材料科學與工程方法論

1、四四一一三三五五六六二二 四、材料結(jié)構(gòu)、性能與表征的因果關(guān)系1、材料的結(jié)構(gòu)與材料的結(jié)構(gòu)與性能性能核心關(guān)系核心關(guān)系其核心是圍繞其核心是圍繞: “結(jié)構(gòu)與性能結(jié)構(gòu)與性能”的相互辯證關(guān)系的相互辯證關(guān)系1、材料的結(jié)構(gòu)與材料的結(jié)構(gòu)與性能性能組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)材料性能材料性能1、材料的結(jié)構(gòu)與材料的結(jié)構(gòu)與性能性能 材料的合成與制備：研究獲取材料的手段，以工藝技術(shù)的進步為標志； 成分與組織結(jié)構(gòu)：反映材料的本質(zhì)，是認識材料的理論基礎(chǔ)； 材料特性：表征了材料固有的性能，是選用材料的重要依據(jù)； 服役行為與使用壽命：與材料的加工和服役條件相結(jié)合來考察材料的使用壽命，它往往成為 MSE 的最終目標。合成與制備合成與制備材料

2、特性材料特性成分與成分與組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)服役行為與壽命服役行為與壽命1、材料的結(jié)構(gòu)與材料的結(jié)構(gòu)與性能性能化學成分化學成分組成組成制備制備加工工藝加工工藝組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)性性 能能結(jié)構(gòu)表征與結(jié)構(gòu)表征與性能檢測性能檢測工作條件工作條件u 定義： 表明材料的組元及其排列和運動方式。 (1) 組元：一般用材料中原子的種類和數(shù)量來表示成分，原子種類叫組元。 (2) 排列方式：組元間的排列方式取決于組元間的結(jié)合類型。 (3) 運動方式：用文字描述或參量來表達原子(或分子)及電子的運動。 u 結(jié)構(gòu)的測定：通過人眼來確定。 具有以下特點： (1) 籍助于可見光入射在材料的斷面上； (2) 從反射光獲得斷口的圖

3、象； (3) 從已有的知識對圖象進行判斷，作出結(jié)論； (4) 分辨能力約0.1mm； (5) 斷面上的外來物質(zhì)或其它環(huán)境因素對于圖象及判斷可以有干擾。2、材料的材料的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)u 材料的晶體結(jié)構(gòu)： (1) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)： a. 典型的晶體結(jié)構(gòu)在金屬元素中，約90%以上的金屬晶體結(jié)構(gòu)屬于如下三種密排的晶格形式： 體心立方(b.c.c) 面心立方(f.c.c) 密排六方(h.c.p) body-centered cubic face-centered cubic hexagonal close-packed2、材料的材料的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)b. 實際的晶體結(jié)構(gòu)點缺陷：是一種在三維空間各個方向上尺寸都很小，尺

4、寸范圍約為一個或幾個原子間距的缺陷。如空位(正常晶格結(jié)點上，未被原子占有而空著的位置)、間隙(不占有正常的晶格位置，而處在晶格間隙中的多余原子)、置換原子(置換晶格結(jié)點上的原子，占據(jù)正常結(jié)點)。 空位 置換原子 間隙原子 點缺陷的存在，原子間作用力的平衡被破壞，周圍其它原子發(fā)生靠攏或撐開的不規(guī)則排列，此變化為晶格畸變。 2、材料的材料的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)線缺陷：是在三維空間兩維方向尺寸較小，在另一維方向 的尺寸相對較大的缺陷。如位錯。 位錯：是晶體中的某處有一列或若干列原子發(fā)生了 某種有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。 位錯對材料的強度理論有很大貢獻。 面缺陷：是在三維空間一維方向上尺寸很小，另外兩維 方向上尺寸較大的

5、缺陷。主要是晶界和亞晶界。 多晶體中，晶粒位向不同，存在位向差，晶粒交界處原子排列不一致，存在一個過渡層，即晶界。 實際晶體中，這三種缺陷隨加工條件變化而變化，可產(chǎn)生、發(fā)展，也可消失，對材料性能有很大影響。2、材料的材料的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)(2) 非金屬的晶體結(jié)構(gòu)a. 陶瓷的組織結(jié)構(gòu)： 陶瓷：是由金屬和非金屬的無機化合物所構(gòu)成的多晶固體物質(zhì)，實際上是各種無機非金屬材料的總稱。 晶體結(jié)構(gòu)：以離子鍵為主的離子晶體(呈晶態(tài)) 以共價鍵為主的共價晶體(呈非晶態(tài)) 組織：晶相：是主要組成相。 (主晶相、次晶相、第三晶相) 材料的性能取決于主晶相。 玻璃相：高溫燒結(jié)時各組成物與雜質(zhì)反應后形成的一種非晶態(tài)物質(zhì)。其作用

6、是將分散的晶相粘結(jié)在一起，抑制晶粒長大，填充氣孔。 缺點：強度低、熱穩(wěn)定性差，應控制在一定范圍。(2040%) 氣相：即材料中的氣孔，使性能下降。 (若要求材料密度小，絕熱性好，則希望一定氣相) 2、材料的材料的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)b. 高分子材料的結(jié)構(gòu)： 高分子材料：以高分子化合物為主要組分的材料。高分子化合物是分子中 含原子數(shù)很多，分子量很大的物質(zhì)。高分子亦稱大分子，高 分子化合物又稱高聚物或聚合物。 結(jié)構(gòu)： 大分子鏈的組成：非金屬或非金屬元素組成。 大分子鏈的構(gòu)型：即高聚物結(jié)構(gòu)單元的排列順序和連接方式。 大分子鏈的形態(tài)： 線型結(jié)構(gòu)：整個分子呈細長線條狀 支鏈型結(jié)構(gòu)：主鏈上有一些或長或短支鏈 體型結(jié)構(gòu)

7、：在空間呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。 大分子鏈的構(gòu)象：由于單鍵內(nèi)旋引起的原子在空間占據(jù)不同位置所構(gòu)成的分子鏈 的各種形象。 柔性鏈、剛性鏈 高聚物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)：晶性高聚物：排列規(guī)則有序無定性 高聚物：排列規(guī)則無序 2、材料的材料的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)u 相： (1) 定義：具有相同的物理或化學性能并與該系統(tǒng)的其 余部分以界面分開的物質(zhì)部分。(具有同一化 學成分、同一結(jié)構(gòu)和原子聚集狀態(tài)，并以界 面互相分開的、均勻的組成部分) (2) 相的結(jié)構(gòu)類型： 固溶體：相的晶體結(jié)構(gòu)與某一組元的晶體結(jié)構(gòu)相同； 金屬化合物：相的晶體結(jié)構(gòu)與組元的晶體結(jié)構(gòu)均不相同 (3) 固溶體： 置換固溶體 間隙固溶體2、材料的材料的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)(4) 金屬化

8、合物(金屬間化合物)：是指合金組元間發(fā)生相互作用而形成的具有金屬特性的新相。此新相可能是另一種固溶體，也可能是一種晶格類型和性能完全不同于任一合金組元的化合物。 a. 特點：具有一定的金屬性質(zhì)；熔點高、硬而脆， 塑性、韌性不高。 b. 種類：正常價化合物：符合一般化合物的原子價規(guī)律，成分固定，可 用化學式表示。Mg2Si 電子化合物：不遵守原子價規(guī)律，服從電子濃度規(guī)律； 間隙化合物：過渡族金屬元素與C、N、H、B等原子半徑較 小的非金屬元素形成的化合物。 u 顯微組織：材料中各相及更微觀組元(化學或幾何學的)的形貌及含量所構(gòu)成的圖象。(顯微鏡下所觀察到的金屬中的各種晶粒的大小、形態(tài)和分布)2、

9、材料的材料的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)u 金屬的加工工藝與結(jié)構(gòu)、性能的關(guān)系金屬的加工工藝與結(jié)構(gòu)、性能的關(guān)系 金屬塑性變形后的組織結(jié)構(gòu)與性能(1) 塑性變形后金屬的組織結(jié)構(gòu)： a. 顯微組織的變化：形成“纖維組織”； b. 亞結(jié)構(gòu)的細化：位錯纏結(jié)、晶粒破碎； c. 織構(gòu)現(xiàn)象的產(chǎn)生： 織構(gòu)：在塑性變形過程中，晶粒轉(zhuǎn)動，當變形量達到一定程 度(7090%以上)時，會使絕大部分晶粒的某一位向與 外力方向趨于一致。缺陷：制耳；優(yōu)點：使硅鋼片的特定晶界、晶向平行于磁力線方向，提 高導磁率， 減小磁滯耗損。2、材料的材料的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)(2) 塑性變形后金屬的性能： a. 力學性能：強度、硬度 ，塑性、韌性 殘余應力：材料經(jīng)塑性變

10、形后殘存在內(nèi)部的應力。其產(chǎn)生是由于金屬內(nèi)部各區(qū)域變形不均勻所致；可分為三種：宏觀殘余應力(第一類內(nèi)應力)：由宏觀變形不均勻引起，使工件變形；微觀殘余應力(第二類內(nèi)應力)：由晶?；騺喚Яｉg變形不均勻引起，使工件內(nèi) 部產(chǎn)生微裂紋晶格畸變應力(第三類內(nèi)應力)：由晶格畸變引起，使工件強度、硬度 ，塑 性、抗蝕性 。 b. 理化性能：電阻率 ；電阻溫度系數(shù) ；導磁率 ； 導熱率 ；腐蝕 。2、材料的材料的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 變形金屬加熱后的組織結(jié)構(gòu)與性能 (1) 回復：把經(jīng)過冷變形的金屬加熱時，在顯微組織發(fā) 生變化前所發(fā)生的一些亞結(jié)構(gòu)的改變過程稱 為回復。 特點：a. 顯微組織沒有明顯變化； b. 力學性能變化不

11、大； c. 殘余應力顯著降低； d. 理化性能基本恢復到變形前情況。 應用：低溫去應力退火(如深沖黃銅彈殼，會自動變 形，甚至開裂，需經(jīng)2600左右的去應力退 火)。 2、材料的材料的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)(2) 再結(jié)晶：變形金屬加熱到較高溫度時，由于原子擴散能力增 加，在晶格畸變嚴重處形成一些位向與變形晶粒不 同，內(nèi)部缺陷減少的等軸小晶粒，這些小晶粒不斷向 外擴展長大，直至金屬中的變形金屬全部被等軸晶取 代，即冷變形組織完全消失，這一過程為再結(jié)晶。 a. 變形金屬的再結(jié)晶：位錯密度 ，強度、硬度 ， 塑性、韌性 ，內(nèi)應力消除。 b. 再結(jié)晶溫度：開始產(chǎn)生再結(jié)晶現(xiàn)象的最低溫度； 工業(yè)條件下定義：經(jīng)大變形量(

12、70%以上)的金屬，在一小時的 保溫時間內(nèi)全部完成再結(jié)晶所需的最低溫度。 影響因素：預先變形程度 加熱速度與保溫時間 原始晶粒度 金屬純度及成分2、材料的材料的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)(3) 晶粒長大： 再結(jié)晶后，形成等軸晶，若T ，或t ，則d 。 a. 是一個自發(fā)過程：d ，晶界面積 ，表面能 ，是 一個能量降低的自發(fā)過程。 b. 實質(zhì)：晶界遷移。 一個晶界的邊界向另一晶粒遷移，把另一晶粒中 的晶格位向逐步地改變成為與這個晶粒相同的晶格位 向，于是另一晶粒便逐步地被這一晶?！巴滩ⅰ?，合并成 為一個大晶粒。 c. 正常長大與異常長大： 正常長大：再結(jié)晶后的晶粒細而均勻，長大時均勻； 異常長大：再結(jié)晶后的晶粒

13、大小不均勻，大晶粒吞并小 晶粒，形成異常粗大的晶粒。(二次再結(jié)晶)2、材料的材料的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)3、材料的材料的性能性能 材料的性能是指材料的性質(zhì)和功能。性質(zhì)是本身所具有的特材料的性能是指材料的性質(zhì)和功能。性質(zhì)是本身所具有的特質(zhì)或本性；功能是人們對材料的某種期待與要求或某種可以承擔質(zhì)或本性；功能是人們對材料的某種期待與要求或某種可以承擔的功效，以及承擔該功效下的表現(xiàn)或能力。的功效，以及承擔該功效下的表現(xiàn)或能力。材料的性能材料的性能 使用性能使用性能 工藝性能工藝性能力學性能力學性能物理性能物理性能化學性能化學性能鑄造性鑄造性 可鍛性可鍛性可焊性可焊性切削加工性切削加工性熱處理性熱處理性u 力學性能：

14、 材料在不同環(huán)境（溫度、介質(zhì)、濕度）下，承受各種外加載荷（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變應力等）時所表現(xiàn)出的力學特征 。 常用的力學性能：脆性：材料在損壞之前沒有發(fā)生塑性變形的一種特性。它與韌性和塑性相反。脆性材料沒有脆性：材料在損壞之前沒有發(fā)生塑性變形的一種特性。它與韌性和塑性相反。脆性材料沒有屈服點，有斷裂強度和極限強度，并且二者幾乎一樣。屈服點，有斷裂強度和極限強度，并且二者幾乎一樣。強度：金屬材料在靜載荷作用下抵抗永久變形或斷裂的能力。它可以定義為比例極限、屈服強度：金屬材料在靜載荷作用下抵抗永久變形或斷裂的能力。它可以定義為比例極限、屈服強度、斷裂強度或極限強度。沒有一個確切的單

15、一參數(shù)能夠準確定義這個特性。強度、斷裂強度或極限強度。沒有一個確切的單一參數(shù)能夠準確定義這個特性。塑性：金屬材料在載荷作用下產(chǎn)生永久變形而不破壞的能力。塑性變形發(fā)生在金屬材料承受塑性：金屬材料在載荷作用下產(chǎn)生永久變形而不破壞的能力。塑性變形發(fā)生在金屬材料承受的應力超過彈性極限并且載荷去除之后，此時材料保留了一部分或全部載荷時的變形。的應力超過彈性極限并且載荷去除之后，此時材料保留了一部分或全部載荷時的變形。硬度：金屬材料表面抵抗比他更硬的物體壓入的能力。硬度：金屬材料表面抵抗比他更硬的物體壓入的能力。韌性：金屬材料在拉應力的作用下，在發(fā)生斷裂前有一定塑性變形的特性。韌性：金屬材料在拉應力的作用

16、下，在發(fā)生斷裂前有一定塑性變形的特性。疲勞強度：材料零件和結(jié)構(gòu)零件對疲勞破壞的抗力。疲勞強度：材料零件和結(jié)構(gòu)零件對疲勞破壞的抗力。彈性：金屬材料在外力消失時，能使材料恢復原先尺寸的一種特性。彈性：金屬材料在外力消失時，能使材料恢復原先尺寸的一種特性。伸長率：材料在拉應力或壓應力的作用下，材料斷裂前承受一定塑性變形的特性。伸長率：材料在拉應力或壓應力的作用下，材料斷裂前承受一定塑性變形的特性。剛性：金屬材料承受較高應力而沒有發(fā)生很大應變的特性。剛性的大小通過測量材料的彈性剛性：金屬材料承受較高應力而沒有發(fā)生很大應變的特性。剛性的大小通過測量材料的彈性模量模量E來評價。來評價。屈服點或屈服應力：金

17、屬的應力水平，用屈服點或屈服應力：金屬的應力水平，用MPa度量。在屈服點以上，當外來載荷撤除后，金度量。在屈服點以上，當外來載荷撤除后，金屬的變形仍然存在，金屬材料發(fā)生了塑性變形。屬的變形仍然存在，金屬材料發(fā)生了塑性變形。3、材料的材料的性能性能 材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為為變形變形。 外力去處后能夠恢復的變形稱為外力去處后能夠恢復的變形稱為彈性變形彈性變形。 外力去處后不能恢復的變形稱為外力去處后不能恢復的變形稱為塑性變形塑性變形。 五萬噸水壓機五萬噸水壓機3、材料的材料的性能性能低碳鋼的應力低碳鋼的應力- -應變曲線應變曲線拉伸試

18、樣拉伸試樣拉伸試驗機拉伸試驗機應力應力 = P/F0應變應變 = (l-l0)/l03、材料的材料的性能性能 彈性和剛度彈性和剛度 彈性：彈性：指標為彈性極限指標為彈性極限 e e，即，即材材料承受最大彈性變形時的應力。料承受最大彈性變形時的應力。 剛度：剛度：材料受力時抵抗彈性變材料受力時抵抗彈性變形的能力。形的能力。指標為彈性模量指標為彈性模量E E。 ）（MPatgE e彈性模量的大小主要取決于材料的本性，除隨溫度升高而逐彈性模量的大小主要取決于材料的本性，除隨溫度升高而逐漸降低外，其他強化材料的手段如熱處理、冷熱加工、合金漸降低外，其他強化材料的手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對彈性模

19、量的影響很小?？梢酝ㄟ^增加橫截面積或改變化等對彈性模量的影響很小?？梢酝ㄟ^增加橫截面積或改變截面形狀來提高零件的剛度。截面形狀來提高零件的剛度。 3、材料的材料的性能性能 陶瓷強度的測定： a. 彎曲強度：三點彎曲或四點彎曲方法； b. 抗拉強度：測定時技術(shù)上有一定難度，常用彎曲 強度代替，彎曲強度比抗拉強度高 2040%； c. 抗壓強度：遠大于抗拉強度，相差10倍左右，特 別適合于制造承受壓縮載荷作用的 零部件。 3、材料的材料的性能性能 強度與塑性強度與塑性 強度：強度：材料在外力作用下抵抗材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。變形和破壞的能力。 屈服強度屈服強度 s：材料發(fā)生微量塑性材

20、料發(fā)生微量塑性變形時的應力值。變形時的應力值。 條件屈服強度條件屈服強度 0.2：殘余變形量殘余變形量為為0.2%時的應力值。時的應力值。 抗拉強度抗拉強度 b：材料斷裂前所承受材料斷裂前所承受的最大應力值。的最大應力值。s0.23、材料的材料的性能性能 塑性：塑性：材料受力破壞前可承受最大塑性變形的能力。材料受力破壞前可承受最大塑性變形的能力。指標為：指標為： 伸長率：伸長率：%100001 lll %100010 FFF 斷面收縮率：斷面收縮率：斷裂后拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象3、材料的材料的性能性能 硬度硬度 材料抵抗表面局部塑性變形的能力。材料抵抗表面局部塑性變形的能力。 布

21、氏硬度布氏硬度HBHB)(2102. 022dDDDPHB 布氏硬度計布氏硬度計3、材料的材料的性能性能洛氏硬度洛氏硬度h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計洛氏硬度計 洛氏硬度用符號洛氏硬度用符號HR表示，表示，HR=k-(h1-h0)/0.002 根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個標尺，根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個標尺，常用的標尺為常用的標尺為A、B、C。 3、材料的材料的性能性能 維氏硬度用符號維氏硬度用符號HV表示表示，符號前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)符號前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時間。字按順序分別表示載荷值及載荷保持時間。 根據(jù)載

22、荷范圍不同，規(guī)定了三種測定方法根據(jù)載荷范圍不同，規(guī)定了三種測定方法維氏硬度試驗維氏硬度試驗 、小負荷維氏硬度試驗、顯微維氏硬度試驗。小負荷維氏硬度試驗、顯微維氏硬度試驗。 維氏硬度保留了布氏硬度和維氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的優(yōu)點。洛氏硬度的優(yōu)點。 小負荷維氏硬度計小負荷維氏硬度計顯微維氏硬度計顯微維氏硬度計3、材料的材料的性能性能維氏硬度維氏硬度斷裂：含裂紋體承載達到臨界值時，致使裂紋失穩(wěn)擴展，最終產(chǎn)生破壞的現(xiàn)象。 斷裂的基本形式：延性斷裂和脆性斷裂 斷裂機理： (1) 微孔集結(jié)斷裂(韌性斷裂) 斷口上出現(xiàn)拋物線型的韌窩，主要是金屬和高聚物的斷裂機理； (2) 解理斷裂(脆性斷裂) 是

23、一種低能量斷裂，也是晶體材料中最脆的一種斷裂；沿晶體中解理面斷開原子鍵而引起的斷裂，非常平坦，一晶粒內(nèi)的解理裂紋具有平直性；一個晶粒內(nèi)的一條解理裂紋可同時在兩個平行的解理面上擴展，形成解理臺階。 (3) 晶界斷裂 裂紋擇優(yōu)沿晶界擴展而引起的斷裂；也是一種低能量脆性斷裂，斷口呈現(xiàn)顆粒狀形貌。3、材料的材料的性能性能3、材料的材料的性能性能 韌性： 是強度和塑性的綜合表現(xiàn)，是材料從塑性變形到斷裂全過程中吸收能量的能力。 強度：材料在外力作用下抵抗塑性變形和斷 裂的能力。 塑性：材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不 斷裂的能力。 常以延伸率和斷面收縮率來表征。 3、材料的材料的性能性能 圖中為單向拉伸條

24、件下兩種鋼光 滑試樣的應力應變曲線。單位 體積材料的彈性應變能(Uoe)為： 式中，p為比例極限，p為對 應于p的彈性應變，E為彈性 模量。 Uoe也就是OAB(或OAB)的面積，表示彈性。 同樣，用單位體積材料在變形和斷裂全過程中吸收的能量(UOT)表示韌性，也可用單位體積材料在塑性變形和斷裂全過程中吸收的能量(Uop)表示韌性，一般用UOT表示韌性。 3、材料的材料的性能性能 高碳彈簧鋼：Uoe=面積OAB Uop=面積BACD UoT=面積OACD 低碳結(jié)構(gòu)鋼：Uoe=面積OAB Uop=面積BACD UoT=面積OACD 由于UoT=Uoe+Uop 當斷裂時的應變f遠大于e時，UoTU

25、op，韌性的兩種定義近似一致。 圖中兩種鋼的彈性模量相同，但高碳彈簧鋼的p及對應的e較大，故彈性較大，在彈性范圍內(nèi)能貯存的彈性應變能較多，有較大的回彈力。其抗拉強度b雖大于低碳結(jié)構(gòu)鋼，但f卻遠小于低碳結(jié)構(gòu)鋼，綜合b及f，高碳彈簧鋼的韌性低于低碳結(jié)構(gòu)鋼。3、材料的材料的性能性能韌性的劃分： (1) 光滑試樣如上圖所示，用應力應變曲線下的面積大小來表征韌性的高低； (2) 缺口試樣工程上慣用沖擊韌性，即沖斷給定缺口試樣所消耗的功，或試樣在沖擊條件下從形變到斷裂全過程所吸收的能量。有k及Cv，分別為U形和V形缺口。 (3) 裂紋試樣對于平面應變條件有GIC及JIC，分別為線彈性及彈塑性范圍內(nèi)裂紋擴展

26、單位面積所需的能量。 對于直線穿透型裂紋沿裂紋面擴展時，有： 裂紋試樣的韌性俗稱斷裂韌性，實質(zhì)上是裂紋斷裂韌性。3、材料的材料的性能性能 沖擊韌性沖擊韌性 是指材料抵抗沖擊載荷是指材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。作用而不破壞的能力。l指標為沖擊指標為沖擊韌性值韌性值ak(通通過沖擊實驗過沖擊實驗測得測得)。3、材料的材料的性能性能韌脆轉(zhuǎn)變溫度韌脆轉(zhuǎn)變溫度 材料的沖擊韌性隨溫材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。度下降而下降。在某在某一溫度范圍內(nèi)沖擊韌一溫度范圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象性值急劇下降的現(xiàn)象稱稱韌脆轉(zhuǎn)變韌脆轉(zhuǎn)變。發(fā)生韌發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱韌脆轉(zhuǎn)變韌脆轉(zhuǎn)變溫度溫度

27、。材料材料的使用溫度應高于韌的使用溫度應高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度。脆轉(zhuǎn)變溫度。韌體心立方金屬具有韌脆轉(zhuǎn)體心立方金屬具有韌脆轉(zhuǎn)變溫度，而大多數(shù)面心立變溫度，而大多數(shù)面心立方金屬沒有。方金屬沒有。3、材料的材料的性能性能TITANIC建造中的建造中的Titanic 號號TITANIC的沉沒與船的沉沒與船體材料的質(zhì)量直接有體材料的質(zhì)量直接有關(guān)關(guān)3、材料的材料的性能性能Titanic近代船用鋼近代船用鋼板板Titanic 號鋼板號鋼板（左圖）（左圖）和和近近代船用鋼板代船用鋼板（右圖）（右圖）的沖的沖擊試驗結(jié)果擊試驗結(jié)果 疲勞強度： 被測材料抵抗交變載荷的性能。 疲勞材料在低于材料在低于 s的重復交變應力作用

28、下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。的重復交變應力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。材料在規(guī)定次數(shù)應力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時的最大應力稱為材料在規(guī)定次數(shù)應力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時的最大應力稱為疲勞極限疲勞極限。 用用 -1表示。表示。鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為107，有色金屬合金為，有色金屬合金為108。疲勞應力示意圖疲勞應力示意圖疲勞曲線示意圖疲勞曲線示意圖3、材料的材料的性能性能疲勞曲線：交變應力與交變次數(shù)N的關(guān)系疲勞斷口疲勞斷口通過通過改善材料的形狀結(jié)構(gòu)，減少表面缺陷，提高表面光潔度，改善材料的形狀結(jié)構(gòu)，減少表面缺陷，提高表面光潔度，進行表面強化進行表面強化等方法可提高材料疲勞抗力。等方法可提高材料疲勞抗力。軸

29、的疲勞斷口軸的疲勞斷口疲勞輝紋（掃描電鏡照片）疲勞輝紋（掃描電鏡照片）3、材料的材料的性能性能特點1：無論是脆性材料，還是塑性材料，疲勞斷裂均不產(chǎn)生 明顯的塑性變形； 特點2：裂紋產(chǎn)生及擴展區(qū)呈“貝殼”花樣，最后斷裂區(qū)呈纖維 狀或結(jié)晶狀。 阻尼及阻尼性能阻尼及阻尼性能 材料的阻尼： 是一種材料內(nèi)部所引起的對于振動能量的消耗，即“內(nèi)耗”。 內(nèi)耗的來源是由于材料內(nèi)部有缺陷或不均勻結(jié)構(gòu)存在。 阻尼性能： 材料能夠很快地壓抑機械振動的性能就是材料的阻尼性能。 3、材料的材料的性能性能 材料表現(xiàn)出來的密度、熔點、熱膨脹材料表現(xiàn)出來的密度、熔點、熱膨脹( (系數(shù)系數(shù)) )性、導電性、磁學及光學等性能。性、

30、導電性、磁學及光學等性能。u 物理性能物理性能3、材料的材料的性能性能 磁學性能磁學性能 鐵電性能鐵電性能 超導電性能超導電性能光學性能光學性能3、材料的材料的性能性能 磁學性能磁學性能 材料磁性的來源與分類： (1) 原子磁矩：由電子軌道運動磁矩、電子自轉(zhuǎn)磁矩及原子核磁矩組成。 材料中原子的電子態(tài)和磁性與孤立的原子相比發(fā)生了變化，晶體電場效應 也引起材料中電子態(tài)發(fā)生變化。 (2) 材料磁性概述和分類： a. 概述：材料在外磁場中恒被磁化而獲得磁矩，單位體積的磁矩稱為磁化強 度M，磁化強度與磁場強度H的比值稱為磁化率。 b. 分類：抗磁性、順磁性、反鐵磁性、鐵磁性及亞鐵磁性。前三種磁性很弱，

31、約為10-310-6。后兩種為強磁性，約為10106。 抗磁性：物質(zhì)的磁化率為負，其磁化強度M與磁場H反向，大多數(shù)有機和無機材料均呈現(xiàn)抗磁性。 順磁性：物質(zhì)的磁化率為正，M與H同向。 反鐵磁性：物質(zhì)的磁化率為正，但很弱，約為10-3。 鐵磁性和亞鐵磁性： 材料都有磁有序相變點(居里點Tc)，當溫度高于Tc時，呈順磁性，當溫度低于Tc時，呈鐵磁性或亞鐵磁性，均為強磁性。 幾個概念： 矯頑力(Hc)：表征材料抵抗退磁作用的本領(lǐng)。 磁疇：鐵磁體，包含許多自發(fā)磁化的區(qū)域，由于它們的磁化方向各異，因此 總的磁化強度為零，這種自發(fā)磁化的區(qū)域即為磁疇。 磁滯伸縮：強磁體被磁場磁化時，其形狀和體積隨之變化。

32、磁性材料：具有強磁性的材料。 軟磁材料：指那些容易反復磁化，在外磁場去掉后容易退磁的材料。具有高 磁導率和低矯頑力。 硬磁材料：指那些難以磁化，且除去外場后仍能保留高的剩余磁化強度的材 料。具有高矯頑力，不易退磁，在磁路不閉合時仍可保持較高的 剩磁，提供應用所需的磁場或磁矩。(永磁材料) 強磁材料按組成與結(jié)構(gòu)分類： 單質(zhì)：只有金屬呈現(xiàn)強磁性，3個過渡族鐵磁金屬鐵、鈷、鎳， 具有高于室溫的居里溫度，獲得廣泛應用。6個稀土金 屬有強磁轉(zhuǎn)變。 合金：以鐵磁元素為基的合金和非鐵磁元素構(gòu)成的鐵磁合金。 非金屬氧化物：包括鐵氧體(如磁鐵礦Fe3O4)、強磁化合物(如EuO、CrO2)。 非晶強磁合金：即金

33、屬玻璃。3、材料的材料的性能性能 夠 鐵電體是電介質(zhì)的一個亞類，其基本特征是具有自發(fā)電極化并且這種電極化可以在外電場作用下改變方向。 電介質(zhì)的極化與鐵電性： 導電材料：以電荷長程遷移即傳導的方式對外電場作出響應。 電介質(zhì)：以感應的方式對外電場作出響應，即沿電場方向產(chǎn)生電偶極矩 或電偶極矩的改變，此現(xiàn)象為電介質(zhì)的極化，此材料為電介質(zhì)。 電介質(zhì)的極化：在外電場的作用下，呈電中性的電介質(zhì)由于正、負電荷 重心不重合而產(chǎn)生感應電偶極矩的過程。 鐵電性：具有自發(fā)電極化并且這種電極化可以在外電場作用下改變方向。 鐵電性鐵電性能能3、材料的材料的性能性能 超導電性超導電性能能 歷史： 1911年荷蘭低溫物理學

34、家H. K. Onnes發(fā)現(xiàn)有些物質(zhì)從特定的溫度開始會轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆珱]有電阻的狀態(tài)，這就是超導(電)現(xiàn)象。這些超導體的轉(zhuǎn)變溫度不超過23.2K，即必須用液氦冷卻才會出現(xiàn)(低溫超導體)。 1986年G. Bednorz和K. A. Muller發(fā)現(xiàn)某些稀土元素的氧化物是超導體，其轉(zhuǎn)變溫度在30K以上，稱高溫超導體。(有的高溫超導體的轉(zhuǎn)變溫度達到135K) 。 基本特征： (1) 零電阻效應：超低溫下超導體的電阻為零； Tc：超導轉(zhuǎn)變溫度，即臨界溫度。 (2) 邁斯納效應：處于超導態(tài)的物質(zhì)完全排斥磁場，即磁力線不能進入超導 體內(nèi)部，稱為完全抗磁性或邁斯納效應。 (3) 超導體的臨界參數(shù)：溫度低于Tc時

35、，當磁場值超過某一臨界值Hc時，材料從超導態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，Hc稱為臨界磁場。溫度低于Tc時，當樣品的電流密度J超過某一臨界值Jc時，材料從超導態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，Jc稱為臨界電流密度。 把Tc、Hc、Jc稱為超導體的三個臨界參數(shù)。3、材料的材料的性能性能 第二類超導體： 高臨界參數(shù)(高Tc、高Hc和高Jc)的超導體，如Nb3-Sn，有兩個臨界磁場：下臨界場Hc1和上臨界場Hc2，當磁場小于Hc1時，完全處于邁斯納態(tài)，當磁場大于Hc2時，完全恢復正常態(tài)，當磁場介于Hc1和Hc2之間時，處于“混合態(tài)”，將只存在一個臨界場的超導體稱為第一類超導體，將存在兩個臨界場的超導體稱為第二類超導體。 超導隧道效應

36、(約瑟夫森效應)： 弱連接超導體(兩塊超導體中間夾一塊納米厚度的絕緣膜，形成超導層-絕緣層-超導層，由于中間的絕緣層較薄，使它兩側(cè)的超導體在電磁性質(zhì)上弱耦合在一起)，當有一個很小的電流從一個超導體穿過絕緣層而流到另一個超導體時，如果電流很小，沒有超過這種結(jié)構(gòu)的臨界電流，則兩側(cè)的超導體層間沒有電壓，整個弱連接超導體呈現(xiàn)零電阻性。兩超導體中間的絕緣層也能讓超導電流通過和現(xiàn)象叫超導隧道效應。3、材料的材料的性能性能光學性能光學性能 光優(yōu)于電子的特點：光在介電材料中的傳播速度遠高于電子在金屬導線中的傳播速度，光可以攜帶更多的信息；介電材料的帶寬遠大于金屬；光子間不像電子間具有很強的相互作用，有助于降低

37、能量損耗。 光波在光纖中的傳播： 光纖即光導纖維，是由低損耗材料制成的其結(jié)構(gòu)類似于同軸電纜的圓形介質(zhì)波導：內(nèi)芯是一種較高折射率的材料，周圍是另一種較低折射率的材料構(gòu)成的包層，最外層是保護層。 (1) 光纖的分類：階躍型折射率光纖和梯度型折射率光纖。 階躍型折射率光纖，內(nèi)芯和包層間折射率的過渡是階躍的； 梯度型折射率光纖，折射率的分布為從中心軸線沿徑向逐漸減小。 材料：石英光纖、多組分玻璃光纖、塑料光纖、紅外光纖、紫外光纖和有源光 纖等。3、材料的材料的性能性能 (2) 光纖的傳光特性和集光本領(lǐng)： 物理基礎(chǔ)是全內(nèi)反射。 (3) 光纖的色散與損耗： 色散影響光通信系統(tǒng)的傳輸容量和誤碼率，而損耗影響

38、傳輸距離。 色散種類：材料色散，本身折射率隨頻率變化，導致不同的頻率分量的傳播速度 的不同而產(chǎn)生色散； 波導色散，依賴于光纖芯徑與波長的比值，與光纖的結(jié)構(gòu)有關(guān)； 模色散，適于多模色散。 損耗是光波在傳輸過程中由于某種或某些因素所致的衰減。 光纖中的損耗主要有吸收損耗和散射損耗。 光的發(fā)射： 光發(fā)射目前主要是通過激光器實現(xiàn)的。 激光的特點： (1) 方向性好，亮度高，能量集中，可在微米級圓斑內(nèi)產(chǎn)生幾萬乃至幾百萬度的高溫； (2) 單色性好，譜線寬度小于10-7； (3) 相干線好，即相干長度很長，激光束的相干長度比普通光束要長數(shù)十倍，甚至數(shù)百倍； (4) 激光傳遞信息的容量大； (5) 高簡并度

39、的強激光，因其場強遠大于分子、原子內(nèi)庫侖場強，故而它與物質(zhì)相互作用，會引起倍頻、和頻、差頻等許多新的物理效應。3、材料的材料的性能性能 單項性能的評價： 對材料性能的測定需要建立一種廣義力與廣義位移的關(guān)系，在關(guān)系為線性時，材料性能由線性常數(shù)表征，如彈性模量(E)、熱容(S=CT)等。在關(guān)系偏離線性時，材料的性能需要由高階的常數(shù)來描述，如光學晶體在強光照射下的極化率。 綜合性能的評價： 新材料的發(fā)展提出了一些難以用單項性能進行評價的材料特征。如金屬的可焊性、材料的加工性、高溫氧化氣氛下的抗腐蝕性等。由于涉及的因素較多，不同場合使用的側(cè)重點也不同，對材料性能的測試提出了更高的要求，需要考慮一個測試

40、體系，創(chuàng)造一個測試環(huán)境，以求所測性能盡可能真實。4、材料的材料的表征表征u 性能檢測性能檢測u 組織分析組織分析 電子與樣品相互作用 材料被一個細的、約束較好的聚焦電子束照射，并且入射束有足夠的束流以產(chǎn)生顯微分析所需的信號。4、材料的材料的表征表征 (1) 向前散射電子：即透射電子，是電子穿透樣品的部分。這些電子攜帶被樣品吸收、衍射的信息，用于透射電鏡明場像和透射掃描電鏡的掃描圖像。揭示樣品內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的形貌。 (2) 非彈性散射電子：這些電子在穿過樣品時損失了部分能量，方向也有微小變化。用于電子能量損失譜，提供成分和化學信息。 (3) 彈性散射電子：在晶體材料中，電子按布拉格定律，被具有不同取向及面間距的周期排列原子平面散射不同角度，產(chǎn)生電子衍射圖，提供晶體結(jié)構(gòu)、對稱性、取向和樣品厚度等信息。(2dsin=n) (4) X射線：入射電子在樣品原子激發(fā)內(nèi)層電子后外層電子躍遷至內(nèi)層時發(fā)出的光子，用于電子照射區(qū)域化學成分的定性和定量分析。 (5) 背散射電子：入射電子在樣品中經(jīng)散射后再從上表面射出來的電子。掃描電子顯微術(shù)、透射掃描電子顯微術(shù)收集這些電子成像可反映樣品表面