材料学考试资料

金属材料金属材料：纯金属和以纯金属为基体的合金材料的总称。

纯金属：由一种金属元素构成的单质；合金：由两种或两种以上的金元素或金属与非金属元素构成固溶体：合金组元间以不同比例相互混合形成的具有与某一组元相同晶体结构的合金. 置换固溶体、间隙固溶体金属间化合物(Intermetallics)：合金组元相互作用形成的具有自己独特的晶体结构和性质的新相。

正常价化合物、电子化合物、间隙相、间隙化合物金属材料的分类：有色金属：黑色金属：黑色金属：铸铁2％<C< 4％、钢（铁碳合金、合金钢）C 0.04％－2％、纯铁C <0.04％。

含碳量越高，硬度、强度越大，但塑性降低有色金属：重有色金属、轻有色金属、贵金属、半金属与稀有金属。

特殊金属：非晶态金属、形状记忆合金、减震合金、超塑金属、储氢合金、超导合金等工业生产中，通常把以铁为基的金属材料称为黑色金属，如钢与铸铁，把非铁金属及其合金称为有色金属，如铅、镍、锌、钛、铜等金属及合金。

(2) 金属材料的性质1、常温下为固体（Hg除外）2、熔点较高也有较低的如：Sn、Pb、Zn、Al3、密度较大（Mg、Al除外3g/cm3以下）4、有光泽5、延展性、韧性、可加工性好6、导热性、导电性好，Ag、Cu、Al7、易氧化强度：材料在载荷作用下抵抗塑性变形或破坏的最大能力。

屈服强度：表示材料发生明显塑性变形的抗力Ps或σ抗拉强度：σb=Pb/F0 断裂前单位面积上所承受的最大应力刚度：外应力作用下材料抵抗弹性变形能力。

弹性模量：E＝σ/ε常用的机械性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、多次冲击抗力和疲劳极限塑性：外力作用下，材料发生不可逆的永久性变形而不破坏的能力。

塑性是指金属材料在载荷外力的作用下，产生永久变形（塑性变形）而不被破坏的能力。

金属材料在受到拉伸时，长度和横截面积都要发生变化，因此，金属的塑性可以用长度的伸长（延伸率）和断面的收缩（断面收缩率）两个指标来衡量。

金属材料的延伸率和断面收缩率愈大，表示该材料的塑性愈好，即材料能承受较大的塑性变形而不破坏。

一般把延伸率大于百分之五的金属材料称为塑性材料（如低碳钢等），而把延伸率小于百分之五的金属材料称为脆性材料（如灰口铸铁等）。

塑性好的材料，它能在较大的宏观范围内产生塑性变形，并在塑性变形的同时使金属材料因塑性变形而强化，从而提高材料的强度，保证了零件的安全使用。

此外，塑性好的材料可以顺利地进行某些成型工艺加工，如冲压、冷弯、冷拔、校直等。

因此，选择金属材料作机械零件时，必须满足一定的塑性指标韧性：材料从塑性变形到断裂全过程中吸收能量的能力。

断裂韧性：KIC疲劳强度：材料抵抗交变应力作用下断裂破坏的能力。

疲劳极限：材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。

硬度：材料在表面上的小体积内抵抗变形或破裂的能力。

金属强化：固溶强化、形变强化、弥散强化、细晶强化固溶强化：加入合金元素形成固溶体而使强度增加的现象；固溶强化的效果：间隙元素大于置换式固溶元素形变强化：材料屈服以后，随形变量的增加，所需应力不断增加的现象，也叫加工硬化。

位错密度大幅度增加；晶体择优取向弥散强化：通过向基体中引入其它一个或几个相而使金属强度提高的现象与第二相颗粒的性质、尺寸、形状、数量、分布有关细晶强化：随着晶粒细化, 材料的强度和韧性均提高金属材料的晶体缺陷：晶体中存在的缺陷种类很多，根据几何形状和涉及的范围常可分为点缺陷、面缺陷、线缺陷。

点缺陷：是指三维尺寸都很小，不超过几个原子直径的缺陷。

其中点缺陷包括空位、间隙原子、置换原子。

他们对力学性能地影响：使得金属塑性、硬度以及抗拉压力显著降低等等空位是指未被原子所占有的晶格结点。

间隙原子是处在晶格间隙中的多余原子。

点缺陷的出现，使周围的原子发生靠拢或撑开，造成晶格畸变。

使材料的强度、硬度和电阻率增加。

所以金属中，点缺陷越多,它的强度、硬度越高。

线缺陷：是指三维空间中在二维方向上尺寸较小，在另一维方面上尺寸较大的缺陷。

属于这类缺陷主要是位错。

什么是位错呢？线缺陷包括刃型位错、螺型位错位错是晶体中的某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。

面缺陷：是指二维尺寸很大而第三维尺寸很小的缺陷。

面缺陷包括晶体的表面、晶界、亚晶界、相界。

缺陷对物理性能的影响很大，可以极大的影响材料的导热，电阻，光学，和机械性能，极大地影响材料的各种性能指标，比如强度，塑性等。

化学性能影响主要集中在材料表面性能上，比如杂质原子的缺陷会在大气环境下形成原电池模型，极大地加速材料的腐蚀，另外表面能量也会受到缺陷的极大影响，表面化学活性，化学能等等。

合理的利用缺陷，可以提高材料某一方面的性能，比如人工在半导体材料中进行掺杂，形成空穴，可以极大地提高半导体材料的性能。

通常工业上应用的多晶体材料通过增加缺陷数目都可以提高材料的机械性能。

比如加入合金元素形成固溶体可以产生固溶强化，提高强度，这主要是增加了点缺陷造成的；金属经过冷加工变形也可以提高强度，这是通过增加线缺陷--位错数目来实现的；金属通过细化晶粒提高强度的原因：增加了面缺陷：晶界的数目晶须：是指在人工控制条件下以单晶形式生长成的一种纤维，其直径非常小（微米数量级），不含有通常材料中存在的缺陷（晶界、位错、空穴等），其原子排列高度有序，因而其强度接近于完整晶体的理论值。

铜合金的特点：常用的铜合金分为黄铜﹑青铜﹑白铜3大类铜合金以纯铜为基体加入一种或几种其他元素所构成的合金。

纯铜呈紫红色﹐又称紫铜。

纯铜密度为8.96﹐熔点为1083℃﹐具有优良的导电性﹑导热性﹑延展性和耐蚀性。

导电、导热性能好、耐腐蚀、化学稳定性强、抗磁能力高。

容易冷热成形，铸造性能好，易焊接、可塑性、延展性好。

比如优良的减摩性和耐摩性，高的弹性极限和疲劳强度，抗张强度大。

色泽美观。

高分子材料聚乙烯、聚氯乙稀、聚苯乙烯、氟塑料、合成纤维高分子材料：以高分子化合物为基础的材料。

高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料，包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料，高分子是生命存在的形式。

所有的生命体都可以看作是高分子的集合。

高分子的特点：高分子材料有很高的分子量,质轻,密度小,有优良的力学性能,绝缘性能,隔热性能.由于高分子结构的不同,其特点也不尽相同.特定的高分子材料有的有良好的光学性能,如PMMA PC PS;有的有超高的力学性能等等.功能高分子材料更是涉及到了医药,生物工程等各各方面.组成：主要由C、H、O组成(无机高分子，如玻璃)分子量多分散性，只有一定的范围，是分子量不等的同系物的混合物；分子量很大（104-107，甚至更大）；没有固定熔点，只有一段宽的温度范围；没有沸点和固定的熔点，分子间力很大，加热到200oC-300oC以上，材料破坏（降解或交联）；链式结构；柔性分子链，大部分高分子的主链具有一定的内旋转自由度。

高分子材料分类：按来源分为天然、半合成（改性天然高分子材料）和合成高分子材料。

按用途一般将通用高分子材料分为五类，即塑料、橡胶、纤维、涂料和黏合剂。

按化学组成分类，碳链高分子、杂链高分子、元素有机高分子、无机高分子塑料塑料是以合成树脂或化学改性的天然高分子为主要成分，再加入填料、增塑剂和其他添加剂制得。

其分子间次价力、模量和形变量等介于橡胶和纤维之间。

通常按合成树脂的特性分为热固性塑料和热塑性塑料；按用途又分为通用塑料和工程塑料。

塑料根据加热后的情况又可分为热塑性塑料和热固性塑料。

加热后软化，形成高分子熔体的塑料成为热塑性塑料，主要的热塑性塑料有聚乙烯（PE[1]）、聚丙烯（PP [2]）、聚苯乙烯（PS [3]）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，俗称有机玻璃 [4]）、聚氯乙烯（PVC [5]）、尼龙（Nylon [6])、. 加热后固化，形成交联的不熔结构的塑料称为热固性塑料：常见的有环氧树脂[11], 酚醛塑料, 聚酰亚胺,三聚氰氨甲醛树脂等。

塑料的加工方法包括注射，挤出，膜压，热压，吹塑等等。

橡胶橡胶是一类线型柔性高分子聚合物。

其分子链间次价力小，分子链柔性好，在外力作用下可产生较大形变，除去外力后能迅速恢复原状。

有天然橡胶和合成橡胶两种天然橡胶的主要成分是聚异戊二烯。

合成橡胶的主要品种有丁基橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、三元乙丙橡胶、丙烯酸酯橡胶、聚氨酯橡胶、硅橡胶、氟橡胶等等。

纤维合成纤维是高分子材料的另外一个重要应用。

常见的合成纤维包括尼龙、涤纶、腈纶聚酯纤维，芳纶纤维等等。

涂料涂料是涂附在工业或日用产品表面起美观或这保护作用的一层高分子材料、常用的工业涂料有环氧树脂，聚氨酯等。

黏合剂黏和剂是另外一类重要的高分子材料。

人类在很久以前就开始使用淀粉，树胶等天然高分子材料做黏合剂。

现代黏合剂通过其使用方式可以分为聚合型，如环氧树脂；热融型，如尼龙，聚乙烯；加压型，如天然橡胶；水溶型，如淀粉。

陶瓷材料陶瓷就是指陶器和瓷器的通称。

也就是通过成型和高温烧结所得到的成型烧结体。

传统的陶瓷材料主要是指硅铝酸盐。

刚开始的时候人们对硅铝酸盐的选择要求不高，纯度不大，颗粒的粒度也不均一，成型压强不高。

这时得到陶瓷称为传统陶瓷。

后来发展到纯度高，粒度小且均一，成型压强高，进行烧结得到的烧结体叫做精细陶瓷。

普通材料采用天然原料如长石、粘土和石英等烧结而成，是典型的硅酸盐材料，主要组成元素是硅、铝、氧，这三种元素占地壳元素总量的90%，普通陶瓷来源丰富、成本低、工艺成熟。

这类陶瓷按性能特征和用途又可分为日用陶瓷、建筑陶瓷、电绝缘陶瓷、化工陶瓷等。

特种材料采用高纯度人工合成的原料，利用精密控制工艺成形烧结制成，一般具有某些特殊性能，以适应各种需要。

根据其主要成分，有氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、金属陶瓷等；特种陶瓷具有特殊的力学、光、声、电、磁、热等性能。

本节主要介绍特种陶瓷。

陶瓷材料的特点高熔点、高硬度、高耐磨性.陶瓷材料中已崛起了精细陶瓷，它以抗高温、超强度、多功能等优良性能在新材料世界独领风骚。

精细陶瓷是指以精制的高纯度人工合成的无机化合物为原料，采用精密控制工艺烧结的高性能陶瓷，因此又称先进陶瓷或新型陶瓷。

精细陶瓷有许多种，它们大致可分成三类。

结构陶瓷这种陶瓷主要用于制作结构零件。

机械工业中的一些密封件、轴承、刀具、球阀、缸套等都是频繁经受摩擦而易磨损的零件，用金属和合金制造有时也是使用不了多久就会损坏，而先进的结构陶瓷零件就能经受住这种“磨难”。

电子陶瓷指用来生产电子元器件和电子系统结构零部件的功能性陶瓷。

这些陶瓷除了具有高硬度等力学性能外，对周围环境的变化能“无动于衷”，即具有极好的稳定性，这对电子元件是很重要的性能，另外就是能耐高温。

生物陶瓷生物陶瓷是用于制造人体“骨骼一肌肉”系统，以修复或替换人体器官或组织的一种陶瓷材料。