【正文】 ? 材料：材料是人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)地制造有用器件的物質(zhì)。 ? 一、材料與人類 ? ，改善了人們的生活，推動(dòng)了人類文明的進(jìn)步。 ? 引用：巧婦難為無米之炊。 ? ，與國(guó)家安全密切相關(guān)。 ? 引用：依靠金錢買不來核心技術(shù) 如航空發(fā)動(dòng)機(jī)、高分辨率的光學(xué)成像系統(tǒng)等。 ? 。 ? （ 1）引用： J JF17發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中的技術(shù)瓶頸。 ? 背景資料：現(xiàn)代試驗(yàn)型發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度已達(dá)到 1650176。 C，更高的要求達(dá)到 1930176。 C。正在研制定向單晶、定向共晶、鎢絲增強(qiáng)鎳基合金和陶瓷材料，研制彌散強(qiáng)化鎳基合金和新型粉末渦輪盤合金，以適應(yīng)更先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片和渦輪盤的需要。目前，上述領(lǐng)域，我們的技術(shù)還不過關(guān)，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)壽命。 緒 論 緒 論 ? 目前我國(guó)自制的太行發(fā)動(dòng)機(jī) WS10A，大修周期只有 400小時(shí)左右，而進(jìn)口俄羅斯的 AL31FN發(fā)動(dòng)機(jī) ,則可以達(dá)到 800小時(shí)。 圖補(bǔ)充 1 殲 10發(fā)動(dòng)機(jī)（ AL31FN或 WS10A） 圖補(bǔ)充 2殲 10戰(zhàn)機(jī) 緒 論 ? （ 2）引用高級(jí)復(fù)合材料（碳纖維加環(huán)氧樹脂 ）指出我國(guó)大飛機(jī)制造過程中的技術(shù)瓶頸。 ? 將腈綸在隔絕空氣的狀態(tài)下加熱，里面含的有機(jī)東西都蒸發(fā)掉，只剩一個(gè)長(zhǎng)的黑色碳鏈，把它和其它有機(jī)材料合成起來（一般是涂上環(huán)氧樹脂），一層層壓起來，就會(huì)既輕又堅(jiān)韌，可以代替鋁合金。我國(guó)生產(chǎn)的碳纖維斷面，碳鏈?zhǔn)枪饣?，而發(fā)達(dá)國(guó)家的碳鏈帶很多倒刺，像尼龍搭扣一樣勾在一起，所以強(qiáng)度很高。另外我國(guó)的碳纖維有雜質(zhì)，一拉就容易斷。發(fā)達(dá)國(guó)家的碳纖維都是高純度的。這方面日本的水平最高。美國(guó)全是買日本的碳纖維，再用美國(guó)的樹脂加工，就直接壓成機(jī)體框架。像波音 787上用了大約 37%的這種材料。 A380所用復(fù)合材料的比倒是 23%為了生產(chǎn) 787，美國(guó)做了一個(gè)約 30米長(zhǎng)的機(jī)艙大加溫爐，鋪一層碳纖維布涂一層有機(jī)材料，最后一壓，保持溫度， 30米的機(jī)身一下做成。完全不是過去那種在框架上鉚上鋁蒙皮的做法。這種最尖端的產(chǎn)品以及技術(shù)，我們是買不到的。 緒 論 圖補(bǔ)充 3 碳纖維飛機(jī)零件 圖補(bǔ)充 4 波音 787飛機(jī) 緒 論 （ 3）引用高頻芯片，指出我國(guó)在反導(dǎo)領(lǐng)域的技術(shù)差距。 導(dǎo)彈擊中衛(wèi)星是很尖端的技術(shù)，這個(gè)技術(shù)尖端在哪兒 ?導(dǎo)彈彈頭上帶了一個(gè)計(jì)算機(jī)。但是光有計(jì)算機(jī)不行，因?yàn)橛?jì)算機(jī)芯片是通用芯片。對(duì)于半導(dǎo)體芯片，我們最常接觸到的是 CPU、內(nèi)存等芯片，這些統(tǒng)稱通用芯片。在各種機(jī)載、彈載、星載的各傳感器里承擔(dān)電子功能的芯片大部分可歸納為高頻芯片。各種末制導(dǎo)炮彈的精度就取決于高頻芯片的水平，機(jī)載、星載雷達(dá)、聲吶的功能就會(huì)成數(shù)量級(jí)的提高。我們與西方的差距體現(xiàn)在：西方已是單片雷達(dá)，而我們還是把雷達(dá)的各種部件分立地組裝出來。美國(guó)在80年代初制定了一個(gè)詳細(xì)計(jì)劃，重點(diǎn)發(fā)展高頻芯片，投入了國(guó)家力量，以至于 90年代初大幅領(lǐng)先。它能用一個(gè)很小的無人機(jī)甚至蒼蠅做到的功能，我們還得用很笨重的設(shè)備才能實(shí)現(xiàn)。我們還要花更大的精力彌補(bǔ)高頻芯片的差距。 高頻芯片材料包括單晶硅、砷化鎵器件。在這些領(lǐng)域，我們還存在較大差距。如果差距縮短了，我們的武器水平都會(huì)大大前進(jìn)一步。 緒 論 ? 二、材料科學(xué)的形成與內(nèi)涵 ? 知其然，更要知其所以然！ ? 材料科學(xué)形成。 ? 引入：金相學(xué)、金屬學(xué)等。 ? ，可以選擇不同的材料 將所選擇的材料制造成設(shè)計(jì)零件 材料科學(xué)與工程 材料科學(xué)內(nèi)涵。 ? 引入：材料的組成與結(jié)構(gòu)、材料的性能、材料的合成與生產(chǎn)、材料的使用效能。 ? 。 ? 、成型及控制工程。 緒 論 ? 三、材料的分類與概況 ? ：機(jī)械工程材料、電子工程材料、建筑工程材料、航空航天材料、能源材料、生物材料等。 ? ：結(jié)構(gòu)材料（以力學(xué)性能為主，兼有一定的物理、化學(xué)性能如熱導(dǎo)率、耐腐蝕、抗氧化等）；功能材料（以特殊的物理、化學(xué)或生物性能為主，如電、磁、聲、光、熱等）。 ? ：傳統(tǒng)材料（已經(jīng)成熟，在工業(yè)中已經(jīng)批量生產(chǎn)并大量應(yīng)用的材料，如鋼鐵、水泥、塑料等）；新型材料（正處于發(fā)展中，具有優(yōu)異性能和應(yīng)用前景的材料，如納米材料、超導(dǎo)材料等）。 ? ，按照材料的物理化學(xué)性能，將材料分為：金屬材料、高分子材料、陶瓷材料以及由三者組合成的復(fù)合材料。 緒 論 ? 四、材料及材料科學(xué)的地位與作用 ? ? （ 1）美國(guó)：材料科學(xué)的進(jìn)展決定了經(jīng)濟(jì)關(guān)鍵部門增長(zhǎng)速率的極限范圍；“材料科學(xué)史美國(guó)最重要的學(xué)科”； 1972年以來， 25%的美國(guó)人直接從事材料的研究， 25%的人間接從事材料的研究。 ? （ 2）歐盟： 1984年以來，在歐盟執(zhí)行的 5個(gè)科技框架中，材料是其中最關(guān)鍵的領(lǐng)域，是高技術(shù)發(fā)展的突破口。其中，德國(guó)總結(jié)了包括材料在內(nèi)的 21世紀(jì) 9大重點(diǎn)領(lǐng)域中，材料方面的課題占 60%。 ? ? 1978年，材料科學(xué)技術(shù)被列為 8個(gè)新興的綜合性科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域之一；各個(gè) 5年計(jì)劃，材料都是重點(diǎn)。 ? 先進(jìn)的材料、合理的設(shè)計(jì)、正確的加工、有效地檢驗(yàn)是工業(yè)發(fā)展得關(guān)鍵！ 緒 論 ? 五、本課程的教學(xué)目的、內(nèi)容與學(xué)習(xí)要求、價(jià)值 ? 。 ? 。 ? 。 ? 、開發(fā)新材料。 ? 。 ? 六、若干思考問題 ? ？ ? ，性能也不同？ ? ？ ? ，改變材料的性能。 ? 本門課程，將要解決上述問題。 第一章 材料的使用性能 ? 金屬的晶體結(jié)構(gòu) ? 晶體的概念 ? ：內(nèi)部粒子（原子、離子、分子、原子集團(tuán)）呈規(guī)則排列的物質(zhì)，如水晶、食鹽、金屬等。 ? 晶體的特點(diǎn)： ? （ 1）具有固定的熔點(diǎn)； ? （ 2）具有各向異性； ? （ 3）具有規(guī)則的點(diǎn)陣排列。 ? 非晶體：與晶體對(duì)應(yīng)的物質(zhì)是非晶體，如玻璃等。 ? 晶體與非晶體的本質(zhì)差別：熔點(diǎn)、各向異性。 第一章 材料的使用性能 ? 第一節(jié) 力學(xué)性能 ? 力學(xué)性能：材料在載荷（外力）作用下所表現(xiàn)出來的行為。 ? 力學(xué)性能指標(biāo)：在不同的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下測(cè)出的相關(guān)參量的臨界值或規(guī)定值。 ? 力學(xué)性能的類型：按照加載方式分為拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲、剪切等；按照載荷的變化特性，分為動(dòng)載荷與載荷。 ? 變形：材料在載荷（外力）作用下發(fā)生的形狀與尺寸的變化。 ? 彈性變形：當(dāng)載荷（外力）消除后，尺寸和形狀能夠完全恢復(fù)的 變形。 ? 塑性變形：當(dāng)載荷（外力）消除后，尺寸和形狀能夠不能恢復(fù)的變形。 ? 力學(xué)性能指標(biāo)：強(qiáng)度、塑性、剛性、彈性、硬度、韌性、疲勞性能及耐磨性能。 ? 一、強(qiáng)度 ? 材料在載荷（外力）作用下對(duì)永久變形與斷裂的抵抗能力。任意時(shí)刻的強(qiáng)度值，即為該時(shí)刻材料所受載荷（外力）與該時(shí)刻的受力面積之比，也稱為應(yīng)力。 ? 材料的強(qiáng)度，可以通過拉伸試驗(yàn)來測(cè)得。 ? 金屬在外力作用下的行為自始至終表現(xiàn)為三個(gè)階段：彈性變形階段、塑性變形階段和斷裂階段。 ? 在研究這三個(gè)階段的過程中，最有代表性的材料是低碳鋼。圖11即為低碳鋼的拉伸曲線。 ? 在實(shí)驗(yàn)過程中，可以記錄 F△ L曲線，也可以將曲線進(jìn)行處理，從而得到應(yīng)力 應(yīng)變 ( )曲線。 ? 拉伸試驗(yàn)的過程，如補(bǔ)充圖 1 所示。 ??? 第一章 材料的使用性能 第一章 材料的使用性能 圖 11 拉伸試驗(yàn)曲線 a)典型力 伸長(zhǎng)曲線 b)應(yīng)力 應(yīng)變曲線 第一章 材料的使用性能 ? ? （ 1）實(shí)驗(yàn)儀器：萬能材料試驗(yàn)機(jī)、變形儀。如圖補(bǔ)充 11所示。 圖補(bǔ)充 11 拉伸試驗(yàn)儀器 第一章 材料的使用性能 ? （ 2）試樣 :5倍或 10倍試樣，如圖補(bǔ)充 12所示。 ????ddl105 試驗(yàn)方法 —— 拉力 F 從 0 漸增 。標(biāo)距 l的伸長(zhǎng) △ l隨之漸增 ,得曲線 F △ L（拉伸圖） 圖補(bǔ)充 12 拉伸試樣 ? （ 3）拉伸過程 ? 在加載過程中，當(dāng)外加應(yīng)力小于彈性極限 時(shí)，金屬只產(chǎn)生彈性變形，對(duì)應(yīng)的 oe段（包括 op段及 pe段）；當(dāng)外力達(dá)到 時(shí)，一部分變形將不能夠繼續(xù)回復(fù)，表現(xiàn)為彈 塑性變形，對(duì)應(yīng) es段。在這個(gè)階段，外力不增加，變形也會(huì)持續(xù)。這一階段，也稱為屈服階段；當(dāng)外力超過而低于抗拉強(qiáng)度極限 時(shí)，金屬產(chǎn)生塑性變形。此時(shí)，需要通過外力的不斷增加，變形才能持續(xù)。這一階段的變形，是均勻塑性變形。對(duì)應(yīng)的是 sb段；當(dāng)外加應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度極限 σb 時(shí)，則產(chǎn)生集中塑性變形。此時(shí)，變形不均勻，出現(xiàn)“頸縮”，如圖補(bǔ)充 13所示。此時(shí)，維持變形所需要的外力減小。繼續(xù)變形達(dá)到 k點(diǎn)時(shí)則產(chǎn)生斷裂。對(duì)應(yīng)的是 bk段。 ? e?b?s?s?圖補(bǔ)充 13拉伸試樣頸縮 第一章 材料的使用性能 ? 總結(jié)：變形的幾個(gè)階段及其特征： oe段、 eb段（包括 es、 sb兩段）、bk段。 ? 提問學(xué)生每個(gè)階段的特征。 ? 提示學(xué)生，并非每種材料的拉伸曲線都與圖 11相似，有些材料，如鑄鐵、高碳鋼、陶瓷等，只有其中一部分。 ? ? （ 1）比例極限 ：在彈性變形階段，應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系完全符合胡克定律的極限應(yīng)力，即為比例極限 。在圖 11中， P點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，即為比例極限。 ? 在工程上，炮筒、槍管等，需要按照比例極限來設(shè)計(jì)。 ? （ 2）彈性極限 ：完全卸載后，不出現(xiàn)任何明顯的微量塑性變形的極限應(yīng)力值。當(dāng) 時(shí)，應(yīng)力與應(yīng)變之間已經(jīng)不再保持嚴(yán)格的比例關(guān)系，但是變形可以恢復(fù)。在圖 11中， e點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，即為彈性極限。 ? 在工程上，彈性元件（如彈簧等）按照彈性極限來設(shè)計(jì)。 e?eP ??? ??p?p?第一章 材料的使用性能 第一章 材料的使用性能 ? （ 3）屈服點(diǎn)和屈服強(qiáng)度（ 及 ） ? 對(duì)于存在明顯屈服現(xiàn)象的材料，在外力作用下，材料產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)對(duì)應(yīng)的極限應(yīng)力，即為屈服點(diǎn)。在圖 11中， s點(diǎn)（確切地講，該點(diǎn)所處平臺(tái)）所對(duì)應(yīng)的極限應(yīng)力，即為屈服強(qiáng)度。通常用 ? 表示。低碳鋼等材料具有明顯的屈服現(xiàn)象。 ? 對(duì)于沒有明顯屈服現(xiàn)象的材料，在外力作用下，材料產(chǎn)生%殘余塑性變形時(shí)所對(duì)應(yīng)的極限應(yīng)力，即為屈服點(diǎn)。通常用 表示。鑄鐵、高碳鋼、陶瓷沒有明顯的屈服現(xiàn)象。 ? 在工程上，絕大部分材料，都需要按照屈服強(qiáng)度來設(shè)計(jì)。 ? （ 4）抗拉強(qiáng)度（ ） ? 材料在受力過程中，所能承受的最大載荷 所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值，即為抗拉強(qiáng)度。對(duì)于塑性較好的材料，該指標(biāo)表征了材料發(fā)生均勻塑性變形所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力；對(duì)于塑性較差的材料，該指標(biāo)表征了材料發(fā)生斷裂時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。經(jīng)常將這個(gè)指標(biāo)作為質(zhì)量指標(biāo)。 s?s? ??b?bF第一章 材料的使用性能 ? 二、剛度 ? ：材料在外力作用下，抵抗彈性變形的能力。在材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線上，處于比例階段時(shí)的應(yīng)力與應(yīng)變的比值，就是剛度。也稱為彈性模量。剛度代表了材料產(chǎn)生單位彈性變形時(shí)所需要的能量。 ? ：材料在外力作用下，產(chǎn)生的彈性變形量。 ? 在材料的設(shè)計(jì)過程中，剛度與強(qiáng)度同等重要。 ? 提示學(xué)生舉例（如自行車座的彈簧，如果剛度小，則彈性變形過大等）。 ? ? 對(duì)于金屬基體而言，是結(jié)構(gòu)不敏感參數(shù)，不能通過合金化、熱處理、冷熱加工等手段來改變；對(duì)于陶瓷材料、高分子材料、復(fù)合材料，則是結(jié)構(gòu)敏感參數(shù)，可以通過不同的方法改變。 ? 各類材料的室溫彈性模量 E如表 11所示。 第一章 材料的使用性能 表 11 各類主要材料的室溫彈性模量 E(單位： MPa) 410? 三、彈性 ：材料在外力作用下所能發(fā)生的最大可恢復(fù)應(yīng)變量，即彈性變形能力。 W/V：彈性比功是材料吸收變形功而不發(fā)生永久變形的能力，即彈性變形時(shí)吸收的最大彈性功。 (彈性滯后 ):材料在加載和卸載的過程中，應(yīng)力與應(yīng)變不保持同步，應(yīng)變滯后于應(yīng)力的現(xiàn)象。 彈性吧變形過程中的參量，如圖 12所示。 e?Eee ?? ?EEVW222121 ?? ??第一章 材料的使用性能 第一章