導語

在工程與制造領域，材料始終是構建一切產品與結構的根基。要理解一項技術或一個產品，首先必須認識其所依賴的材料。本篇文章將從工程材料的基本概念入手，帶領讀者了解常見材料的分類、特性與應用場景，并逐步展開對關鍵

材料的詳細介紹。此外，在材料選擇與應用中，性能數據往往決定了產品的質量與價值。不同材料在強度、韌性、耐磨性、耐腐蝕性等方面各具優勢，而這些差異往往通過直觀的對比圖才能清晰呈現。本篇文章將結合中文高清可視化圖表，對常見材料的關鍵性能進行系統對比與解讀，讓大家快速理解數據背后的含義，從而在科研、工程或產業應用中做出更合理的決策。

01

認識工程材料

 

 

通常情況下，工程材料可分為下圖所示的金屬、聚合物、彈性體、陶瓷、玻璃以及復合材料6大類。一類材料通常具有一些共性特點，比如相似的性能、相似的加工工藝，以及相似的應用。

 

 

 

 

圖1 工程材料(通過不同的方式將金屬、陶瓷、玻璃聚合物和彈性體組合起來可形成復合材料。)

 

 

金屬

金屬:硬度較高，具有相對較高的彈性模量。一般情況下，純金屬較軟且易于成形，可以通過合金化、機械加工及熱處理方式來提高強度的同時仍保持延展性，因此適用于塑性成形。某些高強度合金(例如彈簧鋼)的伸長率只有1%，但即便如此也足以保證材料在斷裂前發生屈服，即使發生斷裂，也屬于韌性斷裂。從某種程度上來說，金屬的高延展性使得其易發生疲勞。在所有的材料種類中，金屬最易發生腐蝕。

陶瓷

陶瓷:也具有很高的彈性模量，但和金屬不同，陶瓷材料非常脆。這類材料的抗拉強度等同于脆性斷裂強度，抗壓強度等同于脆性抗碎強度，后者約為前者的15倍。陶瓷幾乎沒有延展性，因此不允許有應力集中(如裂紋或孔洞)或高接觸應力(例如夾持點)等情況發生。韌性材料可以通過變形的方式使得應力更加均勻地分布以此來緩解應力集中。正因為如此，它們可以在接近屈服強度的靜力載荷情況下使用然而，陶瓷卻不能。脆性材料的強度不穩定，取決于受力材料的體積和加載時間，所以陶瓷材料不像金屬材料那么易于在設計中使用。當然，陶瓷也有其優勢，它們強度高、硬度高、耐磨性能好(因此常常用作軸承和切削工具)，在高溫下依然保持高強度，并有很好的耐蝕性。

玻璃

玻璃:是非晶態固體，最常見的是鈉鈣玻璃和硼硅玻璃，用于玻璃瓶和烤箱器皿。除此之外，還有很多種不同的玻璃。金屬也可以通過急速冷卻來獲得非晶體結構如同陶瓷一樣，由于沒有品體結構，玻璃的塑性很差，且硬而脆，不能承受應力集中。

聚合物

聚合物:不同于以上各類材料，它具有很低的彈性模量，大約只有金屬彈性模4)量的1/50。但是，其強度卻很高，幾乎與金屬相當，由此可承受很大的彈性撓曲。即使在室溫下，聚合物也會發生蠕變，這就意味著聚合物零件在長時間承載時必須要有一個固定裝置。聚合物的性能很大程度上取決于溫度，在20℃時具有高強度和高韌性的聚合物，放置于4℃的家用冰箱內時就變成了脆性材料，而在100℃的水里時又會發生快速蠕變。在200℃以上溫度時，幾乎沒有聚合物還能保持工作強度。有些聚合物是以晶體結構為主，有些是非晶體，還有一部分是晶體和非品體的混合物。透明材料一般是非晶體結構。如果在設計中充分考慮上述特性，那么聚合物的諸多優勢就可盡情地發揮出來了。就比強度這類綜合性能指標而言，聚合物甚至可以與金屬一較高下聚合物易于成型，多功能的復雜聚合物零件甚至可以一次成型。巨大的彈性撓曲使得聚合物零件易于咬合連接，裝配快捷且價廉。若采用精密模具和預著色的生產方式最終精飾工序都可以省去。此外，聚合物耐腐蝕(涂料是一種聚合物)，具有較小的摩擦系數。充分發揮聚合物的這些特性就可以成就好的設計。

彈性體

彈性體:在處于玻璃化溫度Tg以上時是一種長鏈聚合物，在Tg以下時，這類材料分子間的共價鍵保持穩定，但用來連接分子鏈的較弱的范德華力和氫鍵會融化。這些特性使得彈性體具有十分獨特的性能，其彈性模量只有10-3GPa(典型金屬彈性模量的1/10^5)，且隨著溫度的升高而增大(其他類的固體都隨著溫度的升高而減小)，同時彈性伸長量很大。彈性體的特性與其他固體的差距如此之大，因此需借助專門的試驗來評估其性能，這就帶來了一個問題。本書是基于所設定的性能組合表來進行材料的選擇，那么前提條件就是這些性能需適用于所有材料。為克服上述問題，我們在設計初期使用一組通用性能，對類似彈性體這種特殊材料采用近似值來評價。對于僅僅在某一類材料中才會用到的特定性能，則把它們單獨儲存起來，在設計后期再使用。

復合材料

復合材料:是兩種及兩種以上的材料按照特定的配置和比例結合形成的材料，從而有效地揚長避短。復合材料包括纖維、特種樹脂、夾層結構、多孔結構、泡沫、電纜和層壓板。幾乎所有的天然材料，如木材、骨頭、皮膚和樹葉，都是復合材料。最常見的復合材料就是纖維強化的復合材料。目前，大多數工程應用的復合材料都是在聚合物基體上加入強化的玻璃纖維、碳纖維或者苯二胺纖維(芳綸)。這些材料質輕、硬度和強度高，且韌性也很好。由于會發生軟化，這些以聚合物為組成成分的復合材料不能在250℃以上的溫度中使用，但在室溫下其表現出眾。聚合物零件成本較高，成型性差且難以連接。因此盡管復合材料有諸多優良性能，設計者只有在性價比合理的情況下才會使用。如今，對高性能和低能耗要求的日益突出，必將大大推動復合材料的使用。

02

材料性能圖

 

 

材料能不能用得久、用得好，關鍵取決于它的性能。為了找到合適的材料，我們需要有方法來對比和考察這些性能。用表格或柱狀圖展示單一性能固然直觀，但實際的零部件工作環境往往更復雜，并不是單一性能就能決定結果的。比如，輕量化設計同時需要保持足夠的剛度；在防腐蝕的環境里，還必須兼顧導熱性；而在需要高韌性的地方，強度同樣必不可少。把兩種性能放在同一個坐標圖里，就能更直觀地看到不同材料的分布和特點。

這樣的圖表不但把復雜信息壓縮得簡潔明了，方便查閱，還能幫助我們發現不同性能之間的關系，檢驗和對比數據。更重要的是，它還能成為工程中的“多面手”工具：幫我們挑選合適的材料，研究加工方式對性能的影響，驗證結構設計是否合理，甚至還能為未來材料的發展方向提供啟示。

 

 

1

 

 

彈性模量-密度

彈性模量和密度是兩種最常見的性能。鋼是硬的，橡膠是軟的——這是由彈性模量決定的;鉛是重的，木塞能浮于水面--這是由密度決定的。下圖顯示的是工程材料的彈性模量E和密度p的取值范圍。每一系列材料的數值在圖表中聚集在一起可用一個彩色區域包圍起來。

 

 

 

 

圖1 彈性模量 E與密度p 的關系圖(深色覆蓋區域代表一類材料的數據。對角等高線對應的是縱波速度。對應 E/p，E^1/2/p和E^1/3p的基準線有助于選出合適的材料，用于最小重量目標下的撓度設計。)

 

 

2

 

 

強度—密度

強度是指零件承受載荷后抵抗發生斷裂或超過容許限度的殘余變形的能力。也就是說，強度是衡量零件本身承載能力（即抵抗失效能力）的重要指標。

 

 

 

 

圖2 強度σ與密度p 的關系圖

 

 

3

 

 

彈性模量—強度

 

 

 

 

圖3 彈性模量E與強度σ,關系圖

 

 

4

 

 

 比模量—比強度

比模量是單位密度的彈性模量，比模量是材料承載能力的一個重要指標，比模量越大,零件的剛性就愈大，也稱為“比剛度”。

比強度為材料的強度與材料表觀密度之比。比強度越高表明達到相應強度所用的材料質量越輕。優質的結構材料應具有較高的比強度，才能盡量以較小的截面滿足強度要求，同時可以大幅度減小結構體本身的自重。

 

 

 

 

圖4 比模量 E/p與比強度of /p 的關系圖

 

 

5

 

 

 斷裂韌性與彈性模量

斷裂韌性是試樣或構件中有裂紋或類裂紋缺陷情形下發生以其為起點的不再隨著載荷增加而快速斷裂，即發生所謂不穩定斷裂時，材料顯示的阻抗值。斷裂韌性表征材料阻止裂紋擴展的能力，是度量材料的韌性好壞的一個定量指標。

 

 

 

 

圖5 斷裂韌度 Kc與彈性模量的關系圖

 

 

6

 

 

 斷裂韌性與強度

 

 

 

 

圖6 斷裂韌度K c與強度σ,關系圖

 

 

7

 

 

損耗因子與彈性模量

材料阻尼在材料學中又稱內耗，是指材料在振動時由于材料的晶粒相互摩擦等內部原因引起的機械振動能量損耗的現象，通常用損耗因子或阻尼比來表示該材料的阻尼大小。材料阻尼特性與材料的內部組織和結構有關，在很大程度上受周圍環境如磁場、輻射等的影響，與溫度和振動頻率有很大關系。

 

 

 

 

圖 7 損耗系數n與彈性模量E的關系圖

 

 

8

 

 

導熱系數與電阻率

導熱系數是指在穩定傳熱條件下單位面積傳遞的熱量，導熱系數僅針對存在導熱的傳熱形式，當存在其他形式的熱傳遞形式時，如輻射、對流和傳質等多種傳熱形式時的復合傳熱關系，該性質通常被稱為表觀導熱系數、顯性導熱系數或有效導熱系數。

電阻率是指材料的電阻與橫截面積的乘積與長度的比值，是衡量材料導電性能的物理參數。電阻率不僅與材料種類有關，而且還與溫度、壓力和磁場等外界因素有關。

 

 

 

 

圖8 導熱系數入與電阻率pe的關系圖

 

 

9

 

 

導熱系數與熱擴散系數

熱擴散系數是物體中某一點的溫度的擾動傳遞到另一點的速率的量度，表示物體在加熱或冷卻中，溫度趨于均勻一致的能力。物體的熱擴散率越大，表明熱量由物體表面向深層或者由深層向物體表面的擴散的能力越強，溫度變化所及深度越深，各深度的溫度差消除越快物體的熱擴散率越小，則反之。

 

 

 

 

圖9 導熱系數入與熱擴散系數a的關系圖

 

 

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熱膨脹系數—導熱系數

 

 

 

 

圖10 熱膨脹系數α與導熱系數入的關系圖

 

 

11

 

 

熱膨脹系數—彈性模量

 

 

 

 

圖11 熱膨脹系數α與彈性模量E的關系圖

 

 

12

 

 

最高工作溫度

 

 

溫度在很多方面會影響材料的表現。隨著溫度上升，材料可能發生蠕變，限制了其承載能力;也可能退化或者分解，化學結構發生變化，最終導致失效。溫度的升高也可能使產品氧化，或與環境發生其他反應，使其無法發揮正常作用。由于以上任何一個原因，材料不能安全使用的近似溫度稱為最高工作溫度。

13

 

 

摩擦系數

 

 

 

 

圖13 各種材料在未經潤滑的鋼表面滑動的摩擦系數

圖14 磨損率常數 Ka與硬度 H的關系圖

 

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