材料的结构组织与性能1

复合材料的种类
无机非金属材料 金属 增强体 陶瓷 陶瓷基 复合材 料 玻璃 水泥 碳素 木材 塑料 橡胶 有机材料
金属
陶瓷基 复合材料 纤 维 粒 料 纤 维 粒 料 纤 维 粒 料
金属网 嵌玻璃
钢筋水 泥
无
无
金属丝 增强塑料
金属丝 增强橡胶
陶 瓷 无 机 非 金 属
金属基 超硬合金
增强 陶瓷
陶瓷增 强玻璃
（二）无机非金属材料
无机非金属材料主要是硅酸盐材料，包括陶瓷、玻 璃、水泥和耐火材料四类。它们的主要原料是天然的 硅酸盐矿物和人工合成的氧化物及其他少数化合物。 它们的生产过程与传统的陶瓷的生产过程相同，需经 过原料处理 — 成型 — 煅烧三个阶段。在这四类材料中， 陶瓷是最早使用的无机材料，因此无机非金属材料又 常常被统称为“陶瓷”（Ceramics）。
性能、焊接性能和热处理性能等
材料的物理性能
材料的物理性能（physical property） 包括热性能、电性能、磁性能和光学性能 等。金属及合金的主要物理性能有密度、 熔点、膨胀系数、导电性、导热性、和电 磁性等。
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由于工程结构和机械零件的用途各异，除了力学性 能的基本要求外，往往还有不同的物理性质的要求:
电化学腐蚀举例 在电解质溶液中，铁素体的电极电位低，成为阳极
而被腐蚀，渗碳体电极电位高成为阴极而被保护。根据电化学腐蚀的原 理可以明白，为什么多相合金比单相合金易腐蚀，金属在潮湿的空气中 比干燥空气中易腐蚀，在工业区和酸性气氛的大气中的金属易腐蚀。
电解液
渗碳体
铁素体（Fe-2e→Fe++） (2H++2e→H2↑)
材料的性能
材料具有各种不同的性能，如为了满足各类工程结构 和机械装置的服役条件，人们不断对工程材料的性能提出 新的要求。 使用性能：指材料在特定服役条件下保证能 安全地 工作所必需的性能，包括物理性能、化学性能、力学 金 性能三种，其中力学性能是金属材料最基本最常用的 属 性能 材 料 的 工艺性能：工艺性能是指材料在各种加工和处理 性 中所应具备的性能，如铸造性能、锻造性能、切削 能
增强 水泥
无
无
陶瓷纤维 增强塑料
陶瓷纤维 增强橡胶
碳 素
碳纤维 增强金属
增强 陶瓷
陶瓷增 强玻璃
增强 水泥
碳纤维 强碳复 合材料
无
碳纤维 增强塑料
碳纤碳黑 增强橡胶
玻 璃
无
无
无
增强 水泥
无
无
玻璃纤维 增强塑料
无
木材 有 机 材 料
无
无
无
水泥 木丝板 增强 水泥
无
无
纤维板 高聚物 纤维增强 塑料
无 高聚物 纤维增强 橡胶
橡胶制品
高分子材料的基本特性：
1、 结合键主要为共价键； 2、分子量大，无明显的熔点，有玻璃化转变温度、 粘流温度。并有热塑性和热固性两类； 3、力学状态有玻璃态、高弹态和粘流态，强度较高； 4、质量轻； 5、良好的绝缘性； 6、优越的化学稳定性；
7、成型方法较多。
（四）复合材料
由两种或两种以上组分组成，并具有与其组成不 同的新的性能的材料称为复合材料。复合材料按性 能分为结构复合材料和功能复合材料。目前研究比 较充分、应用较多的主要是前者，而后者尚处于探 索阶段。 根据增强剂形状及增强原理，可将复合材料分为粒 子增强复合材料和纤维复合材料。后者复合效果最 突出，研究最多，应用最广。
1、根据来源：分为天然和人工合成的两类；
2、根据使用性质：分为塑料、橡胶、纤维、粘合剂、涂 料等类；
3、根据高分子化合物的主链结构：分为碳链、杂链、元 素高聚物三类；
4、根据其对热的性质：分为热塑性、热固性及热稳定性 高聚物三类； 5、根据材料的用途：分为高分子结构材料、高分子电绝 缘材料、耐高温高分子材料、导电高分子材料、高分子 建筑材料、生物医学用高分子材料、高分子催化剂、包 装材料等多种品种。
有色金属材料
指除Fe以外的其他金属及其合金。这些金属约有80 余种，分为轻金属（相对密度小于5），重金属（相对密 度大于5），贵金属，类金属和稀有金属五类。工程上最 重要的有色金属是Al、Cu、Zn、Sn、Pb、Mg、Ni、Ti 及其合金。有色金属材料的消耗虽然只占金属材料总消 耗的5％，但是因为它们具有优良的导电、导热性，同时 相对密度小。化学性质稳定。耐热。耐腐蚀，因而使得 它们在工程上占有重要地位。
无机非金属材料的分类
混凝土 玻璃 无 机 非 金 属 材 料 砖及耐火材料 传统陶瓷 日用陶瓷 建筑卫生陶瓷 电气绝缘瓷 耐酸陶瓷 过滤陶瓷 高温陶瓷 电容陶瓷 电压陶瓷 磁性陶瓷 导电陶瓷
工程结构陶瓷 工 程 陶 瓷
陶瓷 特种陶瓷
功能陶瓷
无机非金属材料（以陶瓷为例）的基本特性： 1、化学键主要是离子键、共价键以及它们的混合键；
三大材料简介
三大材料指金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料
（一）金属材料
金属材料通常是指由金属元素、金属与金属或金属与非金属元素构 成的材料, 分为黑色金属材料和有色金属材料两类。
黑色金属材料
钢和铸铁 钢按照化学成分分为碳素钢和合金钢；按照品质分为普通钢、优质钢和 高级优质钢，按照冶炼方法分为平炉钢、转炉钢、电炉钢，按照用途分 为建筑及工程用钢、结构钢、工具钢、特殊性能钢及专业用钢。 铸铁通常分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和特殊性能铸铁 等。钢铁是现代工业中的主要金属材料，在机械产品中占整个用材消耗 的60％以上。
电化学腐蚀的基本原理
电化学腐蚀是金属在电解质中由于形成原电 池（ Galvanic cell ）而引起的腐蚀。不同的金属 在 电 解 质 中 具 有 不 同 的 电 极 电 位 （ electrode potential ），当不同的两种金属处于同一电解质 溶液中并由导线联结时就构成一个原电池。此时 电子由电极电位低的阳极流向电极电位高的阴极， 即阳极金属被腐蚀。
材料的结构组织与性能
（一）
材料学院
序论
组成本课程的三大块内容
1、材料的性能
2、材料的微观结构
3、材料的组织
阐述微观结构和亚微观组织对 材料性能的影响以及三者的关系。
材料的定义及分类
材料是指具有满足指定工作条件下使用要求的形态和各种性能的物质，是 人们生活及组成生产工具的物质基础。目前世界各国注册的材料有几十万种， 并在不断增加之中。
问 题
1、钢与铁的基本成分是Fe、C、（少量Si、Mn、P、 S），C的强度基本为零，那么随着钢中含C量的增加， 强度是越高还是越低？ 2、为什么与别的材料相比金属材料具有良好的塑性， 热传导性，导电性？ 3、同一成分的碳钢，“烧红”后随炉冷却与在水中 冷却为什么强度相差极大? 4、为什么人们很难用手将钢丝折断？ 5、为什么同是金属材料，Cu、Al和Fe比Mg、Zn和 Ti等具有更好的塑性？
材料可有多种分类方法。
1、按状态分，材料有气态、液态和固态三大类。工程技术中最普遍使用的 是固态材料； 2、按材料组成和结合键的性能，把材料分为金属材料、高分子材料、陶瓷 （无机非金属材料）以及半导体材料四大类。 3、按照材料特性，可将他们分为金属材料、无机非金属材料和有机高分子 材料三类。金属材料包括各种纯金属及其合金。塑料、合成橡胶、合成纤维等 称为有机高分子材料。还有许多材料，如陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等，既 不是金属材料，又不是有机高分子材料，人们统称它们为无机非金属材料。此 外，人们还发展了一系列将两种以上的材料通过特殊方法结合起来而构成的复 合材料。 4、按照材料所起的作用，可分为结构材料和功能材料两类。 5、按照使用领域的不同，又可将它们分为建筑材料，电子材料，医用材料， 仪表材料，能源材料等等。
铜合金铸件
铝合金铸件
各类铜型材
世 界 上 最 大 的 青 铜 鼎
金属材料具有如下基本特性： 1、 结合键为金属键，常规方法生产的金属为晶体结构；
2、 在常温下一般为固体，熔点较高；
3、 具有金属光泽； 4、 纯金属具有良好的延展性(塑性）； 5、 金属合金具有高的强度和韧性； 6、 具有良好的导热和导电性； 7、 多数金属在空气中易被氧化。
（1）形成的氧化膜完整；
（2）氧化膜与金属集基体之间具有良好的结合力； （3）氧化膜稳定性好，熔点高，蒸气压低；
（4）氧化膜与金属的热膨胀系数接近；
（5）氧化膜具有良好的高温塑性，不易断裂； （6）氧化膜结构致密，电子导电率很低，离子在其中的扩散率也很低。
材料的力学性能
材料的力学性能（ Mechanical property ）是指 材料在外加载荷作用下或载荷与环境因素（温度、 介质和加载速度）联合作用下所表现出来的行为。 下列名词属于力学性能范畴 强度、硬度、韧性、塑性、耐磨性、抗疲劳性、 缺口敏感性、应力腐蚀、氢脆……。
力学性能指标
表征金属材料力学行为的力学参量的临界值或规定值 称为材料的力学性能指标。 强度指标 塑性指标 ζb、ζs、ζ-1 δ、 ψ
韧性指标
ak、KIC
金属力学性能指标具体数值的高低，表征金属材料抵 抗变形和断裂能力的大小，是评定金属材料质量的主要依 据，也是设计金属材料机械构件和进行强度计算的主要依 据。
2、硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感；
3、熔点较高，具有优良的耐高温、抗氧化性能； 4、自由电子数目少、导热性和导电性较小； 5、耐化学腐蚀性好； 6、耐磨损； 7、成型方式为粉未制坯、烧结成型。
(三)高分子材料
高分子化合物是以C、H、N、O等元素为基础，由 许多结构相同的小单位（链节）重复连接组成的，含有 成千上万个原子，分子量很大，并在某一范围内变化着 的材料。 分类
高聚物纤 维 橡胶 胶粒
无
无
无
无
塑料合板
无
无
无
无
无
橡胶合板
复合材料的基本特点：
1、 比强度和比模量高；
2、 良好的抗疲劳性能；
3、 耐烧蚀性和耐高温性好；
4、 结构件减振性能好；
材料的制造与使用水平是人类文明进步的划分标志 , 从历史来看，社会的文明进步和生产技术的发展，总是 和新材料的出现密切相关，它们既互为因果，又互相促 进。人类社会的发展历史证明，生产中使用的材料的性 质直接反映人类社会的文化水平。历史学家根据制造和 使用材料的水平，将人类的发展史划分为石器时代、青 铜器时代、铁器时代；而今是使用金属的鼎盛时期，同 时高分子材料、复合材料、陶瓷材料也正在广泛使用。 可以预料今后人类必将跨进人工合成材料的新时代。可 见材料对于人类社会的发展起作重要的作用，在某种意 义说，人类文明发展史是人类对材料占有、认识、制造、 使用和发展的历史。
例：
•航空机械——要求有低的密度，
•精密铸造金属及合金——要求有低的膨胀系数； •熔断器用保险丝——要求有低的熔点； •电热器用金属丝——要求有高的电阻； •导线——要求良好的导电性能；
•电机和变压器的铁芯材料——要求磁通大，磁损小
材料的化学性能
材料的化学性能指材料抵抗腐蚀及氧化等性能。腐蚀 （ corrosion ）是指材料在周围介质的作用下，由于化学反应、 电化学反应而产生的破坏，并将腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐 蚀两大类。 化学腐蚀（chemical corrosion）是指材料与周围介质直接发 生化学反应，但反应过程中不产生电流的腐蚀过程。金属在干 燥气体中的腐蚀（如飞机发动机燃烧室内壁、火焰筒以及接触 燃气的其它零部件的腐蚀）、在非电解质溶液中的腐蚀（如金 属在无水的酒精、甘油中的腐蚀）等都属这一类。 电化学腐蚀（electrochemical corrosion）是指金属与离子导 电性介质发生电化学反应，反应过程中有电流产生的腐蚀过程， 如金属或合金在各种电解质溶液中的腐蚀、大气腐蚀。海水腐 蚀和土壤腐蚀等。电化学腐蚀是金属腐蚀中最常见、最普遍的 腐蚀类型，可以说大多数金属的腐蚀都具有电化学性质。
图6.2
珠光体电化学腐蚀示意图
金属的氧化
金属材料在干燥气体介质中也能通过化学反应而被氧化。金属的氧 化，特别是高温下的氧化，是工程设计（如火箭发动机、高温石油化工 设备设计等）中必须重视的一个问题。 如果金属在氧化过程中形成的氧化膜具备下列条件，则这层金属氧 化膜将成为保护膜而阻止金属进一步氧化，从而提高金属的抗氧化能力。
决定材料力学性能的因素
内因：材料的化学成分、组织结构、冶金质量、残
余应力及表面和内部缺陷等。
外因：载荷性质（静载荷、冲击载荷、交变载荷）、
应力状态（拉、压、弯、扭、剪等）、温度和环境介质。 因此，谈及金属材料的力学行为，应考虑到其所处 的条件，如一些在常温下表现为韧性的金属材料，在低 温下可能就表现为脆性，这就是金属材料的低温脆性性 能。这就是为什么力学性能指标的测定总是要确定温度、 应变速率、加载方式等的原因