【正文】 《工程材料學(xué)》第 1章 序 論第 1節(jié) 概述一、工程材料 什么是工程材料？印象中工程材料是哪類材料？是否聯(lián)想到：建筑工程、橋梁、企業(yè)建設(shè)所用到的材料？ 實(shí)際上工程材料的含義遠(yuǎn)非如此， 凡與 工程 有關(guān)的材料均謂之 工程材料 。 如機(jī)器零件（軸承、彈簧等部件）、工模具、量具、工業(yè)加熱爐內(nèi)的構(gòu)件、飛機(jī)發(fā)動機(jī)渦輪葉片、高分子材料中的粘結(jié)劑、防宇宙射線的宇航服（芳香族聚酰胺纖維）、鎳氫電池中的儲氫合金 ………… 工程材料按其性能特點(diǎn)分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類。 結(jié)構(gòu)材料 以力學(xué)性能為主 ,兼有一定的物理、化學(xué)性能。 功能材料 以特殊的物理、化學(xué)性能為主 ,如那些要求有電、光、聲、磁、熱等功能和效應(yīng)的材料。 總之，工程材料包括了與工農(nóng)業(yè)、國防尖端技術(shù)等各行各業(yè)有關(guān)的所有材料。按照其基本成分分類見圖 1－ 1。二、新材料發(fā)展趨勢1．繼續(xù)重視高性能的新型金屬材料 指具有高強(qiáng)度、高韌性、耐高溫、耐低溫、抗腐蝕、抗輻射等性能的材料。這種材料與發(fā)展空間技術(shù)、核能、海洋開發(fā)等工業(yè)有著極其密切的關(guān)系。新材料是依靠新技術(shù)和新工藝發(fā)展的。例如，合金成分的物理冶金設(shè)計，微量元素的加入與控制，特殊組織結(jié)構(gòu)的控制等，可大幅度提高材料的性能。面向 21世紀(jì)，金屬材料仍占主導(dǎo)地位。2．結(jié)構(gòu)材料趨向于復(fù)合化 盡管金屬材料采用了一系列強(qiáng)韌化措施及發(fā)展了非金屬材料，如高分子材料和陶瓷材料 ,但由于單一材料存在難以克服的某些缺點(diǎn)，如脆性、彈性模量低、比強(qiáng)度不足等。所以把不同的材料進(jìn)行復(fù)合以得到優(yōu)于原組分性能的新材料，就成為結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的一個重要趨勢。如玻璃樹脂基的第一代復(fù)合材料，碳纖維增強(qiáng)樹脂基的第二代復(fù)合材料，第三代復(fù)合材料則是正在發(fā)展的金屬基、陶瓷基及碳基復(fù)合材料。復(fù)合材料在航空、航天工業(yè)和汽車工業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用，在化工設(shè)備和其它方面也有較多的應(yīng)用。 3．低維材料正在擴(kuò)大應(yīng)用包括零維 (超微粒 )、一維 (纖維 )和二維薄膜材料，可用于作結(jié)構(gòu)材料和功能材料。通過化學(xué)反應(yīng)、氣相沉積等方法，可制出亞微米級和納米級 (1100mm)的金屬或陶瓷 粉末 。有很大的比表面積和比表面能，熔點(diǎn)低，擴(kuò)散速度快，燒結(jié)溫度下降，強(qiáng)度高而塑性好，具有良好的綜合性能。某些超微粒功能材料，可成為高效吸波材料。一維 材料最突出的是光導(dǎo)纖維，可用于作通信工程材料。纖維結(jié)構(gòu)材料是復(fù)合材料中的主要增強(qiáng)組分，它決定了復(fù)合材料的關(guān)鍵性能；纖維中的晶須，其強(qiáng)度和剛度可接近理論強(qiáng)度值；碳纖維、有機(jī)高分子纖維和陶瓷纖維均有廣闊的應(yīng)用前景。二維 的薄膜材料發(fā)展迅速，金剛石薄膜和有機(jī)高分子薄膜十分誘人，高溫超導(dǎo)薄膜也尤為突出。金剛石薄膜可用于高速電子計算機(jī)的微芯片；高分子分離膜已在水處理、化工生產(chǎn)、高純物質(zhì)制備等方面獲得了應(yīng)用；高溫超導(dǎo)薄膜將開辟超導(dǎo)技術(shù)的新領(lǐng)域。4．非晶 (亞穩(wěn)態(tài) )材料日益受到重視70年代通過快冷技術(shù) (106℃ ／ s)而獲得非晶態(tài)或亞穩(wěn)態(tài)合金材料。由于驟冷，金屬中的合金元素 偏析程度降低，沒有晶界， 從而可提高合金化程度，而 不致產(chǎn)生脆性相 。非晶態(tài)合金具有高強(qiáng)度、耐腐蝕等特點(diǎn)，某些非晶態(tài)鐵基合金具有很好的磁學(xué)性能，用作變壓器比硅鋼片的鐵損低 2／ 3。在工程應(yīng)用中，通過 激光束表面處理 可在工件表面獲得非晶態(tài)，具有高耐磨性和耐蝕性。另外，非晶態(tài)的硅太陽能電池，光電轉(zhuǎn)換率可達(dá) 15％，有很大進(jìn)一步實(shí)用化研究價值。5．功能材料迅速發(fā)展 功能材料 是當(dāng)代新技術(shù)中能源技術(shù)、空間技術(shù)、信息技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)。功能材料是 90年代材料研究與生產(chǎn)中最活躍的領(lǐng)域。例如，由于超大容量信息通信網(wǎng)絡(luò)和超高計算機(jī)的發(fā)展，對集成電路的要求越來越高，促進(jìn)集成度逐年增加。從材料看，除了硅半導(dǎo)體外，化合物半導(dǎo)體受到越來越多的重視。又如有關(guān)磁記錄和磁光記錄材料、高溫超導(dǎo)材料、光電轉(zhuǎn)換材料等都將有進(jìn)一步的發(fā)展。近年來 功能梯度材料發(fā)展很快，其性能是原來的均質(zhì)材料和一般復(fù)合材料所不具備的，梯度功能材料將有巨大的應(yīng)用潛力。一般復(fù)合材料中分散相是均勻分布的，但在有些情況下，常常希望同一件材料兩側(cè)具有不同的功能，又希望兩側(cè)結(jié)合得完美，從而不至于在苛刻條件下因性能不匹配而發(fā)生破壞。航天飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)中超音速燃燒沖壓式發(fā)動機(jī)，燃燒氣體溫度超過2023℃ ；燃燒室壁另一側(cè)又要經(jīng)受作為燃料的液氫的冷卻作用，溫度為－200℃ 。一般材料顯然滿足不了這一要求。于是，人們想到將金屬和陶瓷聯(lián)合起來使用，用陶瓷去對付高溫，用金屬來對付低溫。但是，用傳統(tǒng)的技術(shù)將金屬和陶瓷結(jié)合起來時，由于二者的界面熱力學(xué)特性匹配不好，在極大的熱應(yīng)力下還是會遭到破壞。在陶瓷和金屬之間通過連續(xù)地控制內(nèi)部組成和微細(xì)結(jié)構(gòu)的變化，使兩種材料之間不出現(xiàn)界面，從而使整體材料具有耐熱應(yīng)力強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度也較好的新功能。 又如 WCu 熱沉材料。6．特殊條件下應(yīng)用的材料在低溫、高壓、高真空、高溫以及輻射條件下，材料的結(jié)構(gòu)和組織將會轉(zhuǎn)變，并由此引起性能變化。研究這些變化規(guī)律，將有利于改善材料性能和開發(fā)新材料。例如，在高壓下的結(jié)構(gòu)材料，由于原子間距離縮短，材料將由絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電體， Nb3Sn、 Nb3Ce和 Nb3Si等超導(dǎo)體均在高壓下合成?，F(xiàn)正在開展高壓力及沖擊波對材料性能影響的試驗研究，理論上預(yù)測氫在幾千萬大氣壓下將轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘賾B(tài)，它在室溫時就具有超導(dǎo)性，它的實(shí)現(xiàn)還有待于高壓條件的創(chuàng)建。另外，對太空、深海洋等工程技術(shù)所用的材料也將繼續(xù)深入研究。7．材料的設(shè)計及選用計算機(jī)化由于電子計算機(jī)及應(yīng)用技術(shù)的高度發(fā)展，使得人們可以按照指定的性能進(jìn)行材料設(shè)計正逐步成為現(xiàn)實(shí)。通過電子計算機(jī)的應(yīng)用以及量子力學(xué)、系統(tǒng)工程和統(tǒng)計學(xué)的運(yùn)用，可以在微觀與宏觀相結(jié)合的基礎(chǔ)上進(jìn)行材料設(shè)計和選用，使之最佳化。目前已建立起計算機(jī)化的各種材料性能數(shù)據(jù)庫和計算機(jī)輔助選材系統(tǒng)，并進(jìn)一步向智能化方向發(fā)展 ,從而提高了工程技術(shù)的用材水平。三、工程材料 學(xué)不僅學(xué)習(xí)各種材料的分類、基本特性、制備方法、用途，而且學(xué)習(xí)材料性能與組成、組織結(jié)構(gòu)、制備工藝之間的內(nèi)在聯(lián)系、作用機(jī)理。以典型的工程材料為例 ，學(xué)習(xí)材料（重點(diǎn)是金屬材料）所表現(xiàn)出的宏觀性能的內(nèi)在本質(zhì)，為提高材料性能、開發(fā)新材料、材料選擇、使用打基礎(chǔ)。第 2節(jié) 工程材料失效分析一、概念與意義 失效 ：工程上所使用的工件在使用過程中失去所規(guī)定的功能。有些場合使用的零件失效不會造成很大的損失（彈簧）。但有些場合失效會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至危及生命安全，如鍋爐材料，特別是航空航天、核工業(yè)、大型工程等。所以必須分析失效原因，提出預(yù)防措施，這就發(fā)展了新學(xué)科 —— 失效分析學(xué)。 為什么本課程學(xué)習(xí)材料失效？二、失效原因失效原因并不是簡單的設(shè)計、計算問題。如軋機(jī)支架：除剪切力、拉應(yīng)力外，還有疲勞，過渡角等因素。再者，還與使用環(huán)境等很多因素有關(guān)，可概括為四個方面：（一） 設(shè)計 應(yīng)從強(qiáng)度計算、結(jié)構(gòu)形式、選材、使用條件和環(huán)境的影響等多個 方面 周密考慮 安全使用壽命問題。 設(shè)計中的錯誤主要表現(xiàn)為：設(shè)計中的過載荷、外形上的應(yīng)力集中、焊接或裝配不當(dāng)，沒有考慮使用條件和環(huán)境的影響等。 工件外形設(shè)計不合理或結(jié)構(gòu)上存在問題，將引起應(yīng)力集中。如尖角、過渡角太小、凹槽和缺口布置或設(shè)計不當(dāng)?shù)取? 在未經(jīng)周密的計算，或構(gòu)件形狀復(fù)雜，及很難進(jìn)行應(yīng)力計算時就從事設(shè)計，也將引起工件早期失效。例如汽輪機(jī)葉片，由于設(shè)計不當(dāng)，經(jīng)常發(fā)生共振損壞。 德國阿連茲技術(shù)中心 (AZT)曾對 1200次蒸汽輪機(jī)電站失效原因進(jìn)行統(tǒng)計分析，其中設(shè)計及結(jié)構(gòu)引起的事故占 17． 5％，這說明了設(shè)計與失效之間的密切關(guān)系。 （二）選材 主要原因，如 ，引起大火，損失 850萬美元。失效分析表明，是由于選用錳碳比很低的 ASTMA283鋼，在低溫使用，導(dǎo)致儲油罐殼發(fā)生脆性斷裂。 材料的生產(chǎn)經(jīng)冶煉、鑄造、鍛造、軋制等階段，這些過程中造成的缺陷往往會導(dǎo)致早期失效。 (1)冶煉：冶煉工藝較差，會使鋼中有較多的氧、氫、氮，并形成非金屬夾雜物，不僅使材料變脆，甚至還會成為疲勞源。 (2)鑄造：鑄造工藝不當(dāng)，可產(chǎn)生鑄造缺陷；鑄件中由于碳化物、氮化物和硫化物等沿晶界的析出，會引起鑄件產(chǎn)生沿晶斷裂。 (3)鍛造或軋制：鍛造工藝不當(dāng)，會產(chǎn)生各種缺陷，如過熱、過燒、鍛造或軋制裂紋、流線分布不良及折疊等。 （三）加工 1．冷加工 加工工藝不當(dāng)。磨削深度過大或冷卻不充分，使表面出現(xiàn)回火組織使表面硬度降低，甚至形成磨削裂紋；零件表面加工粗糙，造成應(yīng)力集中。例如某廠購進(jìn)一批 DAL載重汽車，使用兩年后，約有 4％的發(fā)動機(jī)曲軸發(fā)生斷裂，經(jīng)分析，是由于加工質(zhì)量不符合規(guī)定而造成的早期失效。2．熱處理 文獻(xiàn)報告表明，工模具失效大部分是熱處理不當(dāng)造成的。例如，天津機(jī)車車輛廠用 60Si2Mn鋼生產(chǎn)的熱成型彈簧，裝車使用后不久就產(chǎn)生了斷裂。分析認(rèn)為，是由于彈簧在熱處理時加熱溫度過高引起淬火裂紋所致。3．焊接 焊接缺陷引起失效的例子也很多。如焊接時產(chǎn)生氣孔、未焊透、焊接裂紋等均會造成工件在使用過程中早期失效。另外，焊接所引起的殘余應(yīng)力也會引起零件的早期失效。 （四）安裝 據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計，在 260起壓力容器失效中，屬于操作不當(dāng)而造成的失效竟占 74． 6％。又如前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站事故是由于電站工作人員粗暴違反反應(yīng)堆裝置的操作規(guī)程，導(dǎo)致了這場大災(zāi)難。 總之，工件失效的原因是復(fù)雜的，它是各種因素共同作用的結(jié)果。但每一失效事故，都有一個導(dǎo)致失效的主要原因。因此對各種服役條件下的工件失效，應(yīng)作具體分析，找出失效方式和失效抗力指標(biāo)。失效分析時應(yīng)做到設(shè)計、材料、工藝相結(jié)合；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與材料強(qiáng)度相結(jié)合；宏觀規(guī)律與微觀機(jī)理相結(jié)合；規(guī)律性試驗與生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合。 三、失效類型(一 )變形失效彈性 變形、 塑性 變形、 蠕變 變形。(二 )斷裂失效(1)塑性斷裂失效：斷裂前有一定塑料變形，一般是非災(zāi)難性的。(2)脆性斷裂失效： 突發(fā)性 。 (3)疲勞斷裂：最終斷裂是 瞬時 的，因此 危害性較大 。工程上疲勞斷裂約占失效總數(shù)的 80％以上。(4)蠕變斷裂失效：最終斷裂是 瞬時 的。多屬高溫低應(yīng)力沿晶蠕變斷裂。(三 )腐蝕失效與周圍介質(zhì)發(fā)生 化學(xué) 或 電化學(xué)作用 。 其中應(yīng)力腐蝕、氫脆和腐蝕疲勞等是突發(fā)性失效，而點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕等局部腐蝕和大部分均勻腐蝕失效不是突發(fā)性的。 失效形式多，機(jī)理復(fù)雜，占較大比率。(四 )磨損失效后果一般不像斷裂失效和腐蝕失效那么嚴(yán)重，然而近年來卻發(fā)現(xiàn)一些來自磨損的災(zāi)難性事故。磨損失效主要有： 粘著磨損、磨粒磨損、接觸疲勞磨損、微動磨損、氣蝕 等幾種失效形式(一 )冶金質(zhì)量問題微量雜質(zhì)元素對金屬材料性能影響很大。提高純度，如鋼鐵中 S、 P…(二 )微合金化鋼、銅、鋁。提高強(qiáng)韌性。(三 )控制軋制細(xì)晶組織，盡量減少缺陷和內(nèi)應(yīng)力。(四 )強(qiáng)韌化工藝如板條狀位錯型馬氏體的應(yīng)用、亞溫淬火、超細(xì)晶粒處理、形變熱處理和復(fù)合熱處理、超高溫淬火、碳化物的微細(xì)化處理、高碳鋼和滲碳鋼的短時加熱淬火等。(五 )采用局部復(fù)合強(qiáng)化采用局部復(fù)合強(qiáng)化，克服薄弱環(huán)節(jié)。例如中碳合金結(jié)構(gòu)鋼淬火、低溫回火后滾壓；合金滲碳鋼經(jīng) CN共滲淬火、低溫回火后滾壓，都可提高其疲勞極限。四、提高失效抗力的方法（從材料角度）第 3節(jié) 工程材料的選用原則工程材料學(xué)的最終目的：—— 提高材料的 使用性能 、 經(jīng)濟(jì)性 ，最終準(zhǔn)確、合理地使用材料。所以要了解工程材料選用選用原則、要求，在學(xué)習(xí)、研究中增強(qiáng)目的性。一、使用性能能夠安全可靠工作所必備的性能第 3節(jié) 工程材料的選用原則二、工藝性能制備過程中各種工藝過程是否易實(shí)現(xiàn)第 4節(jié) 材料化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系化學(xué)成分： Fe－ Al、鐵－鋼、 AZ31AZ91組織結(jié)構(gòu)：晶體結(jié)構(gòu)、顯微組織、精細(xì)結(jié)構(gòu)外部條件：溫度、介質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)等鑄造工藝，熱處理，冷、加塑性工加工工藝等纖維強(qiáng)化、顆粒強(qiáng)化，定向凝固等基本要求：掌握工程材料及其分類，了解新材料的發(fā)展趨勢。掌握材料化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。思考題：。、組織結(jié)構(gòu)與性能間的關(guān)系。失效分析在適航與維修中的作用適航中心 粟牧懷　 改革開放以來，我國民用航空業(yè)發(fā)展較快。但由于技術(shù)人員不足和管理水平不高在 80年代未和 90年代初多次出現(xiàn)較嚴(yán)重的航空事故。當(dāng)時在民航系統(tǒng)內(nèi)沒有較完善的失效分析部門和專業(yè)分析人員。在出現(xiàn)機(jī)械零、部件的失效和由于機(jī)械原因?qū)е率鹿蕰r，多是將失效件送國外或國內(nèi)其他系統(tǒng)的分析部門進(jìn)行失效分析，但由于利益、責(zé)任問題和對民航的維護(hù)、使用特點(diǎn)的不了解，經(jīng)常得到不正確的結(jié)論。如 Д30KY154發(fā)動機(jī)的非包容性破壞事故，蘇聯(lián)事故調(diào)查人員的結(jié)論是因我國使用不當(dāng)而引起發(fā)動機(jī)包容性事故。但后經(jīng)民航組織分析小組重新調(diào)查、分析、試驗，是因發(fā)動機(jī)高壓軸內(nèi)一密封膠卷選材不合理，引起高壓軸和襯套間高壓，導(dǎo)致低壓傳動軸斷裂。同時此型發(fā)動機(jī)沒有防 “飛轉(zhuǎn) ”措施。又如 ALF502發(fā)動機(jī)的一級渦輪葉片發(fā)生了斷裂。經(jīng)制造廠分析為正常的疲勞斷裂。發(fā)動機(jī)執(zhí)管單位又將此葉片送到剛組建的航空材料失效分析室。經(jīng)分析，疲勞裂紋起源于葉片的缺陷是在葉片鑄造時產(chǎn)生的。這種例子還有很多但當(dāng)時民航系統(tǒng)無自己的失效分析部門，只能接受別人的分析結(jié)果。因此很難保證采取的措施正確性?！?隨著我國適航管理工作不斷深入發(fā)展，適航部門感到有必要在民航系統(tǒng)成立自己的，權(quán)威性失效分析部門。其工作責(zé)任是研究重大的，多發(fā)性故障 。在發(fā)生事故時協(xié)助調(diào)查和試驗分析 ,找出引起故障或事故的真實(shí)原因，協(xié)助制定防止再次發(fā)生類似問題的方法及措施，保證民用航空安全。在總局各級領(lǐng)導(dǎo)關(guān)心下，各兄弟單位的幫助下，適航中心航空材料失效分析室于 1992年 9月 26日正式成立，并陸續(xù)購置了掃瞄電子顯微鏡、X射線能譜分析儀、金相顯微鏡、