第四讲材料与社会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讲人：张晓晨时 间：2012.4.11材料的结构与结构层次材料的结构与结构层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领域的选材及用材工程领域的选材及用材材料的结构与结构层次材料的结构与结构层次材料最基本的原则关系图 实际材料结构的含义是比较丰富的，不单指原子等微观粒子的排列情况。但是从材料学的角度（以金属为例），从宏观到微观，按着研究的尺寸可分为四个层次宏观组织结构、显微组织结构、原子（分子）排列结构和原子中的电子结构以及原子间的相互作用等。 材料的结构是指材料的组成单元（原子或分子）之间相互吸引和排斥达到平衡达

2、到平衡时的空间排布，是成分的具体存在形式或状态。 作为一名材料的工作者必须把材料的内部结构包括原子的本质、原子间的相互作用、排列及运动方式和组织结构等认识透彻、切实地洞悉着他们，才能抓住材料研究的本质，从而掌握材料的性能，并在此基础上开发出新的材料。材料的结构：材料的结构：材料的结构层次：材料的结构层次：对于材料内部结构的认识水平：对于材料内部结构的认识水平：用肉眼或放大镜所能观察到的粗大晶粒或相的集合状态，其尺度量级为10-3mlm也称亚微观结构是晶粒、相的集合状态或材料内部的微区结构100nm0.1mm也称材料的微观结构-+-45号钢断口的宏观组织45号钢的显微组织45号钢中金属原子及电子

3、的排列方式单质碳的三种主要存在形式：金刚石、石墨、C60分子。 含碳量低于0.2%的钢称为低碳钢，如一般的钢板、钢筋。低碳钢的塑性很好，可以冲压成形或其他加工成形，所以可以方便地通过用钢板冲压制成从日用的洗脸盆到汽车的覆盖件等各种类型的成形件。 低碳钢高塑性高塑性的来源就是其显微组织基本上是由一种称为铁素体铁素体的相 (其强度低、塑性高且较软)所构成的。而高碳钢 (碳的质量分数c 0.6%1.2%)由于含有较多珠光体 (甚至马氏体)组织，能达到高强度、高硬度，所以可用于制造弹簧和加工工具 (如挫刀、锯条等)。化学组成即成分对性能的影响：化学组成即成分对性能的影响：F十Fe3CPF+p P+ F

4、e3C c1050 )及某些特殊介质中不能胜任。工程应用广泛：工程应用广泛： 机械制造：钢铁95%、有色金属4.5%、塑料0.5%； 汽车业(1985年福特公司)：钢铁72%、铝合金5.3%、塑料 8.5%。 二、无机非金属材料的特性：二、无机非金属材料的特性： 主要由氧化物、碳化物、氮化物以及硅酸盐等物质组 成的材料，由传统硅酸盐材料演变而来，其典型代表 即陶瓷材料。 主要由离子键或离子共价键组成，具有高键强，高键 能。故具有高化学稳定性，耐高温，耐腐蚀。 极高的弹性模量,比金属高数倍。 属脆性材料，抗压不抗拉。 硬度高，高温下仍保持高硬度值。 熔点高熔点高,高温强度好高温强度好。作高温材料

5、,如陶瓷发动机,坩埚等. 导电性能变化范围大导电性能变化范围大：可作为绝缘材料、半导体材料 以及其他功能材料。 缺点：缺点：极脆，加工性差，可靠性差。 工程应用：工程应用：一般日常用途（传统陶瓷）；某些特殊用途（现今陶瓷，如压电材料、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： 高分子材料是有许多小分子单体经聚合反应（以共价键高分子材料是有许多小分子单体经聚合反应（以共价键 结合）而形成。它具有一系列不同的特点：结合）而形成。它具有一系列不同的特点： u 密度小：聚丙烯910kg/m3,泡沫塑料仅10kg/m3,对产品 轻量化有利。u 强度低，但比强度高（甚

6、至高于钢铁），某些工程塑料 能代替部分金属制造机器零部件。u 低的弹性模量，较高的弹性(100%1000%,金属0.1%).u 优良的电（绝缘）性能，作为优良的绝缘材料。u 优良的减摩、耐磨和自润滑性能。u 优良的耐腐蚀性能（耐酸、碱及某些化学药品），甚至胜 过一般的不锈钢。u 优良的透光性和隔热、隔音性. 如有机玻璃、聚苯乙烯 的透光率90%，是很好的轻型建筑材料。u 可加工性好，可用各种方法成形与后加工，单件成本低 廉。 缺点：缺点： 绝对强度、刚度水平低，不耐热(陶瓷铝玻璃纤维增强复合材料(GFRP) 塑料。 耐热性：陶瓷钢铁铝GFRP塑料。 拉伸强度：钢铁GFRP铝陶瓷玻璃塑料 比拉伸

7、强度：GFRP铝钢铁塑料玻璃陶瓷。 韧性：钢铁铝 GFRP 塑料陶瓷玻璃 导热率：铝钢铁陶瓷玻璃GFRP塑料 线膨胀系数：塑料铝 GFRP 钢铁玻璃陶瓷 导电率：铝钢铁陶瓷 GFRP 玻璃塑料性性 能能金金 属属塑塑 料料无机材料无机材料钢铁钢铁铝铝聚丙烯聚丙烯玻璃纤维玻璃纤维增强尼龙增强尼龙- -6 6陶瓷陶瓷玻璃玻璃熔点熔点/ /密度密度/（gcm-3）拉伸强度拉伸强度/MPa/MPa比拉伸强度（拉伸强度比拉伸强度（拉伸强度/ /密度）密度）拉伸模量拉伸模量/GPa/GPa热变形温度热变形温度/ /膨胀系数膨胀系数105/k-1传热系数传热系数/W/W(m(m-2K-1)韧性韧性体积电阻率

8、体积电阻率/ /（cm)燃烧性燃烧性153515357.87.84604605959210210- -1.31.30.400.40优优1010-5-5不燃不燃6606602.72.78080 2802803030 1041047070- -2.42.42.02.0优优3 31010-6-6不燃不燃1751750.90.9353539391.31.360608 8 10100.00110.0011良良10101616燃烧燃烧2152151.41.415015010710710101201202 2 3 30.00240.0024优优5 510101111燃烧燃烧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 各种材料的主要物性各种材料的主要物性 Chapter3 Properties of Materials54工程领域的选材及用材情况工程领域的选材及用材情况一、汽车行业一、汽车行业 金属材料是汽车用材的主体，单单以重量而言，金属材料就占到全车的金属材料是汽车用材的主体，单单以重量而言，金属材料就占到全车的6580，汽车由上万个零件组装而成，而金属材料的种类也有成千上万，如，汽车由上

10、万个零件组装而成，而金属材料的种类也有成千上万，如何能从中挑选出所需要的材料用来制造相应的零件成为汽车行业发展的重中重。何能从中挑选出所需要的材料用来制造相应的零件成为汽车行业发展的重中重。工作条件：工作条件： 环境很差，受力较大，应力复杂，常有较大冲击和过载。环境很差，受力较大，应力复杂，常有较大冲击和过载。 选材要求：选材要求： 重量轻、速度高、寿命长、安全可靠，大批量生产要求工艺性重量轻、速度高、寿命长、安全可靠，大批量生产要求工艺性 能能 好。故要求材料强度高、工艺性能、质量稳定、资源丰富。好。故要求材料强度高、工艺性能、质量稳定、资源丰富。用材情况与特点：用材情况与特点： 钢材约钢材

11、约70%、铸铁约、铸铁约15%，其余为有色金属和非金属材料。，其余为有色金属和非金属材料。 低低 合合 金金 高高 强强 钢：钢：车身车身(保证强度、刚度及轻保证强度、刚度及轻) 碳素碳素(合金合金)结构钢：结构钢：传动装置、转向装置及发动机的重传动装置、转向装置及发动机的重 要零件要零件 球球 墨墨 铸铸 铁：铁：曲轴、连杆、凸轮轴等曲轴、连杆、凸轮轴等 其其 它它 铸铸 铁：铁：发动机缸体、缸盖、变速器壳体等发动机缸体、缸盖、变速器壳体等 代用材料代用材料(轻量化轻量化)：铝、镁合金铝、镁合金(发动机缸体、车体行架发动机缸体、车体行架 等等)，塑料，塑料(球座、万向节轴套等球座、万向节轴套

12、等) 热处理特点：热处理特点： 广泛进行调质或调质后表面强化广泛进行调质或调质后表面强化(表面淬火或渗碳、表面淬火或渗碳、 碳氮共渗及喷丸处理碳氮共渗及喷丸处理)等等，以提高强韧性、耐磨性和疲劳强度。，以提高强韧性、耐磨性和疲劳强度。 普通碳素结构钢在汽车零件中的应用轮辐消声器轮辋 优质碳素结构钢在汽车零件中的应用油底壳机油泵齿轮凸轮轴 碳素铸钢在汽车零件中的应用化油器齿轮 合金钢在汽车零件中的应用保险杠气门气门弹簧 二战之后，大量的军用物资被遗弃，费鲁吉欧二战之后，大量的军用物资被遗弃，费鲁吉欧兰博基尼开始使用这兰博基尼开始使用这些剩余军用物资制造拖拉机，并成立了最初的兰博基尼公司（些剩余军

13、用物资制造拖拉机，并成立了最初的兰博基尼公司（Lamborghini Lamborghini TrattoriTrattori S.p.AS.p.A. .），主营业务是制造拖拉机、燃油器和空调系统。），主营业务是制造拖拉机、燃油器和空调系统。兰博基尼兰博基尼Reventon：采用全新航空技术的碳纤维材料，使车身在保持坚固的同时进采用全新航空技术的碳纤维材料，使车身在保持坚固的同时进一步减轻重量。一步减轻重量。1500万左右，限量版。万左右，限量版。兰博基尼兰博基尼Reventon二、航空航天器材料二、航空航天器材料 航空材料涵盖了当前材料科技领域中最先进的科技成果，从飞机的心脏航空材料涵盖了当

14、前材料科技领域中最先进的科技成果，从飞机的心脏- -发动机，到飞机的结构，甚至一个细小的环节都与现代材料高科技紧密相关。发动机，到飞机的结构，甚至一个细小的环节都与现代材料高科技紧密相关。 合理的选材，直接影响飞机的战术性能、设计定型进度、生产可行性、寿合理的选材，直接影响飞机的战术性能、设计定型进度、生产可行性、寿命和可靠性等，也直接导致飞机结构效率的提高、重量的减轻、推重比的增命和可靠性等，也直接导致飞机结构效率的提高、重量的减轻、推重比的增加、机动性的改善、载重量的提高以及航程的增大等一系列结果。加、机动性的改善、载重量的提高以及航程的增大等一系列结果。航空航天飞行器所用材料按材料的化学

15、成分不同可分为金属与合金材料、航空航天飞行器所用材料按材料的化学成分不同可分为金属与合金材料、有机非金属材料、无机非金属材料和复合材料。按其使用功能分为有机非金属材料、无机非金属材料和复合材料。按其使用功能分为结构材料结构材料和和功能材料功能材料两大类。两大类。航空材料航空材料航空结构材料航空结构材料航空功能材料航空功能材料飞机机体材料飞机机体材料(aeroframe materials)发动机材料发动机材料(aeroengine materials)主要为机载设备材料，其关键材料主要主要为机载设备材料，其关键材料主要是各种微电子、光电子、传感器等光、是各种微电子、光电子、传感器等光、声、电、

16、磁、热的高功能及多功能材料。声、电、磁、热的高功能及多功能材料。 航天材料航天材料航天结构材料航天结构材料航天功能材料航天功能材料火箭及导弹材料（火箭及导弹材料（rocket and missile materials）航天飞行器材料（航天飞行器材料（space vehicle materials）微电子元器件材料微电子元器件材料光电子元器件材料光电子元器件材料信息传输、存储、显示元器件材料信息传输、存储、显示元器件材料传感器敏感元件材料传感器敏感元件材料隐身和智能结构材料隐身和智能结构材料材料材料选择的总体要求选择的总体要求飞机的选材必须要满足几个方面的要求：飞机的选材必须要满足几个方面的要

17、求： 首先，飞机材料要能满足型号设计的战术技术要求，在选材前必须弄清飞机使用包线、飞机寿命、使用环境、过载、飞行速度和飞行高度等一系列指标；同时，对具体构件来说，还应进一步掌握其载荷状况、连接关系和工作环境等细节情况。 其次，飞机选材必须从整个研制周期进行考虑。如果原型机设计进度很重要，那么对一些风险大而又不可能按设计周期来完成的材料研制项目，即使有发展前途也可能不能选用。 最后，飞机的选材还要满足制造经济性要求。设计师需要保证飞机材料在整个批生产期间内均能符合成本效率原则。除了与材料重量有关，经济性还受新合金的选用、材料工艺的特性、压缩材料的品种和规格、材料选用的继承性等因素影响。 机体结构

18、用材料的主要特点机体结构用材料的主要特点波音787复合材料整体机身段 大量采用高比强度和高比模量的轻质、高强、高模材料，从而提高飞机的结构效率，降低飞机结构重量系数。 先进复合材料和钛合金用量逐渐增加，传统铝合金和钢材的用量相应减少。 先进复合材料和钛合金的用量、材料本身的性能指标、结构设计水平和零组件加工质量已成为这些航空产品先进性的主要表现之一。 铝合金：铝合金： 铝合金因其技术成熟、成本低、使用经验丰富等优势，在相当长的时期内，仍将是亚音速飞机和低超音速飞机的主要结构用材之一。 结构钢结构钢 一些新型超高强度钢在今后仍然还会是起落架、主要接头、隔框等一些主要承力构件的备选材料。 钛合金：

19、钛合金： 钛合金在飞机结构用材中所占的重要地位已确定无疑，但是钛合金的较贵的价格和较差的工艺性能，是影响使用的很大因素。 先进复合材料：先进复合材料： 由于先进复合材料具有比钢、铝、钛高得多的比强度、比模量和耐疲劳等优点，在未来高性能的飞机结构材料中，先进复合材料将会占据越来越重要的地位，甚至完全有可能出现全复合材料结构的飞机。从各种材料的角度分析，今后航空产品结构用材从各种材料的角度分析，今后航空产品结构用材的发展趋势如下：的发展趋势如下：橡胶紧箍件铝合金臂板 铝合金材料接头（7055）铝合金 机翼前缘（上）飞机油泵安装口框（下） 钛合金钛合金 以以TC4、TB5、TB6、TB8、TA15、

20、TC16等为代表的结构、高强减轻了结构重等为代表的结构、高强减轻了结构重量，提高了飞机飞行性能。量，提高了飞机飞行性能。 钛合金机翼接头飞机承力框异型筒状零件 飞机钛合金接头 机机型型 钛钛合合金金 复复合合材材料料 客客机机 A320 4.5 5.5 客客机机 A340 6 8 新新推推出出客客机机 A380 10 22 研研制制中中客客机机 A350 9 37 空客民机机体上钛合金和复合材料的用量（空客民机机体上钛合金和复合材料的用量（%）C-17运输机运输机钛用量10.3%（钛零件总重6.8吨）铝合金用量69.3%，钢用量12.3%复合材料用量8.1%空中“泰坦尼克”A380，铝合金61

21、%，复合材料用量22%，钛合金用量10%。空中客车空中客车 A350复合材料用量 37%铝锂合金用量23%铝合金用量11%钛合金用量9%钢用量14%其它用量6%波音波音787复合材料用量50%，铝合金用量20%，钛用量15%，钢用量10%三、机床用材特点三、机床用材特点 工作条件：工作条件： 工作环境好、受力较小且平稳；精度要求高和保持精度的寿命要求较高。工作环境好、受力较小且平稳；精度要求高和保持精度的寿命要求较高。 选材要求：选材要求： 保证刚度，保证摩擦副零件的耐磨性，承受一定的工作负荷。保证刚度，保证摩擦副零件的耐磨性，承受一定的工作负荷。 用材情况与特点：用材情况与特点： 铸铁（占铸

22、铁（占70%70%）：）： 床身、工作台、底座、立柱床身、工作台、底座、立柱 、横梁等。、横梁等。 碳钢（占碳钢（占20%20%）和合金钢：）和合金钢： 齿轮、轴类等重要零件。齿轮、轴类等重要零件。 有色金属与工程塑料（占有色金属与工程塑料（占10%10%）：）： 某些齿轮、蜗轮、垫片、油管、皮带轮、罩壳等。某些齿轮、蜗轮、垫片、油管、皮带轮、罩壳等。 热处理特点：热处理特点： 广泛预先热处理；主轴等调质处理；广泛用表面热处理（齿轮、轴颈、导轨等）广泛预先热处理；主轴等调质处理；广泛用表面热处理（齿轮、轴颈、导轨等）如高频淬火、碳氮共渗，以提高耐磨性与疲劳强度。如高频淬火、碳氮共渗，以提高耐磨

23、性与疲劳强度。除切削加工外，还有铸造、锻造、焊接、冲压、挤压等。 工作条件：工作条件： 多以泥沙、矿石为作业对象，工况恶劣多多以泥沙、矿石为作业对象，工况恶劣多变（露天、部分为严寒地区），承受较大冲变（露天、部分为严寒地区），承受较大冲击、过载。击、过载。 选材要求：选材要求： 着重考虑耐磨性、疲劳强度、低温韧性，着重考虑耐磨性、疲劳强度、低温韧性，部分机体要求小型化、轻量化，部分机体要求小型化、轻量化， 并便于更换并便于更换零件。零件。 四、工程机械、矿山机械用材特点（矿山、电站、四、工程机械、矿山机械用材特点（矿山、电站、港口、道路、农田水利、建筑等行业）港口、道路、农田水利、建筑等行业）用材情况与特点：用材情况与特点： 以