绪论,材料科学基础

材料科学基础青岛科技大学多媒体课件课程名称:郝春成FundamentalsofMaterialsScience2/1/20231ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU张立同院士、黄伯云院士双双摘取2004年国家技术发明一等奖

在国家技术发明一等奖连续六年空缺后，经国家科学技术奖励办主持评审，由西北工业大学张立同院士主持的“耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术”获得2004年国家技术发明一等奖。

该项目研制的连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料是一种新型战略性热结构材料，可以替代金属材料来解决目前航空航天器燃料20-30%浪费的问题，以满足其向高速度、高精度、高搭载和长寿命发展的需求。该项目突破了材料制造工艺一系列制约实现工程化的国际性难题，获得了10项国家发明专利，建立了具有自主知识产权的低成本、高性能材料，并成功经受了1100多批次的考核。其成果整体技术跻身国际先进行列，走出自主创新、跨越式发展国际前沿性材料的道路，对国防科技工业和国民经济发展都将发挥重大作用，潜在市场每年约10亿元。我国是继法国和美国之后第三个掌握此技术的国家。

张立同

中国工程院院士，著名航空材料专家。现任超高温结构复合材料国防科技重点实验室学术委员会主任、中国复合材料学会副理事长、国务院学位委员会学科评议组成员、国防科工委咨询委员会委员、国家自然科学基金工程材料学部咨询组成员。

2/1/20232ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU2/1/20233ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU由中南大学黄伯云院士等完成的“高性能炭/炭航空制动材料的制备技术”获得2004年国家技术发明一等奖。

“高性能炭/炭航空制动材料的制备技术”涉及高性能炭/炭刹车材料的研究、开发及产业化。这一技术发明的成功，使我国成为继美、英、法之后第四个拥有该制备技术和生产该类高技术产品的国家，标志着我国在航空航天炭/炭复合材料领域迈入世界前沿。这对打破外国对该技术的封锁，实现我国高性能航空制动材料国产化，确保国家航空航天战略安全具有重大意义。采

本制备技术生产的高性能炭/炭复合材料航空刹车副，与国外同类产品相比，使用强度提高30%，耐磨性提高20%；寿命提高9%；价格降低21%；生产效率提高100%；高能制动性能超过25%。

黄伯云

中国工程院院士，我国著名的材料学专家。现任国家“863”高技术新材料领域专家委员会主任，中南大学校长。近年来在粉末冶金、新材料等领域取得一系列国家级、省部级科技成果。2/1/20234ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU2/1/20235ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU绪论

Introduction1、材料科学的发展史2、材料的分类3、材料基本用途4、材料技术的发展趋势5、什么是材料科学2/1/20236ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU什么是材料(materials)?Materialsisthestufffromwhichathingismadeforusing.材料是人类社会所能接受的、可经济地制造有用物品的物质。天然材料人工材料人工材料2/1/20237ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU一、材料的发展史，就是人类社会的发展史。人类历史的划分石器时代陶器时代青铜器时代铁器时代。现代社会三大支柱能源、信息和材料（1998）生物工程，信息技术和新材料钢铁时代发展史硅时代新材料时代2/1/20238ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU我国材料的历史进程

(Historicalperspective)漫长而又曲折的历程：石斧2/1/20239ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU

2/1/202310ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑2/1/202311ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU中国古代铁器的金相组织湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄2/1/202312ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU古代科技名著：“考工记”（先秦）、“梦溪笔谈”（宋代沈括）、

“天工开物”（明代宋应星）明代后：封建统治、帝国主义侵略束缚了材料的发展停滞状态18世纪后进入钢铁时代解放后：材料科学受到重视和发展，被列为现代技术三大支柱之一。一整套材料体系门类全齐数量质量钢铁突破亿吨大关世界第一原子弹、氢弹、人造卫星、火箭长征三号运载火箭在发射架上的图片宝钢高炉2/1/202313ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU*航空航天的物质基础三高一低的结构材料（高强度、高模量、耐高温、低密度)b(MPa) 0.2(MPa) (%)382 310 6488 478 12360 280 4482 472 9330 250 2440 290 6纵向横向高鍛铝2014（LD10）的力学性能卫星发射，节省1公斤重量将降低费用$20000。一次发射节约费用20%。铝的理论强度为4700MPa，当今高强铝合金的最高强度没有超过1000MPa。sdFig.1.Relationbetweensandd.2/1/202314ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU铝合金的主要应用领域战机舰船导弹火箭人造卫星战车高速列车汽车高层建筑2/1/202315ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSUf导弹头罩窗口窗口材料：蓝宝石金刚石ZnS/金刚石导弹的眼睛——窗口材料（ZnS,ZnSe,Al2O3,diamond,…）2/1/202316ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU此外，对某些材料的细节要求也非常严格。如结构材料的微观结构、晶粒度、夹杂；功能材料的功能参数灵敏度；精密合金材料的导磁率、矫顽力、剩磁；电绝缘介质的电阻率、击穿强度、损耗、介电常数；微波复合材料的透泼性和吸收性；密封灌注材料的密封性；粘合剂的粘合强度等都有极细致的要求。有色金属有色金属2/1/202317ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU神舟5号飞船2/1/202318ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU神舟5号飞船2/1/202319ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU神舟6号飞船2/1/202320ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU其表面并不是光滑的金属结构，而是像蜂窝一样，由数万个正六边形组合而成的“烧蚀层”。据返回舱的制造方北京卫星制造厂技术人员介绍，返回舱表面的“烧蚀层”设计是出于耐高温和防震考虑。在烧蚀层的每一个“蜂窝”里都有5厘米到6厘米厚的棉状填充物，这些填充物均用特殊材料制成，可以经受4000℃的高温。

展出的返回舱一面大部分都是焦黑色，并有多处裂缝。这个焦面是返回舱下降时对着地球的面，在“神六”正常落地后，由于受风力影响，主降落伞曾拉动返回舱改变原有姿态，并与地面发生一定碰撞，这使返回舱表面出现了一些裂缝。

神舟6号飞船2/1/202321ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU神舟6号飞船我国第二艘载人飞船“神舟”6号使用了太钢的不锈钢热轧板和冷轧板、高强度热轧钢板、高等级电磁纯铁冷轧薄板三类四种产品，都是关键结构和功能性金属材料；神舟六号及其运载火箭上采用了东北特钢集团生产的高强钢、高温合金、不锈钢等3个系列20多种新材料；宝钢特殊钢分公司提供了“神六”火箭发动机关键材料、箭船分离使用的解锁包带材料、用于飞船调整姿态和返回着落的火箭喷射系统用材、控制系统用功能材料以及钎焊用材等。2/1/202322ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU神舟7号2/1/202323ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU航天材料在众多材料中，航天材料的种类非常多。由于火箭、导弹和卫星的种类很多，它们各自的需求不同，因此所用的材料也是五花八门的，液体、固体、气体、黑色金属、有色金属、各种非金属、超塑材料、复合材料，多达数千种。但这么多的材料，选择起来的要求却非常苛刻。有些要求能抗高温、抗高压，如发动机推进剂药柱燃烧时会产生3000摄氏度以上的高温，6MPa的高压，瞬时产生2500摄氏度的温差热冲击，这就要求发动机的材料具有耐高温、高压的性能。有的火箭使用液氢液氧作推进剂，这样火箭储存罐的材料就需要能够承受超低温，还要抗腐蚀、抗烧蚀。而像潜地导弹的选材则必须能够承受巨大的水下载荷，同时还要具有隐身性能好，抗干扰性强，可耐受恶劣环境等特点。

特点2/1/202324ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU为什么要重视对航天材料的选用航天材料的选用需要非常慎重。一发火箭、导弹、卫星往往上亿元，如果选材不当造成发射失败，损失无法估量。1986年1月美国航天飞机挑战者号在进行第10次飞行时，右侧固体发动机后部连接处密封材料失效，液体外漏，导致升空73秒后爆炸。7名机组成员全部遇难。美国某公司的一名技工曾把一枚废旧的铆钉装在航天飞机上，被发现后，这家公司被罚款一亿美元，而这名技工则被判了20年徒刑。我国1991年12月28日发射的东方红2号甲通讯卫星就是因为一个小小的继电器中残留有金属屑而导致失效。2/1/202325ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU如何测试航天材料的性能结构用材料，其化学性能，如材料成分等在化学或光谱试验室用液相色谱法或红外光谱法进行测定；力学性能如冲击韧性、断裂韧性等在力学试验室用万能材料试验机测定；物理性能如断口形貌、微观组织等在金相试验室用显微镜等设备测定；用于航天器件控制的功能材料分别由各有关试验室测定，如软磁、硬磁、硅钢、电阻、双金属、膨胀等类材料在电磁试验室用电桥法、方圈法、冲击法、介质测量仪、LCR仪等方法测定；橡胶、密封、灌注、粘合、石油等有机材料用有机材料试验室相应设备测定；用于微波频段的材料如雷达天线军等则要在微波试验室用网络分析仪在相应频段测试。以上试验大都有国家标准，特殊的有航天行业标准。2/1/202326ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU二、材料的发展史，就是科学技术的发展史。原理 成品 发展时间电机 1821 1886 65真空管 1882 1915 33无线电 1887 1922 35X光 1895 1913 18雷达 1935 1940 5原子堆 1939 1942 3半导体 1948 1951 3激光 1958 1960 2表1科学原理的发现时间与其产业化时间的对照中国的四大发明：纸、火药、指南针、活字印刷2/1/202327ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU耐用电灯泡爱迪生（Edison）主要发明：投票计数器、普用印刷机、改良打字机、留声机、白炽灯、喷火器、活动电影机、大型碎石机、水底潜望镜、传真电报、有声电影机、鱼雷机械装置、世界上第一座电影“摄影棚”、第一所中央发电厂等。2/1/202328ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU卡尔·本茨和他发明的第一辆三轮汽车莱特兄弟自制引擎的“基蒂霍克”号飞机2/1/202329ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU1859年美国人埃德温·德雷克有宾夕法尼亚打出世界上第一口油井诺贝尔Nobel2/1/202330ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU

贝尔及他设计的有线电话

马可尼于1895年发明无线电通讯技术2/1/202331ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU1）逻辑推理(古代哲学家，432BC.)2）宏观形貌观察、观测（byeye,1669）3）数学理论计算4）科学测定（X-raydiffraction,electrondiffraction,等）1、古代中国：“日取其半，万世不竭”“道生一，一生二，二生三，三生万物”（《老子》）；“以土与金、木、水、火杂以成百物”（《国语·正语》）；“太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦，八卦交而生万物”（《易经》）人类对材料微观结构认识的发展过程2/1/202332ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU2、Europe:Plato(428-348B.C.)andEuclid(330-275?B.C.)5regularpolyhedronsstandfor5originalelements(fire,air,earth,water,ether)whichwereusedfordescribingeverythingintheworld.Fire-tetrahedronAir-octahedronEther-dodecahedronEarth-cubeWater-icosahedron2/1/202333ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU介观宏观晶体的结构与形状晶体的结构晶体的形状2/1/202334ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSUMorphologyofPbScrystalwithNaClstructure2/1/202335ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSUMorphologyofDiamond2/1/202336ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSUSnowflake1mm60SOURCE:W.Bentley&W.Humpbreys,SnowCrystals,(McGraw-HillBookCompany,1931),p.147.2/1/202337ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSUOHSTRUCTUREOFICE(H2O)AbBaa2/1/202338ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU宋（960-1279A.D.）•楼钥,《谢林景思和韵》黄昏门外六花飞，因倚胡床醉不知。南朝•陈（557-589A.D.）•徐陵，《咏雪》岂苦天庭瑞，轻雪带风斜。三农喜盈尺，六出舞崇花。雪花—“六出”、“六花”西汉（206B.C.-24A.D.）,《韩诗外传》：凡草木花五出，独雪花六出2/1/202339ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU1669,N.Steno,晶面角守恒定律材料科学的发展过程1885,A.Bravais,晶体空间点阵学说1912,M.Laue*,晶体的X射线衍射1915,W.H.BraggandW.L.Bragg**X射线晶体结构分析方法*1914’sNobelprize;**1915’s,***1987’s.电子显微镜（SEM、TEM）扫描探针显微术***（STM、AFM）2/1/202340ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSUABAABCAATOMICPACKING2/1/202341ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSUPackingmode1(ABCABC…)2/1/202342ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSUPackingmode2(ABCABC…)2/1/202343ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSUPackingmode3(AaBbCcAaBbCc…)2/1/202344ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU2.材料的分类用途：结构材料（受力，承载）

功能材料（半导体，超导体，以及光、电、声、磁、应力转换，等）物理形态：晶体材料、非晶态材料和纳米材料属性：金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料几何形态：三维材料、二维材料、一维材料和零维材料发展：传统材料（钢铁，铜，铝，水泥，塑料，陶瓷，...） 新材料（金属间化合物，高温超导材料，非晶态合金，纳米材料,...）2/1/202345ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU材料分类(ClassificationofMaterials)2/1/202346ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU结构材料

用于制造各种结构，通俗地说就是要受力，因此对它的要求主要是机械性能，如强度、延伸率(达到极限强度断裂时伸长了多少，延伸率小的材料便容易脆断)、硬度、韧性(受冲击力时容不容易断裂)、刚性(容不容易保持形状不变)等等。有时不要求其能经受住严峻的环境条件，如要求耐热性、抗腐蚀性等等。2/1/202347ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU功能材料

主要用于完成某种特殊功能，如液晶材料用于显示，但有时也要求有一定机械强度，如光导纤维主要用于传输光线，同时也要求有一定机械强度，否则连自己的重量都承受不了，也就无法构成长的通信线路。2/1/202348ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU3.材料基本用途

金属材料绝大部分都是结构材料，但近来也出现一些功能材料，如形状记忆合金、储氢合金、金属超导材料等。陶瓷材料有的作为结构材料，有的作为功能材料。液晶材料目前还只能作为功能材料。2/1/202349ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU

toyotaRAV4HondaNSXNissanLafesta

HondaNSXHondaS2000HondaS2000

HondaCIVICHondaS2000HondaCIVIC

2/1/202350ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU2/1/202351ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU2/1/202352ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU2/1/202353ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU2/1/202354ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU2/1/202355ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU2/1/202356ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU2/1/202357ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU2/1/202358ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU汽车与材料现代汽车制造金属材料的应用及发展方向

随着科学技术的飞速发展，现代汽车制造材料的构成，发生了较大的变化，高密度材料的比例下降，低密度材料有较大幅度的增加，可以说，从90年代开始，汽车材料向轻量化、节省资源、高性能和高功能方向发展。一、汽车制造的金属材料长期以来，钢铁一直是构成汽车的主要材料，在汽车用钢中，合金钢比例较高。国外不少汽车采用含Cr、Ni、Mo等元素的结构钢和含Co量很高的永磁材料，而这些元素的资源都较稀缺，节约合金资源成为指导汽车材料开发和应用的方针之一。构成汽车的零件约有两万多个，在这些零件中，使用了各种各样的材料(见图)。其中约86%是金属材料，而在金属材料中，钢铁材料占了80%。在90年代日本的消费量中冷轧薄板占37%，热轧薄板33%，特殊钢24%;另外铝铸材料的83%都是用于汽车制造上，这对日本经济界的发展产生了很大的影响。钢铁材料的理论强度约为14000MPa，直径为1～2μm的铁单晶体试棒可接近这个理论强度，而实际使用材料的最大强度只有2000MPa。从宏观上看是由于材料的缺陷，在微观上看是由于结晶的缺陷，所以，为得到强度高而便宜的钢铁材料，应尽量减小这些缺陷，并进行各种各样的研究。汽车的车体钢板，以前使用的是容易成型的软质钢材。为适应轻量化的需求，以后开发了高张力钢板。这种钢板具有成型性好、强度高，并可使板厚减薄的优点。高张力钢板是在原有钢板基础上添加固溶强化型元素(硅、锰等)和析出强化型元素(铌、钛等)，并在钢铁厂退火炉内连续退火而得到。它有着屈服点低的、复合成分多的特点。车身外板用的钢板使用最多的是加磷的抗拉强度为350～400MPa的钢板，特别是轿车上使用的钢板，20%～50%都是高张力钢板。目前，正在进行研究将以前铸造的一体成型的发动机气缸体改用钢板冲压成型，可大幅度减轻重量而制成轻量化(约33%)的钢板制气缸体。另外，驱动系统齿轮由于高功率输出、轻量化、降低噪声等的需要，对驱动系统齿轮提出了严格的质量要求:强度好，热处理变形小。为达到这一要求，在钢铁材料的制造过程中，采用了连续铸造法。这种方法跟以前的铸锭法相比，具有冷却速度快、成分偏析少的优点，它与制钢时的真空脱气技术组合，可以满足齿轮所要求的强度。进而，为缩小对热处理变形影响大的钢的淬透性的偏差，制造出高品质的连续铸造钢，现在铸造的钢可将日本工业标准规定的淬透性规格限制在1/3上。连续铸造法具有提高制钢时的材料利用率和降低制造所耗能源的优点，且由于制造工艺合理化也使成本有了降低。降低成本是和提高质量同等重要的课题，降低成本主要有两个手段:一是减少合金元素的添加量和降低替代材料的成本。可将价高而且价格不稳定的含Mo的Cr～Mo钢改用钼添加量只有其一半的半Mo钢和硼钢。二是降低零件制造成本。在这里为降低零件制造所消耗的能源而采用非调质钢，为提高加工能力，也有采用易切削钢。因非调质钢添加了钒，控制了热锻后的冷却速度，省去了淬火、回火的热处理，故确保了强度。它可在汽车的曲轴、连接件、FF车的车轮等部分使用，其用途可望得到进一步扩大。另外，对于易切削且强度降低少而用于齿轮的低铅、易切削钢是一种新的易切削钢材。它可用于小型车的变速器，并具有降低制造成本的效果。新型弹簧钢新型弹簧钢主要指汽车悬挂系统的弹簧用钢，目前用的最广的钢板弹簧是Si钢，其性能基本上能满足使用要求，近年来，变截面少片弹簧在汽车上的应用越来越多，使用这种弹簧可以节约l/3左右的材料，并使汽车的平顺性等性能得到改善，同时有显著的技术经济效益，但其生产工艺发生了相应的变化，含Si量较高的弹簧钢具有较高的脱碳倾向，故应发展低Si或无Si的弹簧钢，以满足生产的需要。微合金非调质钢在钢中加入微量V、Ti、Nb等元索、经锻造或轧制冷却后在铁索体、珠光体中析出碳化物或碳氮化物而达到强化，不需要调质，可以减少热处理工序和设备，避免热处理变形和淬火裂纹造成的废品，降低能耗和生产成本。高强度钢板采用高强度钢板，既可以减少汽车由身的质量，又可以提高汽车的安全性和可靠性，含磷深冲压高强度钢板主要应用在车身、驾驶室上的深冲压件，使用得当，可降低材料消耗10％，双相钢板其有较低的屈服强度和高的加工硬化能力，比较适宜于制造变形程度大的冲压或拉延深件，根据成形特点，可使零件质量减轻30％一60％。镀覆钢板镀层钢板和钢管的研制与应用，是为了改善耐腐蚀性等性能。国外在汽车上大量使用覆层钢板。镀铝或渗铝钢管主要用来制造消声器，排气净化装置的接触容器和反应器部件。镀锌钢板用来制造车身、车架、驾驶室、油箱等零件。含锌、铬的高分子化合物涂层钢板，主要用于防腐蚀要求高和不便于涂装的车身、驾驶室零件。传动系材料齿轮是汽车的重要基础零件，应按其模数和工况选用不同级别的齿轮钢。在我国目前变速器和后桥齿轮大都使用2OCrMnTi，需仿制国外成熟的先进钢种，形成汽车齿轮用钢系列化。扩大应用有色轻金属有色轻金属的应用范围在不断扩大，铝的密度为钢的l/3，用铝代替钢可以减少质量50％左右，但铝的强度低，体积较大。镁合金的强度比铝合金高、而与高强使合金结构钢相近，所以，冲压铝、镁合金作汽车材料，是使汽车减轻质量和节能的一条有效途径。用铝合金板可制造发动机罩、行李箱盖、保险杠、车身内外板件、散热器，用镁合金制造操纵杆托架、大粱、离合器壳和变速器壳等。粉末冶金合金烧结金属，是以金属粉末为原料，作金属模具内压缩成形，后烧结而成的，无需加工，材料的成分配制能自由控制，它已应用于轴承、排气门座、凸轮、齿轮、支架上。这种材料也可以用来制造连杆、消声器、离合器、转向系及制动系部件。

随着粉末冶金工艺和技术新发展，高强度、高耐磨性、耐热、形状复杂的烧结结构零件和高性能减摩材料将大量应用于汽车制造中。所以，高强度烧结合金钢、烧结不锈钢等结构材料、低噪声轴承材料、高温高真空减摩材料、半金属减摩材料等将进一步得到发展和应用，这将对汽车制造产生巨大的影响。铝合金材料铝是轻量化首选材料。在高张力钢板、铝、塑料与一种称为FRP的轻量化材料中，铝起了特别重要的作用。由于铝的比重只有铁的1/3，由铁向铝转换也比较容易，所以把活塞、进气支管、气缸盖、盘轮等都采用了重量轻的铝合金。在美国和欧洲，保险杠、油箱也将钢板改用为铝合金。保险杠用的新铝合金也多次被开发。但在日本，主要使用的是钢板和塑料，这是因为欧美等国和日本的铝价格差异较大。因此，未来汽车的材料构成比例中，欧美地区的铝将成为主要比率。如在德国的试验车中，铝合金使用率已达到全体材料的30%。另外，由于不稳定的铝价格和强力塑料的推出，每辆汽车中铝使用量的增加势头比以前有所减弱，从精炼铝在价格来看，铝仍将是轻量化首选材料。镁合金材料镁比铝更轻，且资源丰富。对于易氧化的镁，由于已开发出效率高的锻造工艺，使镁的制造成本下降，但其精炼能源为电力，所以其成本比铝高。镁能否在汽车零部件上大量使用，镁和铝的价格差成为关键。镁的比重只有铝的0.64;因此价格差如能控制在1.7倍以下，才有可能使用镁。据此，从目前轻量化材料的现状出发，还不如把铝改换成塑料。但也存在制造设备的供给能力和再循环问题。而在环境问题上，也将会带来新的问题。二、汽车金属材料的应用和发展汽车板料成形的发展趋势为满足较高的安全标准及乘坐的舒适性，就必须增加轿车的质量，但轿车的质量又极大地影响着轿车的油耗及尾气的排放量，因此，汽车工业正努力采用轻型结构来减轻汽车质量。这就涉及到对材料及生产工艺的战略决定。而占整车质量20％～25％的白车身无疑具有很大的减轻质量潜力。不同的车身结构对减轻车身质量的潜在能力起决定性的作用，这些方法一类为分开的生产方式(自支撑底盘及独立车身和承载构架及独立车身)，另一类为集成式的加工方法。(金属板材整体式车身和无车架车身)。如今金属板材整体式车身在大批量生产中已广泛使用。减轻车身质量的方法大最使用轻质材料是车身减轻质量的主要手段。如今，中型车质量经50％～60％由钢组成，车身中铝的结构比仅限于3％～7％(质量)、集中于发动机及底盘生产中。塑料约占10％～15％(质量)。在当今大批量生产中，白车身的主要材料是钢，但其他材料如铝合金及塑料正显得愈加重要，过去白车身材料采用常规低碳钢，然而为了减轻质量及增加结构性能，高强度钢(HSS)已变得愈加有前景了。在可靠的生产工艺下，采用高强度钢可减轻质量。在大多数情况下，结构板件要求更大的拉深深度以及更加复杂的负载。大批量生产中，屈服强使高达42OMPa的微合金钢和含磷合金钢，在结构部件中(防撞击部件)，如车体内侧板、内侧柱等，已广泛的应用。对大批量和小批量生产的影响在金属车身面板和结构面板的生产成形中，深冲压为主要的生产工艺。然而在材料成形方面仍然可以进一步改进。生产工艺必须根据生产规模划分。白车身内面板和外面板的大规模生产通常由冲压线和多工位压机生产，因为这些生产方式可以满足批量的要求。而材料(尤其是超高强度钢)对压力机最大许可压力和单位工件生产时间有很大影响。泡沫金属在未来汽车中的应用制造从泡沫塑料在建筑中广泛使用中得到启发，科学家们考虑在汽车业中使用“泡沫金属”。目前汽车工业是消耗金属最多的工业之一，金属制造业虽然能生产2500多种性能各异的钢材和千百种有色金属，但仍然满足不了汽车制造业的特殊需要。如果“泡沫金属”能研制出来，它将成为未来汽车的最佳材料，这种泡沫金属零件的结构是:外表用薄钢制成，中心则用泡沫金属填充。报载欧洲目前已经研制出--种新型钢质结构材料，它比普通钢质材料轻10％。主要是靠粘结钢质零件和采用减震材料新结构而制成。同时还研制出“精确钢坯”组合新结构，能使所有部件相互巧妙配合。这样，在汽车制造中，就可以机动而广泛地选用应力强度恰好合适的组合部件，如在车门铰链部位，其零件除外形合理、美观外，还需具备结构稳定性。目前德国科学家已经成功地研制出“泡沫铝”--将铝粉和钛氧化合物粉末相混成，填放到钢皮制成的模型中，然后再把这充满混合物的模型加热到铝的熔点，这时，氢气会从氢化合物中分解而逸出，从而使熔化的铝产生泡沫，当钢皮模型完全冷却后，便形成了固体“泡沫铝”。这种“泡沫铝”具有整体结构，其质量轻而均匀，强度比铝更高，其外覆的钢皮模型更增强了部件的强度和刚度。为了提高汽车的安全性和可靠性，需要从设计上、制造上，特别是材料方面考虑。例如，提高汽车结构材料的强度和韧性，使之更坚固可靠，一旦发生撞车、翻车等交通事故时，能最大限度地减轻损伤程度，保证人员的乘车安全。与此同时，大力发展各种汽车用的具有特殊功能的材料，以提高汽车的自控能力，进一步改善汽车的性能。汽车所用的材料，由于节省能源、节省资源、轻量化的需要而有所变化，新材料相继被推出、应用。在比较成熟的金属材料中，钢铁材料和轻金属材料也出现了新的发展趋势。2/1/202359ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU4.材料技术的发展趋势

当前，材料技术的发展趋势有以下几种：第一，从均质材料向复合材料发展。以前人们只使用金属材料、高分子材料等均质材料，现

在开始越来越多地使用诸如把金属材料和高分子材料结合在一起的复合材料。

合成材料合成材料2/1/202360ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU材料技术的发展趋势之

第二，由结构材料为方往向功能材料、多功能材料并重的方向发展。以前讲材料，实际上都

是指结构材料。但是随着高技术的发展，其他高技术要求材料技术为它们提供更多更好的功

能材料，而材料技术也越来越有能力满足这一要求。所以现在各种功能材料越来越多，终

会有一天功能材料将同结构材料在材料领域平分秋色。

2/1/202361ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU材料技术的发展趋势之

第三，材料结构的尺度向越来越小的方向发展。如以前组成材料的颗粒，尺寸都在微米(100万分之一米)方向发展的材料。由于颗粒极度细化，使有些性能发生了截然不同的变化。如以前给人以极脆印象的陶瓷，居然可以用来制造发动机零件。

2/1/202362ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU材料技术的发展趋势之

第四，由被动性材料向具有主动性的智能材料方向发展。过去的材料不会对外界环境的作用

作出反应，完全是被动的。新的智能材料能够感知外界条件变化、进行判断并主动作出反应。

2/1/202363ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU材料技术的发展趋势之

第五，通过仿生途径来发展新材料。生物通过千百万年的进化，在严峻的自然界环境中经过优胜劣汰，适者生存而发展到今天，自有其独特之处。通过“师法自然”并揭开其奥秘，会给我们以无穷的启发，为开发新材料又提供了一条广阔的途径。2/1/202364ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU5.什么是材料科学“材料科学”至今人无明确定义。有人认为材料科学是研究各种材料的结构，制备加工工艺与性能之间的科学。本着这一关系可用一四面体表示如图材料科学与工程四要素

2/1/202365ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU材料固有性能

制备合成