四川大學(xué)材料基礎(chǔ)雙語期末總結(jié)

1、材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)Fundamentals of Materials Science and Engineering復(fù)習(xí)要點復(fù)習(xí)要點物理參量的概念物理參量的概念量綱量綱計算公式計算公式思路思路電子課件電子課件課堂講授內(nèi)容課堂講授內(nèi)容教材教材習(xí)題（中、英）習(xí)題（中、英）作業(yè)作業(yè)自測評自測評結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 性能性能 溫度（環(huán)境、方式）溫度（環(huán)境、方式）PerformancePropertiesSynthesis and ProcessingCompositions and Structures性能決定用途。性能決定用途。本章對材料的本章對材料的力學(xué)力學(xué)性能、性能、熱熱性能、性能、電學(xué)、

2、磁學(xué)、光電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)學(xué)性能以及性能以及耐腐蝕耐腐蝕性，復(fù)合材料及納米材料的性能性，復(fù)合材料及納米材料的性能進(jìn)行闡述。進(jìn)行闡述。要點：性能的物理意義、公式、量綱、要點：性能的物理意義、公式、量綱、各種材料的性能特點各種材料的性能特點主要影響因素主要影響因素組成和結(jié)構(gòu)組成和結(jié)構(gòu)溫度等溫度等第四章第四章 材料的性能材料的性能 Properties of Materials4-1 固體材料的機械性能固體材料的機械性能4-2 材料的熱性能材料的熱性能4-3 材料的電學(xué)性能材料的電學(xué)性能4-4 材料的磁學(xué)性能材料的磁學(xué)性能4-5 材料的光學(xué)性能材料的光學(xué)性能4-6 材料的耐腐蝕性材料的耐腐蝕性4-7

3、復(fù)合材料的性能復(fù)合材料的性能4-8 納米材料及效應(yīng)納米材料及效應(yīng)第四章第四章 內(nèi)容目錄內(nèi)容目錄54-1-1 4-1-1 材料的力學(xué)狀態(tài)材料的力學(xué)狀態(tài)4-1-2 4-1-2 應(yīng)力和應(yīng)變應(yīng)力和應(yīng)變4-1-3 4-1-3 彈性形變彈性形變4-1-4 4-1-4 永久形變永久形變4-1-5 4-1-5 強度、斷裂及斷裂韌性強度、斷裂及斷裂韌性4-1-6 4-1-6 硬度硬度4-1-7 4-1-7 摩擦與磨損摩擦與磨損4-1-8 4-1-8 疲勞疲勞4-1 固體材料的力學(xué)性能固體材料的力學(xué)性能要點要點(4.1.1 (4.1.1 4.1.4) 4.1.4) 不同材料力學(xué)性能的差異及其與組成和結(jié)構(gòu)的關(guān)系不同

4、材料力學(xué)性能的差異及其與組成和結(jié)構(gòu)的關(guān)系 應(yīng)力和應(yīng)變的定義、五種基本類型應(yīng)力和應(yīng)變的定義、五種基本類型 應(yīng)力應(yīng)變曲線的物理意義（參量）典型曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線的物理意義（參量）典型曲線 彈性形變、應(yīng)力狀態(tài)與模量之間的關(guān)系，公式（彈性形變、應(yīng)力狀態(tài)與模量之間的關(guān)系，公式（4-84-8、4-114-11） 粘彈形變與蠕變、應(yīng)力松弛（靜態(tài)）和內(nèi)耗（動態(tài)）粘彈形變與蠕變、應(yīng)力松弛（靜態(tài)）和內(nèi)耗（動態(tài)） 永久形變的機制與塑性材料的增強途徑永久形變的機制與塑性材料的增強途徑力學(xué)性能力學(xué)性能 強度強度（屈服和斷裂屈服和斷裂）的概念及測試方法和計算公式）的概念及測試方法和計算公式 脆性脆性斷裂和斷裂和韌性韌性斷裂

5、的機制及斷裂的機制及脆韌轉(zhuǎn)變脆韌轉(zhuǎn)變因素因素, ,公式公式（4-284-28） 理論斷裂強度和脆性斷裂理論的推導(dǎo)過程，理論斷裂強度和脆性斷裂理論的推導(dǎo)過程，公式公式（4-354-35、4-434-43、4-494-49、4-524-52、4-534-53） 裂紋裂紋在脆性斷裂中的重要作用在脆性斷裂中的重要作用 斷裂韌性斷裂韌性的類型，公式的類型，公式（4-564-56、4-574-57）A A 晶態(tài)晶態(tài)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)B B 較高的彈性較高的彈性模量模量和和強度強度C C 受力開始為彈性受力開始為彈性形變形變，接著一段塑性，接著一段塑性形變形變 然后斷裂，總變形能很大然后斷裂，總變形能很大D D 具有

6、較高的具有較高的熔點熔點。4-1-1 材料的力學(xué)狀態(tài)材料的力學(xué)狀態(tài)（Mechanical states）1. 金屬金屬(Metals)的力學(xué)狀態(tài)的力學(xué)狀態(tài)A A 玻璃相熔點低，熱穩(wěn)定性差，強度低。玻璃相熔點低，熱穩(wěn)定性差，強度低。B B 氣相（氣孔）的存在導(dǎo)致陶瓷的彈性模量和機械氣相（氣孔）的存在導(dǎo)致陶瓷的彈性模量和機械強度降低。強度降低。C C 陶瓷材料也存在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度陶瓷材料也存在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度TgTg。D D 絕大多數(shù)無機材料在彈性變形后立即發(fā)生脆性斷絕大多數(shù)無機材料在彈性變形后立即發(fā)生脆性斷裂，總彈性應(yīng)變能很小。裂，總彈性應(yīng)變能很小。陶瓷陶瓷材料的力學(xué)特征材料的力學(xué)特征高模量、高硬

7、度、高壓縮強度、低延伸率高模量、高硬度、高壓縮強度、低延伸率2. 2. 無機非金屬無機非金屬( (nonmetals) )的力學(xué)狀態(tài)的力學(xué)狀態(tài) 玻璃態(tài)玻璃態(tài) 高彈態(tài)高彈態(tài) 粘流態(tài)粘流態(tài)3. 聚合物聚合物（polymers）的力學(xué)狀態(tài)的力學(xué)狀態(tài)（1 1） 非晶態(tài)聚合非晶態(tài)聚合物物的的三種三種力學(xué)狀態(tài)力學(xué)狀態(tài)（2 2） 結(jié)晶聚合物的力學(xué)狀態(tài)結(jié)晶聚合物的力學(xué)狀態(tài)A 結(jié)晶聚合物常存在一定的結(jié)晶聚合物常存在一定的非非晶晶部分，也有部分，也有玻璃化轉(zhuǎn)變。玻璃化轉(zhuǎn)變。B 在在T g 以上以上模量模量下降不大下降不大C 在在T m 以上以上模量模量迅速下降迅速下降D 聚合物分子量很大，聚合物分子量很大，T m

8、 T f ，則，則熔融之后即轉(zhuǎn)變成熔融之后即轉(zhuǎn)變成粘流態(tài)粘流態(tài)1. 應(yīng)力和應(yīng)變的定義應(yīng)力和應(yīng)變的定義 應(yīng)力：應(yīng)力：單位面積上的單位面積上的內(nèi)力內(nèi)力，其值與外加的力相等。，其值與外加的力相等。應(yīng)變：應(yīng)變：受到外力不慣性移動時，幾何形狀和尺寸的變化。受到外力不慣性移動時，幾何形狀和尺寸的變化。應(yīng)力應(yīng)力= =外加力外加力F/F/面積面積A A4-1-2 應(yīng)力與應(yīng)變應(yīng)力與應(yīng)變（stress and strain）工程應(yīng)力（名義應(yīng)力）工程應(yīng)力（名義應(yīng)力）：面積為材料受力前的初始面積面積為材料受力前的初始面積(A0)的的應(yīng)力。應(yīng)力。真實應(yīng)力真實應(yīng)力：面積為受力后的真實面積：面積為受力后的真實面積(AT)的

9、應(yīng)力。的應(yīng)力。各向同性材料，三種基本類型：還有扭轉(zhuǎn)和彎曲形變。 簡單拉伸簡單拉伸 tension 簡單剪切簡單剪切 shear 均勻壓縮均勻壓縮 compression2. 材料的應(yīng)變方式材料的應(yīng)變方式曲線（曲線（F l）轉(zhuǎn)換為）轉(zhuǎn)換為 應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 （ ） = F / S 0和和 = l / l 0彈性彈性-均勻塑性型均勻塑性型純彈性純彈性型型彈性彈性-不均勻塑性不均勻塑性型型彈性彈性-不均勻塑性不均勻塑性-均均勻塑性型勻塑性型彈性彈性-不均勻塑不均勻塑性（屈服平臺性（屈服平臺）-均勻塑性型均勻塑性型拉伸拉伸應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變曲線（應(yīng)變曲線（ ）五種類型五種類型 Elastic def

10、ormation Modulus of elasticity (Hook) (metal and ceramics) Rubberlike elasticity (elastomer) Viscoelasticity (polymer)4-1-3 彈性形變彈性形變（Elastic Deformation）彈性模量彈性模量 正彈性模量正彈性模量 E 正應(yīng)力在正應(yīng)力在 狀態(tài)下狀態(tài)下 切彈性模量切彈性模量 G 純剪切力純剪切力 作用下作用下 體積彈性模量體積彈性模量 K 0（ VV0） 泊松比泊松比為縮短應(yīng)變與伸長應(yīng)變的比值，為縮短應(yīng)變與伸長應(yīng)變的比值， =- e=- ey y/e/ex x 轉(zhuǎn)化關(guān)

11、系3(1 2 )EK313GEGK2 (1)3 (1 2 )EGEK材料的彈性模量表示材料對于彈性變形的抵抗力材料的彈性模量表示材料對于彈性變形的抵抗力 主要取決于原子間的結(jié)合能力主要取決于原子間的結(jié)合能力, 構(gòu)件剛度構(gòu)件剛度金屬的模量金屬的模量值主要取決于值主要取決于 10-102GPa A 晶體中晶體中原子原子的本性、電子結(jié)構(gòu)的本性、電子結(jié)構(gòu) B 原子的原子的結(jié)合力結(jié)合力、 C 晶格晶格類型以及晶格常數(shù)等。類型以及晶格常數(shù)等。 D 合金元素降低彈性模量。合金元素降低彈性模量。 陶瓷陶瓷材料具有較高模量、原因材料具有較高模量、原因 10-102GPa A 原子原子鍵合鍵合的特點的特點 特種陶

12、瓷特種陶瓷 B 構(gòu)成材料構(gòu)成材料相相的種類，分布、比例及氣孔率有關(guān)。的種類，分布、比例及氣孔率有關(guān)。 高分子材料高分子材料低模量低模量 0.5-5GPa金屬晶體、離子晶體、共價晶體金屬晶體、離子晶體、共價晶體等的變形通常等的變形通常表現(xiàn)為表現(xiàn)為普彈性普彈性，主要的特點是：，主要的特點是：A 應(yīng)變在應(yīng)力作用下瞬時產(chǎn)生，應(yīng)變在應(yīng)力作用下瞬時產(chǎn)生，B 應(yīng)力去除后瞬時消失，應(yīng)力去除后瞬時消失，C 服從虎克定律。服從虎克定律。高分子高分子材料通常表現(xiàn)為材料通常表現(xiàn)為高彈性和粘彈性高彈性和粘彈性（2 2） 有機聚合物的彈性、粘彈性有機聚合物的彈性、粘彈性 (Elasticity and Visco-ela

13、sticity of Polymers)(a) 高彈性高彈性，即，即橡膠彈性橡膠彈性 (rubberlike elasticity) 彈性模量小、形變大彈性模量小、形變大 彈性模量隨溫度升高而上升；彈性模量隨溫度升高而上升； 形變時有熱效應(yīng)，伸長時放熱，回縮時吸熱形變時有熱效應(yīng)，伸長時放熱，回縮時吸熱； 在一定條件下，有明顯的松弛現(xiàn)象。在一定條件下，有明顯的松弛現(xiàn)象。靜態(tài)粘彈性靜態(tài)粘彈性 固定應(yīng)力或應(yīng)變固定應(yīng)力或應(yīng)變 A A 蠕變?nèi)渥? (creep) ) 開爾文開爾文模型（模型（Kelvin model)Kelvin model)并聯(lián)并聯(lián)(b) 粘彈性粘彈性 (viscoelasticity

14、)B 應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛 (stress relaxation) 麥克斯韋麥克斯韋模型模型 (Maxwell model) 串聯(lián)串聯(lián)在應(yīng)力松弛過程中，模量隨時間而減小，稱為松弛模量，在應(yīng)力松弛過程中，模量隨時間而減小，稱為松弛模量， E (t) = (t) / 應(yīng)力（模量）隨時間延長而減小應(yīng)力（模量）隨時間延長而減小周期性、交變應(yīng)力周期性、交變應(yīng)力滯后、內(nèi)耗滯后、內(nèi)耗在周期性應(yīng)力作用下，模量在周期性應(yīng)力作用下，模量 E可采用可采用復(fù)數(shù)復(fù)數(shù)表示式。表示式。 E* = E + i E 內(nèi)耗值內(nèi)耗值 E/E的量度：的量度：tan = E / E tan ，E， E與與頻率的關(guān)系頻率的關(guān)系動態(tài)粘彈性動態(tài)

15、粘彈性 (Dynamic viscoelasticity) （高聚物）（高聚物）（3 3）滯彈性滯彈性 ( (anelasticity)無機固體和金屬與時間有關(guān)的彈性無機固體和金屬與時間有關(guān)的彈性取決于溫度和荷載的頻率取決于溫度和荷載的頻率 （4 4）彈性極限與彈性比功彈性極限與彈性比功 ( (金屬金屬)比例極限比例極限 (proportional limit) 彈性變形時應(yīng)力與應(yīng)彈性變形時應(yīng)力與應(yīng)變嚴(yán)格成變嚴(yán)格成正比正比關(guān)系的上限應(yīng)力關(guān)系的上限應(yīng)力 p = F p / S 0 條件比例極限條件比例極限 tan /tan =150% p50代表材料對極微量塑性變形的抗力代表材料對極微量塑性變形

16、的抗力 彈性比功彈性比功 彈性應(yīng)變能密度。材料吸收變形功而又不發(fā)生永久變形彈性應(yīng)變能密度。材料吸收變形功而又不發(fā)生永久變形的能力的能力 W = /2= 2/2E Plastic (metal slip system and dislocation) viscous flow (glass and polymer) strengthening 兩種基體類型兩種基體類型 晶質(zhì)晶質(zhì)材料材料 塑性流動塑性流動金屬為主金屬為主 晶體一部分相對于另一部分滑動晶體一部分相對于另一部分滑動 非晶質(zhì)非晶質(zhì)材料材料 粘性流動粘性流動高聚物為主高聚物為主 原子集團(tuán)自由調(diào)換位置原子集團(tuán)自由調(diào)換位置大形變、不可逆大形變

17、、不可逆4-1-4 永久形變永久形變（permanent deformation）1 1、塑性流動塑性流動( (Plastic flow)晶質(zhì)材料：外加應(yīng)力超晶質(zhì)材料：外加應(yīng)力超過彈性極限，產(chǎn)生塑性過彈性極限，產(chǎn)生塑性形變。形變。變形機理：變形機理：滑移滑移和和孿生孿生滑移體系滑移體系(slip system)滑移方向、滑移面FIGURE 8.6 (a) A 111110 slip system shown within an FCC unit cell. (b) The (111) plane from (a) and three slip directions (as indicated

18、by arrows) within that plane comprise possible slip systems. 粘性流動的材料對于各種形變方式具有粘性流動的材料對于各種形變方式具有應(yīng)變速率敏感性應(yīng)變速率敏感性 在高于在高于玻璃化溫度玻璃化溫度并受到相當(dāng)大的應(yīng)力時，并受到相當(dāng)大的應(yīng)力時，無機玻璃和熱塑性聚合物無機玻璃和熱塑性聚合物會發(fā)生會發(fā)生原子基團(tuán)原子基團(tuán)持續(xù)的持續(xù)的高粘度狀態(tài)下的熱運動高粘度狀態(tài)下的熱運動 = = 0 0 e e-Q/RT-Q/RT 2 2、粘性流動粘性流動( (Viscous flow)3 3、材料的強化材料的強化( (strengthing of materia

19、ls)取向和交聯(lián)取向和交聯(lián)晶粒尺寸減小強化晶粒尺寸減小強化固溶體強化固溶體強化應(yīng)變強化應(yīng)變強化退火和再結(jié)晶退火和再結(jié)晶4-1-5 強度、斷裂及斷裂韌性強度、斷裂及斷裂韌性（Strength, Fracture and Fracture Toughness of Materials）屈服強度屈服強度屈服強度屈服強度抗張強度抗張強度斷裂是主要破壞形式，韌性是材料抵抗斷裂的能力。斷裂是主要破壞形式，韌性是材料抵抗斷裂的能力。斷裂韌性斷裂韌性 材料抵抗其內(nèi)部裂紋擴展能力的性能指；材料抵抗其內(nèi)部裂紋擴展能力的性能指；沖擊韌性沖擊韌性 材料在高速沖擊負(fù)荷下韌性的度量。二者間材料在高速沖擊負(fù)荷下韌性的度量。

20、二者間存在著某種內(nèi)在聯(lián)系。存在著某種內(nèi)在聯(lián)系。 （1）斷裂和韌性斷裂和韌性 (fracture and toughness)4.1.5.2 斷裂斷裂 (Fracture)構(gòu)件失效(failure)的主要形式之一斷裂斷裂 (Fracture)脆性斷裂分類：脆性斷裂分類： 解理斷裂解理斷裂 準(zhǔn)解理斷裂準(zhǔn)解理斷裂 晶間斷裂晶間斷裂材料延性大小的表征（拉伸）材料延性大小的表征（拉伸）斷裂延伸率斷裂延伸率橫截面積減少率橫截面積減少率 拉伸拉伸 塑性形變塑性形變 頸縮頸縮 試樣橫截面減小試樣橫截面減小延性斷裂對應(yīng)的延性斷裂對應(yīng)的真實應(yīng)力真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線TRUE STRESS AND STRAIN

21、TRUE STRESS AND STRAIN m =(E. s / a 0 )1/2 max =2 f (a/ )1/2 =(E. s / a 0 )1/2 f = .E. s / (4a.a 0 )1/2 c =2E s / ( . a)1/2c = 2E ( s + p ) / ( . a)1/24.1.5.3 理論斷裂強度和脆斷強度理論理論斷裂強度和脆斷強度理論4.1.5.4 斷裂斷裂韌性韌性 (Fracture toughness) 無限寬薄板無限寬薄板 一般情況一般情況 Y-無量綱系數(shù)，裂紋形狀因子無量綱系數(shù)，裂紋形狀因子 KIC-MPa . m1/2 裂紋失穩(wěn)而擴展的裂紋失穩(wěn)而擴展

22、的判據(jù)判據(jù) K KIC臨界應(yīng)力強度因子臨界應(yīng)力強度因子: :4-1-64-1-6、4-1-74-1-7、4-1-8 4-1-8 硬度硬度 摩擦摩擦 疲勞疲勞 硬度的概念硬度的概念、布氏硬度、洛氏和維氏硬度的測試技術(shù)、布氏硬度、洛氏和維氏硬度的測試技術(shù)及區(qū)別，公式及區(qū)別，公式（4-60、4-61、4-62） 粘合摩擦粘合摩擦和磨損機制，材料減摩耐磨的途徑和磨損機制，材料減摩耐磨的途徑 u = S / P m 取決于剪切強度和壓縮強度取決于剪切強度和壓縮強度 疲勞的概念及在工業(yè)中的重要性，疲勞壽命曲線與疲勞的概念及在工業(yè)中的重要性，疲勞壽命曲線與疲疲勞強度勞強度，疲勞斷裂機制，提高材料耐疲勞性的途

23、徑，疲勞斷裂機制，提高材料耐疲勞性的途徑材料抵抗表面形變的能力，抵抗外物壓入。材料抵抗表面形變的能力，抵抗外物壓入。表面硬度同材料的抗張強度、抗壓強度和彈性模量等表面硬度同材料的抗張強度、抗壓強度和彈性模量等性質(zhì)有關(guān)性質(zhì)有關(guān) 測定測定方法：方法： （1 1）壓痕壓痕( (壓力壓力) )硬度法硬度法主要主要表征材料對變形的抗力；表征材料對變形的抗力； 布氏布氏硬度、硬度、 洛氏洛氏硬度硬度 維氏維氏硬度。硬度。 顯微硬度顯微硬度 （2 2）回跳回跳硬度法硬度法表征材料彈性變形功表征材料彈性變形功的大??；的大??；肖氏肖氏硬度硬度 （3 3）刻痕刻痕（刻劃）硬度法（非金屬礦物，（刻劃）硬度法（非金屬

24、礦物，10-10-金剛石）。金剛石）。表征表征材料對破裂的抗力材料對破裂的抗力。莫氏硬度。莫氏硬度4-1-6 硬度硬度（hardness）一些材料的硬度一些材料的硬度陶瓷陶瓷 高硬度高硬度金屬金屬 原子結(jié)構(gòu)、成分原子結(jié)構(gòu)、成分 硬度變化大硬度變化大 鋼鋼高分子高分子 低硬度低硬度決定于材料的固有本性決定于材料的固有本性 化學(xué)鍵強化學(xué)鍵強 材料的硬度一般就高，材料的硬度一般就高， 共價鍵共價鍵 離子鍵離子鍵 金屬鍵金屬鍵 氫鍵氫鍵 范氏鍵范氏鍵 結(jié)構(gòu)愈密結(jié)構(gòu)愈密 分子間作用力愈強的材料其硬度愈高，分子間作用力愈強的材料其硬度愈高， 晶體類型、結(jié)晶與非晶晶體類型、結(jié)晶與非晶 低溫低溫 材料的硬度越

25、高材料的硬度越高影響摩擦系數(shù)的因素影響摩擦系數(shù)的因素： A 兩材料兩材料表面表面的的相對硬度相對硬度 B 兩兩表面表面的凹凸的凹凸不平程度不平程度 C 環(huán)境環(huán)境溫度溫度 D 滑動滑動速度速度 E 高聚物的高聚物的極性極性。4-1-7 摩擦與磨損摩擦與磨損（Friction and Wear） 導(dǎo)致導(dǎo)致機器工作效率和準(zhǔn)確度降低機器工作效率和準(zhǔn)確度降低高分子材料高分子材料的低摩擦系數(shù)與的低摩擦系數(shù)與分子結(jié)構(gòu)分子結(jié)構(gòu)相關(guān)相關(guān)硬質(zhì)硬質(zhì)高分子材料（高分子材料（塑料塑料）的摩擦系數(shù)隨著）的摩擦系數(shù)隨著溫度溫度的上升的上升而增大而增大 橡膠橡膠的摩擦系數(shù)隨著的摩擦系數(shù)隨著溫度溫度的升高而降低的升高而降低。

26、常用常用塑料塑料，除，除PTFEPTFE以外，在以外，在無油無油潤滑時潤滑時與鋼與鋼摩擦摩擦的的摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)均在均在0.3-0.50.3-0.5之間之間。（4）耐磨性評價及磨損試驗方法）耐磨性評價及磨損試驗方法磨損量：評價耐磨性的一個重要的性能指標(biāo)。磨損量：評價耐磨性的一個重要的性能指標(biāo)。1.1. 失重法失重法表示在表示在1000 m1000 m磨損行程上每磨損行程上每cm2cm2面積上的失重面積上的失重mgmg數(shù)。數(shù)。 2. 2. 尺寸法尺寸法用摩擦表面法向尺寸減少來表示。用摩擦表面法向尺寸減少來表示。 磨損量愈小，耐磨性愈高磨損量愈小，耐磨性愈高 （1）疲勞及疲勞強度疲勞及疲勞強度 1

27、. 疲勞疲勞(fatigue） cyclic stressescyclic stresses疲勞壽命疲勞壽命：特定振動下使材料破壞必需的：特定振動下使材料破壞必需的周期數(shù)周期數(shù)。（3）材料的耐疲勞性）材料的耐疲勞性 組成和結(jié)構(gòu)組成和結(jié)構(gòu) 陶瓷陶瓷 不好（脆，表面缺陷或裂紋）不好（脆，表面缺陷或裂紋） 金屬金屬 好，好， 疲疲40%50% 拉拉 高分子高分子 較好，較好， 疲疲20%30% 拉拉 纖維增強的復(fù)合材料纖維增強的復(fù)合材料 高高 疲疲70%80% 拉拉 溫度溫度 T上升上升 疲疲下降下降纖維增強復(fù)合材料纖維增強復(fù)合材料 界面界面有效地有效地阻止裂紋阻止裂紋的擴展，破壞從纖維的薄弱環(huán)節(jié)開

28、始。故復(fù)的擴展，破壞從纖維的薄弱環(huán)節(jié)開始。故復(fù)合材料疲勞破壞前有合材料疲勞破壞前有預(yù)兆預(yù)兆，疲勞極限比較，疲勞極限比較高高。高分子材料高分子材料宏觀疲勞斷裂過程：宏觀疲勞斷裂過程：a（拉應(yīng)力）出現(xiàn)（拉應(yīng)力）出現(xiàn)銀紋銀紋，經(jīng)過一定的周期后，銀紋的數(shù)量和密度達(dá)，經(jīng)過一定的周期后，銀紋的數(shù)量和密度達(dá)到一個極限值；到一個極限值；b 銀紋銀紋發(fā)展開始形成疲勞發(fā)展開始形成疲勞裂紋裂紋；c 裂紋擴展的尖端又形成新的銀紋，這樣裂紋尖端經(jīng)過裂紋擴展的尖端又形成新的銀紋，這樣裂紋尖端經(jīng)過失穩(wěn)失穩(wěn)，疲，疲勞勞裂紋快速發(fā)展裂紋快速發(fā)展，疲勞，疲勞斷裂斷裂 立即發(fā)生。立即發(fā)生。熱物理性能熱物理性能Thermal-phy

29、sical properties熱化學(xué)性能熱化學(xué)性能Thermal-chemical properties熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率thermal conductivity熱容熱容heat capacity熱膨脹熱膨脹thermal expension耐熱性耐熱性heat resistance熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性thermal stability燃燒性燃燒性Combustion4-2 材料的熱性能材料的熱性能(Thermal Performance of Materials)熱物理性質(zhì)熱物理性質(zhì) 不同材料熱物理性能的差異及其與組成和結(jié)構(gòu)的關(guān)不同材料熱物理性能的差異及其與組成和結(jié)構(gòu)的關(guān)系系 材料的導(dǎo)熱機制、公式材

30、料的導(dǎo)熱機制、公式（4-75、4-77） 熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率的定義的定義 = -q/ (d T / d X) Q=tA（T1-T2）/d 熱容和熱容和比熱的定義比熱的定義及其在熱分析技術(shù)中的應(yīng)用，公及其在熱分析技術(shù)中的應(yīng)用，公式式（4-82、4-83） 材料材料熱膨脹熱膨脹的內(nèi)在因素及影響因素，公式的內(nèi)在因素及影響因素，公式（4-87、4-88） 有機高分子材料的有機高分子材料的耐熱性耐熱性（高溫力學(xué)性能）（高溫力學(xué)性能） 比熱容與材料的組成和結(jié)構(gòu)比熱容與材料的組成和結(jié)構(gòu) 金屬金屬 CP 2.11%） 造渣 熔劑 石灰石(CaCO3)錳礦石(脫O、脫S)目的有害雜質(zhì)入渣除去 有益元素進(jìn)入鐵水 鐵的制

31、備 還原反應(yīng)還原反應(yīng)25704343COFeCOOFeC243570322COOFeCOOFeC2570433COFeOCOOFeC2570COFeCOFeOCCO間接還原鐵的制備原理FeO + C = Fe + CO直接還原高爐下部高溫區(qū)進(jìn)行 造渣反應(yīng) 造渣造渣就是加入一定量的熔劑與礦石中脈石和焦炭就是加入一定量的熔劑與礦石中脈石和焦炭中灰分作用，生成一種多氧化物的熔體。中灰分作用，生成一種多氧化物的熔體。造渣過程造渣過程是是一個復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，應(yīng)根據(jù)礦石成分和冶煉要一個復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，應(yīng)根據(jù)礦石成分和冶煉要求，控制熔劑數(shù)量和熔煉過程，促使需要的元素進(jìn)入求，控制熔劑數(shù)量和熔煉過程，促

32、使需要的元素進(jìn)入鐵水，讓有害雜質(zhì)進(jìn)入渣中而除去。鐵水，讓有害雜質(zhì)進(jìn)入渣中而除去。 爐渣的爐渣的成分成分是是CaOCaO、AlAl2 2O O3 3、SiOSiO2 2、和、和MgOMgO。 高爐爐渣可以用作水泥原料和建筑材料，但爐渣高爐爐渣可以用作水泥原料和建筑材料，但爐渣的形成過程對提高高爐冶煉技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有很重要意的形成過程對提高高爐冶煉技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有很重要意義。義。高爐內(nèi)型構(gòu)造高爐內(nèi)型構(gòu)造鐵的制備過程在高爐中進(jìn)行鐵的制備過程在高爐中進(jìn)行90第五章 材料的制備與成型加工 鋼的制備鋼的制備鋼的制備基本原理：鋼的制備基本原理： 所謂鋼的制備實際上是鋼的冶煉或煉鋼。煉鋼就是通過冶煉降低生鐵中的碳

33、和去除有害的雜質(zhì)，再根據(jù)對鋼的成分和性能要求添加適量的合金元素，煉出具有較高強度和塑性韌性或具有持殊性能的鋼。 整個煉鋼過程是氧化和還原過程，關(guān)鍵是清除鋼水中雜質(zhì)，其中最主要的因素是造渣和除渣。91第五章 材料的制備與成型加工 鋼的制備方法鋼的制備方法 鋼的制備方法有純氧頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼，平爐煉鋼和電爐煉鋼，這里主要介紹純氧頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼（LD法）。氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼原料 氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼原料有金屬料(鐵水、生鐵塊、廢鋼、鐵合金)；造渣材料(石灰、螢石和白云石)；氧化劑(氧氣、鐵礦石和氧化鐵皮)；冷卻劑(皮鋼、鐵礦石、氧化鐵皮)；脫氧劑(硅、錳、餡及鐵合金)。制備原理制備原理火法火法煉銅煉銅 在高溫下使銅礦石

34、或含銅原料在高溫下使銅礦石或含銅原料( (精礦、焙燒或燒結(jié)塊精礦、焙燒或燒結(jié)塊) )先熔煉成冰銅，再將其先熔煉成冰銅，再將其吹成粗銅。吹成粗銅。濕法煉銅濕法煉銅 用溶劑浸泡銅礦石，使銅從礦石中用溶劑浸泡銅礦石，使銅從礦石中浸出，再從浸出溶液中將金屬銅析出。浸出，再從浸出溶液中將金屬銅析出。 非鐵合金的制備非鐵合金的制備銅銅的制備的制備 濕法煉銅的溶液由金屬溶質(zhì)和只能溶解金屬而不溶解脈石濕法煉銅的溶液由金屬溶質(zhì)和只能溶解金屬而不溶解脈石的溶劑組成。常用的溶劑有稀硫酸、硫酸鐵溶液及碳酸銨的溶劑組成。常用的溶劑有稀硫酸、硫酸鐵溶液及碳酸銨溶液等。對于含酸性脈石的礦石，使用硫酸或硫酸鐵溶液，溶液等。對

35、于含酸性脈石的礦石，使用硫酸或硫酸鐵溶液，而含有堿性脈石的礦石，宜用碳酸銨溶液。而含有堿性脈石的礦石，宜用碳酸銨溶液。Al2O3的的制備制備 濕堿法：鋁礦石濕堿法：鋁礦石 + NaOH溶液溶液2NaAlO2水溶液水溶液 Al(OH)3 稀釋、過濾、結(jié)晶稀釋、過濾、結(jié)晶 加加Al(OH)3晶核晶核 9501000 煅燒煅燒Al2O3 干堿法：干堿法： 鋁礦石鋁礦石 + CaCO3 + Na2CO3 1100 燒結(jié)燒結(jié) 燒結(jié)塊燒結(jié)塊加水稀釋加水稀釋 沉淀雜質(zhì)沉淀雜質(zhì) NaAlO2水溶液水溶液 通入通入CO2 Al(OH)3 9501000煅燒煅燒Al2O3Al2O3自焙電解自焙電解 900 電解電

36、解 Al3+ + 3e Al陰極、鋁純度達(dá)陰極、鋁純度達(dá)99.7% 2AlO33- 6e Al2O3+ 3/2 O2陽極陽極 鋁的制備鋁的制備 陶瓷的制備原理及方法陶瓷的制備原理及方法5-1-2 無機非金屬材料的制備無機非金屬材料的制備 陶瓷是無機非金屬材料中的一個重要的種類。陶瓷是無機非金屬材料中的一個重要的種類。它是指一定組成配比的礦物原料粉末或化工原料粉它是指一定組成配比的礦物原料粉末或化工原料粉末成型后，經(jīng)特定的工藝使其末成型后，經(jīng)特定的工藝使其致密化致密化，賦予其一定，賦予其一定的強度和密度及其他特殊性能的固體材料。通常陶的強度和密度及其他特殊性能的固體材料。通常陶瓷是一種瓷是一種多晶多相多晶多相的聚集體。的聚集體。 制備過程大體可以分為制備過程大體可以分為備料、成型、饒結(jié)備料、成型、饒結(jié)三大部分。三大部分。 玻璃玻璃其獨特的性能是國民經(jīng)濟(jì)不可缺少的基礎(chǔ)材料其獨特的性能是國民經(jīng)濟(jì)不可缺少的基礎(chǔ)材料典型的典型的非晶態(tài)非晶態(tài)（無定型、亞穩(wěn)態(tài)）結(jié)構(gòu)，（無定型、亞穩(wěn)態(tài)）結(jié)構(gòu)，具有降低內(nèi)能向具有降低內(nèi)能向晶態(tài)轉(zhuǎn)化趨勢晶態(tài)轉(zhuǎn)化趨勢成形加工過程中必須嚴(yán)格控制玻璃生成的熱力學(xué)和動力學(xué)成形加工過程中必須嚴(yán)格控制玻璃生成的熱力學(xué)和動力學(xué)條件，以保證無定型態(tài)條件，以保證無定型態(tài)成形工藝要求：成形工藝要求：熔融態(tài)粘度低；成型后冷卻，定型速熔