材料性能学1绪论概要课件

1材材 料料 性性 能能 学学袁婷袁婷办公室：躬行楼分析测试中心电话邮箱2材材 料料 性性 能能 学学l时间：周三3、4节（单周）l 周五3、4节l考核方式：考试（S）l学时：48 l学分：3l网络课程编号：W126033l先修课程：先修课程：大学物理、工程力学、物理化学、材料学概论l适用专业：适用专业：材料科学与工程4l课程性质：课程性质：本课程是材料科学与工程专业的专业基础课程。l课程任务：课程任务：本课程的任务使学生掌握材料各种主要性能的基本概念、物理本质、化学变化规律以及性能指标的工程意义，了解影响材料性能的主要因素及材料性能与其化学成分、工艺、结构之间的关系，基本掌握提高材料性能的主要途径。5学生要求：学生要求：1上课认真听讲上课认真听讲,做好笔记做好笔记,不能缺课。不能缺课。2每次课后进行复习，登录网络课程每次课后进行复习，登录网络课程下载课件、教案，下次课前查看提问问下载课件、教案，下次课前查看提问问题。题。3每章进行复习，进行自测。并认真每章进行复习，进行自测。并认真完成作业。完成作业。6考核办法考核办法l平时成绩平时成绩30%+考试成绩考试成绩70%平时成绩：作业平时成绩：作业+答题答题+网络课程网络课程考试成绩：闭卷考试考试成绩：闭卷考试7一、绪论8一、材料性能研究目的一、材料性能研究目的q材料性能的研究，既是材料开发的材料性能的研究，既是材料开发的出发点，也是其重要归属出发点，也是其重要归属91、材料性能的研究贯穿于整个人类的、材料性能的研究贯穿于整个人类的文明史文明史石器石器陶器陶器金属金属高分子材料高分子材料复合材料复合材料。10q天然的天然的石块石块很难成形很难成形q陶器陶器粘土粘土+水制成泥坯，容易成形，烧制后强水制成泥坯，容易成形，烧制后强度提高，但易破碎。度提高，但易破碎。q金属金属的开发与使用首次较完美地解决了容易成形的开发与使用首次较完美地解决了容易成形与坚硬这一对矛盾。金属也有缺点，如铁容易生与坚硬这一对矛盾。金属也有缺点，如铁容易生锈，高温环境下变软。锈，高温环境下变软。q塑料塑料可方便地制成薄膜、纤维、多孔质体、空心可方便地制成薄膜、纤维、多孔质体、空心体等形状的制品体等形状的制品,抗腐蚀性强，绝缘。抗腐蚀性强，绝缘。q复合材料复合材料综合性能优于原组成材料而满足各种不综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。在性能上互相取长补短，产生协同效同的要求。在性能上互相取长补短，产生协同效应。应。q纳米材料、超导材料。纳米材料、超导材料。天然材料 人造材料11例、陶瓷材料例、陶瓷材料q可制成性、坚硬、表面光洁度高；也具有一定可制成性、坚硬、表面光洁度高；也具有一定的电气绝缘强度及机械强度，可作为重要的绝的电气绝缘强度及机械强度，可作为重要的绝缘材料。缘材料。q新性能新性能磁性：计算机记忆元件；磁性：计算机记忆元件；光学性能：光学元件，如透明陶瓷可用作钠光灯的光学性能：光学元件，如透明陶瓷可用作钠光灯的灯罩，钠光灯的发光效率高且节能，但若用普通玻灯罩，钠光灯的发光效率高且节能，但若用普通玻璃，则因为钠蒸气的腐蚀作用，而出问题；璃，则因为钠蒸气的腐蚀作用，而出问题；机械强度与化学惰性：仿生陶瓷机械强度与化学惰性：仿生陶瓷(人造骨骼，牙齿人造骨骼，牙齿等等)；耐高温：高温陶瓷。耐高温：高温陶瓷。12例例2 2、航天飞机、航天飞机哥伦比亚号于哥伦比亚号于20032003年年2 2月月1 1日在返航途中彻底解体，日在返航途中彻底解体，7 7名航天员全部遇难。名航天员全部遇难。13经过经过3 3个月的紧张调查，美国个月的紧张调查，美国“哥伦比亚哥伦比亚”号航天号航天飞机事故调查委员会飞机事故调查委员会(CAIB)(CAIB)在美国家航空航天局在美国家航空航天局事故调查组事故调查组(NAIT)(NAIT)的帮助下，公布了的帮助下，公布了“哥伦比亚哥伦比亚”号航天飞机失事原因的初步调查结果。号航天飞机失事原因的初步调查结果。l外部燃料箱表面脱落的一块外部燃料箱表面脱落的一块泡沫材料泡沫材料击中航天飞击中航天飞机左翼前缘的隔热瓦。当航天飞机返回时，经过机左翼前缘的隔热瓦。当航天飞机返回时，经过大气层，产生剧烈摩擦使温度高达摄氏大气层，产生剧烈摩擦使温度高达摄氏1400度的度的空气在冲入左机翼后融化了内部结构，致使机翼空气在冲入左机翼后融化了内部结构，致使机翼和机体融化，导致了悲剧的发生。和机体融化，导致了悲剧的发生。14表面隔热瓦出现松动和破损表面隔热瓦出现松动和破损15隔热瓦究竟是什么东西呢？隔热瓦究竟是什么东西呢？l制造航天飞机的主要材料是铝，离制造航天飞机的主要材料是铝，离1649的耐温要求差得很远。因此必须的耐温要求差得很远。因此必须给它加一个给它加一个隔热隔热层。早期的航天项目，层。早期的航天项目，宇宙飞船上加的是可融隔热层。这种隔宇宙飞船上加的是可融隔热层。这种隔热层因融化而将热量消耗掉。它给宇宙热层因融化而将热量消耗掉。它给宇宙飞船提供了有效的保护，缺点是它是一飞船提供了有效的保护，缺点是它是一次性的，不能重复使用。次性的，不能重复使用。16美国航天飞机一共有美国航天飞机一共有8种防热瓦。种防热瓦。l低温重复使用表面绝热材料，低温重复使用表面绝热材料，LRSI；l高温重复使用表面绝热材料，高温重复使用表面绝热材料，HRSI；l柔性重复使用表面绝热材料，柔性重复使用表面绝热材料，FRSI；l高级柔性重复使用表面绝热材料，高级柔性重复使用表面绝热材料，AFRI；l高温耐熔纤维复合材料，高温耐熔纤维复合材料，FRICHRSI；l增强碳增强碳/碳材料，碳材料，RCC；l金属；金属；l二氧化硅织物。二氧化硅织物。这八种每一种的材料是不一样的。这八种每一种的材料是不一样的。17lLRSI主要的结构叫碱性聚芳酰胺，这个主要是用在航天飞机的顶部，它的耐绝热的温度能耐394度温度，这块的温度在航天飞机重返大气层的温度是最低。l第二种HRSI的成分主要是二氧化硅，四硅化合物，硼-硅酸盐，它主要是装在航天飞机的鼻锥周围，主体落架舱周围，鼻锥罩界面，机翼前缘，外储箱输送管路舱门，垂直尾翼前缘。它可以耐648摄氏度到1260摄氏度。l第六种是最重要的，即增强碳即增强碳-碳隔热板。碳隔热板。它可以耐航天飞机重返大气层所经受的最高温度。它是把石墨和一种树脂纤把织成一种纺织品，然后在高度和真空下不断加热，最后它可以耐1700摄氏度高温。18 人类开发利用材料是从其性能入手的。人类开发利用材料是从其性能入手的。根据对材料性能上的要求，而探索合适的根据对材料性能上的要求，而探索合适的工艺路线。工艺路线。q金属金属铁生锈铁生锈不锈钢不锈钢19集成电路的绝缘基板材料集成电路的绝缘基板材料q材料的强度、表面光洁度、绝缘性能、热材料的强度、表面光洁度、绝缘性能、热导性、热膨胀系数等材料性能是衡量基板导性、热膨胀系数等材料性能是衡量基板材料好坏的重要指标。材料好坏的重要指标。环氧树脂环氧树脂等塑料较好，但导热性能不好。等塑料较好，但导热性能不好。氧化铝氧化铝的导热性能约为环氧树脂的三十倍，故的导热性能约为环氧树脂的三十倍，故氧化铝是重要的基片材料。氧化铝是重要的基片材料。20q氧化铝单晶：氧化铝单晶：4 4倍于氧化铝，难于加工成薄片形状倍于氧化铝，难于加工成薄片形状q碳化硅：约碳化硅：约1010倍于氧化铝，硬度高，可精密加工，倍于氧化铝，硬度高，可精密加工，热膨胀系数接近硅。但却是半导体，致密烧结困热膨胀系数接近硅。但却是半导体，致密烧结困难。（添加氧化铍热压烧结成导热性能与绝缘性难。（添加氧化铍热压烧结成导热性能与绝缘性兼有的致密材料）兼有的致密材料）q金刚石是导热系数最好的材料，绝缘性也很好，金刚石是导热系数最好的材料，绝缘性也很好，是最理想的绝缘基片材料。稳定地供给高纯度且是最理想的绝缘基片材料。稳定地供给高纯度且具有一定大小的片状金刚石晶体还有很大困难。具有一定大小的片状金刚石晶体还有很大困难。21q如对于大型计算机，还要考虑介电常数。如对于大型计算机，还要考虑介电常数。因为若基片材料的介电常数过大，则电因为若基片材料的介电常数过大，则电子元件上的响应时间就会变大，从而影子元件上的响应时间就会变大，从而影响计算机的运算速度。响计算机的运算速度。氧化铝约为氧化铝约为9 9左右，而玻璃为左右，而玻璃为4-64-6。由此看来，用氧化铝作基片材料，还存在着由此看来，用氧化铝作基片材料，还存在着许多值得改进之处。许多值得改进之处。22q结构决定了性能，而性能是内部结构的某结构决定了性能，而性能是内部结构的某一侧面的体现一侧面的体现q晶体衍射性能晶体衍射性能例如：根据例如：根据n=2dsinn=2dsin，利用晶体对，利用晶体对X-rayX-ray的衍射图象，就可以推知晶体中面间距的衍射图象，就可以推知晶体中面间距d d，进，进而就可以分析晶体的结构。而就可以分析晶体的结构。23由上可知：由上可知：q人类开发利用材料是从其性能入手的。根据对材料性能上人类开发利用材料是从其性能入手的。根据对材料性能上的要求，而探索合适的工艺路线。在整个开发过程中又不的要求，而探索合适的工艺路线。在整个开发过程中又不断地研究了材料的结构断地研究了材料的结构成分、工艺组织结构性能性能使用性能成本材料性能的研究材料性能的研究既是材料开发的出发点，也是其重要归既是材料开发的出发点，也是其重要归属属性能性能？24二、材料性能的定义二、材料性能的定义q 材料性能是一种用于表征材料在给定材料性能是一种用于表征材料在给定的外界条件下的行为。的外界条件下的行为。q 材料性能是表征材料相应行为发生程材料性能是表征材料相应行为发生程度的参数或指标。度的参数或指标。25l外参量l内参量行 为l输入值或输出值的终态值l输入值或输出值的某一时刻中间值l输入值与输出值的联系26q 有多少行为，就对应地有多少性能。有多少行为，就对应地有多少性能。例如：例如：外力作用下的拉伸行为外力作用下的拉伸行为屈服强度、抗屈服强度、抗拉强度、断裂强度等力学性能。拉强度、断裂强度等力学性能。材料在外磁场作用下磁化及退磁行为材料在外磁场作用下磁化及退磁行为矫顽力、剩余磁感、贮藏的磁能等磁学性能。矫顽力、剩余磁感、贮藏的磁能等磁学性能。27q 外界条件不同，相同的材料也会有不外界条件不同，相同的材料也会有不同的性能。同的性能。例如例如虽然虽然“断裂强度断裂强度”的临界条件是断裂，不少的外界条件的临界条件是断裂，不少的外界条件可以影响断裂行为：可以影响断裂行为：温度升高到熔点的温度升高到熔点的40-50%40-50%以上以上蠕变断裂强蠕变断裂强度；度；反复的交变载荷反复的交变载荷疲劳断裂强度；疲劳断裂强度；特定的化学介质等特定的化学介质等腐蚀断裂强度。腐蚀断裂强度。28q 性能必须量化。性能必须量化。多数的性能都有量纲，在学习过程中尤其要多数的性能都有量纲，在学习过程中尤其要注意。注意。29宏观行为 性能内在因素外在因素中心任务！30现象与本质现象与本质q不同行为不同行为现象，材料的内部结构现象，材料的内部结构本质本质材料机械性能材料机械性能晶体缺陷理论晶体缺陷理论材料的电、磁、光、热现象的物理性能材料的电、磁、光、热现象的物理性能电子论下电子论下得到物理本质的统一。得到物理本质的统一。固体材料的各种性能固体材料的各种性能固体物理和固体化学固体物理和固体化学腐蚀和氧化、摩擦和磨损、晶体外延生长与离子注入、腐蚀和氧化、摩擦和磨损、晶体外延生长与离子注入、催化和表面反应等催化和表面反应等与材料的表面层原子有关与材料的表面层原子有关31q材料工程师侧重于表象规律的建立，其材料工程师侧重于表象规律的建立，其主要职责是主要职责是“如何做如何做?”，而材料科学家，而材料科学家侧重于探寻现象的机理，其主要职责是侧重于探寻现象的机理，其主要职责是回答回答“为什么为什么?”。其结合可较好地解决。其结合可较好地解决“现象与本质现象与本质”问题。问题。32l外因l温度l介质气氛l载荷形式l试样尺寸、形状33l内因l原子结构l凝聚态结构l组织结构结构结构-性能的关系性能的关系34各种性能间既有区别，又有联系各种性能间既有区别，又有联系q复杂性能是不同简单性能的组合复杂性能是不同简单性能的组合q简单性能也会联系到其它性能简单性能也会联系到其它性能材料的高温蠕变强度：既是力学性能，又联系到热学材料的高温蠕变强度：既是力学性能，又联系到热学性能性能材料的应力腐蚀：既是化学问题，又是力学问题；材料的应力腐蚀：既是化学问题，又是力学问题；反射率是光学性能，又与金属表面的化学稳定性有关反射率是光学性能，又与金属表面的化学稳定性有关35物理现象之间的转换是相当普遍的，物理现象之间的转换是相当普遍的，q近年来提出了相乘效应：近年来提出了相乘效应：即，若对材料即，若对材料A A施加施加X X作用作用，可得到，可得到Y Y效果效果，则这个，则这个材料具有材料具有X/YX/Y性能性能，如：压电性能中，如：压电性能中 X X 为压力，为压力，Y Y为电位差：若材料为电位差：若材料B B具有具有Y/ZY/Z性能性能，则，则A A与与B B复合复合之后之后具有具有X/ZX/Z新性能新性能，(X/Y)(X/Y)(Y/Z)=(X/Z)(Y/Z)=(X/Z)36A A组元性能组元性能(X/Y)(X/Y)B B组元性能组元性能(Y/Z)(Y/Z)ABAB复合材料性能复合材料性能(X/Z)(X/Z)压电性压电性场致发光场致发光压力发光压力发光磁致伸缩磁致伸缩压阻性压阻性磁阻效应磁阻效应磁致伸缩磁致伸缩压电性压电性磁电效应磁电效应热胀变形热胀变形形敏电阻形敏电阻热阻控制效应热阻控制效应37“工艺工艺结构结构性能性能”这条路线去控制或改造性这条路线去控制或改造性能，即工艺决定结构，结构决定性能。能，即工艺决定结构，结构决定性能。q应考虑结构的可变性以及敏感性应考虑结构的可变性以及敏感性有些结构难于改变；有些结构难于改变；性能对于结构（晶体的缺陷、畸变、第二相的数性能对于结构（晶体的缺陷、畸变、第二相的数量、大小和分布等）有不同的敏感性，量、大小和分布等）有不同的敏感性，结构敏感性的性能结构敏感性的性能电导率、屈服强度、矫顽力等；电导率、屈服强度、矫顽力等；非结构敏感性性能非结构敏感性性能熔点、弹性模量、磁饱和等。熔点、弹性模量、磁饱和等。成分固定时，企图用工艺去改变非结构敏感性性能，成分固定时，企图用工艺去改变非结构敏感性性能，是徒劳无功的。是徒劳无功的。38）材料的力学性能：材料在静载条件下的力学性能、冲击韧性、断裂韧性、疲劳性能、磨损性能，以及高温力学性能等；）材料的物理性能：材料的热学性能、磁学性能、电学性能、光学性能、压电及铁电性能等；）材料的腐蚀及老化性能等。39周次周次起止日期起止日期讲课内容分章和分节的名称讲课内容分章和分节的名称课时数课时数012.25前言前言201-032.27-3.11第一章第一章材料的常规力学性能材料的常规力学性能603-043.13-3.18第二章第二章材料的变形材料的变形4053.25-3.27第三章第三章材料的断裂材料的断裂406-074.01-4.08第四章第四章材料的疲劳材料的疲劳407-094.10-4.22第五章第五章材料在不同环境下的力学性能材料在不同环境下的力学性能609-104.24-4.29第六章第六章材料的热学性能材料的热学性能4115.6-5.8第七章第七章磁学性能磁学性能412-135.13-5.20第八章第八章电学性能电学性能413-145.22-5.27第九章第九章光学性能光学性能4156.3-6.5第十章第十章材料的耐环境性能材料的耐环境性能4166.10复习总结复习总结240）材料力学实验程中易，高建和主编，北京：高等教育出版社）材料物理性能邱成军，王元化主编，哈尔滨工业大学出版社 ）材料性能学，张帆，周伟敏编，上海交通大学 4 ）材料科学基础胡赓祥主编 上海交通大学