第四講材料與社會2012[1]411

1、第四章第四章 材料的特征及常用工程材料材料的特征及常用工程材料主講人：張曉晨時 間：2012.4.11材料的結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)層次材料的結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)層次工程材料的性能工程材料的性能常用工程材料常用工程材料工程領(lǐng)域的選材及用材工程領(lǐng)域的選材及用材材料的結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)層次材料的結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)層次材料最基本的原則關(guān)系圖 實際材料結(jié)構(gòu)的含義是比較豐富的，不單指原子等微觀粒子的排列情況。但是從材料學(xué)的角度（以金屬為例），從宏觀到微觀，按著研究的尺寸可分為四個層次宏觀組織結(jié)構(gòu)、顯微組織結(jié)構(gòu)、原子（分子）排列結(jié)構(gòu)和原子中的電子結(jié)構(gòu)以及原子間的相互作用等。 材料的結(jié)構(gòu)是指材料的組成單元（原子或分子）之間相互吸引和排斥達(dá)到平衡達(dá)

2、到平衡時的空間排布，是成分的具體存在形式或狀態(tài)。 作為一名材料的工作者必須把材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括原子的本質(zhì)、原子間的相互作用、排列及運動方式和組織結(jié)構(gòu)等認(rèn)識透徹、切實地洞悉著他們，才能抓住材料研究的本質(zhì)，從而掌握材料的性能，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)出新的材料。材料的結(jié)構(gòu)：材料的結(jié)構(gòu)：材料的結(jié)構(gòu)層次：材料的結(jié)構(gòu)層次：對于材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識水平：對于材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識水平：用肉眼或放大鏡所能觀察到的粗大晶?；蛳嗟募蠣顟B(tài)，其尺度量級為10-3mlm也稱亞微觀結(jié)構(gòu)是晶粒、相的集合狀態(tài)或材料內(nèi)部的微區(qū)結(jié)構(gòu)100nm0.1mm也稱材料的微觀結(jié)構(gòu)-+-45號鋼斷口的宏觀組織45號鋼的顯微組織45號鋼中金屬原子及電子

3、的排列方式單質(zhì)碳的三種主要存在形式：金剛石、石墨、C60分子。 含碳量低于0.2%的鋼稱為低碳鋼，如一般的鋼板、鋼筋。低碳鋼的塑性很好，可以沖壓成形或其他加工成形，所以可以方便地通過用鋼板沖壓制成從日用的洗臉盆到汽車的覆蓋件等各種類型的成形件。 低碳鋼高塑性高塑性的來源就是其顯微組織基本上是由一種稱為鐵素體鐵素體的相 (其強度低、塑性高且較軟)所構(gòu)成的。而高碳鋼 (碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)c 0.6%1.2%)由于含有較多珠光體 (甚至馬氏體)組織，能達(dá)到高強度、高硬度，所以可用于制造彈簧和加工工具 (如挫刀、鋸條等)?；瘜W(xué)組成即成分對性能的影響：化學(xué)組成即成分對性能的影響：F十Fe3CPF+p P+ F

4、e3C c1050 )及某些特殊介質(zhì)中不能勝任。工程應(yīng)用廣泛：工程應(yīng)用廣泛： 機械制造：鋼鐵95%、有色金屬4.5%、塑料0.5%； 汽車業(yè)(1985年福特公司)：鋼鐵72%、鋁合金5.3%、塑料 8.5%。 二、無機非金屬材料的特性：二、無機非金屬材料的特性： 主要由氧化物、碳化物、氮化物以及硅酸鹽等物質(zhì)組 成的材料，由傳統(tǒng)硅酸鹽材料演變而來，其典型代表 即陶瓷材料。 主要由離子鍵或離子共價鍵組成，具有高鍵強，高鍵 能。故具有高化學(xué)穩(wěn)定性，耐高溫，耐腐蝕。 極高的彈性模量,比金屬高數(shù)倍。 屬脆性材料，抗壓不抗拉。 硬度高，高溫下仍保持高硬度值。 熔點高熔點高,高溫強度好高溫強度好。作高溫材料

5、,如陶瓷發(fā)動機,坩堝等. 導(dǎo)電性能變化范圍大導(dǎo)電性能變化范圍大：可作為絕緣材料、半導(dǎo)體材料 以及其他功能材料。 缺點：缺點：極脆，加工性差，可靠性差。 工程應(yīng)用：工程應(yīng)用：一般日常用途（傳統(tǒng)陶瓷）；某些特殊用途（現(xiàn)今陶瓷，如壓電材料、磁性材料和生 物陶瓷，如人造器官）。三、高分子材料的特征：三、高分子材料的特征： 高分子材料是有許多小分子單體經(jīng)聚合反應(yīng)（以共價鍵高分子材料是有許多小分子單體經(jīng)聚合反應(yīng)（以共價鍵 結(jié)合）而形成。它具有一系列不同的特點：結(jié)合）而形成。它具有一系列不同的特點： u 密度?。壕郾?10kg/m3,泡沫塑料僅10kg/m3,對產(chǎn)品 輕量化有利。u 強度低，但比強度高（甚

6、至高于鋼鐵），某些工程塑料 能代替部分金屬制造機器零部件。u 低的彈性模量，較高的彈性(100%1000%,金屬0.1%).u 優(yōu)良的電（絕緣）性能，作為優(yōu)良的絕緣材料。u 優(yōu)良的減摩、耐磨和自潤滑性能。u 優(yōu)良的耐腐蝕性能（耐酸、堿及某些化學(xué)藥品），甚至勝 過一般的不銹鋼。u 優(yōu)良的透光性和隔熱、隔音性. 如有機玻璃、聚苯乙烯 的透光率90%，是很好的輕型建筑材料。u 可加工性好，可用各種方法成形與后加工，單件成本低 廉。 缺點：缺點： 絕對強度、剛度水平低，不耐熱(陶瓷鋁玻璃纖維增強復(fù)合材料(GFRP) 塑料。 耐熱性：陶瓷鋼鐵鋁GFRP塑料。 拉伸強度：鋼鐵GFRP鋁陶瓷玻璃塑料 比拉伸

7、強度：GFRP鋁鋼鐵塑料玻璃陶瓷。 韌性：鋼鐵鋁 GFRP 塑料陶瓷玻璃 導(dǎo)熱率：鋁鋼鐵陶瓷玻璃GFRP塑料 線膨脹系數(shù)：塑料鋁 GFRP 鋼鐵玻璃陶瓷 導(dǎo)電率：鋁鋼鐵陶瓷 GFRP 玻璃塑料性性 能能金金 屬屬塑塑 料料無機材料無機材料鋼鐵鋼鐵鋁鋁聚丙烯聚丙烯玻璃纖維玻璃纖維增強尼龍增強尼龍- -6 6陶瓷陶瓷玻璃玻璃熔點熔點/ /密度密度/（gcm-3）拉伸強度拉伸強度/MPa/MPa比拉伸強度（拉伸強度比拉伸強度（拉伸強度/ /密度）密度）拉伸模量拉伸模量/GPa/GPa熱變形溫度熱變形溫度/ /膨脹系數(shù)膨脹系數(shù)105/k-1傳熱系數(shù)傳熱系數(shù)/W/W(m(m-2K-1)韌性韌性體積電阻率

8、體積電阻率/ /（cm)燃燒性燃燒性153515357.87.84604605959210210- -1.31.30.400.40優(yōu)優(yōu)1010-5-5不燃不燃6606602.72.78080 2802803030 1041047070- -2.42.42.02.0優(yōu)優(yōu)3 31010-6-6不燃不燃1751750.90.9353539391.31.360608 8 10100.00110.0011良良10101616燃燒燃燒2152151.41.415015010710710101201202 2 3 30.00240.0024優(yōu)優(yōu)5 510101111燃燒燃燒205020504.04.0120

9、1203030390390- -0.850.850.0170.017差差7 710104 4不燃不燃2.62.6909035357070- -0.90.90.00830.0083差差10101212不燃不燃表表4-3 各種材料的主要物性各種材料的主要物性 Chapter3 Properties of Materials54工程領(lǐng)域的選材及用材情況工程領(lǐng)域的選材及用材情況一、汽車行業(yè)一、汽車行業(yè) 金屬材料是汽車用材的主體，單單以重量而言，金屬材料就占到全車的金屬材料是汽車用材的主體，單單以重量而言，金屬材料就占到全車的6580，汽車由上萬個零件組裝而成，而金屬材料的種類也有成千上萬，如，汽車由上

10、萬個零件組裝而成，而金屬材料的種類也有成千上萬，如何能從中挑選出所需要的材料用來制造相應(yīng)的零件成為汽車行業(yè)發(fā)展的重中重。何能從中挑選出所需要的材料用來制造相應(yīng)的零件成為汽車行業(yè)發(fā)展的重中重。工作條件：工作條件： 環(huán)境很差，受力較大，應(yīng)力復(fù)雜，常有較大沖擊和過載。環(huán)境很差，受力較大，應(yīng)力復(fù)雜，常有較大沖擊和過載。 選材要求：選材要求： 重量輕、速度高、壽命長、安全可靠，大批量生產(chǎn)要求工藝性重量輕、速度高、壽命長、安全可靠，大批量生產(chǎn)要求工藝性 能能 好。故要求材料強度高、工藝性能、質(zhì)量穩(wěn)定、資源豐富。好。故要求材料強度高、工藝性能、質(zhì)量穩(wěn)定、資源豐富。用材情況與特點：用材情況與特點： 鋼材約鋼材

11、約70%、鑄鐵約、鑄鐵約15%，其余為有色金屬和非金屬材料。，其余為有色金屬和非金屬材料。 低低 合合 金金 高高 強強 鋼：鋼：車身車身(保證強度、剛度及輕保證強度、剛度及輕) 碳素碳素(合金合金)結(jié)構(gòu)鋼：結(jié)構(gòu)鋼：傳動裝置、轉(zhuǎn)向裝置及發(fā)動機的重傳動裝置、轉(zhuǎn)向裝置及發(fā)動機的重 要零件要零件 球球 墨墨 鑄鑄 鐵：鐵：曲軸、連桿、凸輪軸等曲軸、連桿、凸輪軸等 其其 它它 鑄鑄 鐵：鐵：發(fā)動機缸體、缸蓋、變速器殼體等發(fā)動機缸體、缸蓋、變速器殼體等 代用材料代用材料(輕量化輕量化)：鋁、鎂合金鋁、鎂合金(發(fā)動機缸體、車體行架發(fā)動機缸體、車體行架 等等)，塑料，塑料(球座、萬向節(jié)軸套等球座、萬向節(jié)軸套

12、等) 熱處理特點：熱處理特點： 廣泛進(jìn)行調(diào)質(zhì)或調(diào)質(zhì)后表面強化廣泛進(jìn)行調(diào)質(zhì)或調(diào)質(zhì)后表面強化(表面淬火或滲碳、表面淬火或滲碳、 碳氮共滲及噴丸處理碳氮共滲及噴丸處理)等等，以提高強韌性、耐磨性和疲勞強度。，以提高強韌性、耐磨性和疲勞強度。 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼在汽車零件中的應(yīng)用輪輻消聲器輪輞 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼在汽車零件中的應(yīng)用油底殼機油泵齒輪凸輪軸 碳素鑄鋼在汽車零件中的應(yīng)用化油器齒輪 合金鋼在汽車零件中的應(yīng)用保險杠氣門氣門彈簧 二戰(zhàn)之后，大量的軍用物資被遺棄，費魯吉歐二戰(zhàn)之后，大量的軍用物資被遺棄，費魯吉歐蘭博基尼開始使用這蘭博基尼開始使用這些剩余軍用物資制造拖拉機，并成立了最初的蘭博基尼公司（些剩余軍

13、用物資制造拖拉機，并成立了最初的蘭博基尼公司（Lamborghini Lamborghini TrattoriTrattori S.p.AS.p.A. .），主營業(yè)務(wù)是制造拖拉機、燃油器和空調(diào)系統(tǒng)。），主營業(yè)務(wù)是制造拖拉機、燃油器和空調(diào)系統(tǒng)。蘭博基尼蘭博基尼Reventon：采用全新航空技術(shù)的碳纖維材料，使車身在保持堅固的同時進(jìn)采用全新航空技術(shù)的碳纖維材料，使車身在保持堅固的同時進(jìn)一步減輕重量。一步減輕重量。1500萬左右，限量版。萬左右，限量版。蘭博基尼蘭博基尼Reventon二、航空航天器材料二、航空航天器材料 航空材料涵蓋了當(dāng)前材料科技領(lǐng)域中最先進(jìn)的科技成果，從飛機的心臟航空材料涵蓋了當(dāng)

14、前材料科技領(lǐng)域中最先進(jìn)的科技成果，從飛機的心臟- -發(fā)動機，到飛機的結(jié)構(gòu)，甚至一個細(xì)小的環(huán)節(jié)都與現(xiàn)代材料高科技緊密相關(guān)。發(fā)動機，到飛機的結(jié)構(gòu)，甚至一個細(xì)小的環(huán)節(jié)都與現(xiàn)代材料高科技緊密相關(guān)。 合理的選材，直接影響飛機的戰(zhàn)術(shù)性能、設(shè)計定型進(jìn)度、生產(chǎn)可行性、壽合理的選材，直接影響飛機的戰(zhàn)術(shù)性能、設(shè)計定型進(jìn)度、生產(chǎn)可行性、壽命和可靠性等，也直接導(dǎo)致飛機結(jié)構(gòu)效率的提高、重量的減輕、推重比的增命和可靠性等，也直接導(dǎo)致飛機結(jié)構(gòu)效率的提高、重量的減輕、推重比的增加、機動性的改善、載重量的提高以及航程的增大等一系列結(jié)果。加、機動性的改善、載重量的提高以及航程的增大等一系列結(jié)果。航空航天飛行器所用材料按材料的化學(xué)

15、成分不同可分為金屬與合金材料、航空航天飛行器所用材料按材料的化學(xué)成分不同可分為金屬與合金材料、有機非金屬材料、無機非金屬材料和復(fù)合材料。按其使用功能分為有機非金屬材料、無機非金屬材料和復(fù)合材料。按其使用功能分為結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料和和功能材料功能材料兩大類。兩大類。航空材料航空材料航空結(jié)構(gòu)材料航空結(jié)構(gòu)材料航空功能材料航空功能材料飛機機體材料飛機機體材料(aeroframe materials)發(fā)動機材料發(fā)動機材料(aeroengine materials)主要為機載設(shè)備材料，其關(guān)鍵材料主要主要為機載設(shè)備材料，其關(guān)鍵材料主要是各種微電子、光電子、傳感器等光、是各種微電子、光電子、傳感器等光、聲、電、

16、磁、熱的高功能及多功能材料。聲、電、磁、熱的高功能及多功能材料。 航天材料航天材料航天結(jié)構(gòu)材料航天結(jié)構(gòu)材料航天功能材料航天功能材料火箭及導(dǎo)彈材料（火箭及導(dǎo)彈材料（rocket and missile materials）航天飛行器材料（航天飛行器材料（space vehicle materials）微電子元器件材料微電子元器件材料光電子元器件材料光電子元器件材料信息傳輸、存儲、顯示元器件材料信息傳輸、存儲、顯示元器件材料傳感器敏感元件材料傳感器敏感元件材料隱身和智能結(jié)構(gòu)材料隱身和智能結(jié)構(gòu)材料材料材料選擇的總體要求選擇的總體要求飛機的選材必須要滿足幾個方面的要求：飛機的選材必須要滿足幾個方面的要

17、求： 首先，飛機材料要能滿足型號設(shè)計的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求，在選材前必須弄清飛機使用包線、飛機壽命、使用環(huán)境、過載、飛行速度和飛行高度等一系列指標(biāo)；同時，對具體構(gòu)件來說，還應(yīng)進(jìn)一步掌握其載荷狀況、連接關(guān)系和工作環(huán)境等細(xì)節(jié)情況。 其次，飛機選材必須從整個研制周期進(jìn)行考慮。如果原型機設(shè)計進(jìn)度很重要，那么對一些風(fēng)險大而又不可能按設(shè)計周期來完成的材料研制項目，即使有發(fā)展前途也可能不能選用。 最后，飛機的選材還要滿足制造經(jīng)濟性要求。設(shè)計師需要保證飛機材料在整個批生產(chǎn)期間內(nèi)均能符合成本效率原則。除了與材料重量有關(guān)，經(jīng)濟性還受新合金的選用、材料工藝的特性、壓縮材料的品種和規(guī)格、材料選用的繼承性等因素影響。 機體結(jié)構(gòu)

18、用材料的主要特點機體結(jié)構(gòu)用材料的主要特點波音787復(fù)合材料整體機身段 大量采用高比強度和高比模量的輕質(zhì)、高強、高模材料，從而提高飛機的結(jié)構(gòu)效率，降低飛機結(jié)構(gòu)重量系數(shù)。 先進(jìn)復(fù)合材料和鈦合金用量逐漸增加，傳統(tǒng)鋁合金和鋼材的用量相應(yīng)減少。 先進(jìn)復(fù)合材料和鈦合金的用量、材料本身的性能指標(biāo)、結(jié)構(gòu)設(shè)計水平和零組件加工質(zhì)量已成為這些航空產(chǎn)品先進(jìn)性的主要表現(xiàn)之一。 鋁合金：鋁合金： 鋁合金因其技術(shù)成熟、成本低、使用經(jīng)驗豐富等優(yōu)勢，在相當(dāng)長的時期內(nèi)，仍將是亞音速飛機和低超音速飛機的主要結(jié)構(gòu)用材之一。 結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼 一些新型超高強度鋼在今后仍然還會是起落架、主要接頭、隔框等一些主要承力構(gòu)件的備選材料。 鈦合金：

19、鈦合金： 鈦合金在飛機結(jié)構(gòu)用材中所占的重要地位已確定無疑，但是鈦合金的較貴的價格和較差的工藝性能，是影響使用的很大因素。 先進(jìn)復(fù)合材料：先進(jìn)復(fù)合材料： 由于先進(jìn)復(fù)合材料具有比鋼、鋁、鈦高得多的比強度、比模量和耐疲勞等優(yōu)點，在未來高性能的飛機結(jié)構(gòu)材料中，先進(jìn)復(fù)合材料將會占據(jù)越來越重要的地位，甚至完全有可能出現(xiàn)全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的飛機。從各種材料的角度分析，今后航空產(chǎn)品結(jié)構(gòu)用材從各種材料的角度分析，今后航空產(chǎn)品結(jié)構(gòu)用材的發(fā)展趨勢如下：的發(fā)展趨勢如下：橡膠緊箍件鋁合金臂板 鋁合金材料接頭（7055）鋁合金 機翼前緣（上）飛機油泵安裝口框（下） 鈦合金鈦合金 以以TC4、TB5、TB6、TB8、TA15、

20、TC16等為代表的結(jié)構(gòu)、高強減輕了結(jié)構(gòu)重等為代表的結(jié)構(gòu)、高強減輕了結(jié)構(gòu)重量，提高了飛機飛行性能。量，提高了飛機飛行性能。 鈦合金機翼接頭飛機承力框異型筒狀零件 飛機鈦合金接頭 機機型型 鈦鈦合合金金 復(fù)復(fù)合合材材料料 客客機機 A320 4.5 5.5 客客機機 A340 6 8 新新推推出出客客機機 A380 10 22 研研制制中中客客機機 A350 9 37 空客民機機體上鈦合金和復(fù)合材料的用量（空客民機機體上鈦合金和復(fù)合材料的用量（%）C-17運輸機運輸機鈦用量10.3%（鈦零件總重6.8噸）鋁合金用量69.3%，鋼用量12.3%復(fù)合材料用量8.1%空中“泰坦尼克”A380，鋁合金61

21、%，復(fù)合材料用量22%，鈦合金用量10%。空中客車空中客車 A350復(fù)合材料用量 37%鋁鋰合金用量23%鋁合金用量11%鈦合金用量9%鋼用量14%其它用量6%波音波音787復(fù)合材料用量50%，鋁合金用量20%，鈦用量15%，鋼用量10%三、機床用材特點三、機床用材特點 工作條件：工作條件： 工作環(huán)境好、受力較小且平穩(wěn)；精度要求高和保持精度的壽命要求較高。工作環(huán)境好、受力較小且平穩(wěn)；精度要求高和保持精度的壽命要求較高。 選材要求：選材要求： 保證剛度，保證摩擦副零件的耐磨性，承受一定的工作負(fù)荷。保證剛度，保證摩擦副零件的耐磨性，承受一定的工作負(fù)荷。 用材情況與特點：用材情況與特點： 鑄鐵（占鑄

22、鐵（占70%70%）：）： 床身、工作臺、底座、立柱床身、工作臺、底座、立柱 、橫梁等。、橫梁等。 碳鋼（占碳鋼（占20%20%）和合金鋼：）和合金鋼： 齒輪、軸類等重要零件。齒輪、軸類等重要零件。 有色金屬與工程塑料（占有色金屬與工程塑料（占10%10%）：）： 某些齒輪、蝸輪、墊片、油管、皮帶輪、罩殼等。某些齒輪、蝸輪、墊片、油管、皮帶輪、罩殼等。 熱處理特點：熱處理特點： 廣泛預(yù)先熱處理；主軸等調(diào)質(zhì)處理；廣泛用表面熱處理（齒輪、軸頸、導(dǎo)軌等）廣泛預(yù)先熱處理；主軸等調(diào)質(zhì)處理；廣泛用表面熱處理（齒輪、軸頸、導(dǎo)軌等）如高頻淬火、碳氮共滲，以提高耐磨性與疲勞強度。如高頻淬火、碳氮共滲，以提高耐磨

23、性與疲勞強度。除切削加工外，還有鑄造、鍛造、焊接、沖壓、擠壓等。 工作條件：工作條件： 多以泥沙、礦石為作業(yè)對象，工況惡劣多多以泥沙、礦石為作業(yè)對象，工況惡劣多變（露天、部分為嚴(yán)寒地區(qū)），承受較大沖變（露天、部分為嚴(yán)寒地區(qū)），承受較大沖擊、過載。擊、過載。 選材要求：選材要求： 著重考慮耐磨性、疲勞強度、低溫韌性，著重考慮耐磨性、疲勞強度、低溫韌性，部分機體要求小型化、輕量化，部分機體要求小型化、輕量化， 并便于更換并便于更換零件。零件。 四、工程機械、礦山機械用材特點（礦山、電站、四、工程機械、礦山機械用材特點（礦山、電站、港口、道路、農(nóng)田水利、建筑等行業(yè)）港口、道路、農(nóng)田水利、建筑等行業(yè)）用材情況與特點：用材情況與特點： 以