材料性能学全套课程教学课件.ppt
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1、材料性能学 An Introduction to Materials Properties 课程介绍 课程性质课程性质 专业(指定)选修课专业(指定)选修课 学时数学时数:54 学分数学分数:3 授课方式授课方式: 课堂授课(为主) 实验(电镜断口观察) 课堂讨论(每一位学生选择一个专题,写一篇综述论文, 并且在课堂上讲解和讨论,并作为平时成绩之一) 考核方式考核方式:期末考试50;课堂论文成绩35;考 勤作业15 绪绪 论论 信息、能源和材料是现代社会发展的三大支柱,而信息技术 和新能源产业的提高和发展都离不开各种新材料作为支撑和 基础。 材料科学与技术的发展水平已经成为衡量一个国家国防力量
2、、 经济发展水平和综合实力的重要指标之一,是21世纪优先发 展的重要领域。 长期以来,材料科学研究一直受到国家、地区、高校和研究 机构等不同层面上的广泛重视,一些发达国家更是投入大量 的人力、物力和财力抢占21世纪材料科学发展的制高点。 从2008年开始,我校在新的发展规划中,又将建设“新材料 研究平台”做为4个重点建设平台项目之一。 联合和交叉研究是当前发展新材料,取得重大 创新成果的重要手段。 材料科学与工程学科的核心是研究材料科学与 工程学科四面体的四要素之间关系: 材料合成和过程材料合成和过程成分结构成分结构性能性能服役应服役应 用等之间的关系用等之间的关系 具有多学科交叉特征。具有多
3、学科交叉特征。 制备与合成 成分结构 性 能 服役应用 除了材料专业研究者在材料科学规律、制备工 艺技术、计算模拟和实验技术等四大方面对材 料科学与工程学科四面体的四个要素进行全面 的研究以外 其他学科如,物理、化学、机械、生物、医学、 电子等借助其学科基础和优势,近年来不断向 材料科学延伸与渗透 通过不断的交叉进一步推动了材料科学的发展, 建立了电子半导体材料、纳米材料和器件、生 物材料和先进工程材料等新的交叉学科。 这种不同学科的交叉已经成为新材料的发现、 发展和创新的重要源泉。 材料科学领域涵盖:金属材料、无机非金属材料、高 分子材料、复合材料、纳米材料,工程材料等各种材 料在制备、加工
4、、处理、服役和使用过程中的组织、 性能演变与失效,以及材料微结构表征和性能测试技 术等内容。 材料研究如何由实验室向产业化过渡也是材料科学发 展中的另一个重要问题。 另外,材料学科的许多开拓性的发展和原始性创新都 与实验技术及仪器装备的发展紧密相关。(性能测试、 结构表征等) 目前,国内外许多有条件的高校和实验室都把实验技 术及仪器水平提高当作占领材料学科发展制高点的首 要问题来解决。 纵观国内外材料学科水平最高和发展最快的地方无不 与其拥有一流的仪器设备和硬件设施有关。 教学目的与要求教学目的与要求 本课程是“材料科学与工程”一级学科的专业课 程之一(其它有材料物理学、材料分析测试) 目的在
5、于使学生了解材料常见力学性能和物理性 能的本质及其变化规律 初步熟悉有关力学性能和物理性能的测试方法和 在材料科学研究中的运用 掌握材料韧性、脆性、疲劳性能、热性、电性、 磁性、弹性、内耗等的本质、基本变化规律、以 及与组织结构的关系 掌握测试的基本原理和分析方法 了解在材料研究及实际工业生产中的运用 课程主要内容课程主要内容 专业指定选修课 课程涉及知识面宽,信息量大,基础性强 主要讲授材料各种性能的基本概念、物理(化学)本质、影 响材料性能的因素及性能指标的测试原理与工程应用等 材料性能涉及到材料科学和工程两部分内容 性能的物理本质部分告诉我们“为什么” 工艺、结构、性能及其测试分析技术告
6、诉我们“如何做”, 其载体和桥梁就是具体的材料 学习过程中把这两部分有机地结合起来,有利于学生掌握 材料各种性能研究领域的整体,促进积极思维和创造精神 课堂讲授部分主要内容课堂讲授部分主要内容 材料的力学性能材料的力学性能:材料在静载条件下的 力学性能、冲击韧性、断裂韧性、疲劳 性能、磨损性能,以及高温力学性能等; 材料的物理性能材料的物理性能:材料的热学性能、磁 学性能、电学性能、光学性能、压电及 铁电性能等; 材料的腐蚀及老化性能,等 教材与参考书教材与参考书 教教 材材: 材料性能学王从曾主编,刘会亭主审,北京工业大学出版社, 2001年 参考书参考书: 材料物理性能,吴其胜主编,蔡安兰
7、杨亚群副主编,华东理 工大学出版社,2006年。 工程材料力学性能刘瑞堂、刘文博、刘锦云编,哈尔滨工业 大学出版社,2001年 材料物理性能田莳编著,北京航空航天大学出版社,2001年 材料物理导论熊兆贤编著,科学出版社,2001年 具体教学内容具体教学内容 第一章第一章 绪言绪言 “材料性能学”课程的学习意义、学习任务、学习方法、主要内容等 第二章第二章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能 应力应变曲线应力应变曲线 拉伸性能指标拉伸性能指标。材料的强度:屈服强度、抗拉强度;材料的塑性:延伸率、短面收缩等。 弹性变形弹性变形。弹性的本质:双原子模型、Hooke定律;弹性模量;影响
8、弹性模量的因素; 非理想弹性与内耗非理想弹性与内耗。理想弹性材料;滞弹性材料;内耗的定义;内耗的产生机理:点阵 中原子有序排列引起的内耗、晶界内耗、与位错有关的内耗等;内耗的测量;内耗的应用 塑性变形塑性变形。塑性变形机理:金属材料的塑性变形(滑移、孪生)、多晶体材料的塑性变形 的特点、陶瓷材料的塑性变形、高分子材料的塑性变形;屈服现象及其本质:物理屈服现 象、屈服现象的本质、影响屈服强度的因素;应变硬化(学生自学);超塑性 材料断裂与断口分析材料断裂与断口分析(多媒体讲座和电镜实验观察)。断裂分析的意义;断裂的分类; 断口分析法;韧性(延性)断裂:定义、特点、典型材料、韧性断裂的宏观特征、韧
9、性断 口的微观特征;脆性(包括:解理和沿晶)断裂:定义、特点、主要材料、脆性断裂的宏 观特征、解理断裂的微观特征、沿晶断裂的微观特征、疲劳断裂、焊接断口。 第三章第三章 材料在其它静载荷下的力学性能材料在其它静载荷下的力学性能 应力状态软性系数 扭转的力学性能 弯曲的力学性能 压缩的力学性能 缺口试样的力学性能。缺口处的应力分布及三向应力;缺口形式; 缺口敏感度;影响因素 布氏硬度:测量原理、特点 洛氏硬度:测量原理、特点 维氏硬度:测量原理、特点 第四章第四章 材料的冲击韧性及低温脆性材料的冲击韧性及低温脆性 冲击试样与冲击韧性。冲击试样与冲击韧性。冲击实验的种类;冲击载荷的特点;一次 冲击
10、试验原理;冲击韧性Ak的意义;冲击试样的断裂过程;冲击 试验的应用 低温脆性。低温脆性。低温脆性的评价:能量原则、断口形貌原则、断口变 形特征原则;影响低温脆性的因素 第五章第五章 材料的断裂韧性基础材料的断裂韧性基础 Griffith断裂理论。完整晶体的理论断裂强度;Griffith 断裂理论;Orowan的修正; 裂纹扩展的能量判据 裂纹顶端的应力场。三种断裂类型;I型裂纹顶端的应 力场;应力强度因子KI; 裂纹顶端的塑性区。 应力强度因子的塑性区修正。 影响断裂韧性的因素。内部因素;外部因素; 断裂韧性的工程应用。 第六章第六章 固体电子理论简介固体电子理论简介 电子的波动性。电子的波动
11、性。 2 原子结构。原子结构。原子结构模型,量子力学的基本原理,原子中的电 子结构,分子和金属键。 金属电子论。金属电子论。经典自由电子理论,量子自由电子论,能带理论。 第七章第七章 材料的电学性能材料的电学性能 电子类载流子导电。电子类载流子导电。金属的导电机制:经典理论、能带理论;影 响材料导电性的因素:温度、应力、范性变形、热处理的影响。 离子类载流子导电。离子类载流子导电。定义;理论;离子导电与扩散;离子导电的 影响因素。 电阻的测量。电阻的测量。 与电性有关的材料。与电性有关的材料。 电阻分析的应用。电阻分析的应用。研究合金的时效,合金的有序-无序转变,测量 固溶体溶解度曲线等; 第
12、八章第八章 材料的热学性能材料的热学性能 热学性能的物理基础。热学性能的物理基础。 热容。热容。基本概念;经典热容理论:杜隆珀替定律、柯普定律;固体热 容的量子理论:爱因思坦模型、德拜模型;自由电子对热容的贡献。 合金的热容。合金的热容。 陶瓷材料的热容。陶瓷材料的热容。 相变对热容的影响。相变对热容的影响。 热分析。热分析。差热分析(DTA);示差扫描量热法(DSC)。 热容的应用。热容的应用。 第九章第九章 材料的膨胀分析材料的膨胀分析 热膨胀的物理本质。热膨胀的物理本质。 双原子模型。双原子模型。 膨胀系数膨胀系数 异常膨胀。相变因素;原子系数因素;熔点因素异常膨胀。相变因素;原子系数因
13、素;熔点因素。 热膨胀的影响因素。热膨胀的影响因素。合金成分和相变,晶体结构,晶体的各向异性,铁 磁性。 膨胀的测量。膨胀的测量。光学膨胀仪,电磁膨胀仪。 膨胀分析的应用。膨胀分析的应用。 第十章第十章 材料的磁学性质材料的磁学性质 磁介质及其分类磁介质及其分类 磁性的物理本质。磁性的物理本质。电子轨道磁矩;电子自旋磁矩;原子核磁矩;原子总磁矩。 表征磁性的物理量。表征磁性的物理量。磁化与外场的关系;总磁场与外场的关系。 磁性的分类。磁性的分类。抗磁体;顺磁体;铁磁体。 抗磁性与顺磁性。抗磁性与顺磁性。正离子的抗磁性;正离子的顺磁性;自由电子的顺磁性;自由电子的抗磁性;顺磁 性和抗磁性在材料研
14、究中的应用。 铁磁性。铁磁性。磁化曲线;磁滞回线;铁磁性理论:自发磁化理论、磁畴理论、技术磁化理论。 铁磁性的测量。铁磁性的测量。 铁磁性分析的应用。铁磁性分析的应用。 第十一章第十一章 材料的介电性能材料的介电性能 介质极化与介电性能。平板电容器与电介质;极化参数。介质极化与介电性能。平板电容器与电介质;极化参数。 介电质的极化形式和机制。位移极化;松弛极化;转向极化;空间电荷极化;自发极化。介电质的极化形式和机制。位移极化;松弛极化;转向极化;空间电荷极化;自发极化。 电介质的介质损耗。介质的损耗形式:电导损耗、极化损耗、电离损耗、结构损耗、宏观结构不均匀电介质的介质损耗。介质的损耗形式:
15、电导损耗、极化损耗、电离损耗、结构损耗、宏观结构不均匀 的介质损耗;影响介电损耗的因素:频率的影响;温度的影响。的介质损耗;影响介电损耗的因素:频率的影响;温度的影响。 介电质的压电性能。压电效应的基本原理;压电性能的主要参数:介电常数、介质损耗、弹性系数、介电质的压电性能。压电效应的基本原理;压电性能的主要参数:介电常数、介质损耗、弹性系数、 压电常数、机械品质因数、机电偶合系数;压电材料的应用。压电常数、机械品质因数、机电偶合系数;压电材料的应用。 电介质的热释电性(电介质的热释电性(Pyroelecrticity)。定义;热释电现象;热释电的产生条件;热释电性的表征;热)。定义;热释电现
16、象;热释电的产生条件;热释电性的表征;热 释电材料;热释电性额应用。释电材料;热释电性额应用。 电介质的铁电性。铁电性的定义;电滞回线;居里温度;临界现象;铁电畴;铁电体的电致伸缩效应;电介质的铁电性。铁电性的定义;电滞回线;居里温度;临界现象;铁电畴;铁电体的电致伸缩效应; 铁电体的起源;铁电体的起源; 铁电性、压电性、热释电性之间的关系铁电性、压电性、热释电性之间的关系 影响材料压电性和铁电性的因素。化学成分;晶粒间界;预极化条件;薄膜材料的择优取向。影响材料压电性和铁电性的因素。化学成分;晶粒间界;预极化条件;薄膜材料的择优取向。 压电、铁电性能的测量。压电、铁电性能的测量。 压电、铁电
17、材料的应用。压电、铁电材料的应用。 课堂论文与讨论内容课堂论文与讨论内容 材料的疲劳性能材料的疲劳性能(教材第五章) 材料的磨损性能材料的磨损性能(教材第六章) 材料的高温力学性能材料的高温力学性能(教材第七章) 材料的光学效应材料的光学效应(教材第十一章) 材料的腐蚀效应材料的腐蚀效应(教材第十三章) 对课堂论文的要求对课堂论文的要求: 每一位学生选择一个专题,写一篇综述论文 内容一般包括:基本概念、基本理论,以及最新进展等。 字数不少于3000字,阅读参考文献不少于5篇,并且要列于论文后面。 论文以内容的系统性、全面性、新颖性、条理性和图文并茂等为优 严禁整篇抄袭他人文章,或在网上整篇拷贝
18、他人文章,一经发现,做零分计。 所有同学的课堂论文在课堂上讲解和讨论 课堂纪律与要求课堂纪律与要求 按时上课,迟到者将影响平时成绩。 上课禁止“接打手机”,一经发现,将 停止听课资格。 上课随机点名,旷课3次者将没有成绩。 20 第一章 材料单向静拉伸的力学性能 引引 言言 1.1 应力应力-应变曲线应变曲线 1.2 弹性变形与弹性不完整性弹性变形与弹性不完整性 1.3 塑性变形与应变硬化塑性变形与应变硬化 1.4 金属的断裂金属的断裂 21 引引 言言 单向静拉伸试验特点单向静拉伸试验特点: 1、最广泛使用的力学性能检测手段、最广泛使用的力学性能检测手段; 2、试验的应力状态、加载速率、温度
19、、试样等、试验的应力状态、加载速率、温度、试样等 都有严格规定都有严格规定(方法:(方法:GB/T228-2002;试样:;试样: GB/T6397-1986)。 3、最基本的力学行为(弹性、塑性、断裂等);、最基本的力学行为(弹性、塑性、断裂等); 4、可测力学性能指标:强度(、可测力学性能指标:强度()、塑性)、塑性 (、f)等。)等。 22 23 传感器式拉伸试验机 24 高温拉伸试验机 25 26 1.1 1.1 应力应力- -应变曲线应变曲线 一、拉伸力一、拉伸力伸长曲线伸长曲线 oe段:弹性变形段:弹性变形 e点:弹性塑性的转变点点:弹性塑性的转变点 AB(Ak)段:塑性变形)段:
20、塑性变形 AC段:不均匀的塑性变形段:不均匀的塑性变形 (出现锯齿状条纹,又称屈(出现锯齿状条纹,又称屈 服变形)服变形) CB段:均匀变形段:均匀变形 Bk段:不均匀变形段:不均匀变形 k点:断裂点:断裂 27 二、应力二、应力- -应变曲线应变曲线 应力应力 =F/A =F/A 应变应变 = =L/LL/L e e:弹性极限:弹性极限 s s:屈服点:屈服点 b b:抗拉强度:抗拉强度 28 29 三、几种常见材料的应力三、几种常见材料的应力- -应变曲线应变曲线 金属材料金属材料 低碳钢与某些低碳钢与某些 有色金属有色金属 塑性较低塑性较低 的金属的金属 某些铝合金某些铝合金 30 1.
21、2 1.2 弹性变形与弹性不完整性弹性变形与弹性不完整性 一、弹性变形及其实质一、弹性变形及其实质 1.1.弹性变形弹性变形 定义:当外力去除后,能恢复到原来形状或尺寸定义:当外力去除后,能恢复到原来形状或尺寸 的变形,叫弹性变形。特点为:单调、可逆、变形量很的变形,叫弹性变形。特点为:单调、可逆、变形量很 小(小(0.51.0%0.51.0%) 2.2.弹性的物理本质弹性的物理本质 金属的弹性性质是金属金属的弹性性质是金属 原子间结合力抵抗外力的原子间结合力抵抗外力的 宏观表现。宏观表现。 31 二、虎克定律二、虎克定律 1 1、弹性力场微分方程、弹性力场微分方程 平衡微分方程平衡微分方程
22、)( )(0 2 2 运动运动 静止静止 t uf x ii j ij f fi i作用力;作用力; i i,j=x,y,z j=x,y,z 密度密度 位移:位移:x x轴轴u u;y y轴轴v v; z z轴轴w w 正应力:正应力: x x 、 、 y y 、 、 z z 正应变:正应变: x x 、 、 y y 、 、 z z 切应力:切应力: x y x y 、 、 y z y z 、 、 z x z x 切应变:切应变: x y x y 、 、 y z y z 、 、 z x z x 32 几何方程几何方程 i i,j=x,y,zj=x,y,z 位移:位移:x x轴轴u u;y y轴
23、轴v v;z z轴轴w w ijij j i ij i j x u x u 2 2 1 33 2. 广义虎克定律 在弹性极限内,物体内任一点的应力状态和应变状态在弹性极限内,物体内任一点的应力状态和应变状态 均可以由六个应力分量和六个应变分量来描述,虎克定律均可以由六个应力分量和六个应变分量来描述,虎克定律 的物理方程为:的物理方程为: 式中 C11、C12Cij为常数,称为弹性刚度系数。 xyzxyzzzyyxxxy xyzxyzzzyyxxzx xyzxyzzzyyxxyz xyzxyzzzyyxxzz xyzxyzzzyyxxyy xyzxyzzzyyxxxx CCCCCC CCCCCC
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