材料的應(yīng)用與選擇

1、材料的應(yīng)用與選擇,一、課程目的與任務(wù),使學(xué)生熟悉常用材料的性能特點(diǎn)、應(yīng)用以及選擇原則，為在工程實(shí)踐中根據(jù)使用條件和性能要求而進(jìn)行正確合理的選材和用材打下基礎(chǔ)。 課程內(nèi)容主要包括從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，闡明工程材料的基本類(lèi)型、典型材料及其特點(diǎn)，介紹常見(jiàn)工程結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及選材原則，常用的機(jī)械工程材料的性能及其應(yīng)用。,二、課程基本要求,以自學(xué)和討論形式相結(jié)合，教師指導(dǎo)內(nèi)容力圖概括精練，學(xué)生自學(xué)及討論匯報(bào)要結(jié)合案例分析，使學(xué)生在熟悉常見(jiàn)材料的基礎(chǔ)上，了解材料的選擇原則。,主要參考書(shū),梅爾庫(kù)茲(美)，材料選用手冊(cè)，化學(xué)工業(yè)出版社，2005年7月 楊瑞成、鄧文懷、馮輝霞 編著，工程設(shè)計(jì)中的材料選擇與應(yīng)用，化學(xué)

2、工業(yè)出版社，2004年5月 Michael F.Ashby, Materials Selection in Mechanical Design, Elsevier, 2005,學(xué)生情況及其分組,共有25個(gè)學(xué)生選課,考核方式,獨(dú)立完成四次作業(yè)（包括三次小作業(yè)和一次大作業(yè)） 參加四次分組討論 ，4人/組，每組分頭準(zhǔn)備，選出一名代表進(jìn)行口頭匯報(bào)（需要做PPT），時(shí)間10分鐘/人，討論及點(diǎn)評(píng)時(shí)間5分鐘。 提交三次分組討論記錄,成績(jī)分配,平時(shí)表現(xiàn) 20分 作業(yè) 40分 討論 40分,教學(xué)安排,什么是材料？,材料是人類(lèi)用于制造物品、器件、構(gòu)件、機(jī)器或其他產(chǎn)品的那些物質(zhì)。材料是物質(zhì)，但不是所有物質(zhì)都可以稱(chēng)為

3、材料。如燃料和化學(xué)原料、工業(yè)化學(xué)品、食物和藥物，一般都不算是材料。 但是這個(gè)定義并不那么嚴(yán)格，如炸藥、固體火箭推進(jìn)劑，一般稱(chēng)之為“含能材料”，因?yàn)樗鼘儆诨鹋诨蚧鸺慕M成部分。 。,低合金結(jié)構(gòu)鋼,Q460鋼含Mo、B，正火組織 為B，強(qiáng)度高，用于石化中溫 高壓容器。,壓力容器,南京長(zhǎng)江大橋,Q345鋼(16Mn)綜合性能好， 用于船舶、橋梁、車(chē)輛等大 型鋼結(jié)構(gòu)。,Q390鋼含V、Ti、Nb，強(qiáng)度 高，用于中等壓力的容器。,高錳耐磨鋼廣泛用于既要求耐磨又要求耐沖擊的零件。如拖拉機(jī)的履帶板、球磨機(jī)的襯板、破碎機(jī)的牙板、挖掘機(jī)的鏟齒和鐵路的道岔等。,耐 熱 鋼 的 用 途,鑄造耐磨材料是一種消耗量極大

4、，廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、電力、建材、能源、交通等領(lǐng)域的許多關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)的部件中，起著至關(guān)重要的作用、同時(shí)消耗著巨大的資源和能源。據(jù)中國(guó)工程院調(diào)查顯示2006年全國(guó)消耗在摩擦、磨損和潤(rùn)滑方面的資金為9500億元，占GDP的4.5。,學(xué)習(xí)和研究材料的重要意義,冶 金,電 力,礦山開(kāi)采,建 材,1 材料按化學(xué)組成（或基本組成）分類(lèi) 2 根據(jù)材料的性能分類(lèi) 3 材料按服役的領(lǐng)域分類(lèi) 4 材料按結(jié)晶狀態(tài)分類(lèi) 5 材料按材料的尺寸分類(lèi),材料怎樣分類(lèi),按物理性質(zhì)可分為：導(dǎo)電材料、絕緣材料、半導(dǎo)體材料、磁性材料、透光材料、高強(qiáng)度材料、高溫材料、超硬材料等。 按物理效應(yīng)分為：壓電材料、熱電材料、鐵電材料、非線(xiàn)性

5、光學(xué)材料、磁光材料、電光材料、聲光材料、激光材料等。 按用途分為：電子材料、電工材料、光學(xué)材料、感光材料、耐酸材料、研磨材料、耐火材料、建筑材料、結(jié)構(gòu)材料、包裝材料等。,1 按化學(xué)組成（或基本組成）分類(lèi)：,1. 金屬材料 2. 無(wú)機(jī)非金屬材料 3. 高分子材料（聚合物） 4. 復(fù)合材料,1.金屬材料,金屬材料是由化學(xué)元素周期表中的金屬元素組成的材料?？煞譃橛梢环N金屬元素構(gòu)成的單質(zhì)（純金屬）；由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素構(gòu)成的合金。合金又可分為固溶體和金屬間化合物。,在112種元素中，除He,Ne,Ar等6種惰性元素和C、Si、N等16種非金屬元素外，其余90種為金屬元素。除Hg

6、之外，單質(zhì)金屬在常溫下呈現(xiàn)固體形態(tài)，外觀不透明，具有特殊的金屬光澤及良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。在力學(xué)性質(zhì)方面，具有較高的強(qiáng)度、剛度、延展性及耐沖擊性。 合金是由兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬元素與非金屬元素熔合在一起形成的具有金屬特性的新物質(zhì)。合金的性質(zhì)與組成合金的各個(gè)相的性質(zhì)有關(guān)，同時(shí)也與這些相在合金中的數(shù)量、形狀及分布有關(guān)。,合金又分為固溶體和金屬間化合物。 當(dāng)金屬的晶體結(jié)構(gòu)保持溶劑組元的晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，這種合金稱(chēng)為一次固溶體或端際固溶體，簡(jiǎn)稱(chēng)為固溶體。 金屬元素與其它金屬元素或非金屬元素之間形成合金時(shí)，除固溶體外，還可能形成金屬間化合物。,2. 無(wú)機(jī)非金屬材料,無(wú)機(jī)非金屬材料是由硅酸鹽、鋁酸鹽

7、、硼酸鹽、磷酸鹽、鍺酸鹽等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、鹵化物等原料經(jīng)一定的工藝制備而成的材料。是除金屬材料、高分子材料以外所有材料的總稱(chēng)。它與廣義的陶瓷材料有等同的含義。無(wú)機(jī)非金屬材料種類(lèi)繁多，用途各異，目前還沒(méi)有統(tǒng)一完善的分類(lèi)方法。一般將其分為傳統(tǒng)的（普通的）和新型的（先進(jìn)的）無(wú)機(jī)非金屬材料兩大類(lèi)。,傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料主要是指由SiO2及其硅酸鹽化合物為主要成分制成的材料，包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。此外，搪瓷、磨料、鑄石（輝綠巖、玄武巖等）、碳素材料、非金屬礦（石棉、云母、大理石等）也屬于傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料。,先進(jìn)（或新型）無(wú)機(jī)非金屬材料是用氧化物

8、、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各種無(wú)機(jī)非金屬化合物經(jīng)特殊的先進(jìn)工藝制成的材料。主要包括先進(jìn)陶瓷、非晶態(tài)材料、人工晶體、無(wú)機(jī)涂層、無(wú)機(jī)纖維等。,陶瓷按其概念和用途不同，可分為兩大類(lèi)，即普通陶瓷和特種陶瓷。 根據(jù)陶瓷坯體結(jié)構(gòu)及其基本物理性能的差異，陶瓷制品可分為陶器和瓷器。,傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料 之一：陶瓷,普通陶瓷即傳統(tǒng)陶瓷，是指以粘土為主要原料與其它天然礦物原料經(jīng)過(guò)粉碎混練、成型、煅燒等過(guò)程而制成的各種制品。包括日用陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、電瓷以及其它工業(yè)用陶瓷。 見(jiàn)表1。,表1 普通陶瓷的分類(lèi)方法,特種陶瓷是用于各種現(xiàn)代工業(yè)及尖端科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的陶瓷制品。包括結(jié)構(gòu)陶瓷

9、和功能陶瓷。結(jié)構(gòu)陶瓷主要用于耐磨損、高強(qiáng)度、耐高溫、耐熱沖擊、硬質(zhì)、高剛性、低膨脹、隔熱等場(chǎng)所。功能陶瓷主要包括電磁功能、光學(xué)功能、生物功能、核功能及其它功能的陶瓷材料。,常見(jiàn)高溫結(jié)構(gòu)陶瓷包括：高熔點(diǎn)氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、硅化物。 功能陶瓷包括:裝置瓷（即電絕緣瓷）、電容器陶瓷、壓電陶瓷、磁性陶瓷（又稱(chēng)為鐵氧體）、導(dǎo)電陶瓷、超導(dǎo)陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷（又稱(chēng)為敏感陶瓷）、熱學(xué)功能陶瓷（熱釋電陶瓷、導(dǎo)熱陶瓷、低膨脹陶瓷、紅外輻射陶瓷等）、化學(xué)功能陶瓷（多孔陶瓷載體等）、生物功能陶瓷等。,傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料 之二：玻璃,玻璃是由熔體過(guò)冷所制得的非晶態(tài)材料。根據(jù)其形成網(wǎng)絡(luò)的組分不同可分為硅酸鹽玻

10、璃、硼酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃等，其網(wǎng)絡(luò)形成劑分為SiO2、B2O3和P2O5。習(xí)慣上玻璃態(tài)材料可分為普通玻璃和特種玻璃兩大類(lèi)。 普通玻璃是指采用天然原料，能夠大規(guī)模生產(chǎn)的玻璃。普通玻璃包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光學(xué)玻璃和玻璃纖維等。,特種玻璃（亦稱(chēng)為新型玻璃）是指采用精制、高純或新型原料，通過(guò)新工藝在特殊條件下或嚴(yán)格控制形成過(guò)程制成的一些具有特殊功能或特殊用途的玻璃。 特種玻璃包括SiO2含量在85%以上或55%以下的硅酸鹽玻璃、非硅酸鹽氧化物玻璃（硼酸鹽、磷酸鹽、鍺酸鹽、碲酸鹽、鋁酸鹽及氧氮玻璃、氧碳玻璃等）、非氧化物玻璃（鹵化物、氮化物、硫化物、硫鹵化物、金屬玻璃等）以及光學(xué)纖維等。

11、 根據(jù)用途不同，特種玻璃分為防輻射玻璃、激光玻璃、生物玻璃、多孔玻璃、非線(xiàn)性光學(xué)玻璃和光纖玻璃等。,傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料 之三：水泥,水泥是指加入適量水后可成塑性漿體，既能在空氣中硬化又能在水中硬化，并能夠?qū)⑸啊⑹炔牧侠喂痰啬z結(jié)在一起的細(xì)粉狀水硬性材料。,水泥的種類(lèi)很多，按其用途和性能可分為：通用水泥、專(zhuān)用水泥和特性水泥三大類(lèi)；按其所含的主要水硬性礦物，水泥又可分為硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、氟鋁酸鹽水泥以及以工業(yè)廢渣和地方材料為主要組分的水泥。目前水泥品種已達(dá)一百多種。,通用水泥為大量土木工程所使用的一般用途的水泥，如硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥

12、、粉煤灰硅酸鹽水泥和復(fù)合硅酸鹽水泥等。 專(zhuān)用水泥指有專(zhuān)門(mén)用途的水泥，如油井水泥、砌筑水泥等。 特性水泥則是某種性能比較突出的一類(lèi)水泥，如快硬硅酸鹽水泥、抗硫酸鹽硅酸鹽水泥、中熱硅酸鹽水泥、膨脹硫鋁酸鹽水泥、自應(yīng)力鋁酸鹽水泥等。,傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料 之四：耐火材料,耐火材料是指耐火度不低于1580的無(wú)機(jī)非金屬材料。它是為高溫技術(shù)服務(wù)的基礎(chǔ)材料。盡管各國(guó)對(duì)其定義不同，但基本含義是相同的，即耐火材料是用作高溫窯爐等熱工設(shè)備的結(jié)構(gòu)材料，以及用作工業(yè)高溫容器和部件的材料，并能承受相應(yīng)的物理化學(xué)變化及機(jī)械作用。 大部分耐火材料是以天然礦石（如耐火粘土、硅石、菱鎂礦、白云母等）為原料制造的。,按礦物組成分

13、為氧化硅質(zhì)、硅酸鋁質(zhì)、鎂質(zhì)、白云石質(zhì)、橄欖石質(zhì)、尖晶石質(zhì)、含碳質(zhì)、含鋯質(zhì)耐火材料及特殊耐火材料； 按制造方法分為天然礦石和人造制品； 按形狀分為塊狀制品和不定形耐火材料； 按熱處理方式分為不燒制品、燒成制品和熔鑄制品；,按耐火度分為普通、高級(jí)及特級(jí)耐火制品； 按化學(xué)性質(zhì)分為酸性、中性及堿性耐火材料； 按密度分為輕質(zhì)及重質(zhì)耐火材料。 按制品的形狀和尺寸可分為標(biāo)準(zhǔn)磚、異型磚、特異型磚、管和耐火器皿等。 按應(yīng)用分為高爐用、水泥窯用、玻璃窯用、陶瓷窯用耐火材料等等。,3. 有機(jī)高分子材料（高聚物）,高聚物是由一種或幾種簡(jiǎn)單低分子化合物經(jīng)聚合而組成的分子量很大的化合物。高聚物的種類(lèi)繁多，性能各異，其分類(lèi)

14、的方法多種多樣。按高分子材料來(lái)源分為天然高分子材料和合成高分子材料；按材料的性能和用途可將高聚物分為橡膠、纖維、塑料和膠粘劑等。,橡膠的特點(diǎn)是室溫彈性高，即使在很小的外力作用下，也能產(chǎn)生很大的形變（可達(dá)1000%），外力去除后，能迅速恢復(fù)原狀。其彈性模量小，約105104Pa。常用的橡膠有天然橡膠（異戊橡膠）、丁苯橡膠、順丁橡膠（聚丁二烯）、乙丙橡膠和硅橡膠等。,纖維的彈性模量較大，約1091010Pa。受力時(shí)，形變不超過(guò)百分之二十。纖維大分子沿軸向作規(guī)則排列，其長(zhǎng)徑比較大，在較廣的溫度范圍（-50150）內(nèi)，機(jī)械性能變化不大。常用的合成纖維有尼龍、滌綸、晴綸和維尼綸等。,塑料的彈性模量介于橡

15、膠和纖維之間，約107108Pa。溫度稍高些，受力形變可達(dá)百分之幾至幾百。有些塑料的形變是可逆的，有些塑料的形變是永久的。根據(jù)塑料受熱時(shí)行為的不同，分為熱塑性和熱固性塑料兩類(lèi)。前者受熱時(shí)可以塑化和軟化，冷卻時(shí)則凝固成形，再加熱又可塑化軟化。聚乙烯、聚氯乙烯和聚碳酸酯等都屬于此類(lèi)；后者在受熱時(shí)可塑化和軟化，并通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，使之固定成型，但冷卻后不能再加熱軟化,酚醛塑料和脲醛塑料就屬此類(lèi) .,膠粘劑是指在常溫下處于粘流態(tài)，當(dāng)受到外力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生永久變形，外力撤去后又不能恢復(fù)原狀的高聚物。有時(shí)把聚合后未加工成型的高聚物稱(chēng)為樹(shù)脂，以區(qū)分加工后的塑料或纖維制品，如電木未固化前稱(chēng)酚醛樹(shù)脂，滌綸纖維未紡織

16、前稱(chēng)滌綸樹(shù)脂。,4. 復(fù)合材料,復(fù)合材料是由兩種或兩種以上化學(xué)性質(zhì)或組織結(jié)構(gòu)不同的材料組合而成。復(fù)合材料是多相材料，主要包括基本相和增強(qiáng)相?；w相是一種連續(xù)相材料，它把改善性能的增強(qiáng)相材料固結(jié)成一體，并起傳遞應(yīng)力的作用；增強(qiáng)相起承受應(yīng)力（結(jié)構(gòu)復(fù)合材料）和顯示功能（功能復(fù)合材料）的作用。復(fù)合材料既能保持原組成材料的重要特色，又通過(guò)復(fù)合效應(yīng)使各組分的性能互相補(bǔ)充，獲得原組分不具備的許多優(yōu)良性能。,復(fù)合材料的種類(lèi)繁多，目前還沒(méi)有統(tǒng)一的分類(lèi)方法，下面根據(jù)復(fù)合材料的三要素來(lái)分類(lèi)。按基體材料分類(lèi)，有金屬基復(fù)合材料，陶瓷基復(fù)合材料，水泥、混凝土基復(fù)合材料，塑料基復(fù)合材料，橡膠基復(fù)合材料等；按增強(qiáng)劑形狀可分為

17、粒子、纖維及層狀復(fù)合材料；依據(jù)復(fù)合材料的性能可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料。,2 根據(jù)材料的性能分類(lèi),根據(jù)材料在外場(chǎng)作用下其性質(zhì)或性能對(duì)外場(chǎng)的響應(yīng)不同，材料可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料。,結(jié)構(gòu)材料是指具有抵抗外場(chǎng)作用而保持自己的形狀、結(jié)構(gòu)不變的優(yōu)良力學(xué)性能（強(qiáng)度和韌性等），用于結(jié)構(gòu)目的的材料。這種材料通常用來(lái)制造工具、機(jī)械、車(chē)輛和修建房屋、橋梁、鐵路等。是人們熟悉的機(jī)械制造材料、建筑材料，包括結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、鑄鐵、普通陶瓷、耐火材料、工程塑料等傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料（一般結(jié)構(gòu)材料）以及高溫合金、結(jié)構(gòu)陶瓷等高級(jí)結(jié)構(gòu)材料。,功能材料是具有優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)功能及其相互轉(zhuǎn)化

18、的功能，被用于非結(jié)構(gòu)目的的高技術(shù)材料。,3 材料按服役的領(lǐng)域來(lái)分類(lèi),根據(jù)材料服役的技術(shù)領(lǐng)域可分為信息材料、航空航天材料、能源材料、生物醫(yī)用材料等。,信息材料是指用于信息的探測(cè)、傳輸、顯示、運(yùn)算和處理的光電信息材料。信息材料主要包括信息的監(jiān)測(cè)和傳感（獲取）材料、信息的傳輸材料、信息的存儲(chǔ)材料、信息的運(yùn)算和處理材料。,航空航天材料主要包括新型金屬材料（如先進(jìn)鋁合金、超高強(qiáng)度鋼、高溫合金、高熔點(diǎn)合金、鈹及其合金）、燒蝕防熱材料和新型復(fù)合材料。此外，還包括一些功能材料，如涂層材料、隔熱材料、透明材料、阻尼材料、密封材料、潤(rùn)滑材料、粘合劑材料等。這些材料大部分屬于高分子材料和陶瓷材料，也有少量是阻尼合金

19、等金屬材料。,能源材料是指能源工業(yè)和能源技術(shù)所使用的材料，按使用目的不同分為新能源材料、節(jié)能材料和儲(chǔ)氫材料等。新能源材料包括增值堆用核材料、聚變堆材料、太陽(yáng)能電池（單晶硅、多晶硅、非晶硅等）；節(jié)能材料包括非晶體金屬磁性材料（用作變壓器鐵芯的Fe-Mn-B-Si合金）和超導(dǎo)材料（Nb-Ti、Nb-Sn巨型磁體用材料）；儲(chǔ)氫材料，以及高比能電池（如鈉硫電池）等。目前鈉硫電池的比能量達(dá)137W.h/Kg，而鉛蓄電池的比能量只有30W.h/Kg。,生物醫(yī)用材料是一類(lèi)合成物質(zhì)或天然物質(zhì)或這些物質(zhì)的復(fù)合，它能作用一個(gè)系統(tǒng)的整體或部分，在一定時(shí)期內(nèi)治療、增強(qiáng)或替換機(jī)體的組織、器官或功能。 醫(yī)用金屬及合金 醫(yī)用高分子材料包括合成和天然高分子，已被廣泛用于韌帶、肌腱、皮膚、血管、角膜、人工臟器、骨和牙等人體軟、硬組織及器官的修復(fù)和制造。 醫(yī)用生物陶瓷包括惰性和活性生物陶瓷、生物玻璃等，如氧化鋁瓷、氧化鋯瓷、生物碳等以及羥基磷灰石、磷酸三鈣陶瓷等。 醫(yī)用復(fù)合材料:表面涂層生物活性人工牙根、人工心臟瓣膜人造血管等。,4 材料按結(jié)晶狀態(tài)分類(lèi),單晶材料 多晶材料 非晶態(tài)材料 準(zhǔn)晶材料,單晶材料是由一個(gè)比較完整的晶粒構(gòu)成的材料，如單晶纖維、單晶硅； 多晶材料是由許多晶粒組成的材料，其性能與晶粒大小、晶界的性質(zhì)有密切的關(guān)系。 非晶態(tài)材料是由原子或分子排列無(wú)明顯規(guī)律的固體材料，如玻璃、高分子