材料科学概论复习内容

材料是指人类社会可接受、能经济地制造有用期间（或物品）的固体物质。其中包括天然生成和人工合成的材料，以及由它们组合而成的复合材料。材料发展史上的第一次重大突破，是人类学会用黏土烧结制成容器。所谓‘材料工程’就是着重把基础知识应用于材料的研制、生成、改性和应用，以完成特定的社会人物，解决技术上、经济上、社会上（包括环境）不断出现的问题。它和机械工程、宇航工程、土木工程、电机工程、电子工程、化学工程等紧密联系，最近又发展到与生物工程相联系。材料可分为三大类，即金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料金属材料包括两大类：钢铁材料和非铁（有色）金属材料材料按使用性能分类，可分为结构材料和功能材料。材料的化学成分、组织结构是影响其各种性质的直接因素，加工过程则通过改变材料的组织结构而影响其性质。另一方面，改变化学成分又会改变材料的组织结构，从而影响其性质。其中组织结构是核心，性能是研究工作的落脚点。（材料科学与工程的四要素：合成加工、性能、化学成分、组织结构）材料学就是研究材料的成分、组织结构、合成加工、性质与使用性能之间关系的科学，这3个方面构成了材料学的基础，他们是材料科学与工程的4个基本要素。原子以周期性重复方式在三维空间有规则排列的固体称为晶体，否则称为非晶体。把晶体中的单个原子或若干个原子抽象成一个几何点，它们在三维空间周期性重复排列，构成空间点阵，这些几何点称为阵点。描述空间点阵中阵点排列方式的最小体积单元是对面平行的平行六面体，称为晶胞。大部分材料是由2种或更多种元素组成的。多元晶体材料中各组元原子可能以2种不同的方式分布，分别构成固溶体和化合物。如果加盟组元原子晶体中所占位置的一部分或他们之间的某些空隙而保持基本组元的晶体结构，这种晶体便称为固溶体，加盟组员称为溶质，基本组员称为溶剂；如果加盟组元与基本组元以一定的比值重新组合形成新的晶体结构，这种晶体便称为化合物。溶质原子占据阵点的固溶体称为置换型固溶体，占据基本组员原子间隙的称为间隙性固溶体。固溶体、化合物或单质都是多元材料的组成物，统称为组成相或简称‘相’，单质材料的组成相只能是它本身，多元材料的组成相决定于其化学成分。点缺陷是指原子应占而未占的空位或间隙中不该存在而存在的间隙原子;线缺陷是对材料性能有重大影响的一维缺陷，称为位错，在电子显微镜下可直接看到。面缺陷是指多相材料组成相间的界面，在光学显微镜下即可被看到。材料组织就是在光学显微镜或电子显微镜下可观察到，能反映各组成相形态、尺寸及分布的图像。50年代用于材料成分与组织结构分析的工具主要是光学显微镜、X射线衍射仪、红外光谱和紫外光谱。现在用高分辨率电子显微镜俄歇、多种光谱仪、隧道扫描显微镜、固态核磁共振、双准直例子散射仪、高分辨率电子损耗光谱仪、俄歇能谱仪、低能电子显微镜、自旋极化分析仪、场离子显微镜、原子探针。为了使材料成型，可以采用下列技术：①将熔化或重熔的高纯金属或合金溶液，直接铸造成精密零件和制品的液态加工，即传统的金属铸造。②用多种苏醒加工方法，将坯锭制成具有一定形状和尺寸的成品，报考金属材料的挤压、拉拔、轧制，锻造等③将预先知趣的各种粉末材料压制、烧结或胶凝固结为制品④由聚合反应和高分子化学反应生成的高分子聚合物，必须经过加工和后处理才能成为高分子材料。⑤当各类材料制成后，根据应用和功能要求，可将两种同类或异类材料进行连接。材料的使用性能是指材料在服役条件下所表现的特征，它是材料性质与服役条件、产品设计及加工融合在一起所决定的要素，其度量指标有寿命、速度、能量效率、安全性和寿命期及费用等。材料在外加载荷和环境的作用下，会逐渐损失原有的物理、化学或力学性能，直至不能继续服役，这一现象称为失效。常见的失效形式有过量变形、断流、磨损和腐蚀等。金属的特性：①良好的导电性和导热性。②正的电阻温度系数，即随温度升高电阻增大。绝大多数金属具有超导性，即在温度接近于绝对零度时电阻突然下降，趋近于零。③良好的反射能力，不透明性及金属光泽。④良好的塑性变形能力。一般把金属材料分为两大类：铁及铁基合金和非铁合金。铁盒铁基合金包括纯铁、钢和铸铁。非铁合金是指铁及铁基合金以外的所有金属盒合金，如铝、铜、钛、镁及其合金等。纯铁的熔点为1538℃，常温下密度为7.87*10³kg/m³,具有铁磁性，弹性模量约为2000MPa。实际应用的纯铁含有少量杂质，称为工业纯铁。奥氏体珠光体铁碳相图必考，看书19页。铁碳合金按碳的质量分数分为碳钢与铸铁【ω（C）2.11%】碳钢分类1.按碳的质量分数分为低碳钢【ω（C）≤0.25%】中碳钢【0.25ω（C）≤0.6%】高碳钢【ω（C）0.6%】2按钢的质量（杂质硫、磷的质量分数）分为普通碳素钢【ω（S）≤0.055%,ω（P）≤0.045%】优质碳素钢【ω（S）≤0.040%,ω（P）≤0.040%】高级优质碳素钢【ω（S）≤0.030%,ω（P）≤0.035%】。3按用途分为碳素钢结构(用于制造各种工程构件如桥梁、船舶、建筑构件等和机器零件如齿轮、轴、连杆等)\碳素工具钢(用于制造各种工具如刃具、量具、模具等）。普通碳素结构钢简称普碳钢。用Q表示。如Q275。数字表示最低屈服强度。优质碳素结构钢。钢号用碳的平均质量分数的万分数表示。如钢号“20”，表示ω（C）=0.20%的优质碳素结构钢。若钢中锰的质量分数较高在钢号后加“Mn”，如15Mn。铸钢前加ZG.如ZG25表示ω（C）=0.25%的铸钢。碳素工具钢的ω（C）=0.65%~1.35%，钢号用碳的平均质量分数的千分数表示，前面加T。T9表示是ω（C）=0.90%的碳素工具钢。T10A表示平均ω（C）=1.0%的高级优质碳素工具钢。钢的热处理包括退火、正货、淬火和回火等，另外还有表面热处理和化学热处理等。钢在加热时的组织转变？？书21页钢在冷却时的组织转变？？书21页将钢加热到适当温度，保温一段时间，然后缓慢冷却，以获得接近于平衡状态组织的热处理工艺叫退火。钢材或钢件加热到Ac3（亚共析钢）和Acm（过共析钢）以上30~50℃，保温适当时间后，在空气中均匀冷却，得到珠光体类组织（一般为索氏体）的热处理称为正火。（与完全退火的主要差别在于冷却速度快，使钢的组织比较细）将钢加热至奥氏体后，快速冷却，使组织转变为马氏体的热处理工艺称为淬火。钢件淬火后，为了消除内应力并获得所要求的性能，将其加热到Ac1一下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺叫做回火。5CrMnMo钢表示碳的质量分数约为0.5%，含有Cr、Mn、Mo3种主要合金元素，质量分数皆在1.5%以下。高级优质钢在钢号的末尾加‘A’字表明，例如20Cr2Ni4A。常用的不锈钢：马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体-铁素体双相不锈钢。热强性包括短时高温强度（高温屈服强度和抗拉强度）、长时间高温强度（蠕变极限和持久强度）、高温疲劳极限以及热疲劳伉俪。其中最重要的是蠕变极限和持久强度。提高金属的高温强度主要采取以下途径。①固溶强化②析出相强化③晶界强化铝及铝合金特征：①密度低，比强度高②优良的物理、化学性能③加工性能良好铝合金经固溶处理组织是不稳定的，有分解出过剩相过渡到稳定状态的倾向。在室温下放置或低温加热时，强度和硬度会明显升高。这种现象策划给你喂时效或时效硬化。在室温下进行的称自然时效，在加热条件下进行的称人工时效镁合金特性：（1）密度低，比强度高，比刚度高；（2）比铝合金有较大的承受冲击载荷的能力；（3）镁合金具有优良的可切削加工型和抛光性。镁合金按产品状态可分为（工业镁合金可分为）铸造镁合金和变形镁合金。高分子材料是由可称为单体的原料小分子通过聚合反应而合成的。复合材料是指由两种或更多种物理性能、化学性能、力学性能和加工性能不同的物质，经人工组合而成的多相固体材料。复合材料的基本组分可划分为基体相（基体材料）和增强相（增强材料）两种。复合材料①按基体材料分类，可分为树脂基、金属基、陶瓷基等复合材料，目前使用最多的是树脂基复合材料。②按增强材料的种类和形态分类，可分为纤维增强复合材料（包括长纤维、短纤维和晶须）、颗粒增强复合材料和层叠增强复合材料等，其中纤维增强复合材料的应用最为广泛。③按复合材料的使用性能分类，可分为结构复合材料和功能复合材料两大类。前者主要用于工程结构和机械结构，主要利用材料的力学性能；后者具有某种特殊的物理性能或化学性能等，作为功能材料使用。目前应用最广的是结构复合材料。复合材料性能特点①比强度和比模量高②抗疲劳与断裂安全性能好③良好的减震性能④良好的高温性能纤维增强复合材料是指由高强度、高弹性模量的脆性纤维作增强与人性基体（树脂、金属）或脆性基体（陶瓷）经一定工艺复合而成的多相材料。根据增强颗粒的尺寸大小，颗粒增强复合材料可分为弥散增强复合材料和真正颗粒（或纯颗粒）增强复合材料两类。在增强纤维与基体复合时有关强化的几个问题①增强纤维的强度和弹性模量应比基体材料的高。②基体和纤维之间要有一定黏结作用，而且应具有适当的结合强度，以保证基体所受的应力通过界面传递给纤维。③纤维应有合理的含量、尺寸和分布。④纤维应与基体的线膨胀系数相匹配。⑤纤维与基体之间要有良好的相容性。金属基复合材料的界面的类型。其中Ⅰ类界面上不存在反应物和扩散层，除原组成成分外，不含其它物质；Ⅱ类界面是由原组成成分构成的溶解扩散型界面；Ⅲ类界面则含有亚微级左右的界面反应物质（界面反应层）。附图纤维增强复合材料的界面结合有以下几种形式①机械结合机械结合是指借助增强纤维表面凸凹不平的形态而产生的机械绞合，以及借助基体收缩应力裹紧纤维产生的摩擦阻力结合。②溶解诶和浸润结合③反应结合④混合结合，这种结合是最重要最普遍的结合形式。金属基复合材料科分为长纤维增强型、短纤维或晶须增强型、颗粒增强型以及原为复合材料。长纤维增强金属基复合材料是由高性能长纤维和金属或其合金组成的现金复合材料。常用的增强纤维有硼纤维、碳(石墨）纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维等。纤维增强陶瓷基复合材料1.长纤维增强陶瓷基复合材料①碳\陶瓷基复合材料②碳化硅\陶瓷基复合材料③碳\碳复合材料2.短纤维及晶须增强陶瓷基复合材料①碳/玻璃陶瓷基复合材料②晶须/陶瓷基复合材料层叠复合材料是由两层或更多层不同材料复合而成的。层叠增强复合材料可使强度、刚度、耐磨、耐蚀、绝热、隔声、和自重等性能得到改善。非晶合金常被称为金属玻璃。？？（了解内容，书171页）