材料科学与人类文明-第5章

《材料科学与人类文明-第5章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料科学与人类文明-第5章（58页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、,材料科学与人类文明 第五章 材料性能基础,材料性能,物理性能：密度、熔点、热、电、光、磁 化学性能：抗氧化、耐蚀性、催化性、生物相容性 力学性能：弹性、强度、韧性、硬度、疲劳、耐磨性、高温力学性能 调控材料力学性能的主要方法 金属材料， 强化(塑性变形、细化晶粒、合金化、热处理) 无机非金属材料，增强增韧 高分子材料， 增强与改性,材料在给定条件下的行为,不同组织下，Fe-0.45 wt% C性能完全不同,铁素体(F)+珠光体(P)：较软、韧,马氏体(C原子在-Fe中的过饱和固溶体)：较硬、脆,材料的物理性能,热学性能：热容、热传导、热膨胀、热辐射、耐热性 电学性能：导电、介电、铁电、压电

2、光学性能：光的透过、吸收和反射；荧光性 磁学性能：铁磁、顺磁、抗磁,表征材料从周围环境吸收热量的能力，表示1 mol物质温度升高1 K所吸收的热量,材料的热学性能,热容,热传导,由于温差而发生的、材料相邻部分间的能量迁移,3种热传导方式 金属的热传导 自由电子传导 热导率较高(20400 W/m-K) 无机非金属的热传导晶格振动传导 良好的绝热材料(热导率2-50 W/m-K) 高分子的热导率 分子或链段传导 热导率低，可用作绝热材料,热膨胀,热膨胀系数温度变化1 K，单位长度(线膨胀系数l)或体积(体积膨胀系数v)变化量,主要取决于原子(或分子、链段)间结合力； 结合力越大，热膨胀系数越低,

3、材料的物理性能,热应力,约束热胀冷缩，引起热应力 加热时，Tf T0， 0，为拉伸应力,材料内部温度梯度，引入热应力 急冷时，外部冷得快，尺寸收缩较快，被内部阻碍而在外部产生拉应力，在内部产生压应力,材料的热学性能,温度变化在材料内部引入的应力，导致断裂或塑性变形,热冲击,抗热冲击性(TSR)材料抵抗由于热冲击引起的脆性断裂的能力 提高TSR的简单有效的方法：降低热膨胀系数 例如，普通玻璃 l=910-6 K-1； 耐热玻璃 l=310-6 K-1,塑性材料，热应力导致塑性变形 脆性材料，热应力导致脆性断裂,材料的物理性能,欧姆定理：,电导率：,电导率载流子密度n 迁移率 电子迁移率，反映电子

4、迁移的难易程度,材料的电学性能,材料的物理性能,金属键结合的材料 载流子为价电子，密度高，迁移容易，电导率高,共价键结合的材料(半导体或绝缘体材料) 须打开共价键后电子才能迁移，电导率低,离子键结合的材料 载流子为整个离子，通过离子扩散导电,材料的电学性能,材料的物理性能,金属： 105 -1 m-1,半导体：10-6 105 -1 m-1,绝缘体： 10-6 -1 m-1,理想晶格,高温加热晶格,含缺陷晶格,固溶强化极大缩短电子自由程，提高导电性 时效强化、弥散强化降低导电性，不如固溶强化明显 形变强化、细晶强化对导电性影响很小,材料的电学性能,温 度、晶格缺陷,电线、电缆所用材料主要是铜、

5、铝及其合金 铜导电材料大都采用电解铜，含铜99.9799.98%，含少量金属杂质和氧 杂质、氧会降低电导率 无氧铜抗腐蚀，适合海底同轴电缆的外部软线,铝导线电导率低，比重为铜的1/3 主要用做送电线、配电线 160KV以上的高压电线，往往用钢丝增强的铝电缆或铝合金线,材料的物理性能,金属导电性的影响因素,导电条件 1）离子在晶格中运动需要克服周围势垒 2）附近有接纳离子的空位,材料的电学性能,离子晶体电导,许多电阻元件是用无机非金属材料做的 包括高电导氧化物(=105-106Sm-1)，如RuO2、Bi2Ru2O7、Bi2Ir2O7 陶瓷压敏电阻材料(如ZnO)，低电压时电阻大 电压超过某个值

6、后，电阻突然变小 可用于电路暂态保护 ZnO晶粒大小不均匀，可相差10倍 低压下，晶界电阻高，相当于绝缘势垒，使整体显示高电阻 电压临界值，晶界处离子被激活，参与导电，电阻值下降,材料的物理性能,载流子：离子,单原子中，电子占据不同的能级 在固体材料中， 不同原子的能级叠合，构成一个未满的导带(能带) 基态时，低能量的能带先被占据，逐步向上填 电场作用下，电子从价带跃迁到导带，金属导电,Na: 1s22s22p23s1,只要存在未充满的导带，电场作用下电子就会定向流动，使材料导电,材料的电学性能,能带理论,材料的物理性能,能带特征 绝缘体满带、导带间有很宽的禁带 半导体禁带宽度较小(本征半导体

7、)，或存在杂质能级(杂质半导体) 导 体满带和导带相连，无禁带,由价电子所填充的带，为价带 满带 价带中所有状态都被价电子占满 导带 未被占满的价带 空带 没有电子的能带 满带中的电子，对导电无贡献 导带中的电子，对导电有贡献,材料的电学性能,材料的物理性能,导体、半导体、绝缘体的能带结构,Si、Ge禁带宽度较小(1ev)，一些电子有足够的热能从满带跳跃到导带 在满带留下空穴，在导带产生个电子 外加电压作用下，电子向正极、空穴向负极运动,电阻介于导体、绝缘体之间,材料的电学性能,本征半导体,n型半导体 Si、Ge中掺少量五价元素(P、Sb、Bi)，多出一个价电子，在导带附近形成杂质能级，电子易

8、跃迁到导带,p型半导体 Si、Ge中掺少量低价元素(Al)，在满带附近形成杂质能级，电子从满带跃迁到杂质能级，在满带中留下空穴，以空穴导电,掺杂半导体,化学计量比半导体：常为金属间化合物。晶体结构、能带结构与Si、Ge类似 非化学计量比半导体：阳离子(n型)或阴离子(p型)过量,禁带宽度(ev),半导体化合物,材料的物理性能,1957，美国物理学家巴丁、库柏、施里弗提出金属超导理论(BCS理论)，获1972诺贝尔物理奖,材料的电学性能,超导体,永磁环,超导态(c)，电子不是单个运动，而是一对对地存在(称为库柏对) 结合紧密的电子对的运动，不受晶格作用的阻碍，出现超导态,材料的物理性能,临界超导

9、温 度Tc：T Tc时，出现零电阻、迈斯纳效应 临界磁场强度Hc：破坏超导态(T Tc)的最小磁场强度 临界电流密 度Jc：保持超导态的最大输入电流密度,一些材料的Tc值,材料的电学性能,超导体,3个性能指标,零电阻效应(完全导电性),迈斯纳效应(完全抗磁性),2个基本特征,磁悬浮列车,应用,材料的物理性能,介电材料的满带和导带间存在大能隙，电阻率高 应用于绝缘材料和电容器,材料的电学性能,介电性能,产生介电作用的原因:极化,材料的物理性能,电容率，表征材料极化和储存电荷的能力 介电常数(相对电容率)= /0。真空电容率0 =8.8510-12 F/m 介电强度(击穿电压)极板间可维持的最大电

10、场强度 介电损耗 在每次交变电场中，材料所损失的能量(以热能形式消耗)占的分数,电容器材料 高介电常数 高介电强度 低介电损耗,材料的电学性能,介电性能,绝缘体 低介电常数避免电荷在绝缘体中积聚 高介电强度防止高电压下被击穿 低介电损耗避免能量损失 高电 阻 率防止电流泄漏,材料的物理性能,红外线(800 nm) 可见光(400-800 nm) 紫外线(400 nm),材料对光的反射、吸收和透射,材料对光波的作用与能带结构有关,材料的光学性能,光学性能,材料的物理性能,金属不发光 价带与导带重叠 吸收光后，发射的光子能量很小，对应波长在可见光范围内,荧光材料发光时间10-8 s 价带电子受激跃

11、迁到导带，但不稳定，很快返回满带，同时释放光子,磷光材料发光时间10-8 s 杂质引入施主能级 价带电子受激跃迁到导带，先落入施主能级，停留一段时间后逃脱陷阱，再返回价带，同时释放出光子,应 用：荧光灯、夜光表、彩色电视机、数字显示管等 激发源：电子射线、紫外线、X射线、光波等,材料的光学性能,材料的发光,材料的物理性能,也称机械性能，是材料抵抗外力作用所引起的变形和断裂的能力 包括：强度(Strength) 硬度(Hardness) 塑性(Ductility) 韧性(Toughness) 耐磨性(Wear resistance) 影响因素 内因材料的成分、显微组织、应力状况 外因载荷大小种类

12、、加载速率、环境温度、介质,材料的力学性能,材料的力学性能,几类典型载荷,材料的力学性能,应力受外加载荷作用时，材料单位面积的内力 应变()单位长度(面积)上的伸长(收缩),材料的力学性能,应力、应变,材料的力学性能,材料静拉伸试验,静拉伸载荷作用下，塑性材料变形分3个阶段 弹性变形 塑性变形 (加工硬化) 断裂,弹性模量 抵抗弹性变形的能力 正切弹性模量：E = tan = / (虎克定理) 对组织不敏感，取决于原子性质、晶格类型 反映原子间作用力大小 原子间作用力大，弹性模量大 熔点越高，弹性模量越大 原子间距增大，弹性模量减小 温度升高，弹性模量减小 弹性极限e 由弹性变形过渡到塑性变形

13、的应力 一般规定，以产生一定残余伸长(如0.01%)时的应力 为弹性极限，记为0.01 弹 性e 可回复的最大变形量 弹性比功e 材料吸收弹性变形功的能力,可完全回复的变形,弹性变形特点 变形可完全回复 变形量小,材料的力学性能,弹性变形,弹性模量熔点关系,材料的力学性能,一些材料的弹性模量(GPa),弹性模量,应力-应变关系非线性 通过原子价键的断开、重排实现(晶体材料，通过滑移和孪生方式实现),材料的力学性能,塑性变形,不可逆的变形,通过位错运动实现，只在少数晶面间发生切向滑动，塑变不均匀,变形使位错密度增加，互相缠结，位错运动越来越困难,经缀饰的位错网络,滑移,孪生,滑移系少，或环境温度

14、低，位错不易进行，以孪生方式实现塑性变形 不改变晶体类型，但使切变区中的晶体变为与未切变区晶体呈镜面对称的取向,一部分相对于另一部分沿一定的晶面、晶向作均匀切向移动,塑性变形后，晶粒拉长，晶格变形 位错增殖缠结，阻碍位错运动，使材料强度增加、塑性降低,材料的力学性能,冷变形，产生纤维组织，材料各向异性,塑性变形,加工硬化(形变强化),冷变形金属的回复、再结晶,塑性变形,再结晶加热冷变形金属至适当温度，变形组织内部出现等轴晶粒 强度降低、塑性提高，加工硬化消除,回 复低温加热，冷变形金属显微组织无可见变化，性能部分恢复 位错减少，形成亚晶粒，内应力消失，但保持加工硬化效果,冷变形后的Cu,350

15、C 再结晶,500C 再结晶,800C 再结晶,T回(0.250.30)T熔,T再0.40T熔,屈 服 强 度s 开始产生塑性变形的应力 条件屈服强度s 产生0.2%残余变形的应力,材料的力学性能,s,屈服强度： 0.2%残余变形,屈服点： 开始偏离弹性区,上屈服点,下屈服点(屈服强度),屈服强度、条件屈服强度,低碳钢,抗拉强度(强度极限，UTS)b断裂前承受的最大应力 断裂强度K样断裂时的应力,抗拉强度、断裂强度,强度指标：s、b (UTS)、K 凡是阻碍位错运动的因素，都提高材料强度！,b,s,延伸率K试样拉断后，长度的相对伸长量 断面收缩率K试样拉断后，截面的相对收缩值,一般规定 延伸率 5%：塑性,材料的力学性能,塑性,零件的尺寸、形状，或材料的组织、性能发生变化，不能完满地完成指定的功能 常见的失效形式有变形失效、断裂失效、表面损失失效、老化失效,材料的力学性能,失效,弹性变形失效 不恰当的弹性变形量导致失效 增加零件截面 采用弹性模量高的材料 防止超载 塑性变形失效 外加应力 屈服极限时，发生塑性变形(永久变形) 采用屈服强度高的材料 进行合理的热处理 防止超载,防止措施,防止措施,变形失效,断裂失效 断裂而产生的失效,按断口宏观形貌 分为韧性断裂、脆性断裂 按断裂模式 分为穿晶断裂、沿晶断裂 按断裂机制