材料基础第十二章马志鹏2
第十二章、材料表征与分析
strained indivitual dots, relaxed dots in a buried layer
/douglas.paul/SiGe/split.html
Henry Radamson
6
GeSn alloy and its application
Intravalley scattering when the final position of the electron in E-K space are in the same valley otherwise intervalley scattering occurs when the electron’s final position is in different valleys. Alloy scattering: periodic potential is distorted by alloying Deformation potential scattering: when the acoustic phonons changes the position of lattice atom leading to conduction and valence band edge is varied. Pizzo electric scattering: If the atoms in the crystal can be ionized by acoustic phonons Carrier-carrier scattering: when the electron collide with each other and is significant ND > 1017 cm-3
Si (tensile) on relaxedSiGe
2024年《复合材料概论》课件0222.
2024年《复合材料概论》课件0222.一、教学内容本节课我们将学习《复合材料概论》教材的第十二章——复合材料的力学性能。
详细内容主要包括复合材料的基本力学概念、复合材料的弹性常数、复合材料的强度及其影响因素、复合材料力学性能的优化设计等。
二、教学目标1. 理解复合材料的基本力学概念，掌握复合材料的弹性常数及其计算方法。
2. 了解复合材料的强度及其影响因素，学会复合材料力学性能的优化设计。
3. 培养学生的实际应用能力，使学生能够将所学知识运用到实际工程中。
三、教学难点与重点难点：复合材料的弹性常数计算、复合材料力学性能的优化设计。
重点：复合材料的基本力学概念、复合材料的强度及其影响因素。
四、教具与学具准备1. 教具：多媒体课件、黑板、粉笔。
2. 学具：教材、笔记本、计算器。
五、教学过程1. 导入：通过展示复合材料在实际应用中的图片，引起学生对复合材料力学性能的兴趣。
2. 知识讲解：（1）复合材料的基本力学概念。
（2）复合材料的弹性常数及其计算方法。
（3）复合材料的强度及其影响因素。
（4）复合材料力学性能的优化设计。
3. 例题讲解：讲解一道关于复合材料弹性常数计算的例题，引导学生掌握计算方法。
4. 随堂练习：让学生计算一道关于复合材料强度的题目，巩固所学知识。
5. 课堂讨论：针对复合材料力学性能的优化设计，引导学生展开讨论，培养学生的创新思维。
六、板书设计1. 板书左侧：列出复合材料的基本力学概念、弹性常数、强度及其影响因素。
2. 板书右侧：展示复合材料力学性能优化设计的流程图。
七、作业设计1. 作业题目：（1）计算给定复合材料的弹性常数。
（2）分析影响复合材料强度的因素，并提出优化方案。
2. 答案：（1）根据教材公式计算得出。
（2）结合教材内容，给出合理分析及优化方案。
八、课后反思及拓展延伸2. 拓展延伸：（1）了解复合材料在其他领域的应用，如航空航天、汽车制造等。
（2）学习复合材料的新进展，如纳米复合材料、生物复合材料等。
赵品《材料科学基础教程》(第3版)笔记和课后习题(含考研真题)详解 第12章 陶瓷材料【圣才出品】
第12章陶瓷材料12.1复习笔记一、陶瓷概述（1）陶瓷①定义传统上“陶瓷”是陶器与瓷器的总称。
后来，发展到泛指整个硅酸盐材料，包括玻璃、水泥、耐火材料、陶瓷等。
②分类陶瓷一般归纳为：工程陶瓷和功能陶瓷。
（2）新型无机材料新型无机材料是指在传统硅酸盐材料的基础上，用无机非金属物质为原料，经粉碎、配制、成型和高温烧结制得的无机材料，如功能陶瓷，特种玻璃，特种涂层等。
（3）新型无机材料与传统硅酸盐材料的比较①从组成上看新型无机材料的组成远远超过硅酸盐的范围，除氧化物和含氧酸盐之外，还有碳化物、氮化物、硼化物、硫化物及其他盐类和单质。
②从性能上看a．新型无机材料不仅具有熔点高，硬度高，化学稳定性好，耐高温，耐磨损等优点；b．一些特殊陶瓷还具有一些特殊性能，如介电性、压电性、铁电性、半导性、软磁性、硬磁性等。
二、陶瓷材料的典型结构陶瓷是指由金属（类金属）和非金属元素之间形成的化合物。
这些化合物的结合键主要是离子键或共价键。
1．离子晶体陶瓷结构（1）分类①NaCl型结构：MgO、NiO、FeO等；②CaF2型结构：等；③刚玉型结构：等；④钙钛矿型结构：。
（2）刚玉型结构（如图12-1-1所示）图12-1-1Al2O3晶体结构刚玉型结构中每晶胞有6个氧离子、4个铝离子。
其中：①氧离子占密排六方结点位置，铝离子配置在氧离子组成的八面体间隙中，但只填2/3如图12-1-1（b）所示；②铝离子的排列要满足铝离子之间的间距最大，因此每三个相邻的八面体间隙，就有一个是有规律地空着，如图12-1-1（a）所示。
（3）钙钛矿型结构（如图12-1-2所示）图12-1-2钙钛矿结构钙钛矿型结构中每个晶胞中有1个钛离子、1个钙离子、3个氧离子。
其中：①原子半径较大的钙离子与氧离子作立方最密堆积；②半径较小的钛离子位于氧八面体间隙中，构成钛氧八面体[TiO6]。
钛离子只占全部八面体间隙的1/4。
2．共价晶体陶瓷结构共价晶体陶瓷多属金刚石结构。
同济大学材料力学考研题解_第十二章
12-8 ................................................................................................................................................................5
12-33 ............................................................................................................................................................23
12-34 ............................................................................................................................................................24
(也可通过左侧的题号书签直接查找题目与解)
12-2 图示变宽度平板，承受轴向载荷 F 作用。试计算板件的总伸长。板件的厚度为 δ ，
长度为 l，左、右端的截面宽度分别为 b1 与 b2，材料的弹性模量为 E。
解：由题图可知，
题 12-2 图
1
A(x)
=δBiblioteka b1+b2
− l
b1
x
σ (x) =
F
12-26 ............................................................................................................................................................17
《材料成型基本原理》刘全坤版 第12章1
如 密排立方（锌、镁）—— 常温、慢速拉伸 体心立方（α铁） —— 室温、冲击载荷 或 低温、不太大的变形速率 面心立方（纯铜） —— 特别低的温度（-230℃） 注：孪生变形引起的变形量是较小的，因此，晶体的塑 性变形主要依靠滑移变形。
（二）晶间变形
晶间变形的方式包括晶粒间的相互滑动和转动。 在外力的作用下，当沿晶界处的切应力足以克服晶粒相 互滑动的阻力时，晶粒间发生相互滑动。 多晶体变形的不均匀性使得在相邻的晶粒间产生了力偶， 造成晶粒间的相互转动。 晶粒相对转动的结果可使已发生滑移的晶粒逐渐转到位 向不利的位置而停止滑移，而使另外一些晶粒转至有 利的位向而发生滑移。
三、合金的塑性变形
合金具有纯金属不可比拟的力学性能和特殊的物理、 化学性能。 合金的相结构有两大类： 固溶体（如钢中的铁素体） 化合物（钢中的Fe3C）。 常见的合金组织有两大类： 单相固溶体合金 两相或多相合金
（一）单相固溶体合金的塑性变形
单相固溶体合金的塑性变形与多晶体纯金属相似，也是 滑移和孪生，变形时同样受到相邻晶粒的影响。 但溶质原子溶入后，使其塑性变形抗力增大，合金强度、 硬度提高而塑性、韧性下降，并有较大的加工硬化率。 这种现象叫做固溶强化。 是由溶质原子阻碍金属中的位错运动引起的。
2．孪生
孪生变形：在切应力的作用下，晶体的变形部分与未变 形部分形成以孪晶面为分界面成镜面对称的位向关系 孪生变形所需的切应力大于滑移变形时所需的切应力。 所以，滑移是优先发生的变形方式。 发生孪生变形的条件主要与晶体结构、变形温度和变形 速度有关：密排立方和体心立方的金属易发生孪生变 形，一般在冲击载荷和较低温度下易发生孪生变形。
1．静态回复
在回复阶段，金属的强度、硬度有所下降，塑性、韧性 有所提高；但显微组织没有发生明显的变化，因为在回复温 度范围内，原子只在晶内作短程扩散，使点缺陷和位错发生 运动，改变了数量和状态的分布。 低温回复（0.1～0.3）Tm时，回复的主要机理是点缺陷运 动和互相结合，使点缺陷的浓度下降。 中温回复（0.3～0.5）Tm时，位错发团内部位错重新组合 和调整、位错运动和异号位错互毁，导致位错发团厚度变薄， 位错网络清晰，晶界位错密度下降，亚晶缓慢长大。 高温回复发生时（T>0.5Tm），发生位错攀移，亚晶合并和 多边形化现象。
材料成型技术基础第2版课后习题答案
第一章金属液态成形1.①液态合金的充型能力是指熔融合金充满型腔，获得轮廓清晰、形状完整的优质铸件的能力。
②流动性好，熔融合金充填铸型的能力强，易于获得尺寸准确、外形完整的铸件。
流动性不好，则充型能力差，铸件容易产生冷隔、气孔等缺陷。
③成分不同的合金具有不同的结晶特性，共晶成分合金的流动性最好，纯金属次之，最后是固溶体合金。
④相比于铸钢，铸铁更接近更接近共晶成分，结晶温度区间较小，因而流动性较好。
2.浇铸温度过高会使合金的收缩量增加，吸气增多，氧化严重，反而是铸件容易产生缩孔、缩松、粘砂、夹杂等缺陷。
3.缩孔和缩松的存在会减小铸件的有效承载面积，并会引起应力集中，导致铸件的力学性能下降。
缩孔大而集中，更容易被发现，可以通过一定的工艺将其移出铸件体外，缩松小而分散，在铸件中或多或少都存在着，对于一般铸件来说，往往不把它作为一种缺陷来看，只有要求铸件的气密性高的时候才会防止。
4 液态合金充满型腔后，在冷却凝固过程中，若液态收缩和凝固收缩缩减的体积得不到补足，便会在铸件的最后凝固部位形成一些空洞，大而集中的空洞成为缩孔，小而分散的空洞称为缩松。
浇不足是沙型没有全部充满。
冷隔是铸造后的工件稍受一定力后就出现裂纹或断裂，在断口出现氧化夹杂物，或者没有融合到一起。
出气口目的是在浇铸的过程中使型腔内的气体排出，防止铸件产生气孔，也便于观察浇铸情况。
而冒口是为避免铸件出现缺陷而附加在铸件上方或侧面的补充部分。
逐层凝固过程中其断面上固相和液相由一条界线清楚地分开。
定向凝固中熔融合金沿着与热流相反的方向按照要求的结晶取向进行凝固。
5.定向凝固原则是在铸件可能出现缩孔的厚大部位安放冒口，并同时采用其他工艺措施，使铸件上远离冒口的部位到冒口之间建立一个逐渐递增的温度梯度，从而实现由远离冒口的部位像冒口方向顺序地凝固。
铸件相邻各部位或铸件各处凝固开始及结束的时间相同或相近，甚至是同时完成凝固过程，无先后的差异及明显的方向性，称作同时凝固。
材料科学与工程基础10 11思考题
FCC 韧性，甚至在低温。P254 跟裂纹有关。Cracks in ductile materials are said to be stable；For brittle fracture, cracks are unstable, and the fracture surface is relatively flat and perpendicular to the direction of the applied tensile load.
9.28 Briefly explain why BCC and HCP metal alloys may experience a ductile-to-brittle transition with decreasing temperature, whereas FCC alloys do not experience such a transition.
第十一次
思考题：
• 4-27为什么非晶态高聚物在玻璃化转变前后热膨胀系数不同？ • 玻璃态和高弹态； • 高弹态分子是解缠的。
• 4-30何为半分解温度？它与高分子化学键之间有什么关系？ • 半分解温度为高聚物在真空中加热30min后质量损失一半所需要 的温度 • K=Ae-⊿ E/RT， • 键能越大，半分解温度越高 • 杂环或环状结构、元素高分子
4-9 从拉伸试验如何获得常用的力学性能数据？ 拉伸强度、屈服强度、断裂强度、断裂伸长 率、弹性模量等，公式可计算。
4-13 有哪些方法可以改善材料的韧性，试举例说明。 晶粒细化（晶格类型）；成分，高分子共混橡胶，金属种杂 质；热处理；高分子中的银纹。
4-19某钢板的屈服强度为690MPa，KIC值为70MPa·m1/2， 如果可容许最大裂缝是2.5mm，且不许发生塑性变形， 则此钢的设计极性强度是多少？ KIC=c (a)1/2, c = KIC (a)-1/2 =70Mpa.m1/2 (3.14*1.25mm)-1/2 =1117MPa
2024年【精品课件】先进复合材料概论
2024年【精品课件】先进复合材料概论一、教学内容本节课主要依据《材料科学基础》教材中第十二章“先进复合材料”展开，详细内容涵盖第十二章第一节“复合材料的概述”，第二节“复合材料的分类与性能”，以及第三节“先进复合材料的制备与应用”。
二、教学目标1. 理解复合材料的基本概念，掌握复合材料的分类及主要性能。
2. 学习先进复合材料的制备方法，了解其在工程领域的应用。
3. 培养学生的创新意识和实践能力，激发他们对材料科学研究的兴趣。
三、教学难点与重点教学难点：复合材料的制备原理及其在工程应用中的性能表现。
教学重点：复合材料的基本概念、分类及主要性能。
四、教具与学具准备1. 教具：PPT课件、实物样品、实验视频等。
2. 学具：笔记本电脑、投影仪、实验器材等。
五、教学过程1. 导入：通过展示先进复合材料在航空航天、汽车制造等领域的应用实例，引发学生对本节课的兴趣。
2. 理论讲解：a. 复合材料的定义、特点及分类。
b. 不同类型复合材料的主要性能及其影响因素。
c. 先进复合材料的制备方法及其优势。
3. 实践操作：a. 学生分组讨论，分析复合材料在实际应用中的优势。
b. 展示实验视频，引导学生学习复合材料的制备过程。
c. 学生进行随堂练习，巩固所学知识。
4. 例题讲解：结合教材例题，讲解复合材料性能计算方法。
六、板书设计1. 复合材料基本概念2. 复合材料分类及性能3. 先进复合材料制备方法4. 复合材料应用实例七、作业设计1. 作业题目：a. 解释复合材料的定义，并列举三种常见的复合材料。
b. 简述先进复合材料的制备方法及其优势。
c. 分析复合材料在某一领域（如航空航天）的应用前景。
2. 答案：八、课后反思及拓展延伸1. 反思：本节课的教学效果，学生的掌握程度，教学方法是否得当等。
2. 拓展延伸：a. 邀请相关领域专家进行讲座，拓宽学生视野。
b. 组织学生参观复合材料制备实验室，加深对复合材料制备工艺的理解。
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钢轨使用初期出现的纵向劈裂等主要与钢轨的内部和 表面质量有关，如非金属夹杂物、白点、偏析、残余缩 孔、翻皮、折叠等引起的核伤。（图a） 表面损伤（表面剥离、压溃、擦伤、机械碰撞等）、 钢轨结构引起的局部高应力则可能导致疲劳裂纹甚至折 断。轨头严重磨耗、压溃等则主要与钢轨的强度与负荷 有关。（图b）
见图：
（a）
疲劳源
（b）
图8-10 车轴疲劳断口
（a） 疲劳源在轴内部，由严重冶金缺陷引起裂纹萌生。 （b）疲劳源在轴表面，由表面加工缺陷引起缺口效应，致使裂纹萌生。
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1、选材的动机
首次开发生产一种新产品、新材料或新装置；
现有产品的改进和更新换代；
材料过早失效甚至灾难性事故发生后，需改变用材。
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SPECIAL JOINING GROUP
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（一）、材料失效的基本形式
材料的失效形式比较复杂，根据材料破坏的特点、所受载荷 的类型以及外在条件，材料的失效形式可归纳为变形失效、断裂 失效和表面损伤失效三大类型。
材料失效
变形失效
弹 性 变 形 失 效 塑 性 变 形 失 效 塑 性 断 裂 失 效
齿轮是机械设备中运用极广的传动材料，齿轮表面受到接触 力和摩擦力的作用，齿根部则受到交变弯曲应力的作用，此外由于 过载和换档时的冲击还会产生附加应力。
（a） （b） 图8-9 齿轮的轮齿的疲劳断裂（宏观）
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脆性断裂也可能沿晶界发生。
（a） （b） 图8-6 脆性沿晶断裂断口
（a）回火脆性断口
（b）应力腐蚀断口
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韧性断口
宏观：纤维状，色质灰暗, 有明显的塑性变形
微观：大小不等的韧窝
（a）
（b）
图8-7 韧性断口的宏观及微观形貌
（a）纤维状韧性宏观断口
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（b）微观典型韧窝形貌
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疲劳断口
疲劳裂纹扩展区
疲劳源
“贝纹”状花样
3、金相分析
通过观察分析材料（特别是失效源周围）显微组 织构成情况，如组织组成物的形态、粗细、数量、分 布及其均匀性等，辨析各种组织缺陷及失效源周围组 织的变化，对组织是否正常作出判断。
4、化学分析
检验材料整体或局部区域的成分是否符合设计要求。
5、力学分析
检查分析失效材料 的应力分布、承载能力以及 脆断倾向等。
断口面与轴向成45角 扭转载荷过大
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3、铁路钢轨的失效
钢轨伤损的主要形式
失效形式 磨耗 失 效 的 原 因
钢轨与车轮接触面表层发生磨损
压溃
剥离 疲劳裂纹或折断 擦伤 锈蚀
断裂失效
低 应 力 脆 断 失 效 疲 劳 断 裂 失 效 蠕 变 断 裂 失 效
表面损伤失效
应 力 腐 蚀 断 裂 失 效
磨 损 失 效
表 面 疲 劳 失 效
腐 蚀 失 效
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SPECIAL JOINING GROUP （二）、失效分析的主要方法
失效分析的目的是揭示材料失效的根本原因，影响失效的因素很多， 要利用宏观和微观的研究手段进行系统的分析。 服役条件 失效材料
脆性断口
宏观：结晶状，平齐而光亮，有闪亮小刻面。无
明显变形
微观：平坦的解理台阶与河流花样。
（a） （b） 图8-5 脆性结晶状断口的宏观及微观形貌
（a）宏观形貌
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（b）微观解理花样
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铁路全天候运行，行程长、工作条件较恶劣，磨耗、腐蚀、 疲劳断裂时其主要形式。
（a）
（b） （c） 图8-12 钢轨轨头磨耗、压溃和剥离
（a）轨头侧面磨耗（b）轨头踏面被压溃及出现飞边 （c）鱼鳞状裂纹和剥离坑
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2、断口分析
韧性断口 疲劳断口
断口分析是对断口进行全面的宏观（肉眼、低 倍显微镜）及微观（高倍显微镜、电子显微镜）观 察分析，确定裂纹的发源地、扩展区和最终断裂区， 判断出断裂的性质和机理。
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现代设计随着设计理论的完善和设计过程的计算机化， 材料在更加接近失效极限的范围内使用，选材的难度 也越来越大。 ——安全系数越来越小，
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2、 材料选用原则
(一) 使用性能原则—— （二）工艺性能原则 （三）经济性原则—— （四）环境与资源原则 根本原则
首要原则
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(一) 使用性能原则——
1. 2. 3. 4. 5.
齿轮的失效行为
失效形式
失
效
的
原
因
齿面接触疲劳 破坏
在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹，裂纹发展引起点状剥 落（或称麻点） 从齿根部发生，由过大的交变弯曲应力所致，是齿轮最严重的失 效形式 由于齿面接触区摩擦，使齿厚变小 主要是冲击载荷过大造成的断齿
疲劳断裂
齿面磨损 过载断裂
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失效与选材
工程材料的失效与分析
工程材料的选材原则
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一、失效与分析
每种工程材料都具有一定的功能——或完成规 定的运动，或传递力、力矩或能量。当零部件丧失 预定的功能时，即发生了材料的失效。 下列任何一种情况的发生，都可以认为材料已经失效： 材料完全破坏，不能继续工作 材料严重损伤，不能保证工作安全 材料虽能安全工作，但工作低效
车轴的疲劳断裂失效分析如下图：
疲劳裂纹源发生在车轴内部──冶金缺陷（残余缩孔、 夹渣、空洞、成份偏析、夹杂物超标等） 机加工缺陷机加工不当 撞伤意外损伤 轴表面 腐蚀产物环境腐蚀 异常 磨损产物微动摩擦
车轴疲劳 断裂分析
疲劳裂纹 源发生在 车轴表面
断口面基 断口特征异常 设计不当、严重缺 本与轴向 陷或过载 垂直 化学成份冶炼工艺不当 力学性 能不合 金相组织冶炼、锻造 或热处理工艺不当 格
轮轨接触压应力使钢轨表面发生塑性变形
交变接触应力使疲劳裂纹在钢轨表层(次表层)形成扩展至剥落 交变应力引起疲劳裂纹的萌生,并可能进一步扩展至断裂 轮轨接触面发生热机械作用, 导致组织产生相变由珠光体组织转变成 马氏体组织 腐蚀环境作用
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2、机车车辆车轴的失效
车轴在运行时承受着旋转弯曲和扭转载荷，车轴材料通常具有较 好的韧塑性，其形状又有很好的对称性，所以车轴具有疲劳断裂 的完整过程（疲劳裂纹形成、裂纹扩展、最终瞬时断裂），断口
（b）分叉法则
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脆性断口
宏观：根据人字纹路的走向和放射棱线汇聚方向确
定裂纹区。
源区
源区
（a）
图8-4 失效源分析
（b）
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