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材料性能大比拼：如何選擇最合適的材料？

2025-09-09 16:08:07 作者：材易通來源：材易通分享至：

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(xiàng)技術(shù)或一個(gè)產(chǎn)品，首先必須認(rèn)識(shí)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(duì)關(guān)鍵

材料的詳細(xì)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(jià)值。不同材料在強(qiáng)度、韌性、耐磨性、耐腐蝕性等方面各具優(yōu)勢(shì)，而這些差異往往通過直觀的對(duì)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(duì)常見材料的關(guān)鍵性能進(jìn)行系統(tǒng)對(duì)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。

認(rèn)識(shí)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(diǎn)，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(duì)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(jī)械加工及熱處理方式來提高強(qiáng)度的同時(shí)仍保持延展性，因此適用于塑性成形。某些高強(qiáng)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(qiáng)度等同于脆性斷裂強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度等同于脆性抗碎強(qiáng)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(diǎn))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?yàn)槿绱?，它們可以在接近屈服?qiáng)度的靜力載荷情況下使用然而，陶瓷卻不能。脆性材料的強(qiáng)度不穩(wěn)定，取決于受力材料的體積和加載時(shí)間，所以陶瓷材料不像金屬材料那么易于在設(shè)計(jì)中使用。當(dāng)然，陶瓷也有其優(yōu)勢(shì)，它們強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度卻很高，幾乎與金屬相當(dāng)，由此可承受很大的彈性撓曲。即使在室溫下，聚合物也會(huì)發(fā)生蠕變，這就意味著聚合物零件在長時(shí)間承載時(shí)必須要有一個(gè)固定裝置。聚合物的性能很大程度上取決于溫度，在20℃時(shí)具有高強(qiáng)度和高韌性的聚合物，放置于4℃的家用冰箱內(nèi)時(shí)就變成了脆性材料，而在100℃的水里時(shí)又會(huì)發(fā)生快速蠕變。在200℃以上溫度時(shí)，幾乎沒有聚合物還能保持工作強(qiáng)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(jì)中充分考慮上述特性，那么聚合物的諸多優(yōu)勢(shì)就可盡情地發(fā)揮出來了。就比強(qiáng)度這類綜合性能指標(biāo)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(jià)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(jì)。

彈性體

彈性體:在處于玻璃化溫度Tg以上時(shí)是一種長鏈聚合物，在Tg以下時(shí)，這類材料分子間的共價(jià)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(huì)融化。這些特性使得彈性體具有十分獨(dú)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(shí)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(yàn)來評(píng)估其性能，這就帶來了一個(gè)問題。本書是基于所設(shè)定的性能組合表來進(jìn)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?cè)谠O(shè)計(jì)初期使用一組通用性能，對(duì)類似彈性體這種特殊材料采用近似值來評(píng)價(jià)。對(duì)于僅僅在某一類材料中才會(huì)用到的特定性能，則把它們單獨(dú)儲(chǔ)存起來，在設(shè)計(jì)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?fù)P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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度高，且韌性也很好。由于會(huì)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(jì)者只有在性價(jià)比合理的情況下才會(huì)使用。如今，對(duì)高性能和低能耗要求的日益突出，必將大大推動(dòng)復(fù)合材料的使用。

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(duì)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(shí)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(jì)同時(shí)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(qiáng)度同樣必不可少。把兩種性能放在同一個(gè)坐標(biāo)圖里，就能更直觀地看到不同材料的分布和特點(diǎn)。

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(yàn)和對(duì)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(duì)性能的影響，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，甚至還能為未來材料的發(fā)展方向提供啟示。

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(gè)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(duì)角等高線對(duì)應(yīng)的是縱波速度。對(duì)應(yīng) E/p，E^1/2/p和E^1/3p的基準(zhǔn)線有助于選出合適的材料，用于最小重量目標(biāo)下的撓度設(shè)計(jì)。)

強(qiáng)度—密度

強(qiáng)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(qiáng)度是衡量零件本身承載能力（即抵抗失效能力）的重要指標(biāo)。

圖2 強(qiáng)度σ與密度p 的關(guān)系圖

彈性模量—強(qiáng)度

圖3 彈性模量E與強(qiáng)度σ,關(guān)系圖

比模量—比強(qiáng)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(gè)重要指標(biāo)，比模量越大,零件的剛性就愈大，也稱為“比剛度”。

比強(qiáng)度為材料的強(qiáng)度與材料表觀密度之比。比強(qiáng)度越高表明達(dá)到相應(yīng)強(qiáng)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(qiáng)度，才能盡量以較小的截面滿足強(qiáng)度要求，同時(shí)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(qiáng)度of /p 的關(guān)系圖

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(diǎn)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(shí)，材料顯示的阻抗值。斷裂韌性表征材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力，是度量材料的韌性好壞的一個(gè)定量指標(biāo)。

圖5 斷裂韌度 Kc與彈性模量的關(guān)系圖

斷裂韌性與強(qiáng)度

圖6 斷裂韌度K c與強(qiáng)度σ,關(guān)系圖

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(dòng)時(shí)由于材料的晶粒相互摩擦等內(nèi)部原因引起的機(jī)械振動(dòng)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(dòng)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

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(duì)存在導(dǎo)熱的傳熱形式，當(dāng)存在其他形式的熱傳遞形式時(shí)，如輻射、對(duì)流和傳質(zhì)等多種傳熱形式時(shí)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

導(dǎo)熱系數(shù)與熱擴(kuò)散系數(shù)

熱擴(kuò)散系數(shù)是物體中某一點(diǎn)的溫度的擾動(dòng)傳遞到另一點(diǎn)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(kuò)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(kuò)散的能力越強(qiáng)，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(kuò)散率越小，則反之。

圖9 導(dǎo)熱系數(shù)入與熱擴(kuò)散系數(shù)a的關(guān)系圖

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

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

最高工作溫度

溫度在很多方面會(huì)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(gè)原因，材料不能安全使用的近似溫度稱為最高工作溫度。