工程材料学全套课件
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
一维材料最突出的是光导纤维，可用于作通信工程材料。纤维结构材料是 复合材料中的主要增强组分，它决定了复合材料的关键性能；纤维中的晶 须，其强度和刚度可接近理论强度值；碳纤维、有机高分子纤维和陶瓷纤 维均有广阔的应用前景。
二维的薄膜材料发展迅速，金刚石薄膜和有机高分子薄膜十分诱人，高温超 导薄膜也尤为突出。金刚石薄膜可用于高速电子计算机的微芯片；高分子 分离膜已在水处理、化工生产、高纯物质制备等方面获得了应用；高温超 导薄膜将开辟超导技术的新领域。
但是，用传统的技术将金属和陶瓷结合起来时，由于二者的界面热力学 特性匹配不好，在极大的热应力下还是会遭到破坏。
在陶瓷和金属之间通过连续地控制内部组成和微细结构的变化，使两种 材料之间不出现界面，从而使整体材料具有耐热应力强度和机械强度也较 好的新功能。
又如W-Cu热沉材料。
6．特殊条件下应用的材料
在工程应用中，通过激光束表面处理可在工件表面获得非晶态，具有高 耐磨性和耐蚀性。另外，非晶态的硅太阳能电池，光电转换率可达15％， 有很大进一步实用化研究价值。
5．功能ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ料迅速发展
功能材料是当代新技术中能源技术、空间技术、信息技术和计算机技术 的物质基础。功能材料是90年代材料研究与生产中最活跃的领域。例如， 由于超大容量信息通信网络和超高计算机的发展，对集成电路的要求越 来越高，促进集成度逐年增加。从材料看，除了硅半导体外，化合物半 导体受到越来越多的重视。又如有关磁记录和磁光记录材料、高温超导 材料、光电转换材料等都将有进一步的发展。近年来功能梯度材料发展 很快，其性能是原来的均质材料和一般复合材料所不具备的，梯度功能 材料将有巨大的应用潜力。
一般复合材料中分散相是均匀分布的，但在有些情况下，常常希望同 一件材料两侧具有不同的功能，又希望两侧结合得完美，从而不至于在苛 刻条件下因性能不匹配而发生破坏。
航天飞机推进系统中超音速燃烧冲压式发动机，燃烧气体温度超过 2000℃；燃烧室壁另一侧又要经受作为燃料的液氢的冷却作用，温度为－ 200℃。一般材料显然满足不了这一要求。于是，人们想到将金属和陶瓷 联合起来使用，用陶瓷去对付高温，用金属来对付低温。
《工程材料学》
第1章 序 论
第1节 概述
一、工程材料 什么是工程材料？印象中工程材料是哪类材料？ 是否联想到：建筑工程、桥梁、企业建设所用到的材料？
实际上工程材料的含义远非如此，凡与工程有关的材料均谓之工程材料。
如机器零件（轴承、弹簧等部件）、工模具、量具、工业加热炉内的构 件、飞机发动机涡轮叶片、高分子材料中的粘结剂、防宇宙射线的宇航服 （芳香族聚酰胺纤维）、镍氢电池中的储氢合金…………
7．材料的设计及选用计算机化
由于电子计算机及应用技术的高度发展，使得人们可以按照指定的 性能进行材料设计正逐步成为现实。通过电子计算机的应用以及量子 力学、系统工程和统计学的运用，可以在微观与宏观相结合的基础上 进行材料设计和选用，使之最佳化。目前已建立起计算机化的各种材 料性能数据库和计算机辅助选材系统，并进一步向智能化方向发展, 从而提高了工程技术的用材水平。
3．低维材料正在扩大应用
包括零维(超微粒)、一维(纤维)和二维薄膜材料，可用于作结构材料和功 能材料。
通过化学反应、气相沉积等方法，可制出亚微米级和纳米级(1-100mm)的 金属或陶瓷粉末。有很大的比表面积和比表面能，熔点低，扩散速度快， 烧结温度下降，强度高而塑性好，具有良好的综合性能。某些超微粒功能 材料，可成为高效吸波材料。
在低温、高压、高真空、高温以及辐射条件下，材料的结构和组织 将会转变，并由此引起性能变化。研究这些变化规律，将有利于改善 材料性能和开发新材料。例如，在高压下的结构材料，由于原子间距 离缩短，材料将由绝缘体转变为导电体，Nb3Sn、Nb3Ce和Nb3Si等 超导体均在高压下合成。现正在开展高压力及冲击波对材料性能影响 的试验研究，理论上预测氢在几千万大气压下将转变为金属态，它在 室温时就具有超导性，它的实现还有待于高压条件的创建。另外，对 太空、深海洋等工程技术所用的材料也将继续深入研究。
三、工程材料学
不仅学习各种材料的分类、基本特性、制备方法、用途，而且学习材料 性能与组成、组织结构、制备工艺之间的内在联系、作用机理。
以典型的工程材料为例，学习材料（重点是金属材料）所表现出的宏观 性能的内在本质，为提高材料性能、开发新材料、材料选择、使用打基础。
2．结构材料趋向于复合化
尽管金属材料采用了一系列强韧化措施及发展了非金属材料，如 高分子材料和陶瓷材料,但由于单一材料存在难以克服的某些缺点， 如脆性、弹性模量低、比强度不足等。所以把不同的材料进行复合 以得到优于原组分性能的新材料，就成为结构材料发展的一个重要 趋势。如玻璃树脂基的第一代复合材料，碳纤维增强树脂基的第二 代复合材料，第三代复合材料则是正在发展的金属基、陶瓷基及碳 基复合材料。复合材料在航空、航天工业和汽车工业中获得了广泛 的应用，在化工设备和其它方面也有较多的应用。
工程材料按其性能特点分为结构材料和功能材料两大类。结构材料以 力学性能为主,兼有一定的物理、化学性能。功能材料以特殊的物理、化
学性能为主,如那些要求有电、光、声、磁、热等功能和效应的材料。 总之，工程材料包括了与工农业、国防尖端技术等各行各业有关的所
有材料。按照其基本成分分类见图1－1。
二、新材料发展趋势
4．非晶(亚稳态)材料日益受到重视
70年代通过快冷技术(106℃／s)而获得非晶态或亚稳态合金材料。由 于骤冷，金属中的合金元素偏析程度降低，没有晶界，从而可提高合金 化程度，而不致产生脆性相。非晶态合金具有高强度、耐腐蚀等特点， 某些非晶态铁基合金具有很好的磁学性能，用作变压器比硅钢片的铁损 低2／3。
1．继续重视高性能的新型金属材料 指具有高强度、高韧性、耐高温、耐低温、抗腐蚀、抗辐射等性
能的材料。这种材料与发展空间技术、核能、海洋开发等工业有着 极其密切的关系。新材料是依靠新技术和新工艺发展的。例如，合 金成分的物理冶金设计，微量元素的加入与控制，特殊组织结构的 控制等，可大幅度提高材料的性能。面向21世纪，金属材料仍占主 导地位。
二维的薄膜材料发展迅速，金刚石薄膜和有机高分子薄膜十分诱人，高温超 导薄膜也尤为突出。金刚石薄膜可用于高速电子计算机的微芯片；高分子 分离膜已在水处理、化工生产、高纯物质制备等方面获得了应用；高温超 导薄膜将开辟超导技术的新领域。
但是，用传统的技术将金属和陶瓷结合起来时，由于二者的界面热力学 特性匹配不好，在极大的热应力下还是会遭到破坏。
在陶瓷和金属之间通过连续地控制内部组成和微细结构的变化，使两种 材料之间不出现界面，从而使整体材料具有耐热应力强度和机械强度也较 好的新功能。
又如W-Cu热沉材料。
6．特殊条件下应用的材料
在工程应用中，通过激光束表面处理可在工件表面获得非晶态，具有高 耐磨性和耐蚀性。另外，非晶态的硅太阳能电池，光电转换率可达15％， 有很大进一步实用化研究价值。
5．功能ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ料迅速发展
功能材料是当代新技术中能源技术、空间技术、信息技术和计算机技术 的物质基础。功能材料是90年代材料研究与生产中最活跃的领域。例如， 由于超大容量信息通信网络和超高计算机的发展，对集成电路的要求越 来越高，促进集成度逐年增加。从材料看，除了硅半导体外，化合物半 导体受到越来越多的重视。又如有关磁记录和磁光记录材料、高温超导 材料、光电转换材料等都将有进一步的发展。近年来功能梯度材料发展 很快，其性能是原来的均质材料和一般复合材料所不具备的，梯度功能 材料将有巨大的应用潜力。
一般复合材料中分散相是均匀分布的，但在有些情况下，常常希望同 一件材料两侧具有不同的功能，又希望两侧结合得完美，从而不至于在苛 刻条件下因性能不匹配而发生破坏。
航天飞机推进系统中超音速燃烧冲压式发动机，燃烧气体温度超过 2000℃；燃烧室壁另一侧又要经受作为燃料的液氢的冷却作用，温度为－ 200℃。一般材料显然满足不了这一要求。于是，人们想到将金属和陶瓷 联合起来使用，用陶瓷去对付高温，用金属来对付低温。
《工程材料学》
第1章 序 论
第1节 概述
一、工程材料 什么是工程材料？印象中工程材料是哪类材料？ 是否联想到：建筑工程、桥梁、企业建设所用到的材料？
实际上工程材料的含义远非如此，凡与工程有关的材料均谓之工程材料。
如机器零件（轴承、弹簧等部件）、工模具、量具、工业加热炉内的构 件、飞机发动机涡轮叶片、高分子材料中的粘结剂、防宇宙射线的宇航服 （芳香族聚酰胺纤维）、镍氢电池中的储氢合金…………
7．材料的设计及选用计算机化
由于电子计算机及应用技术的高度发展，使得人们可以按照指定的 性能进行材料设计正逐步成为现实。通过电子计算机的应用以及量子 力学、系统工程和统计学的运用，可以在微观与宏观相结合的基础上 进行材料设计和选用，使之最佳化。目前已建立起计算机化的各种材 料性能数据库和计算机辅助选材系统，并进一步向智能化方向发展, 从而提高了工程技术的用材水平。
3．低维材料正在扩大应用
包括零维(超微粒)、一维(纤维)和二维薄膜材料，可用于作结构材料和功 能材料。
通过化学反应、气相沉积等方法，可制出亚微米级和纳米级(1-100mm)的 金属或陶瓷粉末。有很大的比表面积和比表面能，熔点低，扩散速度快， 烧结温度下降，强度高而塑性好，具有良好的综合性能。某些超微粒功能 材料，可成为高效吸波材料。
在低温、高压、高真空、高温以及辐射条件下，材料的结构和组织 将会转变，并由此引起性能变化。研究这些变化规律，将有利于改善 材料性能和开发新材料。例如，在高压下的结构材料，由于原子间距 离缩短，材料将由绝缘体转变为导电体，Nb3Sn、Nb3Ce和Nb3Si等 超导体均在高压下合成。现正在开展高压力及冲击波对材料性能影响 的试验研究，理论上预测氢在几千万大气压下将转变为金属态，它在 室温时就具有超导性，它的实现还有待于高压条件的创建。另外，对 太空、深海洋等工程技术所用的材料也将继续深入研究。
三、工程材料学
不仅学习各种材料的分类、基本特性、制备方法、用途，而且学习材料 性能与组成、组织结构、制备工艺之间的内在联系、作用机理。
以典型的工程材料为例，学习材料（重点是金属材料）所表现出的宏观 性能的内在本质，为提高材料性能、开发新材料、材料选择、使用打基础。
2．结构材料趋向于复合化
尽管金属材料采用了一系列强韧化措施及发展了非金属材料，如 高分子材料和陶瓷材料,但由于单一材料存在难以克服的某些缺点， 如脆性、弹性模量低、比强度不足等。所以把不同的材料进行复合 以得到优于原组分性能的新材料，就成为结构材料发展的一个重要 趋势。如玻璃树脂基的第一代复合材料，碳纤维增强树脂基的第二 代复合材料，第三代复合材料则是正在发展的金属基、陶瓷基及碳 基复合材料。复合材料在航空、航天工业和汽车工业中获得了广泛 的应用，在化工设备和其它方面也有较多的应用。
工程材料按其性能特点分为结构材料和功能材料两大类。结构材料以 力学性能为主,兼有一定的物理、化学性能。功能材料以特殊的物理、化
学性能为主,如那些要求有电、光、声、磁、热等功能和效应的材料。 总之，工程材料包括了与工农业、国防尖端技术等各行各业有关的所
有材料。按照其基本成分分类见图1－1。
二、新材料发展趋势
4．非晶(亚稳态)材料日益受到重视
70年代通过快冷技术(106℃／s)而获得非晶态或亚稳态合金材料。由 于骤冷，金属中的合金元素偏析程度降低，没有晶界，从而可提高合金 化程度，而不致产生脆性相。非晶态合金具有高强度、耐腐蚀等特点， 某些非晶态铁基合金具有很好的磁学性能，用作变压器比硅钢片的铁损 低2／3。
1．继续重视高性能的新型金属材料 指具有高强度、高韧性、耐高温、耐低温、抗腐蚀、抗辐射等性
能的材料。这种材料与发展空间技术、核能、海洋开发等工业有着 极其密切的关系。新材料是依靠新技术和新工艺发展的。例如，合 金成分的物理冶金设计，微量元素的加入与控制，特殊组织结构的 控制等，可大幅度提高材料的性能。面向21世纪，金属材料仍占主 导地位。