《材料科学与工程基础》教案.doc

1、川大学教案理、工科】周次第11周，第11次课备注节称章名第四章材料的性能；第一节同体材料的力学性能第二节材料的热性能课式授方理论课（V）；实践课（）；实习（）教学时数3教学目的及要求1. 掌握疲劳的概念，了解其在工业中的重要性，疲劳寿命曲线与疲劳强度，疲劳断裂机制，提高材料耐疲劳性的途径。2. 掌握不同材料热物理性能的差异及其与组成和结构的关系。3. 掌握热导率的定义，热容和比热的定义。4. 掌握材料热膨胀的内在因素及影响因素，热性能与温度的关系。5. 有机高分了材料的热物理和热化学稳定性、表征方法、耐热性和阻燃性。教学内容提要间配时4.1.8疲芳Fatigueatcyclicstresses

2、4181疲劳的概念疲劳：工程构件在服役过程中，由于承受变动载荷或反复承受应力和应变，即使应力低于屈服强度，也会导致裂纹萌生和扩展，以至构件材料断裂而失效，或使其力学性质变坏。疲劳寿命：特定振动下使材料破坏必需的周期数。标准宏观格式A疲劳寿命曲线（Wbhler曲线、S-N曲线）。B表明S、N的关系。25分图4-47难点理解并掌握疲劳寿命曲线图4-484.1.8.2疲劳寿命曲线S-N曲线的绘制：不同应力下试验一组试件，得到一组点，连点成线。疲劳寿命曲线分为三个区。(1)低循环疲劳区很高应力和很少循环次数，并有较明显的型性变形。短寿命疲劳。(2)咼循环疲劳区循环应力低于弹性极限，疲劳寿命长，有限寿命

3、区N,>105次循环。长寿命疲劳。(3)安全区疲劳寿命趋于无限。无限寿命区疲劳极限一条水平渐进线，其咼度b”4.1.8.3疲劳极限和疲劳强度掌握疲劳强度的概疲劳强度用疲劳极限表示。工程实践中，疲劳极限定义为：在指定的疲劳寿命下，上限应力幅值。对于结构钢，指定的疲劳寿命通常取N；cycles。测定疲劳极限陶瓷不好金属好，贝40%5()%x高分了较好，。戒20%30%宓%1温度T上升g下降%1纤维增强发合材料，界面有效地阻止纹的扩展，破坏从纤维的薄弱环节开始。故复合材料疲劳破坏前有预兆，疲劳极限比较高。高分了材料宏观疲劳断裂过程:a不论何种原因出现银纹后，有一个银纹增长过程，经过一图4-49

4、难点八、了解并理解疲劳断裂机理定的周期后，银纹的数量和密度达到一个极限值;b其中有一个或相邻的儿个最具有发展条件的银纹开始形成疲劳裂纹;Fig9.40threeregions,.PrimaryortransientcreepContinuouslydecreasingcreeprate;theslopeofthecurvediminisheswithtime.Sectmdmycreep,stendy-stecreep,Therateisconstant;theplotbecomeslinear.Balancebetweenthecompetingprocessesofstrainhardeni

5、ngandrecovery,Steady-statecreeprateTertiarycreep,ruptureAccelerationoftherate；grainboundaryseparation,andtheformationofinternalcracks,cavities,andvoids.4185接触疲劳2()4-2材料的热性能分恥卩®17前面物理状态T力学性能热导率本节材料自身热物理性能：V比热容热膨胀耐热性热化学性能*热稳定性燃烧特性421材料的热学性质1.热传递三种方式：热传导、热辐射、热对流热传导一基本的传递方式一机制a自由电了（金属）b晶格振动，离了和共价晶体

6、（陶瓷）c分子传导（高分子、小分子气体、液体）热流量q=f（dT/dX）两平面稳态热流量（与时间无关）q=%a（T-T2）/d式中a为平板面积人为热导率非稳态：a=X/Cp.p式中a为热扩散系数，单位mis'；Cp为比热容；p为密度p要点2.热导率人定义：单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积上的热量，图4_50热X=-q/（dT/dX）。单位J.s'imK'i。导率比较、金属X高一般为100左右；银最高，达到427。入高的原因：自由电子运动的传送热量合金：杂原了加入，晶格畸变，阻止自由电子运动，入降低，为40左右无机非金属：传热方式，热振动。晶体（有序）：如金刚石

7、入最咼接近合金为30表4.12完全共价键一一原了、晶格振动一一近程相互作用非晶体（无定形、无序）：如玻璃，A1o咼分子远程无序例题中文入很小，0.104之间4-8原因：远程无序，分子间力弱热传导沿主链入主要取决于聚集态结构分了间传导泡沫、空气，A很小。3.比热容（Cp）或Cv定义:IKg质量的固体（或液体）升高（或降低）PC时，所增加（或减分：热容和比热Fig17.1少）的（振动能量）热量。固体多用Cp。单位：J-mol'1-K。CpCv。比热二热容/原子量，单位JKg-IKi比热容的大小：主要取决于化学结构率同体热容理论经典理论量了理论等容热容内能对温度的曲线上的斜率等压热容：嬉对温

8、度的曲线上的斜原子的振动-晶格的振动谐振了随机振动德拜模型金属CpVl,容易加热、容易冷却。单原子晶体24.9；银24.3；铝25.1。FeCP=0.50银CP=0.25高八子CP1.02.0热容大例/HDPE2.31LDPE1.90PS1.20天然橡胶1.92PVC1.05难点:理解环氧树脂1.05热容的宏影响高分了比热容Cp的因素观效应，及（1）分了链柔顺性温度的升高是由于分子过其影响因素间内摩擦引起的，柔性链，运动单元小内摩擦小,反上升慢，热高量大，热能动能热容小，很快冷（2）与温度T相关TTgCp发生突变DSC示差扫描量热仪测DTA差热八析试原差热分析理示意图。比热容与温度Fig17.

9、2比热容与相变一级相变，二级相变图4-51难点204.2.2热膨胀性(1) 热膨胀材料的体积随温度升高而增大的现象原因：原子或分子的热运动晶体：原子在晶格内平衡位是附近震动，Tt,振幅f,原子平均间距个非晶体：原子的振动和转变。高分了沿主振动；链节、链段，转Fig17.3图4-54动；自由体积一运动的空间热膨胀类型，单位：Ki线膨胀az=(l/)d/dTZj一维，温度升高1度，线尺寸相对变表413化体膨胀av=(l/V)dV/dT三维，温度升高1度，体积相对变化热膨胀系数a不是常数，其影响因素:%1温度T升高，a增大难点%1结构键能大，a减小取向交联度a减小结晶度柔顺性刚性，aat柔性，无机材

10、料a小,I(y5i(y6金属中，13Xl(y5高分子大，2.525Xl(y5254-2-2耐热性1.概念耐热性一一指在受负荷下，材料失去其物理机械性能而发生永久表4-14变形的温度。指材料的使用上限温度高分了材料常温及中温条件下使用，V500°C，一般170。钢550°C；合金900°C；石墨3000°Co陶瓷2000°Co2.耐热性表征：高分子材料一一物理状态】Tg无定形Tm结晶工业上的表征方法及指标。、£马丁耐热温度热变形温度>材料在一定负荷条件下，产生规定变形的温度Fig7.25维卡软化温度4-15屈服脆韧转变影响因素(1

11、)结构因素：刚性链A结晶耐热性交联(2)分子量耐热性(3)增索剂耐热性f(4)填料，纤维增强耐热性4-2-3热稳定性2()分结构发生变化的温度。1. 表征方法指聚合物化学结合（结构）开始发生变化的温度，即起始分解温度（Td）o因难以准确测定，常采用相对标准。（1）半分解温度在真空中加热30min重量损失一半所需要的温（2）热失重曲线（TG）热天平、热重分析评价时比较曲线给定温度下的失重给定失重的温度起始分解温度（外推）（3）DSC和DTA：热和热谿的变化2.热稳定性与结构的关系化学结构的变化（热分解）一种化学反应。k分解速率数；AE一解活化能一一与原子间的结合能（键能）相对应。键能大AE大k大

12、热稳定性高C链高聚物：图4-574-584-59单链高聚物一一分段梯形一一梯形一一片状热稳定性增大。杂环、环状结构：稳定，耐热性高。元素高分了：热稳定结构。结晶交联结构稳定性提高体型环状和杂链3热分解机理（略讲）（1）只受热（惰性气体，或真空中）大分子链成自由基。开链一一单体；随机断链。PMMAo（2）热氧分解氧（环境）参加，分解快4-2-4高分子材料的燃烧特性燃烧过程：材料不断热分解，始终在表面空气中燃烧，无残清。图4-60表4-16表4-17临界氧指数的影响因素表418有机材料、有机聚合物(含c、H元素)。1.高分子材料引燃和燃烧(略讲)燃烧：较高温度下与氧剧烈反应，并发出热和光。引燃过程

13、：外部热原分解固体材料的表面层；产生可燃气化物与空气混合致燃烧2. 燃烧特性及影响因素临界氧指数：能够维持稳定燃烧的最小氧浓度>0.27的聚合物是有自熄性。(1) 仅由C、H、O元素组成，临界氧指数为0.160.18(2) 含卤族元素(F、Cl、Br、D,临界氧指数大于0.40(3) 含磷、氮等元素，临界氧指数高(4) 加入阻燃剂和无机填料，可以提高临界氧指数。(吸收热量，温度下降；隔氧)(5)3.高分了材料的阻燃flameretardancy结构和组成提高热稳定性引入卤族、磷、氮等元素高分子材料的阻燃是重点阻燃剂和无机填料吸收热量降低温度隔离氧重点不同材料热物理性能的差异及其与组成和结构的关