【正文】 第三章 常用的儀器儀表材料特性和選材方法 概述 在儀器儀表設(shè)計(jì)制造中使用的材料大多數(shù)屬于工程材料的范疇，而工程材料又按 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，用于制作工程構(gòu)件、機(jī)械零件、工具等；功能材料以特殊的物理、化學(xué)性能為主，如超導(dǎo)、激光、半導(dǎo)體、形狀記憶和能量轉(zhuǎn)換等材料。一般在研究工程材料時(shí)通常指前者。 根據(jù)材料的 本性或結(jié)合鍵的性質(zhì) 分類， 一般將工程材料分為金屬材料、陶瓷材料、高分子材料和復(fù)合材料四大類 。 1．金屬材料 金屬材料是最重要的工程材料，包括金屬和以金屬為基的合金。工業(yè)上把金屬和其合金分為兩大部分： (1)鋼鐵材料 鐵和以鐵為基的合金（鋼、鑄鐵和鐵合金） (2)非鐵金屬 鋼鐵材料以外的所有金屬及其合金 2．陶瓷材料 陶瓷的硬度很高，但脆性很大。陶瓷材料屬于無(wú)機(jī)非金屬材料，主要為金屬氧化物和金屬非氧化物，也叫做硅酸鹽材料。它一般包括無(wú)機(jī)玻璃 (硅酸鹽玻璃 )、玻璃陶瓷 (微晶玻璃 )和陶瓷等三大類。 3．高分子材料 高分子材料為有機(jī)合成材料，亦稱聚合物。它具有較高的強(qiáng)度，良好的塑性，較強(qiáng)的耐腐蝕性能，很好的絕緣性，以及重量輕等優(yōu)良性能。工程上通常根據(jù)力學(xué)性能和使用狀態(tài)將其 分為三大類 ： (1)塑料 按工藝性分為熱塑性塑料和熱固性塑料兩種。 (2)合成橡膠 通常指經(jīng)硫化處理的、彈性特別優(yōu)良的聚合物，有通用橡膠和特種橡膠兩種。 (3)合成纖維 指由單體聚合而成的、強(qiáng)度很高的聚合物，通過(guò)機(jī)械處理所獲得的纖維材料。 4．復(fù)合材料 復(fù)合材料是兩種或兩種以上不同材料的組合材料，其性能是它的單個(gè)組成材料所不具備的。 材料學(xué)基礎(chǔ)知識(shí) 固態(tài)原子的結(jié)合鍵 晶體的原子結(jié)合鍵有金屬鍵、離子鍵、范德華鍵 (分子鍵 )等幾種基本類型。 晶體與顯微組織 1．材料的晶體結(jié)構(gòu) 材料的性能不僅與其組成原子的本性及原子間的結(jié)合鍵的類型有關(guān)，還與晶體中原子的長(zhǎng)程有序規(guī)則排列的方式即晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。 晶體中原子 (或離子 )在空間的規(guī)則排列方式稱為 晶體結(jié)構(gòu) 。 假設(shè)通過(guò)原子的中心劃出許多空間直線，這些直線將形成空間格架。這種假想的格架在晶體學(xué)上就叫 晶格 。晶格的最小幾何組成單元稱為晶胞。絕大多數(shù)金屬為體心立方、面心立方和密排立方等三種典型的、緊密的結(jié)構(gòu)。 2．金屬的結(jié)晶 生產(chǎn)上將金屬的凝固叫做結(jié)晶。凝固的結(jié)果，獲得固態(tài)晶體金屬。 晶體物質(zhì)的結(jié)晶都具有嚴(yán)格的平衡結(jié)晶溫度，高于此溫度，物質(zhì)熔為液態(tài)，低于此溫度才能進(jìn)行結(jié)晶，處在此溫度，表現(xiàn)出液體與晶體同時(shí)存在。而一切非晶體物質(zhì)則無(wú)此明顯的平衡結(jié)晶溫度，它們的凝固總是在某一溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的。金屬材料的凝固是典型的結(jié)晶過(guò)程，而玻璃的凝固是典型的非晶體凝固。 過(guò)冷現(xiàn)象。金屬結(jié)晶的過(guò)程 通過(guò)晶核形成及晶核長(zhǎng)大來(lái)完成的3．金屬的塑性變形與再結(jié)晶 塑性變形在明顯改變金屬外形的同時(shí)，也深刻地影響金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和宏觀性能，主要表現(xiàn)在金屬的 組織和結(jié)構(gòu)變化、加工硬化、殘余內(nèi)應(yīng)力 等三方面。 1)加工硬化：即隨變形度的增大，金屬的強(qiáng)度和硬度顯著提高而塑性和韌性明顯下降。 2)殘余內(nèi)應(yīng)力：主要是金屬內(nèi)部變形不均勻引起的。 塑性變形金屬在加熱時(shí)的變化 為了消除加工硬化的作用，恢復(fù)或改善金屬的物理、化學(xué)、力學(xué)性能，可以對(duì)金屬進(jìn)行加熱。隨加熱溫度的提高，變形金屬將相繼發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大過(guò)程，其中以再結(jié)晶具有更重要的作用。生產(chǎn)上主要用于冷變形加工過(guò)程的中間處理，消除加工硬化，便于繼續(xù)冷加工，處理工藝叫做 再結(jié)晶退火 。4．合金的結(jié)晶 合金是指由兩種以上的金屬或金屬和非金屬元素，經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其他方法使之結(jié)合在一起而形成的具有金屬特性的物質(zhì)。 相，是指合金中化學(xué)成分相同、晶體結(jié)構(gòu)相同并以界面互相分開(kāi)的均勻組成部分。 組織，是指用肉眼或顯微鏡所觀察到的材料的微觀形貌，又稱顯微組織。 與純金屬的結(jié)晶相比，合金的結(jié)晶有它的特點(diǎn)。首先，合金的結(jié)晶過(guò)程不一定在恒溫下進(jìn)行，很多情況是在一個(gè)溫度范圍內(nèi)完成的；其次，合金的結(jié)晶不僅會(huì)發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)的變化，還會(huì)伴有成分的變化。 合金系是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的組元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金。用來(lái)研究合金系在平衡條件下 (極緩慢冷卻或加熱 )各成分合金的結(jié)晶過(guò)程以及相和組織存在范圍與變化規(guī)律的簡(jiǎn)明示意圖即為相圖。 材料的力學(xué)、物理及化學(xué)性能 材料的性能一般分為使用性能和工藝性能兩大類，材料的使用性能主要是指力學(xué)、物理和化學(xué)性能；材料的工藝性能則是指可鍛性、可焊性及切削加工性等。 1．力學(xué)性能 材料常見(jiàn)的力學(xué)性能有彈性、強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性、疲勞特性以及耐磨性。 2．物理及化學(xué)性能 材料的物理性能有密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)電、導(dǎo)磁、導(dǎo)熱及熱膨脹等等。而化學(xué)性能主要指耐腐蝕、抗氧化性。 3．工藝性能 材料的工藝性能主要是指其加工制造性，按工藝方法的不同，材料的工藝性能可分為以下幾個(gè)方面： (1)鑄造性 鑄造性通常指液體金屬能充滿比較復(fù)雜的鑄型并獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的性能。流動(dòng)性好、收縮率小、偏析傾向小的材料鑄造質(zhì)量也好。 (2)可鍛性 可鍛性指材料是否易于進(jìn)行壓力加工 (包括鍛造、壓延、拉拔、軋制等 )的性能。 (3)可焊性 可焊性指材料是否易于焊接在一起并能保證焊縫質(zhì)量的性能。 (4)切削加工性 切削加工性指材料進(jìn)行切削加工的難易程度。 金屬材料 鐵碳合金 碳鋼和鑄鐵是以鐵與碳兩種元素為基本組元的 合金 ，常稱鐵碳合金。 鐵碳合金系相圖是研究鋼和鑄鐵的基礎(chǔ)，對(duì)于鋼鐵材料的應(yīng)用以及熱加工和熱處理工藝的制訂具有重要的意義。 1．鐵碳合金系相圖 (1)鐵碳合金系組元的特性 1)純鐵：結(jié)晶過(guò)程有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。 2)滲碳體：滲碳體 (Fe3C)是 Fe和 C的穩(wěn)定化合物。力學(xué)性能特點(diǎn)是硬而脆。 (2)鐵碳合金中的相 1)液相 L 2) δ 相 3)а相 4)γ相 5)Fe3C相 2．鐵碳合金的分類3．鐵碳相圖的應(yīng)用 (1)在鋼鐵材料選用方面的應(yīng)用 (2)在鑄造工藝方面的應(yīng)用 (3)在熱鍛、熱軋工藝方面的應(yīng)用 (4)在熱處理工藝方面的應(yīng)用4．碳鋼 (1)碳鋼的分類 (2)碳鋼的牌號(hào)及應(yīng)用 工程上所用的碳鋼主要按用途來(lái)進(jìn)行編號(hào)。 1)普通碳素結(jié)構(gòu)鋼：這類鋼主要保證力學(xué)性能，其牌號(hào)體現(xiàn)其力學(xué)性能，用 Q+數(shù)字表示，數(shù)字表示屈服點(diǎn)數(shù)值 。例如 Q275表示屈服點(diǎn)為275MPa。若牌號(hào)后面標(biāo)注字母 A、 B、 C、 D，則表示鋼材質(zhì)量等級(jí)不同，含磷、硫量依次降低，鋼材質(zhì)量則依次提高。若在牌號(hào)后標(biāo)注字母 “F”則為沸騰鋼，標(biāo)注 “b”為半鎮(zhèn)靜鋼，不標(biāo)注 “F”或 “b”者為鎮(zhèn)靜鋼，“TZ”表示特種鎮(zhèn)靜鋼。 2)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：這類鋼必須同時(shí)保證化學(xué)成分和力學(xué)性能。其牌號(hào)是采用兩位數(shù)字表示