磁场、光照等,引起原子、分子或离子及电子的微观运动,在宏观上表现为感应物理量,感应物理量与作用物理量呈一定的关
11、系,其中有一与材料本质有关的常数材料的性能。,二、材料的性能本质,预烧,不预烧,原料分析,回转窑,配料,造粒,氧化物 法,化学共沉淀 法,电解共沉淀 法,盐类分解 法,喷雾煅烧 法,低温化学 法,烘干,预烧,预压,球磨,三、材料的制备过程,铁氧体生产工艺流程,干压成型,热压铸 成型,冲压成型,挤压成型,注浆成型,和蜡,加热熔化,注浆成型,脱蜡,粘合剂,轧片,切割,冲压,粘合剂,练泥,挤压,切割,磨加工,制粉,加解胶剂成悬浮液,注入石膏模 成型,脱模,喷雾造粒,烘干,过筛,粘合剂,造粒,压型,干燥,检验包装,生坯加工,烧结,热压烧结,机械加工,四、材料设计的工作思路,五、材料物理性能课程研究的内
12、容,1.研究的对象金属、陶瓷、高分子、复合材料等的各种物理性能不涉及化学性能。2.研究的物理性能机械性能、热学性能、电学性能、力学性能、介电性能、压电性能、磁学性能、光学性能3.学习的内容研究的性能基本上都是各个领域在研究和应用材料中,对它们提出来的一系列技术要求,即材料的本征参数。需了解以下内容:,首先,掌握上述各类参数的物理意义和单位以及这些参数在实际问题中所处的地位。其次,要搞懂这些性能参数的影响因素,即性能和材料组成、结构的关系,性能参数的物理本质,物理模型、变化规律、以及基本的性能测试方法,为判断材料优劣,正确选择和使用材料,改变材料性能,探索新材料、新性能、新工艺打下理论基础。,六
13、、相关课程,数学、物理、无机化学、材料力学、断裂力学、物理化学、量子力学、固体物理、电路、半导体物理、介电质物理、光学原理、材料化学、材料工艺等课程。,第一章 物理基础 第二章 受力形变 第三章 脆性断裂与强度 第四章 热学性能 第五章 导电性能 第六章 介电性能 第七章 磁学性能 第八章 光学性能,七、本课程的理论与知识体系,要在科研工作中有所作为,真正做出点有价值的研究成果,要做到三个“善于”:要善于发现和提出问题。尤其是要提出在科学研究上有意义的问题。善于提出模型或方法去解决问题。善于做出最重要、最有意义的结论。黄昆,无机材料物理性能,关振铎等著,清华大学出版社,2004.11材料物理性
14、能,陈树川等著,上海交通大学出版社陶瓷材料物理性能,华南工学院、南京化工学院、清华大学合著Introduction to Ceramics,说 明:,本课程对很多公式(方程)和结论的推导过程不着重讲解,着重点放在讲述各种参数的来源、物理意义和作用。,参考文献:,金属材料的力学性能,金属材料的力学性能又称机械性能,是材料在力的作用下所表现出来的性能。力学性能对金属材料的使用性能和工艺性能有着非常重要的影响。金属材料的主要力学性能有:强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等。,一、强度与塑性,金属材料的强度和塑性是通过拉伸试验测定出来的。拉伸试验是在拉伸试验机上进行的。试验之前,先将被测金属材料制成图1
15、1所示的标准试样(参见GB6397-86金属拉伸试样),图中do为试样直径,lo为测定塑性用的标距长度。试验时,在试样两端缓慢地施加轴向拉伸载荷,使试样承受轴向静拉力。随着载荷不断增加,试样被逐步拉长,直到拉断。在拉伸过程中,试验机将自动记录每一瞬间的载荷F和伸长量l,并绘出拉伸曲线。,拉伸实验,由图可见:在开始的Oe阶段,载荷F与伸长量l为线性关系,并且,去除载荷,试样将恢复到原始长度。在此阶段试样的变形称为弹性变形。载荷超过F。之后,试样除发生弹性变形外还将发生塑性变形。当载荷增大到Fe之后,拉伸图上出现了水平线段,这表示载荷虽未增加,但试样继续发生塑性变形而伸长,这种现象称为“屈服”,s
16、点称为屈服点。,当载荷超过Fb以后,试样上某部分开始变细,出现了缩颈”,由于其截面缩小,使继续变形所需载荷下降。,载荷到达Fk时,试样在缩颈处断裂。,1强度,强度是金属材料在力的作用下,抵抗塑性变形和断裂的能力。强度有多种判据,工程上以屈服点和抗拉强度最为常用。,(1)屈服点 它是指拉伸试样产生屈服现象时的应力。它可按下式计算:,Fs试样发生屈服时所承受的最大载荷,N;Ao试样原始截面积,mm2。,(2)抗拉强度 指金属材料在拉断前所能承受的最大应力,以b表示。它可按下式计算:,Fb试样在拉断前所承受的最大载荷,N;Ao试样原始截面积,mm2。,2塑性,塑性是指金属材料产生塑性变形而不被破坏的
17、能力,通常以伸长率来表示:,=,L1-lo,lo,X100%,lo试样原始标距长度,mm;L1试样拉断后的标距长度,mm。,必须指出,伸长率的数值与试样尺寸有关,因而试验时应对所选定的试样尺寸作出规定,以便进行比较如lo=10do时,用 10或 表示;lo=5do时,用 5表示。,金属材料的塑性也可用断面收缩率表示:,=,A0-A1,A0,X100%,Ao试样的原始截面积,mm2;A1试样拉断后,断口处截面积,mm2。,和值愈大,材料的塑性愈好。良好的塑性不仅是金属材料进行轧制、锻造、冲压、焊接的必要条件,而且在使用时万一超载,由于产生塑性变形,能够避免突然断裂。,二、硬 度,金属材料抵抗局部
18、变形,特别是塑性变形、压痕的能力,称为硬度。硬度是衡量金属软硬的判据。硬度直接影响到材料的耐磨性及切削加工性,因为机械制造中的刃具、量具、模具及工件的耐磨表面都应具有足够高的硬度,才能保证其使用性能和寿命。若所加工的金属坯料的硬度过高时,则给切削加工带来困难。显然,硬度也是重要的力学性能指标,应用十分广泛。金属材料的硬度是在硬度计上测定的。常用的有布氏硬度法和洛氏硬度法,有时还采用维氏硬度法。,1布氏硬度(HB),布氏硬度的测试原理如图13所示。,以直径为D的淬火钢球或硬质合金球为压头,在载荷F的静压力下,将压头压人被测材料的表面(图13a);停留若干秒后,卸去载荷(图13b)。然后,采用带刻
19、度的专用放大镜测出压痕直径d,并依据d的数值从专门的硬度表格中查出相应的HB值。,布氏硬度计的压头直径有声 10mm、5mm、2.5mm三种,而载荷有30 000 N、7 500 N、1 870N等数种,供不同材料和不同厚度试样测试时选用。其中常用的压头直径10 mm,载荷为30 000N。,布氏硬度(HB)试验,布氏硬度法因压痕面积较大、其硬度值比较稳定,故测试数据重复性好,准确度较洛氏硬度法高。缺点是测量费时,且因压痕较大,不适于成品检验。由于测试过硬的材料可导致钢球的变形,因此布氏硬度通常用于HB值小于450的材料,如灰铸铁、非铁合金及较软的钢材。必须看到,新型布氏硬度计设计有硬质合金球
20、压头,从而可用于测试淬火钢等较硬金属的硬度,使布氏硬度法的适用范围扩大。为了区别不同压头测出的硬度值,将钢球压头测出的硬度值标以符号HBS,而将硬质合金球压头测出的硬度值标以HBW。,2洛氏硬度(HR),洛氏硬度的测试原理是以顶角为120金刚石圆锥体(或 1.588mm淬火钢球)为压头,在规定的载荷下,垂直地压人被测金属表面,卸载后依据压人深度九,由刻度盘上的指针直接指示出HR值(图14)。,为使洛氏硬度计能够测试从软到硬各种材料的硬度,其压头及载荷可以变更,而刻度盘上也,有三个不同的硬度标尺。表11列出了各个硬度标尺的压头、总载荷及其适用材料。其中,HRC在生产中应用最广。,标尺 压 头 总
21、载荷/N 适用测试教材 有效植HRA 120金刚石圆锥体 600 硬质合金、表面淬火钢 7085HRB 1.588mm淬火钢球 1000 退火钢、非铁合金 25 100HRC 120金刚石圆锥体 1500 一般淬火件 20 67,表1-1 洛氏硬度的测试范围,洛氏硬度(HR)试验,三、韧 性,金属材料断裂前吸收的变形能量称作韧性。韧性的常用指标为冲击韧度。,冲击韧度通常采用摆锤式冲击试验机测定。测定时,一般是将带缺口的标准冲击试样(参见GBT22994)放在试验机上,然后用摆锤将其一次冲断,并以试样缺口处单位截面积上所吸收的冲击功表示其冲击韧度,即,ak=,Ak,A,(J/cm2),ak冲击韧
22、度(冲击值);Ak冲断试样所消耗的冲击功,J;A试样缺口处的截面积,cm2。,四、疲劳强度,机械上的许多零件,如曲轴、齿轮、连杆、弹簧等是在周期性或非周期性动载荷(称为疲劳载荷)的作用下工作的。这些承受疲劳载荷的零件发生断裂时,其应力往往大大低于该材料的强度极限,这种断裂称作疲劳断。,金属材料所承受的疲劳应力()与其断裂前的应力循环次数(N),具有图15所示的疲劳曲线关系。当应力下降到某值之后,疲劳曲线成为水平线,这表示该材料可经受无数次应力循环而仍不发生疲劳断裂,这个应力值称为疲劳极限或疲劳强度,亦即金属材料在无数次循环载荷作用下不致引起断裂的最大应力。,当应力按正弦曲线对称循环时,疲劳强度
23、以符号-1表示。,产生疲劳断裂的原因,一般认为是由于材料含有杂质、表面划痕及其它能引起应力集中的缺陷,导致产生微裂纹。这种微裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展,致使零件有效截面逐步缩减,直至不能承受所加载荷而突然断裂。,为了提高零件的疲劳强度,除应改善其结构形状、减少应力集中外,还可采取表面强化的方法,如提高零件的表面质量、喷丸处理、表面热处理等。同时,应控制材料的内部质量,避免气孔、夹杂等缺陷。,第二节 金属材料的物理、化学及工艺性能,一、物理性能,金属材料的物理性能主要有密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。由于机器零件的用途不同,对其物理性能的要求也有所不同。例如,飞机零件常选用
24、密度小的铝、镁、钛合金来制造;设计电机、电器零件时,常要考虑金属材料的导电性等。金属材料的物理性能有时对加工工艺也有一定的影响。例如,高速钢的导热性较差,锻造时应采用低的速度来加热升温,否则容易产生裂纹;而材料的导热性对切削刀具的温升有重大影响。又如,锡基轴承合金、铸铁和铸钢的熔点不同,故所选的熔炼设备、铸型材料等均有很大的不同。,二、化学性能,金属材料的化学性能主要是指在常温或高温时,抵抗各种介质侵蚀的能力,如耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。对于在腐蚀介质中或在高温下工作的机器零件,由于比在空气中或室温时的腐蚀更为强烈,故在设计这类零件时应特别注意金属材料的化学性能,并采用化学稳定性良好的合金。
25、如化工设备、医疗用具等常采用不锈钢来制造,而内燃机排气阀和电站设备的一些零件则常选用耐热钢来制造。,三、工艺性能,工艺性能是金属材料物理、化学性能和力学性能在加工过程中的综合反映,是指是否易于进行冷、热加工的性能。按工艺方法的不同,可分为铸造性、可锻性、焊接性和切削加工性等。在设计零件和选择工艺方法时,都要考虑金属材料的工艺性能。例如,灰铸铁的铸造性能优良,是其广泛用来制造铸件的重要原因,但它的可锻性极差,不能进行锻造,其焊接性也较差。又如,低碳钢的焊接性优良,而高碳钢则很差,因此焊接结构广泛采用低碳钢。,第一章 物理基础,了解、理解、选择、拥有自己的财富人生,晶体结构:原子规则排列,主要体现
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