材料的五个判据

1、材料的五个判据：资源判据能源判据环保判据质量判据经济判据, 材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其它产品的那些物质。根据材料服役的技术领域可分为信息材料、航空航天材料、能源材料、生物医 用材料等。材料科学与工程是研究材料组成、结构、生产过程、材料性能与使用效能以及 它们之间的关系。材料科学与工程的四个基本要素：合成与生产过程，组成与结构，性质，使用性能, 晶体是指其内部粒子呈规则排列的物质，如水晶，食盐，金属等。晶体的特点：一般具有规则的外形；有固定的熔点；各向异性非晶体：内部粒子呈无规则的堆积，玻璃是一种典型的非晶体，往往将非晶 体的固态物质（简称非晶态物质）称为玻璃体。晶体与非晶体的

2、区别： 前者熔化时具有固定的熔点，而后者却存在一个软化温度范围，没有明显的 熔点; 前者各向异性，而后者却为各向同性。1.点缺陷原子排列不规则的区域空间三个方向尺寸都很小。在晶体中的空位、间隙原子、杂质原子都是点缺陷。2.面缺陷：原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大，而另一方向 上的尺寸很小。相界面（异种晶粒间的界面）：具有不同晶体结构的两相之间的分界面。大角度晶界（相邻晶粒的位向差大于 10） 小角度晶界（相邻晶粒的位向差小于 10）1、金属变形的三个阶段：弹性变形，塑性变形，断裂三个阶段。2.弹性变形与塑性变形的区别：当外力去除后，前者能恢复到原来的形状和尺寸，而后者只能恢复弹性

3、变形，最终留下永久变形。单晶体的塑性变形：单晶体塑性变形的基本方式滑移和孪生滑移：在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（滑移面） 的一定方向（滑移方向）发生相对的滑动。滑移的特点：滑移造成的晶体总变形量是原子间距的整数值，不引起晶格位向 的变化。滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面和其上密度最大的晶向进行。滑移只在切应力作用下发生，不同金属产生滑移的最小切应力大小不同。金属材料塑性变形的实质：金属塑性变形实质上是以滑移和孪生两种形式通过 位错运动来进行的。塑性变形对金属性能的影响：产生加工硬化金属发生塑性变形，随变形度的增 大，其强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降的现象。塑

4、性变形对金属组织的影响：形成纤维状组织，形成亚结构，产生形变织构，使金 属晶体缺陷增多，并产生残余应力。残余应力的存在会导致材料及工件产生变 形、开裂、耐蚀性下降等有害影响。消除办法：适当的热处理。回复：指冷变形后的金属在加热温度较低时，通过原子的短距离移动，使晶体内的点缺陷和位错发生迁移而引起的某些亚结构和性能的变化过程。效果：回 复使塑变后金属的强度、硬度和塑性、韧性变化不大，但残余应力大大降低。工业上利用回复过程对变形金属进行去应力退火来降低残余应力，保留加工硬 化效果。再结晶：变形后金属在较高温度加热时，由于原子扩散能力增大，变形和破碎 的晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴

5、晶粒，该过程称为再结 晶。再结晶使塑变后金属的强度和硬度明显降低，塑性和韧性大大提高，残余应力 完全消除，加工硬化现象被消除。工业上利用再结晶过程对变形后金属进行再结晶退火来消除加工硬化现象，恢 复金属的塑性和韧性。以利于后面的变形加工。再结晶温度及影响因素：再结晶温度：经过大量变形（变形度大于 70%）的金属在约1小时的保温时间内，能够完成再结晶（再结晶体积分数大于95% ）的 最低加热温度。影响再结晶温度的主要因素：1）变形程度2）金属的纯度3）原始晶粒的尺寸 4）加热时间和加热速度 再结晶晶粒的长大：晶粒长大是自发过程，使晶界减少，能量降低，组织更为 稳定。晶粒长大是由晶粒的互相吞并完成

6、，这种吞并是通过晶界的逐渐移动进 行。再结晶晶粒大小的控制：变形程度原始晶粒尺寸杂质和合金元素变形温度 退火温度 金属材料的分类：黑色金属，有色金属，特殊金属，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，铜等金属及其合金f Cast iron （铸铁）含2 % v C v 4 %Carbon steel （碳素钢）Ferrous Metals 4 Steel （钢）含C 0.04 % - 2 %档Alloy steel （合金钢） Iron （纯铁）含C 0.04 %钢铁：占人类使用金属的90 %以上含碳量越高，硬度、强度

7、越大，但塑性降低有色金属器种Fnietl （重金属）I Light niEtii】（轻金属） I Noble metn（贵金属）Rare metal有金属）Cu. Pb. Zn. NiAl. Mg, TiAu Ag* PtW. Mo.Ta.稀土金属Special Metals （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.超导合金等中碳钢（C: 0.25%强度越大，但塑性碳钢的分类：1.按碳的质量百分数分：低碳钢（C: 0.25） C 0.6%）含碳量越高，硬度、降低按钢的质量分（主要是杂质硫、磷的含量）:普通碳素钢（S 0.055%, P 120.045%）优质碳素钢

8、（S 0.040%, P 0.040%）高级优质碳素钢（S 0.030%, P 0.035%）按用途分:碳素结构钢：主要用于桥梁、船舶、建筑构件、机器零件等。碳素工具钢：主要用于刀具、模具、量具等。普通碳素结构钢：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275等。数字表示最低屈 服强度。Q195、Q215、Q235塑性好，可轧制成钢板、钢筋、钢管等。Q255、Q275可轧制成型钢、钢板等。优质碳素结构钢：钢号以碳的平均质量万分数表示。如20#、45#等。20#表示含C: 0.20% （万分之20）。用途:主要用于制造各 种机器零件碳素工具钢：钢号以碳的平均质量千分数表示，并在前冠以T。如T9

9、、T12等。T9 表示含 C： 0.9%（千分之 9）。用途：主要用于制造各种刀具、量具、 模具等,铸钢：铸钢牌号是在数字前冠以ZG,数字代表钢中碳的平均质量分数 （以万分数表示）。如ZG25,表示含C： 0.25%。用途：主要用于制造形状复杂并需要一定强度、塑性和韧性的零件,如齿轮、联轴器等。合金钢 :在碳钢中加入一种或多种合金元素 ,形成的钢称之为合金钢铝及铝合金的特点：1.密度低、比强度高。纯铝的密度只有 2700kg/m3,仅为 铁的 1/42. 优良的物理、化学性能。导电性能好、磁化率低、耐腐蚀等。3. 加工性能好。铸造性能好、易于塑性变形,经热处理后还具有很高的强度。 提高强度的方

10、法 : 加工强化 固溶强化 异相强化 弥散强化 沉淀强化 晶界强化 复合强化铜合金种类 : 铜中加入合金元素后,可提高合金的强度,并保持良好的加工性能。黄铜:以 Zn 为主要合金元素。良好的加工性能,优良的铸造性能,耐腐蚀性能也好。青铜:以Sn为主要合金元素。用于铸造形状复杂的零件。抗腐蚀性比黄铜还好白铜 :以 Ni 为主要合金元素。具有较好的强度和塑性,能进行冷加工变形,抗腐蚀性能也好。金属材料和有机高分子材料以外的固体材料通称为无机非金属材料。主要特性：熔点高、硬度高、化学稳定性好、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、耐氧化、弹性模量大、强度高。一般为脆性材料陶瓷是用天然或人工合成的粉状化合物,经成型

11、和高温烧结而制成的多晶固体材料。陶瓷按其概念和用途不同,可分为两大类,即普通陶瓷和特种陶瓷。普通陶瓷即传统陶瓷,是指以黏土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎混练、成型、煅烧等过程而制成的各种制品。包括日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶 瓷、化工陶瓷、电瓷以及其它工业用陶瓷。特种陶瓷是用于各种现代工业及尖端科学技术领域的陶瓷制品。包括结构陶瓷 和功能陶瓷。结构陶瓷主要用于耐磨损、高强度、耐高温、耐热冲击、硬质、高刚性、低膨 胀、隔热等场所。功能陶瓷主要包括电磁功能、光学功能、生物功能、核功能及其它功能的陶瓷 材料。常见高温结构陶瓷包括：高熔点氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、硅化物 晶体相是陶瓷材料最主

12、要的组成相，主要是某些固溶体或化合物，其结构、形 态、数量及分布决定了陶瓷材料的特性和应用。晶体相又分为主晶相、次晶相 和第三相。陶瓷中晶体相主要有含氧酸盐（硅酸盐、钛酸盐等） 、氧化物（ MgO、Al2O3 ）、 非氧化物（SiC, Si3N4）等。硅氧四面体是硅酸盐陶瓷中最基本的结构单元。陶瓷材料的结构一般是指其晶体结构 （原子或分子的排列堆积方式 ）和显微结构 玻璃相是陶瓷材料中原子不规则排列的组成部分,其结构类似于玻璃。玻璃相 的作用是：将分散的晶体相粘结起来,填充晶体之间的空隙,提高材料的致密 度；降低烧成温度,加快烧结过程；阻止晶体转变、抑止晶粒长大。气孔对陶瓷的性能是不利的。它降

13、低材料的强度,是造成裂纹的根源。陶瓷体是由许多晶粒堆积而成。晶界的许多性质,如晶界迁移、晶界应力、晶 界上溶质偏析、晶界上存在空间电荷、晶界能较高等。显微结构 :瓷体有由玻璃相 气孔 晶体相 晶界组成 ,而各相的种类和数目以及它 们的大小 ,形状,排列方向 ,分布情况等陶瓷材料的基本性质 : 力学性能 硬度 : 陶瓷的硬度很高,多为 1000Hv 1500Hv（普通淬火钢的硬度 500800HV）。陶瓷硬度高的原因是离子晶体中离子堆积 密度大、以及共价晶体中电子云的重叠程度高引起的。刚度 ：陶瓷的刚度很高。刚度是由弹性模量衡量的，而弹性模量又反映其化学键的键能。离子键和共价 键的键能都要高于金

14、属键，因此陶瓷材料的弹性模量要高于金属材料。强度：陶 瓷材料的强度取决于键的结合力，理论强度很高。但陶瓷中由于组织的不均匀 性，内部杂质和各种缺陷的存在，使得陶瓷材料的实际强度要比理论强度低 100 多倍。陶瓷材料的强度也受晶粒大小的影响。晶粒越细，强度越高。此外，陶 瓷材料一般具有优于金属材料的高温强度，高温抗蠕变能力强，且有很高的抗 氧化性。常用于高温材料。陶瓷材料的塑性和韧性较低，这是陶瓷最大的弱点。陶瓷材料受到载荷时在不 发生塑性变形的情况下，就发生断裂。因此具有较高的熔点。热热膨胀：陶瓷材料的热膨胀热学性能：熔点：陶瓷材料由离子键和共价键结合, 容：陶瓷材料在低温下热容小，在高温下热

15、容增大。系数小，这是由晶体结构和化学键决定的。一般为10 5 10 6/K。光学性能：陶瓷材料由于晶界和气孔的存在，一般是不透明的。可以通过烧结 方法的改变和控制晶粒的大小，制备出透明的氧化物陶瓷。电学性能：陶瓷材料是良好的绝缘体。可用于隔电的绝缘材料；陶瓷还具有介 电特性，可作为电器的介质。陶瓷材料的介电损耗很小，可大量制造高频、高 温下工作的器件。磁学性能：陶瓷的磁学性能主要指磁性陶瓷。铁氧体陶瓷具有亚铁磁性。其与 铁磁物质不同点在于：它的磁性没有铁磁物质的磁性那么强。化学性能：一般来说，陶瓷材料的瓷体结构致密，陶瓷表面又有釉层，因此具有优越的抵抗化学侵蚀的能力。普 通 陶 瓷 ：广义陶瓷

16、：用陶瓷生产方法制的无机非 金属固体村料和产品的通称.定艾：扱黏王、长石、石矣为主要原料， 经过粉碎*翘炼、成型、锻烧等制作的产 rSj召特种陶瓷-结构陶瓷：氧化物结构陶瓷特点：化学稳定性好、抗氧化性强、熔融温度高、高温强度高。AI2O3陶瓷AI2O3主要有三种结晶形态，即a、B、丫型。a型是高温型，而丫型是低温型。氧化铝陶瓷以a - AI2O3为主晶相, 其AI2O3的质量分数一般在75%-99.9%之间。熔融体过冷制得的具有固体性质和一定结玻璃一概述:构特征的非晶态物质-共性:见书上,玻璃的生产方法（一）熔体冷却法（二）气相沉积法（三）晶体能量泵入法（四）固相热分解法（五）溶胶-凝胶法 熔

17、体冷却法中的传统熔体冷却工艺仍然是大量生产玻璃的主要工艺。熔制 的的五个阶段:硅酸盐的形成，玻璃的形成，玻璃液的形成，玻璃液的均化, 和玻璃液的冷却胶凝材料的定义：能将散状材料或纤维材料胶结在一起，经物理、化学 作用，由浆体硬化而成为坚固的人造石材的材料。胶凝材料的分类：胶凝材料分为有机和无机两大类。后者按照硬化条 件，又可分为气硬性胶凝材料和水硬性胶凝材料。气硬性胶凝材料：只能在空气中凝结、硬化并增长强度的胶凝材料。主要包括石膏、石灰、镁质胶凝材料、水玻璃等。水硬性胶凝材料：不仅能在空气中凝结、硬化，而且能在水中继续增长 强度的胶凝材料。主要包括各种品种的水泥。以硅酸盐水泥为例，其生产可用两

18、磨一烧来概括，一般经过三个阶段：生料制 备、熟料煅烧和水泥粉磨。硅瞰二钙铝酸三钙硅醸盐水泥熟料的主要矿炊纽成铁钳殴四钙3CaO*SiOjICaOSiOjJCiiO AlOiGSGSCjAC4AF水泥的性能：(1)凝结时间：水泥从和水开始到失去流动性即从可塑状态发展 到固体状态所需要的时间。(2) 强度：直接反映水泥的质量水平和使用价值的重要标志。由于水泥在硬化 过程中强度是逐渐增长的，所以提到强度时必须同时说明该强度的养护龄期, 才能加以比较。(3) 体积变化：水泥在硬化过程中体积变化情况称为体积安定性。体积安定性 不良的水泥，在凝结硬化过程中会产生不均匀的膨胀，从而导致硬化浆体的开 裂。(4

19、) 耐蚀性、耐久性：水泥硬化后，一般有较好的耐久性。但是，在环境介质 的作用下易被逐渐侵蚀而使硬化体强度降低，甚至会崩溃破坏。混凝土 -定义 广义：由胶凝材料、骨料、水按适当比例配合拌制而成的混 合物，再经硬化形成的复合材料。狭义：由水泥、普通砂、石子配制而成的复 合材料。混凝土的特点：1、组成材料中砂石等地方材料占80%以上，原材料丰富，成本 低，符合就地取材和经济原则;2、在凝结前具有良好的可塑性，可以按工程结构的要求，浇筑成各种形状和任 意尺寸的整体结构或预制构件;3、硬化后有较高的力学强度(抗压强度可达120MPa)和良好的耐久性;4、与钢筋有牢固的粘结力，二者复合成钢筋混凝土后，能互

20、补优缺，大大扩展 了混凝土的应用范围； 5、可根据不同要求，通过调整配合比制出不同性能的混凝土;6、可充分利用工业废料作骨料或掺合料，有利于环境保护。混凝土的缺点：（1）自重大，比强度低；（2）抗拉强度低，一般只有其抗压强 度的 l10-1 20；（3）硬化速度慢，生产周期长； （4）强度波动因素多等。制作普通混凝土一般包括三个步骤：混凝土组成材料的选择、配合比设计、新 拌混凝土的制备和养护 混凝土的组成材料混凝土的主要组成材料为胶结料、细集料、粗集料和水。通常所称的混凝 土是指水泥、水、砂、石子所组成的普通混凝土。但是为改进混凝土的工艺性 能和力学性能，常常加入某些外加剂和矿物掺合料。、新拌

21、混凝土的性能一）和易性；二）坍落度损失；三）离析和泌水；四）凝结时间。二、硬化混凝土的性能一）密实度 ；二）湿涨干缩；三）渗透性；四）热性能；五）力学性能；六）短期荷载作用下的变形；八）耐久性七）徐变；和易性： 指混凝土拌合物易于施工操作， 并能获得质量均匀、 成型密实的性能。它是新拌混凝土的流动性、粘聚性与保水性三个方面的综合。流动性：混凝土拌合物在自重或机械震捣力的作用下，能产生流动并均 匀密实地充满模型的性能。粘聚性：混凝土拌合物内部组分间具有一定的粘聚力，在运输和浇注过 程中不致发生离析分层现象，使混凝土能保持整体均匀的性能。保水性：拌和无具有一定的保持内部水分的能力，在施工过程中不致产生严重的泌水现象。1、离析概念：是混凝土拌合物的各组分发生分离致使其分布不再均匀失去连续 性的现象。产生原因：由于构成拌合物的各种固