新材料概论

100万年前，旧石器时代；1万年前，新石器时代；5千年前，青铜器时代；3千年前，铁器时代；20世纪中叶，电子材料时代。

材料既是人类社会进步的里程碑，也是社会现代化的物质基础和先导。特别是先进材料的研究、开发与应用反映着一个国家科学技术与工业水平以及国防实力。

可以说，没有半导体和其它功能材料的发现和发展，就不会有今天的计算机技术和今天的信息社会；没有高强度、耐高温的轻质结构材料，就不会有今天的航空、航天技术

把组成与结构（composition-structure）、合成与生产过程（synthesis-processing）、性质（properties）及使用效能（performance）称之为材料科学与工程的四个基本要素（basic elements）。把四要素连结在一起，便形成一个四面体（tetrahedron），

五个基本要素的模型，即成分（composition）、合成/加工（synthesis／processing）、结构（structure）、性质（properties）和使用效能（performance）。如果把它们连接起来，则形成一个六面体（hexahedron），如图1-3（b）。

1、材料是如何分类的，试论述你自己的观点。

2、为什么说材料是人类社会进步的里程碑，试举例说明

3、为什么说先进材料是高新技术发展和社会现代化的基础和先导？

4、如何理解材料科学与工程是研究材料组成、结构、生产过程、材料性能与使用效能以及它们之间的关系（四要素）？

弹性：指材料加载立即变形，卸载变形立即消失。刚度：材料抵抗弹性变形的能力（电脑机箱变形的危害）——弹性模量E、G。

失效应力；多种指标；极为重要。

（a）屈服强度——破坏前的塑性变形（钉子）

（b）抗拉强度——常温断裂拉应力

（c）蠕变强度——高温恒载变形；蠕变强度与载荷作用的时间有关；对高温零部件重要。

（d）持久强度——高温断裂

（2）强度

指材料失效应力，有多种指标。强度指标是设计零件、检查材料和制品性能的重要依据。

a）屈服强度——刚产生塑性变形对应的强度，材料尚未破坏（钉子被砸弯）。（b）抗拉强度——材料常温断裂拉应力（c）蠕变强度——衡量材料高温恒载变形，与载荷作用的时间有关；对高温零部件重要。

在恒定的应力载荷下，材料不断地发生变形，这就是材料的蠕变现象。低温称之为徐变。

（d）持久强度——材料对高温断裂的抵抗能力。材料在一定高温和一定时间作用下对断裂的最大抵抗能力，也就是持久强度。

（4）硬度抵抗其它物体压入表面。抵抗局部塑性变形和破坏的能力。（5）韧性材料抵抗冲击载荷的能力为冲击韧性（简称韧性）。相反，材料受载时，不待改变形状就立即破坏的性能，称为脆性。（6）疲劳交变载荷（即周期性重复变化载荷）产生裂纹，裂纹发展，突然断裂，为材料的疲劳。

●世贸大厦钢管没有被大火熔化，但在高温下，钢管的强度大大降低了，大约只有室温强度的30～

40％，所以钢管的强度被大大弱化了。

●外壁温度低，内部温度高，大的温度梯度造成外壁与内部热膨胀的失配。

●较长的地板托梁各部分受到的热量是不一致的。

●钢管强度的弱化，结构完整性的破坏和弯曲引起的形变是大厦倒塌的主要原因。

●

●冲击改变了横梁承受的载荷

●大火弱化了横梁的强度并使其扭曲

●结构单元开始失效，使钢管失去支撑

●某些楼层地板横梁发生弯曲

●坠落的楼层地板横梁冲击下面的楼层

●多米诺骨牌效应，一层接一层坍塌，最终引起大厦垂直坍塌

物理性能

（1）相对密度——材料密度与水密度的比值；轻与重的辩证关系

（2）熔点——性能与工艺的辩证关系

（3）热膨胀系数——测量工具；焊接、镀，膨胀系数协调的辩证关系。

（4）导热率——散热与保温的辩证关系

（5）导电性能-电阻率、电导率

（6）光学、光电性能

（7）磁学性能、磁电性能

（8）铁电性能

碳钢的缺点：

（a）综合性能较差。如强度、硬度高时，其塑性、韧性较差。反之硬度较差；

（b）用碳钢制成的工具不能用于高速切削。因为高速切削时，刀刃的温度可达到600℃，而碳钢工具超过200℃时就要变软而失去切削能力；

（c）碳钢的淬透性较差，故不宜制作形状复杂的零件，也不能制造性能要求高的大截面零件；

（d）不能满足耐蚀、耐热、抗磨等特殊性能的要求。

根据碳在铸铁中的存在形式，分为四种：Fe3C——白口铸铁；片状石墨——灰口铸铁；球状石墨——球墨铸铁；团絮状石墨——可锻铸铁。

汽车上应用得最快最广的轻金属

特点：重量轻，强度高、耐腐蚀

应用：铝合金车圈，铝合金发动机。

德国奥迪汽车公司在1999年推出的奥迪A2，以全新的轻量化结构，成为世界第一款大批量生产的全铝轿车。

奥迪A2的车身采用全铝空间框架车身ASF。所谓ASF概念即仪表板部分由高强度铝结构支撑，空间构架由真空压铸接头的挤压成型段组成，这两者结合成很轻的铝合金车身。从前顶柱到行李舱边，包括车门手把坑都是用铝冲压成形，前柱(A柱)是采用高压铸铝新技术，这是一种用于飞行器结构的高难技术，它能够复合加强并改变材料厚度。由于奥迪A2采用ASF空间结构，使车身重量比传统钢制车身轻40%以上，只有895公斤。

钛及其合金是第二次世界大战后发展起来的新材料，重量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀及低温韧性良好，因而在飞机、导弹、航天、舰艇及化工方面获得广泛应用。美国的超音速飞机90％的结构材料是用钛合金制造的。

是制造化工设备和船舶用零部件的优良材料。

钛合金

特点是高温性能好，在300～550℃具有优良的高温强度和抗氧化性，组织稳定钛合金：而目前的赛车几乎都使用了钛材

目前，汽车用钛部件主要包括：

一、阀。美国厂家利用钛合金制作进、排气阀较普遍，进气阀使用Ti－6Al－4V合金，排气阀使用Ti－6Al－2Sn－4Zn－2Mo合金。利用钛合金制作汽车阀，不仅可以减轻重量，延长使用寿命，而且可靠性高，还可节省燃油。

二、连杆。用钛合金制造连杆对减轻发动机重量最有效，能大大提高性能。连杆所用材料主要是Ti－6Al－4V，其它如Ti－4Al－2Si－4Mn、Ti－7Al－4Mo等也在研制中。

三、曲轴及其它发动机部件。日本正在试制Ti－5Al－2Cr－Fe合金曲轴，这种曲轴因需要进行防粘接处理，目前还未实用化。其它发动机部件如摇臂、阀簧和连杆的下螺栓等也可利用Ti－6Al－4V合金制造。

四、其它部件。汽车上的螺栓、螺母等连接件和离合器圆盘、压力板等变速器零部件，都可利用钛合金制造。采用旋转成型法制造的钛合金离合器外壳，与钢制外壳相比，可以大大减轻飞轮的冲击破坏。

钛合金应用在飞机结构制造已有很长的历史，但由于它的价格昂贵，所以至今并未延伸于汽车制造上。美国TIMET公司出产的LCB钛合金材料价格明显较通用的飞机材料低，华格纳教授运用其研究汽车组件：如避震系统的制造，可以减轻50%的重量。不仅如此，研发出来的弹性钛合金相对于避震器惯用的钢材料，能以较少的螺旋和尺寸产生一样的抗震强度，而且，钛合金不易生锈，可以省去一般的表面防锈处理，优点多多。

气门通常用钛合金作为材料以求强度的提升及轻量化的要求

全新设计的七速变速箱，外壳使用钛合金制成

陶瓷——陶瓷是陶器和瓷器的总称。固体无机非金属材料（陶瓷、玻璃、耐火材料、砖瓦、水泥、石膏）。

凡是经原料配制、坯料成型和高温烧结而制成的固体无机非金属材料都叫做陶瓷。

传统陶瓷——利用天然硅酸盐矿物（如粘土、石英、长石等）为原料制成的陶瓷，又称普通陶瓷。

先进陶瓷——采用高纯度的人工合成原料制成的性能优异的陶瓷，又称特种陶瓷、新型陶瓷、现代陶瓷、精细陶瓷或特种陶瓷。

陶瓷性能的特点力学性能

弹性模量很高；一般高于金属2～4个数量级硬度很高

理论抗拉强度很高

●物理性能

●热膨胀系数低，导热性差；

●抗热震性差

●导电性能变化较大，多数绝缘良好

●化学性能

非常稳定，

先进陶瓷

•氧化铝陶瓷导弹的眼睛——窗口材料

氧化镁陶瓷可制作坩埚、炉衬和高温装置等。性能优良的耐火材料。

●氧化锆陶瓷

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●氧化锆陶瓷剪刀

●氧化锆陶瓷水果刀