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[课件]材料结构和性能的测试技术简介PPT

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《工程材料》材料的结构与性能 ppt课件

《工程材料》材料的结构与性能 ppt课件
原子排列情况相同而在空间位向不同 的晶向组成晶向族。
晶向族用尖括号表示, 即<uvw>。
如: <100> = [100] + [010] + [001]
ppt课件
26
在立方晶系中, 一个晶面指数与一 个晶向指数数值和符号相同时, 则该晶 面与该晶向互相垂直。
如：(111)⊥[111]。
晶面与晶向互相垂直
1. 金属晶体具有确定的熔点 纯金属缓慢加热到一定温度, 固态金属熔化 成为液态金属。熔化过程中温度不变。
熔化温度(T0)称为熔点。
非晶体材料在加 热时, 固态转变为 液态时, 温度变化。
晶体和非晶体的熔化曲线
ppt课件
32
2. 金属晶体具有各向异性
在晶体中, 不同晶面和晶向上原子排列的 方式和密度不同，它们之间的结合力的大小 也不相同，因而金属晶体不同方向上的性能 不同。这种性质叫做晶体的各向异性。
晶胞
老师提示 不同元素组成的金属晶体因晶格形
式及晶格常数的不同，表现出不同的物理、
化学和力学性能。金属的晶体结构可用X射线
结构分析技术进行测定。
ppt课件
5
一、三种常见的金属晶体结构
☆ 老师提示：重点内容
1. 体心立方晶格(胞) ( BCC 晶格)
8个原子处于立方体的角上，1个原子处于立 方体的中心, 角上8个原子与中心原子紧靠。
式中：ρ 为位错密度, 单位为m-2， ΣL 为位错线总长度, 单位为m, V为体积, 单位为m3。
ppt课件
41
位错对性能的影响： ●金属为理想晶体或含极少量位错时, 金属
的屈服强度σs 很高。
●当含有一定量的位错时, 强度降低。 ●退火金属中位错密度为 106～8 cm-2 ，强 度最低。

材料结构与性能第二讲PPT课件

材料结构与性能第二讲PPT课件

晶体与非晶体
• 固态物质按其内部原子的排列情况可分为两大类：晶体与非晶体。 在晶体中，原子(或分子)在三维空间做有规则的周期性重复排列。 而非晶体则不然，原子(或分子)是散乱分布的，或者只有些局部的 短程规则排列，这一点是晶体与非晶体的根本区别。一般的固态 金属与合金都是晶体，而玻璃、松香之类的物质是非晶体。
一、固体的结合力、结合能与材料性能的关系
• 固体材料内的结合力、结合能虽然可以用量子 力学的方法近似地进行计算，但这种方法比较 复杂，为了简便，通常对离子晶体直接用静电 学方法处理，其他晶体材料则可在离子晶体的 基础上做适当修正。 • 静电学处理方法的基本出发点是把正负离子看 成离子晶体中的基本荷电质点。由于离子中的 电子云一般是满壳层的，因此可假定正负离子 的电子云分布是球形对称的。这样在计算时可 以不考虑各个离子内部的结构，而将各个离子 看作是电荷集中于球心的圆球。
(四) σmax、E与γ之间的关系
通过 max 通过式
E k 2 ( n 1)
令k1=k2/2(n+1)即有E=σmax/k1 令k2= P /2则
Va 0.29e 2 Z 2 ( n 1) 1 r p ER0 p 2 3 2 R0 2 R0 2
mzx
k1 k2 Er Er K R0 R0
1 1 0 0
1 n2 Va 0.29e 2 Z 2 ( n 1) 1 p [ 1 ] r p ER0 p 令 则有： 2 3 2 R0 2 R0 2 n k ( n 1)
因Va这个功产生了2个新表面，即2R02，故单位表面所消耗的能量
Va 0.29e 2 Z 2 ( n 1) 1 r p ER0 p 2 3 2 R0 2 R0 2

材料物理性能与测试PPT

材料物理性能与测试PPT

刚球模型：组成离子晶体的原子在得失电子后，电 子组态与惰性原子的电子组态一样，这种电子壳层 结构是稳定的，具有球形对称性，由此可以把正负 离子作为钢球来处理。
结合力：正负离子间的静电库仑力 。 配位体：离子的最邻近的异种离子。 配位数：异种离子的总数。 晶体的结合能Eb：晶体由N个原子组成，这些原子的 在自由时的总能量EN与晶体处于稳定状态时的能量 （动能和势能）E0之差。 晶体结合能的意义：结合能对了解组成晶体的粒子间 相互作用的本质，为探索新材料的合成提供了理论指 导。
★ 离子键是由异性离子的静电吸引而形成；
★共价键是反平行自旋的交叠电子，通过静电吸引束缚与它们 关联的离子而形成；
★金属键是靠负电子云同正离子实间的库仑力形成；
★分子键靠感生偶极矩间的互作用形成
2. 原子间的排斥作用来源于交叠电荷的静电排斥和泡利原理造 成的排斥。 3. 晶体采用何种结合类型决定于原子束缚电子的能力，这个能 力由原子的电负性衡量。
=
排斥作用
晶格处于稳定状态
二
互作用力、互作用势能和原子间距的关系
原子间的相互作用 u(r) 1. 计算ro 、rm
r
斥力 f(r) ro 吸引力 rm
由势能u(r)可以按下式计 算互作用力： f(r) = -du(r)/dr 当两原子很靠近时， 斥力大于引力，总的作 用力f(r) 0。 当两原子相离比较远 时，总的作用力为引力， f(r)0
1.2 晶体的结合
1.2.1
1.2.1 晶体结合的类型 1.2.2 结合力
晶体的结合类型
离子晶体 原子晶体
结合力的不同可以将其分成五个典型的结合类型:
金属晶体
分子晶体 氢键晶体
一、离子晶体 1 . 类型

材料力学性能的测试技术.ppt

材料力学性能的测试技术.ppt
500 1000 1500 2000
Fused silica
100 200 300 400 500 Displacement (nm)
Elastic/Plastic Indentations
• For an ideally plastic indentation, hc ≈ ht
ht = hc
INDENTER
基本构件
主要有细丝、悬臂梁、微桥、薄膜、齿轮和微轴承等。
－当构件细微到微米/纳米尺度后，材料本身的力学、物理性质及 其受环境的影响程度有很大变化，会出现强烈的尺寸效应、表面效 应，传统的力学性能参数已不能满足MEMS微结构的设计要求。
－目前，硅类薄膜材料的电学、化学特性均得到了充分的了解，但 对其力学性能的了解还甚少，主要原因是力学性能测试技术未能跟 上，同时也阻碍了MEMS的设计和发展。
• Fused silica, typical of ceramic behavior, shows large elastic recovery upon unloading
Load (mN)
Load (mN)
30 25 20 15 10
5 0
0
30 25 20 15 10
5 00
Aluminum
Vicker’s 式探头
• Diagonal, D, is measured optically after removal of load
• Vickers: D = 7h
• Knoop: D = 30.5h
Vicker's D
h
Knoop D
Hardness & Young’s Modulus
MEMS器件的开发热点：传感、致动、射频（RF）、光学、生化 和医学等不同领域。

《测试技术概述》PPT课件

《测试技术概述》PPT课件

电压 ---- 毫伏级、微伏级；电流 ---- 毫安级、纳安级 3）输出信号与噪声混杂在一起 ---- 传感器内部噪声
传感器的信噪比小、输出信号弱 ---- 信号淹没在噪声中 4）传感器的输出特性呈线性或非线性
5）外界环境的变化会影响传感器的输出特性
选择：测量精度要求、被测量变化范围、被测对象所处的环境条件
信息获取
转换
（信号检出部分） （信号变换编部辑p分pt ）
显示和处理
（分析处理部分、 7 通信接口及总线）
1、信号检出部分
传感器（Sensor）---- 执行检出功能的器件 信号提取（被测量）、传输（信号变换部分）
特点： 1）输出量为电压、电流、频率 电阻、电容、电感
两种：数字量、模拟量
2）输出的电信号一般较微弱：
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号
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编辑ppt
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超声波探伤/测距/测物
A
t
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无损探伤
火车轮检测
原理：裂纹检测，缺陷造成 涡流变化。
油管检测
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﹤
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19
﹤
五、测试技术的发展趋势
测试技术 重要手段 科学研究
相关学科：物理、化学、数学、生物学、材料科学等等 形成 推动实验研究和发展
新的检测理论、方法和技术手段
1、传感器水平的提高
1）新原理、新材料、新工艺
新功能传感器
光纤传感器、液晶传感器、压敏传感器（以高分子有机材料为敏
感元件）
2）新领域、新需求
新型传感器
化学传感器、 微生物传感器、 仿生传感器（代替视觉、嗅觉、
味觉和听觉）以及检测超高温、超高压、超低温和超高真空等

材料的性能 ppt课件[001]

材料的性能 ppt课件[001]
• “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
第一节 材料的力学性能
定义：指材料在外力的作用下所表现出来的特性。
材料在静载荷下的力学性能
➢ 强度、塑性 ➢ 硬度
材料在冲击载荷下的力学性能
➢ 冲击韧性
材料在疲劳载荷下的力学性能
➢ 疲劳强度
一、强度和塑性
强度 ( strength )
指材料在外力的作用下，抵抗变形和破断的能力。
耗的冲击功AK ，单位为J/cm2 aK值越大↑，表示材料的冲击韧性越好↑。
测定方法：一次摆锤冲击试验法
一次摆锤冲击试验
材料的性能
冲击功：
Akmg (Hh)
冲击韧性：
ak
Ak s0
(J
/cm2)
应用
评价材料冶金质量和锻造及热处理的缺陷； 与屈服强度结合用于一般零件抗断裂设计； 测量金属材料的冷脆转变温度。T↓，ak急剧↓，韧性→脆性。
➢ σS(σ0.2)<σ<σb时，材料产生明显 塑
性变形；
➢ σ>σb时，零件产生裂纹，最终断裂。
零件设计和选材的一般原则
➢ 对工作条件不允许有微量塑性变形的零件，
根据弹性极限σe选材，如精密弹簧、炮筒。
➢ 对工作条件不允许发生明显塑性变形的零件
或构件，根据屈服强度值σs(σ0.2)选材，大多 数机器可以预防事故发生。
❖ 冷脆转变温度越低↓，材料的低 温冲击韧性愈好↑。
❖ aK 值一般不直接用于计算。 原因：
不 同 材 料 的 aK 值 可 以 是 相 同 的 。
材料的使用温度应高于其冷脆转变温度。
Titanic沉没原因：与船体材料的质量直接有关。
冰山撞击船体产生断裂！

第2讲 材料的组成结构与性能(1).ppt

第2讲 材料的组成结构与性能(1).ppt

成分与 组织结构
➢ 材料特性：表征了材料固有的性能，
材料特性 是选用材料的重要依据；
合成与制备
➢ 服役行为与使用寿命：与材料的加工 和服役条件相结合来考察材料的使用
寿命，它往往成为 MSE 的最终目标。
Northeastern University
材料概论： 第2讲 材料的组成、结构与性能
第2讲 材料的组成、结构与性能
2.2 材料的结构基础
2 晶体结构基础
晶体：原子或原子团、离子或分子按一定规律呈周期性地排列构成的物质， 基本特征是原子或分子在三维空间呈周期性的规则而有序地排列，即
存在长程的几何有序。 （1）一种物质是否是晶体是由其内部结构决定的，而非由外观判断； （2）周期性是晶体结构最基本的特征。
１ 有固定的几何外形；２ 有固定的熔点； ３ 有各向异性。
• 硬度大（S区例外）;
•
熔沸点高（但汞为液体）。 硬度最大的金属是铬；熔点最高的金属是钨。
Northeastern University
材料概论： 第2讲 材料的组成、结构与性能
2.2 材料的结构基础
（2）离子键
由原子释放出最外层的电子变成带正电荷的阳离子，同能接受 其放出的电子的原子变成带负电荷的阴离子相互之间作用的吸引力 所形成的一种键合。
色散力由瞬时偶极产生，存在于任何分子之间。色散力随着分子量 的增大而增大。
诱导力由诱导偶极产生，与分子的极性、变形性有关。
取向力由固有偶极产生，存在于极性分子之间，并随分子极性的增 大而增大。
Northeastern University
材料概论： 第2讲 材料的组成、结构与性能
2.2 材料的结构基础
• 氢键是与电负性较强的原子相结合的氢原子(如 X—H )同时与另一个 电负性较强的原子(如 Y )之间的相互作用，即( X—H…Y)．这些电负性 铰强的原子一般是氮、氧或卤素原子．一般认为在氢键中，X—H 基本上 是共价键，而 H…Y 则是一种强而有方向性的范德华力．这里把氢键归 入范德华力是因为氢键本质上是带有部分负电荷的 Y 与电偶极矩很大的 极性键 X—H 间的静电吸引相互作用.

材料力学性能检测方法PPT课件

材料力学性能检测方法PPT课件
形缺口试样。它们的冲击韧度值分别以a KU和a KV。
• 材料的a K值愈大，韧性就愈好；材料的a K值 愈小，材料的脆性愈大，但塑性好的材料a K 值不一定大。
• 通常把a K值小的材料称为脆性材料 • 研究表明，材料的a K值随试验温度的降低而
降低
• 加载速度越快，温度越低，表面及冶金质量越
差， a K在值越低。第36页/共40页
材料的性能 使用性能—材料在使用过程中所表现的性能 力学性能 物理性能 化学性能
工艺性能—在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、 热加工和热处理的性能。
铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性能、 切削加工性能、热处理工艺性能 材料的力学性能
指材料在外力作用下表现出来的性能，主要有强 度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。
抗拉强度 — 是脆性材料选材的依据。 屈服强度与抗拉强度的比值σS / σb称为屈强比。 屈强比小，工程构件的可靠性高，说明即使外载荷或某些 意外因素使金属变形，也不至于立即断裂。但若屈强比过 小，则材料强度的有效利用率太低。
第25页/共40页
3.刚度
材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力称为刚度。
在弹性阶段： F l E
所以： E
比例系数E 称为弹性模量，它反映材料对弹性变形
的抗力，代表材料的“刚度” 。
E — 材料抵抗弹性变形的能力越大。
弹性模量的大小主要取决于材料的本性，随温度升高而 逐渐降低。
第26页/共40页
2. 塑性
材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。
常用 δ 和 ψ 作为衡量塑性的指标。
第9页/共40页
拉伸试验
d0
F
F
l0
L 拉伸前

材料组成、结构与性能ppt课件

材料组成、结构与性能ppt课件
化学建：由电子运动使原子聚集的结合力，是固体 中的主要结合键。
类型： 金属键属键和金属键晶体
元素周期表中，金属占了大约２／３。由于金属 原子的价电子的第一电离能较非金属元素小得多，价电 子脱离原子核的束缚不需很多能量。
当金属原子聚集起来构成金属晶体时，外层的价电 子脱离原来的原子，失去了价电子的原子构成离子占据 晶体的阵点，并不停地振动，而脱离了原子的价电子为 整个晶体所公有，在离子之间运动，构成了近似均匀分 布的电子气。
该 氢核结合，就会遭到已与氢结合的两个负离子的排斥作 用,故氢原子只和二个电负性较强的原子结合,构成一强 一弱的两个键，称为氢键。
氢键特征： 具有方向性； 具有饱和性；
比范德华键强得多，比离子键、共价键小得多。
在高分子资料〔尼龙〕中特别重要；冰〔有一定的外 形〕、磷酸二氢钾及某些蛋白质分子是靠氢键结合的。
2.1.1 资料组元的结合方式
2.1.1.1 组元、相、和组织 2.1.1.2 固溶体 2.1.1.3 聚集体 2.1.1.4 复合体
2.1.1.1 组元、相、和组织
组元
组成资料最根本、独立的物质称为资料的组 元 〔或称组分〕。组元可以是纯元素，也可以是 稳定的化合物。
相〔Phase〕
磁导率、增大比电阻。含2％－4％Si的硅钢片是一种运 用广泛的软磁资料〕
2.1.1.3 聚集体〔组织〕
由无数的原子或晶粒聚集而成的固体称为——聚 集体。〔单相组织或多相组织〕
2.1.1.4 复合体
由两种或两种以上的不同资料经过一定的方式 复合而构成的新型资料称为—复合体。〔复合 组织〕
特点： ① 各相之间存在明显的界面 ② 各相坚持各相固有的特性 ③ 复合体具备各相所不具备的优良特性
离子键的特征：
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• 图 XAFS原理示意图 • (a)光电子岀射波与散射波位相 相同 • (b)光电子岀射波与散射波位相 相反
技术的特点
虔诚治学，豁达处世，修剪自我，耀我六班。
近三十年来，EXAFS谱技术被广泛应用于 研究各种物质的原子近邻结构，其独到之 处弥补了其他实验方法的不足．归纳起来 ，EXAFS谱方法具有如下特点： (1)EXAFS的局域性
虔诚治学，豁达处世，修剪自我，耀我六班。
（2）EXAFS的元素选择性 由于不同元素吸收边的位置不同，因此 通过调节入射X射 线的能量，可以分别 测量不同元素的K或L吸收边，从而可以 选择性地研究多元样品中不同元素的近 邻环境．另外，由于不同元素背散射振 幅的差别，原则上可以用来区分背散射 原子的种类。
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EXAFS的主要应用
EXAFS技术不仅仅是对于材料表面的结 构的显微分析，它还能测试出材料表面的 成分。它涉及到各类物质的结构和性能检 测，包括：晶体、非晶、单晶、高分子物 质表面以及复合材料表面的结构和性能特 点，甚至是液体表面的结构、状态和性能 都能测试。
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上图为硫化钼的表面结构源自虔诚治学，豁达处世，修剪自我，耀我六班。
未来主要发展方向：
1.
2.
要尽快找到以实验精确修订热无序的办 法，从而实现较高温度乃至反应条件下 的原位EXAFS 实现全谱的采集，由此实现EXAFS的动 态检测或时间分辨
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(5)EXAFS的广泛性
EXAFS技术作为一种探测原子近邻结构的手段 已被广泛地应用于多学科的结构研究。既可用 以研究固态、液态、气态、熔态的表面状态， 又可用于研究非晶、多晶，单晶及准晶等各类 物质的表面结构和性能．既可以研究稀薄样品 、浓聚物质，又可以研究表面结构．结合各种 EXAFS技术，原则上可以测量周期表中各种元 素，用表面EXAFS技术已可以获得C、O等轻 元素的K吸收近边谱。
参与制作人员：
万文辉、万文耀、温浩、吴帅、肖金华、张强、 章升、 郑子明、钟吉良、周矩森、朱江、 庄超明、秦鹤、任先亮
参考文献：
谷亦杰 宫声凯 材料分析检测技术 长沙：中南大学出版社； 2009 常铁军 刘常喜 材料近代分析测试方法 哈，豁达处世，修剪自我，耀我六班。
(3)EXAFS的敏感性
利用高强度的同步辐射光源及荧光 EXAFS技术，可以测定样品中含量 很低的元素的近邻结构．因而很适 用于掺杂物质中，杂质原子的近邻 环境研究。
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(4)EXAFS的取向性
利用偏振的X射线源并考虑多重散射 效应，可以研究样品中原子的配位键 角及原子排列的空间取向。在某些情 况下，能够获得远配位层的原子结构 信息或配位键角信息。
下面对EXAFS以下四方面做简单 介绍：

EXAFS 的基本原理


EXAFS技术的特点
EXAFS主要应用

EXAFS未来的主要发展方向
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EXAFS 原理
EXAFS解释为：吸收原子的 出射光电子波受到近邻原子 的散射而形成入射光电子波 ，出射光电子波和入射光电 子波在吸收原子处相互干涉 ，使吸收系数发生变化．当 两者位相相同时，出现干涉 极大，而当两者位相相差时 ，出现干涉极小，从而形成 了XAFS谱的振荡结构，谱峰 和谷相应于光电子波的干涉 极大和极小。
材料结构和性能的测试技术简介
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表面的测试技术多种多样，但按照分析 测试原理可以大致分为五类：
1. 2. 3. 4. 5. 6.
光学显微测试技术 X射线衍射测试技术 电子显微测试技术 电子能谱分析测试技术 光谱分析测试技术 热分析测试法
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(2)EXAFS的元素选择性 (3)EXAFS的敏感性 (4)EXAFS的取向性 (5)EXAFS的广泛性
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(1)EXAFS的局域性
由于XAFS对应着原子的近邻结构，它不要求被 研究的物质具有晶格周期性，因而它除了用于研 究晶态物质的原子近邻结构外，对非长程有序的 物质，例如；非晶、气态、熔态及熔态物质的原 子近邻结构研究同样有效，较之常规x射线衍射的 应用范围要广阔得多。
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热分析测试技术则是通过控制温 度变化时材料表面的各种成分变 化来测定表面的性能。
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下面介绍一种较新的材料结构和性能测试技术：
扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）谱法
上图为ＥＸＡＦＳ的实物图
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谢谢！
光学显微技术与电子显微技术虽然 两者的技术原理不同，但都能观察 材料表面的结构，从而分析其表面 的性能特征。但电子显微技术能够 对材料表面进行成分分析，而光学 显微技术不能。
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电子能谱技术与光谱分析测试技术主 要是通过对材料表面的物质化学成分 分析，测定其中各物质含量与物质种 类，也可在一定程度上对材料（主要 是高分子材料）的结构分析和性能测 试。