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新材料概论 - 豆丁网

时间:2021-11-05 02:54 作者:admin 点击:

  100万年前,旧石器时代;1 万年前,新石器时代;5 千年前,青铜器时代;3 千年前,铁器时代;20 世纪中叶,电子材料时代。 材料既是人类社会进步的里程碑,也是社会现代化的物质基础和先导。特别是先进材料的研究、开 发与应用反映着一个国家科学技术与工业水平以及国防实力。 可以说,没有半导体和功能材料的发现和发展,就不会有今天的计算机技术和今天的信息社会; 没有高强度、耐高温的轻质结构材料,就不会有今天的航空、航天技术 把组成与结构(composition-structure)、合成与生产过程(synthesis-processing)、性质(properties) 及使用效能(performance)称之为材料科学与工程的四个基本要素(basic elements)。把四要素连结在一 起,便形成一个四面体(tetrahedron), 五个基本要素的模型,即成分(composition)、合成加工(synthesis/processing)、结构(structure)、 性质(properties)和使用效能(performance)。如果把它们连接起来,则形成一个六面体(hexahedron), 1、材料是如何分类的,试论述你自己的观点。2、为什么说材料是人类社会进步的里程碑,试举例说明 3、为什么说先进材料是高新技术发展和社会现代化的基础和先导? 4、如何理解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(四要素)? 弹性:指材料加载立即变形,卸载变形立即消失。刚度:材料抵抗弹性变形的能力(电脑机箱变形的 危害)——弹性模量E、G。 失效应力;多种指标;极为重要。 (a)屈服强度——破坏前的塑性变形(钉子) (b)抗拉强度——常温断裂拉应力 (c)蠕变强度——高温恒载变形;蠕变强度与载荷作用的时间有关;对高温零部件重要。 (d)持久强度——高温断裂 (2)强度 指材料失效应力,有多种指标。强度指标是设计零件、检查材料和制品性能的重要依据。 a)屈服强度——刚产生塑性变形对应的强度,材料尚未破坏(钉子被砸弯)。(b)抗拉强度——材料 常温断裂拉应力(c)蠕变强度——衡量材料高温恒载变形,与载荷作用的时间有关;对高温零部件重要。 在恒定的应力载荷下,材料不断地发生变形,这就是材料的蠕变现象。低温称之为徐变。 (d)持久强度——材料对高温断裂的抵抗能力。材料在一定高温和一定时间作用下对断裂的最大抵 抗能力,也就是持久强度。 (4)硬度 抵抗物体压入表面。抵抗局部塑性变形和破坏的能力。(5)韧性 材料抵抗冲 击载荷的能力为冲击韧性(简称韧性)。相反,材料受载时,不待改变形状就立即破坏的性能,称为脆性。 (6)疲劳 交变载荷(即周期性重复变化载荷) 产生裂纹,裂纹发展,突然断裂,为材料的疲劳。 世贸大厦钢管没有被大火熔化,但在高温下,钢管的强度大大降低了,大约只有室温强度的30~40%,所以钢管的强度被大大弱化了。 多米诺骨牌效应,一层接一层坍塌,最终引起大厦垂直坍塌物理性能 (1)相对密度——材料密度与水密度的比值;轻与重的辩证关系 (2)熔点——性能与工艺的辩证关系 (3)热膨胀系数——测量工具;焊接、镀,膨胀系数协调的辩证关系。 (4)导热率——散热与保温的辩证关系 (5)导电性能-电阻率、电导率 (6)光学、光电性能 (7)磁学性能、磁电性能 (8)铁电性能 碳钢的缺点: (a)综合性能较差。如强度、硬度高时,其塑性、韧性较差。反之硬度较差; (b)用碳钢制成的工具不能用于高速切削。因为高速切削时,刀刃的温度可达到600,而碳钢 工具超过200时就要变软而失去切削能力; (c)碳钢的淬透性较差,故不宜制作形状复杂的零件,也不能制造性能要求高的大截面零件; (d)不能满足耐蚀、耐热、抗磨等特殊性能的要求。 根据碳在铸铁中的存在形式,分为四种:Fe C——白口铸铁;片状石墨——灰口铸铁;球状石墨——球墨铸铁;团絮状石墨——可锻铸铁。 汽车上应用得最快最广的轻金属 特点:重量轻,强度高、耐腐蚀 应用:铝合金车圈,铝合金发动机。 德国奥迪汽车公司在1999 年推出的奥迪A2,以全新的轻量化结构,成为世界第一款大批量生产的全 铝轿车。 奥迪A2 的车身采用全铝空间框架车身ASF。所谓ASF 概念即仪表板部分由高强度铝结构支撑,空间构 架由真空压铸接头的挤压成型段组成,这两者结合成很轻的铝合金车身。从前顶柱到行李舱边,包括车门 手把坑都是用铝冲压成形,前柱A 柱是采用高压铸铝新技术,这是一种用于飞行器结构的高难技术,它能 够复合加强并改变材料厚度。由于奥迪A2 采用ASF 空间结构,使车身重量比传统钢制车身轻40%以上,只 有895 公斤。 钛及其合金是第二次世界大战后发展起来的新材料,重量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀及低温韧性良好, 因而在飞机、导弹、航天、舰艇及化工方面获得广泛应用。美国的超音速飞机90%的结构材料是用钛合金 制造的。 是制造化工设备和船舶用零部件的优良材料。 钛合金 特点是高温性能好,在300~550具有优良的高温强度和抗氧化性,组织稳定 钛合金:而目前的赛车几乎都使用了钛材 目前,汽车用钛部件主要包括: 一、阀。美国厂家利用钛合金制作进、排气阀较普遍,进气阀使用 Ti-6Al-4V 合金,排气阀使 用Ti-6Al-2Sn-4Zn-2Mo 合金。利用钛合金制作汽车阀,不仅可以减轻重量,延长使用寿命,而且可靠 性高,还可节省燃油。 二、连杆。用钛合金制造连杆对减轻发动机重量最有效,能大大提高性能。连杆所用材料主要是 Ti-6Al-4V,如Ti-4Al-2Si-4Mn、Ti-7Al-4Mo 等也在研制中。 三、曲轴及发动机部件。日本正在试制Ti-5Al-2Cr-Fe 合金曲轴,这种曲轴因需要进行防 粘接处理,目前还未实用化。发动机部件如摇臂、阀簧和连杆的下螺栓等也可利用 Ti-6Al-4V 合金 制造。 四、部件。汽车上的螺栓、螺母等连接件和离合器圆盘、压力板等变速器零部件,都可利用 钛合金制造。采用旋转成型法制造的钛合金离合器外壳,与钢制外壳相比,可以大大减轻飞轮的冲击破坏。 钛合金应用在飞机结构制造已有很长的历史,但由于它的价格昂贵,所以至今并未延伸于汽车制造上。 美国TIMET 公司出产的LCB 钛合金材料价格明显较通用的飞机材料低,华格纳教授运用其研究汽车组件: 如避震系统的制造,可以减轻50%的重量。不仅如此,研发出来的弹性钛合金相对于避震器惯用的钢材料, 能以较少的螺旋和尺寸产生一样的抗震强度,而且,钛合金不易生锈,可以省去一般的表面防锈处理,优 点多多。 气门通常用钛合金作为材料以求强度的提升及轻量化的要求 全新设计的七速变速箱,外壳使用钛合金制成 陶瓷——陶瓷是陶器和瓷器的总称。固体无机非金属材料(陶瓷、玻璃、耐火材料、砖瓦、水泥、石 凡是经原料配制、坯料成型和高温烧结而制成的固体无机非金属材料都叫做陶瓷。传统陶瓷——利用天然硅酸盐矿物(如粘土、石英、长石等)为原料制成的陶瓷,又称普通陶瓷。 先进陶瓷——采用高纯度的人工合成原料制成的性能优异的陶瓷,又称特种陶瓷、新型陶瓷、 现代陶瓷、精细陶瓷或特种陶瓷。 陶瓷性能的特点 力学性能 弹性模量很高;一般高于金属2~4 个数量级 硬度很高 理论抗拉强度很高 化学性能非常稳定, 先进陶瓷 氧化铝陶瓷导弹的眼睛 窗口材料氧化镁陶瓷 可制作坩埚、炉衬和高温装置等。性能优良的耐火材料。 氧传感器)碳化硅陶瓷SiC 主要用作高温结构材料,如火箭尾喷管的喷嘴、用作高温下热交换器的材料、热 电偶套管。也是常用的耐磨材料,用于制作砂轮、磨料、发热元件等。 e)氮化硅陶瓷 常用于耐高温、耐磨、耐蚀和绝缘的零件,如高温轴承、燃气轮机叶片等 (f)氮化硼陶瓷 可作耐高温、耐腐蚀的润滑剂、耐热涂料和坩埚等。 (g)B4C碳化硼材料 核电站用碳化硼材料,是用于核电站的屏蔽和控制系统中材料 璃玻璃是非晶无机非金属材料。工业用玻璃一般是用多种无机矿物(如石英砂、硼砂、硼酸、重晶石、碳酸钡、石灰石、长 石、纯碱等)为主要原料,另外加入少量辅助原料制成的欧洲杯买球官网

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