材料性能學1緒論

1材料性能學袁婷辦公室：躬行樓分析測試中心電話箱:rabbityt@163.com2材料性能學時間：周三3、4節(jié)（單周）周五3、4節(jié)考核方式：考試（S）學時：48學分：3網絡課程編號：W126033先修課程：大學物理、工程力學、物理化學、材料學概論適用專業(yè)：材料科學與工程4課程性質：本課程是材料科學與工程專業(yè)的專業(yè)基礎課程。課程任務：本課程的任務使學生掌握材料各種主要性能的基本概念、物理本質、化學變化規(guī)律以及性能指標的工程意義，了解影響材料性能的主要因素及材料性能與其化學成分、工藝、結構之間的關系，基本掌握提高材料性能的主要途徑。5學生要求：1上課認真聽講,做好筆記,不能缺課。2每次課后進行復習，登錄網絡課程下載課件、教案，下次課前查看提問問題。3每章進行復習，進行自測。并認真完成作業(yè)。6考核辦法平時成績30%+考試成績70%平時成績：作業(yè)+答題+網絡課程考試成績：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，也是其重要歸屬91、材料性能的研究貫穿于整個人類的文明史石器——陶器——金屬——高分子材料——復合材料。。。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硬這一對矛盾。金屬也有缺點，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、多孔質體、空心體等形狀的制品,抗腐蝕性強，絕緣。復合材料綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。在性能上互相取長補短，產生協同效應。納米材料、超導材料。。。。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、堅硬、表面光潔度高；也具有一定的電氣絕緣強度及機械強度，可作為重要的絕緣材料。新性能磁性：計算機記憶元件；光學性能：光學元件，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，則因為鈉蒸氣的腐蝕作用，而出問題；機械強度與化學惰性：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、航天飛機哥倫比亞號于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《空間飛行》2003年5月8日報道]經過3個月的緊張調查，美國“哥倫比亞”號航天飛機事故調查委員會(CAIB)在美國家航空航天局事故調查組(NAIT)的幫助下，公布了“哥倫比亞”號航天飛機失事原因的初步調查結果。外部燃料箱表面脫落的一塊泡沫材料擊中航天飛機左翼前緣的隔熱瓦。當航天飛機返回時，經過大氣層，產生劇烈摩擦使溫度高達攝氏1400度的空氣在沖入左機翼后融化了內部結構，致使機翼和機體融化，導致了悲劇的發(fā)生。

14航天飛機左翼升空時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松動和破損15隔熱瓦究竟是什么東西呢？制造航天飛機的主要材料是鋁，離1649℃的耐溫要求差得很遠。因此必須給它加一個隔熱層。早期的航天項目，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，缺點是它是一次性的，不能重復使用。

16美國航天飛機一共有8種防熱瓦。低溫重復使用表面絕熱材料，LRSI；高溫重復使用表面絕熱材料，HRSI；柔性重復使用表面絕熱材料，FRSI；高級柔性重復使用表面絕熱材料，AFRI；高溫耐熔纖維復合材料，FRIC—HRSI；增強碳/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主要的結構叫堿性聚芳酰胺，這個主要是用在航天飛機的頂部，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的鼻錐周圍，主體落架艙周圍，鼻錐罩界面，機翼前緣，外儲箱輸送管路艙門，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，即增強碳-碳隔熱板。它可以耐航天飛機重返大氣層所經受的最高溫度。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。根據對材料性能上的要求，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度、表面光潔度、絕緣性能、熱導性、熱膨脹系數等材料性能是衡量基板材料好壞的重要指標。環(huán)氧樹脂等塑料較好，但導熱性能不好。氧化鋁的導熱性能約為環(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，熱膨脹系數接近硅。但卻是半導體，致密燒結困難。（添加氧化鈹熱壓燒結成導熱性能與絕緣性兼有的致密材料）金剛石是導熱系數最好的材料，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考慮介電常數如對于大型計算機，還要考慮介電常數。因為若基片材料的介電常數過大，則電子元件上的響應時間就會變大，從而影響計算機的運算速度。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之處。225、材料性能的研究有助于表征材料的內部結構結構決定了性能，而性能是內部結構的某一側面的體現晶體衍射性能例如：根據nλ=2dsinθ，利用晶體對X-ray的衍射圖象，就可以推知晶體中面間距d，進而就可以分析晶體的結構。23由上可知：人類開發(fā)利用材料是從其性能入手的。根據對材料性能上的要求，而探索合適的工藝路線。在整個開發(fā)過程中又不斷地研究了材料的結構成分、工藝組織結構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，也是其重要歸屬性能？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行為發(fā)生程度的參數或指標。25三、材料性能的宏觀表征外參量內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刻中間值輸入值與輸出值的聯系26

有多少行為，就對應地有多少性能。例如：外力作用下的拉伸行為——屈服強度、抗拉強度、斷裂強度等力學性能。材料在外磁場作用下磁化及退磁行為——矯頑力、剩余磁感、貯藏的磁能等磁學性能。27

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

性能必須量化。多數的性能都有量綱，在學習過程中尤其要注意。29四、材料性質的微觀本質宏觀行為

性能內在因素外在因素中心任務！30現象與本質不同行為——現象，材料的內部結構——本質材料機械性能——晶體缺陷理論材料的電、磁、光、熱現象的物理性能——電子論下得到物理本質的統一。固體材料的各種性能——固體物理和固體化學腐蝕和氧化、摩擦和磨損、晶體外延生長與離子注入、催化和表面反應等——與材料的表面層原子有關31材料工程師側重于表象規(guī)律的建立，其主要職責是“如何做?”，而材料科學家側重于探尋現象的機理，其主要職責是回答“為什么?”。其結合可較好地解決“現象與本質”問題。32五、材料性能的影響因素外因溫度介質氣氛載荷形式試樣尺寸、形狀33五、材料性能的影響因素內因原子結構凝聚態(tài)結構組織結構結構-性能的關系34六、材料性能研究a)材料性能的劃分是研究分類的產物各種性能間既有區(qū)別，又有聯系復雜性能是不同簡單性能的組合簡單性能也會聯系到其它性能材料的高溫蠕變強度：既是力學性能，又聯系到熱學性能材料的應力腐蝕：既是化學問題，又是力學問題；反射率是光學性能，又與金屬表面的化學穩(wěn)定性有關35b)研究材料性能時,還要注意性能的復合與轉換物理現象之間的轉換是相當普遍的，近年來提出了相乘效應：即，若對材料A施加X作用，可得到Y效果，則這個材料具有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復合材料性能(X/Z)壓電性場致發(fā)光壓力發(fā)光磁致伸縮壓阻性磁阻效應磁致伸縮壓電性磁電效應熱脹變形形敏電阻熱阻控制效應37c)

性能的發(fā)展與改造“工藝─→結構─→性能”這條路線去控制或改造性能，即工藝決定結構，結構決定性能。應考慮結構的可變性以及敏感性有些結構難于改變；性能對于結構（晶體的缺陷、畸變、第二相的數量、大小和分布等）有不同的敏感性，結構敏感性的性能——電導率、屈服強度、矯頑力等；非結構敏感性性能——熔點、彈性模量、磁飽和等。成分固定時，企圖用工藝去改變非結構敏感性性能，是徒勞無功的。38課程主要內容１）材料的力學性能：材料在靜載條件下的力學性能、沖擊韌性、斷裂韌性、疲勞性能、磨損性能，以及高溫力學性能等；２）材料的物理性能：材料的熱學性能、磁學性能、電學性能、光學性能、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容分章和分節(jié)的名稱課時數012.25前言201-032.27-3.11第一章材料的常規(guī)力學性能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)境下的力學性能609-104.24-4.29第六章材料的熱學性能4115.6-5.8第七章磁學性能