材料性能學(xué)1緒論

1材料性能學(xué)袁婷辦公室：躬行樓分析測(cè)試中心電話箱:rabbityt@163.com2材料性能學(xué)時(shí)間：周三3、4節(jié)（單周）周五3、4節(jié)考核方式：考試（S）學(xué)時(shí)：48學(xué)分：3網(wǎng)絡(luò)課程編號(hào)：W126033先修課程：大學(xué)物理、工程力學(xué)、物理化學(xué)、材料學(xué)概論適用專業(yè)：材料科學(xué)與工程4課程性質(zhì)：本課程是材料科學(xué)與工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程。課程任務(wù)：本課程的任務(wù)使學(xué)生掌握材料各種主要性能的基本概念、物理本質(zhì)、化學(xué)變化規(guī)律以及性能指標(biāo)的工程意義，了解影響材料性能的主要因素及材料性能與其化學(xué)成分、工藝、結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，基本掌握提高材料性能的主要途徑。5學(xué)生要求：1上課認(rèn)真聽講,做好筆記,不能缺課。2每次課后進(jìn)行復(fù)習(xí)，登錄網(wǎng)絡(luò)課程下載課件、教案，下次課前查看提問問題。3每章進(jìn)行復(fù)習(xí)，進(jìn)行自測(cè)。并認(rèn)真完成作業(yè)。6考核辦法平時(shí)成績(jī)30%+考試成績(jī)70%平時(shí)成績(jī)：作業(yè)+答題+網(wǎng)絡(luò)課程考試成績(jī)：閉卷考試7一、緒論8一、材料性能研究目的材料性能的研究，既是材料開發(fā)的出發(fā)點(diǎn)，也是其重要?dú)w屬91、材料性能的研究貫穿于整個(gè)人類的文明史石器——陶器——金屬——高分子材料——復(fù)合材料。。。10天然的石塊很難成形陶器——粘土+水制成泥坯，容易成形，燒制后強(qiáng)度提高，但易破碎。金屬的開發(fā)與使用首次較完美地解決了容易成形與堅(jiān)硬這一對(duì)矛盾。金屬也有缺點(diǎn)，如鐵容易生銹，高溫環(huán)境下變軟。塑料可方便地制成薄膜、纖維、多孔質(zhì)體、空心體等形狀的制品,抗腐蝕性強(qiáng)，絕緣。復(fù)合材料綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。在性能上互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)。納米材料、超導(dǎo)材料。。。。天然材料

人造材料112、材料性能決定了材料的用途例、陶瓷材料可制成性、堅(jiān)硬、表面光潔度高；也具有一定的電氣絕緣強(qiáng)度及機(jī)械強(qiáng)度，可作為重要的絕緣材料。新性能磁性：計(jì)算機(jī)記憶元件；光學(xué)性能：光學(xué)元件，如透明陶瓷可用作鈉光燈的燈罩，鈉光燈的發(fā)光效率高且節(jié)能，但若用普通玻璃，則因?yàn)殁c蒸氣的腐蝕作用，而出問題；機(jī)械強(qiáng)度與化學(xué)惰性：仿生陶瓷(人造骨骼，牙齒等)；耐高溫：高溫陶瓷。122、材料性能決定了材料的用途例2、航天飛機(jī)哥倫比亞號(hào)于2003年2月1日在返航途中徹底解體，7名航天員全部遇難。13[美國(guó)《空間飛行》2003年5月8日?qǐng)?bào)道]經(jīng)過3個(gè)月的緊張調(diào)查，美國(guó)“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)事故調(diào)查委員會(huì)(CAIB)在美國(guó)家航空航天局事故調(diào)查組(NAIT)的幫助下，公布了“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)失事原因的初步調(diào)查結(jié)果。外部燃料箱表面脫落的一塊泡沫材料擊中航天飛機(jī)左翼前緣的隔熱瓦。當(dāng)航天飛機(jī)返回時(shí)，經(jīng)過大氣層，產(chǎn)生劇烈摩擦使溫度高達(dá)攝氏1400度的空氣在沖入左機(jī)翼后融化了內(nèi)部結(jié)構(gòu)，致使機(jī)翼和機(jī)體融化，導(dǎo)致了悲劇的發(fā)生。

14航天飛機(jī)左翼升空時(shí)曾遭到從外部燃料貯箱上脫落的泡沫絕緣材料撞擊表面隔熱瓦出現(xiàn)松動(dòng)和破損15隔熱瓦究竟是什么東西呢？制造航天飛機(jī)的主要材料是鋁，離1649℃的耐溫要求差得很遠(yuǎn)。因此必須給它加一個(gè)隔熱層。早期的航天項(xiàng)目，宇宙飛船上加的是可融隔熱層。這種隔熱層因融化而將熱量消耗掉。它給宇宙飛船提供了有效的保護(hù)，缺點(diǎn)是它是一次性的，不能重復(fù)使用。

16美國(guó)航天飛機(jī)一共有8種防熱瓦。低溫重復(fù)使用表面絕熱材料，LRSI；高溫重復(fù)使用表面絕熱材料，HRSI；柔性重復(fù)使用表面絕熱材料，F(xiàn)RSI；高級(jí)柔性重復(fù)使用表面絕熱材料，AFRI；高溫耐熔纖維復(fù)合材料，F(xiàn)RIC—HRSI；增強(qiáng)碳/碳材料，RCC；金屬；二氧化硅織物。這八種每一種的材料是不一樣的。

17LRSI主要的結(jié)構(gòu)叫堿性聚芳酰胺，這個(gè)主要是用在航天飛機(jī)的頂部，它的耐絕熱的溫度能耐394度溫度，這塊的溫度在航天飛機(jī)重返大氣層的溫度是最低。第二種HRSI的成分主要是二氧化硅，四硅化合物，硼-硅酸鹽，它主要是裝在航天飛機(jī)的鼻錐周圍，主體落架艙周圍，鼻錐罩界面，機(jī)翼前緣，外儲(chǔ)箱輸送管路艙門，垂直尾翼前緣。它可以耐648攝氏度到1260攝氏度。第六種是最重要的，即增強(qiáng)碳-碳隔熱板。它可以耐航天飛機(jī)重返大氣層所經(jīng)受的最高溫度。它是把石墨和一種樹脂纖把織成一種紡織品，然后在高度和真空下不斷加熱，最后它可以耐1700攝氏度高溫。183、對(duì)性能的保障決定了材料的工藝人類開發(fā)利用材料是從其性能入手的。根據(jù)對(duì)材料性能上的要求，而探索合適的工藝路線。金屬鐵生銹——不銹鋼194、對(duì)性能的追求決定了材料的發(fā)展集成電路的絕緣基板材料材料的強(qiáng)度、表面光潔度、絕緣性能、熱導(dǎo)性、熱膨脹系數(shù)等材料性能是衡量基板材料好壞的重要指標(biāo)。環(huán)氧樹脂等塑料較好，但導(dǎo)熱性能不好。氧化鋁的導(dǎo)熱性能約為環(huán)氧樹脂的三十倍，故氧化鋁是重要的基片材料。20比氧化鋁導(dǎo)熱性更好的材料：氧化鋁單晶：4倍于氧化鋁，難于加工成薄片形狀碳化硅：約10倍于氧化鋁，硬度高，可精密加工，熱膨脹系數(shù)接近硅。但卻是半導(dǎo)體，致密燒結(jié)困難。（添加氧化鈹熱壓燒結(jié)成導(dǎo)熱性能與絕緣性兼有的致密材料）金剛石是導(dǎo)熱系數(shù)最好的材料，絕緣性也很好，是最理想的絕緣基片材料。穩(wěn)定地供給高純度且具有一定大小的片狀金剛石晶體還有很大困難。21考慮介電常數(shù)如對(duì)于大型計(jì)算機(jī)，還要考慮介電常數(shù)。因?yàn)槿艋牧系慕殡姵?shù)過大，則電子元件上的響應(yīng)時(shí)間就會(huì)變大，從而影響計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。氧化鋁約為9左右，而玻璃為4-6。由此看來，用氧化鋁作基片材料，還存在著許多值得改進(jìn)之處。225、材料性能的研究有助于表征材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)決定了性能，而性能是內(nèi)部結(jié)構(gòu)的某一側(cè)面的體現(xiàn)晶體衍射性能例如：根據(jù)nλ=2dsinθ，利用晶體對(duì)X-ray的衍射圖象，就可以推知晶體中面間距d，進(jìn)而就可以分析晶體的結(jié)構(gòu)。23由上可知：人類開發(fā)利用材料是從其性能入手的。根據(jù)對(duì)材料性能上的要求，而探索合適的工藝路線。在整個(gè)開發(fā)過程中又不斷地研究了材料的結(jié)構(gòu)成分、工藝組織結(jié)構(gòu)性能使用性能成本材料性能的研究——既是材料開發(fā)的出發(fā)點(diǎn)，也是其重要?dú)w屬性能？24二、材料性能的定義

材料性能是一種用于表征材料在給定的外界條件下的行為。

材料性能是表征材料相應(yīng)行為發(fā)生程度的參數(shù)或指標(biāo)。25三、材料性能的宏觀表征外參量?jī)?nèi)參量行為輸入值或輸出值的終態(tài)值輸入值或輸出值的某一時(shí)刻中間值輸入值與輸出值的聯(lián)系26

有多少行為，就對(duì)應(yīng)地有多少性能。例如：外力作用下的拉伸行為——屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度等力學(xué)性能。材料在外磁場(chǎng)作用下磁化及退磁行為——矯頑力、剩余磁感、貯藏的磁能等磁學(xué)性能。27

外界條件不同，相同的材料也會(huì)有不同的性能。例如雖然“斷裂強(qiáng)度”的臨界條件是斷裂，不少的外界條件可以影響斷裂行為：溫度升高到熔點(diǎn)的40--50%以上──蠕變斷裂強(qiáng)度；反復(fù)的交變載荷──疲勞斷裂強(qiáng)度；特定的化學(xué)介質(zhì)等──腐蝕斷裂強(qiáng)度。28

性能必須量化。多數(shù)的性能都有量綱，在學(xué)習(xí)過程中尤其要注意。29四、材料性質(zhì)的微觀本質(zhì)宏觀行為

性能內(nèi)在因素外在因素中心任務(wù)！30現(xiàn)象與本質(zhì)不同行為——現(xiàn)象，材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)——本質(zhì)材料機(jī)械性能——晶體缺陷理論材料的電、磁、光、熱現(xiàn)象的物理性能——電子論下得到物理本質(zhì)的統(tǒng)一。固體材料的各種性能——固體物理和固體化學(xué)腐蝕和氧化、摩擦和磨損、晶體外延生長(zhǎng)與離子注入、催化和表面反應(yīng)等——與材料的表面層原子有關(guān)31材料工程師側(cè)重于表象規(guī)律的建立，其主要職責(zé)是“如何做?”，而材料科學(xué)家側(cè)重于探尋現(xiàn)象的機(jī)理，其主要職責(zé)是回答“為什么?”。其結(jié)合可較好地解決“現(xiàn)象與本質(zhì)”問題。32五、材料性能的影響因素外因溫度介質(zhì)氣氛載荷形式試樣尺寸、形狀33五、材料性能的影響因素內(nèi)因原子結(jié)構(gòu)凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)-性能的關(guān)系34六、材料性能研究a)材料性能的劃分是研究分類的產(chǎn)物各種性能間既有區(qū)別，又有聯(lián)系復(fù)雜性能是不同簡(jiǎn)單性能的組合簡(jiǎn)單性能也會(huì)聯(lián)系到其它性能材料的高溫蠕變強(qiáng)度：既是力學(xué)性能，又聯(lián)系到熱學(xué)性能材料的應(yīng)力腐蝕：既是化學(xué)問題，又是力學(xué)問題；反射率是光學(xué)性能，又與金屬表面的化學(xué)穩(wěn)定性有關(guān)35b)研究材料性能時(shí),還要注意性能的復(fù)合與轉(zhuǎn)換物理現(xiàn)象之間的轉(zhuǎn)換是相當(dāng)普遍的，近年來提出了相乘效應(yīng)：即，若對(duì)材料A施加X作用，可得到Y(jié)效果，則這個(gè)材料具有X/Y性能，如：壓電性能中X為壓力，Y為電位差：若材料B具有Y/Z性能，則A與B復(fù)合之后具有X/Z新性能，(X/Y)?(Y/Z)=(X/Z)36A組元性能(X/Y)B組元性能(Y/Z)AB復(fù)合材料性能(X/Z)壓電性場(chǎng)致發(fā)光壓力發(fā)光磁致伸縮壓阻性磁阻效應(yīng)磁致伸縮壓電性磁電效應(yīng)熱脹變形形敏電阻熱阻控制效應(yīng)37c)

性能的發(fā)展與改造“工藝─→結(jié)構(gòu)─→性能”這條路線去控制或改造性能，即工藝決定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)決定性能。應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的可變性以及敏感性有些結(jié)構(gòu)難于改變；性能對(duì)于結(jié)構(gòu)（晶體的缺陷、畸變、第二相的數(shù)量、大小和分布等）有不同的敏感性，結(jié)構(gòu)敏感性的性能——電導(dǎo)率、屈服強(qiáng)度、矯頑力等；非結(jié)構(gòu)敏感性性能——熔點(diǎn)、彈性模量、磁飽和等。成分固定時(shí)，企圖用工藝去改變非結(jié)構(gòu)敏感性性能，是徒勞無功的。38課程主要內(nèi)容１）材料的力學(xué)性能：材料在靜載條件下的力學(xué)性能、沖擊韌性、斷裂韌性、疲勞性能、磨損性能，以及高溫力學(xué)性能等；２）材料的物理性能：材料的熱學(xué)性能、磁學(xué)性能、電學(xué)性能、光學(xué)性能、壓電及鐵電性能等；３）材料的腐蝕及老化性能等。39周次起止日期講課內(nèi)容分章和分節(jié)的名稱課時(shí)數(shù)012.25前言201-032.27-3.11第一章材料的常規(guī)力學(xué)性能603-043.13-3.18第二章材料的變形4053.25-3.27第三章材料的斷裂406-074.01-4.08第四章材料的疲勞407-094.10-4.22第五章材料在不同環(huán)境下的力學(xué)性能609-104.24-4.29第六章材料的熱學(xué)性能4115.6-5.8第七章磁學(xué)性能