導(dǎo)語

在工程與制造領(lǐng)域，材料始終是構(gòu)建一切產(chǎn)品與結(jié)構(gòu)的根基。要理解一項技術(shù)或一個產(chǎn)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(lǐng)讀者了解常見材料的分類、特性與應(yīng)用場景，并逐步展開對關(guān)鍵

材料的詳細介紹。此外，在材料選擇與應(yīng)用中，性能數(shù)據(jù)往往決定了產(chǎn)品的質(zhì)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(yōu)勢，而這些差異往往通過直觀的對比圖才能清晰呈現(xiàn)。本篇文章將結(jié)合中文高清可視化圖表，對常見材料的關(guān)鍵性能進行系統(tǒng)對比與解讀，讓大家快速理解數(shù)據(jù)背后的含義，從而在科研、工程或產(chǎn)業(yè)應(yīng)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(fù)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(yīng)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(fù)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(fā)生屈服，即使發(fā)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(fā)生疲勞。在所有的材料種類中，金屬最易發(fā)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(yīng)力集中(如裂紋或孔洞)或高接觸應(yīng)力(例如夾持點)等情況發(fā)生。韌性材料可以通過變形的方式使得應(yīng)力更加均勻地分布以此來緩解應(yīng)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(wěn)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(shè)計中使用。當然，陶瓷也有其優(yōu)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(tài)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(jié)構(gòu)如同陶瓷一樣，由于沒有品體結(jié)構(gòu)，玻璃的塑性很差，且硬而脆，不能承受應(yīng)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(fā)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(nèi)時就變成了脆性材料，而在100℃的水里時又會發(fā)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。如果在設(shè)計中充分考慮上述特性，那么聚合物的諸多優(yōu)勢就可盡情地發(fā)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(fù)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(yù)著色的生產(chǎn)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(shù)。充分發(fā)揮聚合物的這些特性就可以成就好的設(shè)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(wěn)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(shè)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(shè)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(shè)計后期再使用。

復(fù)合材料

復(fù)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(jié)合形成的材料，從而有效地揚長避短。復(fù)合材料包括纖維、特種樹脂、夾層結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)、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(fù)合材料。最常見的復(fù)合材料就是纖維強化的復(fù)合材料。目前，大多數(shù)工程應(yīng)用的復(fù)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(zhì)輕、硬度和強度高，且韌性也很好。由于會發(fā)生軟化，這些以聚合物為組成成分的復(fù)合材料不能在250℃以上的溫度中使用，但在室溫下其表現(xiàn)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(fù)合材料有諸多優(yōu)良性能，設(shè)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(fù)合材料的使用。

02

材料性能圖

 

 

 

 

材料能不能用得久、用得好，關(guān)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(huán)境往往更復(fù)雜，并不是單一性能就能決定結(jié)果的。比如，輕量化設(shè)計同時需要保持足夠的剛度；在防腐蝕的環(huán)境里，還必須兼顧導(dǎo)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(fù)雜信息壓縮得簡潔明了，方便查閱，還能幫助我們發(fā)現(xiàn)不同性能之間的關(guān)系，檢驗和對比數(shù)據(jù)。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(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理，甚至還能為未來材料的發(fā)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(shù)值在圖表中聚集在一起可用一個彩色區(qū)域包圍起來。

 

 

 

 

 

 

 

 

圖1 彈性模量 E與密度p 的關(guān)系圖(深色覆蓋區(qū)域代表一類材料的數(shù)據(jù)。對角等高線對應(yīng)的是縱波速度。對應(yīng) 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(shè)計。)

 

 

 

 

2

 

 

 

 

強度—密度

強度是指零件承受載荷后抵抗發(fā)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(guān)系圖

 

 

 

 

3

 

 

 

 

彈性模量—強度

 

 

 

 

 

 

 

 

圖3 彈性模量E與強度σ,關(guān)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(yīng)強度所用的材料質(zhì)量越輕。優(yōu)質(zhì)的結(jié)構(gòu)材料應(yīng)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(jié)構(gòu)體本身的自重。

 

 

 

 

 

 

 

 

圖4 比模量 E/p與比強度of /p 的關(guān)系圖

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 斷裂韌性與彈性模量

斷裂韌性是試樣或構(gòu)件中有裂紋或類裂紋缺陷情形下發(fā)生以其為起點的不再隨著載荷增加而快速斷裂，即發(fā)生所謂不穩(wěn)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(guān)系圖

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 斷裂韌性與強度

 

 

 

 

 

 

 

 

圖6 斷裂韌度K c與強度σ,關(guān)系圖

 

 

 

 

7

 

 

 

 

損耗因子與彈性模量

材料阻尼在材料學(xué)中又稱內(nèi)耗，是指材料在振動時由于材料的晶粒相互摩擦等內(nèi)部原因引起的機械振動能量損耗的現(xiàn)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(nèi)部組織和結(jié)構(gòu)有關(guān)，在很大程度上受周圍環(huán)境如磁場、輻射等的影響，與溫度和振動頻率有很大關(guān)系。

 

 

 

 

 

 

 

 

圖 7 損耗系數(shù)n與彈性模量E的關(guān)系圖

 

 

 

 

8

 

 

 

 

導(dǎo)熱系數(shù)與電阻率

導(dǎo)熱系數(shù)是指在穩(wěn)定傳熱條件下單位面積傳遞的熱量，導(dǎo)熱系數(shù)僅針對存在導(dǎo)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(zhì)等多種傳熱形式時的復(fù)合傳熱關(guān)系，該性質(zhì)通常被稱為表觀導(dǎo)熱系數(shù)、顯性導(dǎo)熱系數(shù)或有效導(dǎo)熱系數(shù)。

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(dǎo)電性能的物理參數(shù)。電阻率不僅與材料種類有關(guān)，而且還與溫度、壓力和磁場等外界因素有關(guān)。

 

 

 

 

 

 

 

 

圖8 導(dǎo)熱系數(shù)入與電阻率pe的關(guān)系圖

 

 

 

 

9

 

 

 

 

導(dǎo)熱系數(shù)與熱擴散系數(shù)

熱擴散系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)入與熱擴散系數(shù)a的關(guān)系圖

 

 

 

 

10

 

 

 

 

熱膨脹系數(shù)—導(dǎo)熱系數(shù)

 

 

 

 

 

 

 

 

圖10 熱膨脹系數(shù)α與導(dǎo)熱系數(shù)入的關(guān)系圖

 

 

 

 

11

 

 

 

 

熱膨脹系數(shù)—彈性模量

 

 

 

 

 

 

 

 

圖11 熱膨脹系數(shù)α與彈性模量E的關(guān)系圖

 

 

 

 

12

 

 

 

 

最高工作溫度

 

 

 

 

溫度在很多方面會影響材料的表現(xiàn)。隨著溫度上升，材料可能發(fā)生蠕變，限制了其承載能力;也可能退化或者分解，化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，最終導(dǎo)致失效。溫度的升高也可能使產(chǎn)品氧化，或與環(huán)境發(fā)生其他反應(yīng)，使其無法發(fā)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(shù)

 

 

 

 

 

 

 

 

圖13 各種材料在未經(jīng)潤滑的鋼表面滑動的摩擦系數(shù)

圖14 磨損率常數(shù) Ka與硬度 H的關(guān)系圖

 

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