【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 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。陶瓷材料屬于無機非金屬材料，主要為金屬氧化物和金屬非氧化物，也叫做硅酸鹽材料。它一般包括無機玻璃 (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 高分子材料為有機合成材料，亦稱聚合物。它具有較高的強度，良好的塑性，較強的耐腐蝕性能，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、強度很高的聚合物，通過機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，其性能是它的單個組成材料所不具備的。 材料學(xué)基礎(chǔ)知識 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)，低于此溫度才能進行結(jié)晶，處在此溫度，表現(xiàn)出液體與晶體同時存在。而一切非晶體物質(zhì)則無此明顯的平衡結(jié)晶溫度，它們的凝固總是在某一溫度范圍內(nèi)進行的。金屬材料的凝固是典型的結(jié)晶過程，而玻璃的凝固是典型的非晶體凝固。 過冷現(xiàn)象。金屬結(jié)晶的過程 通過晶核形成及晶核長大來完成的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，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，可以對金屬進行加熱。隨加熱溫度的提高，變形金屬將相繼發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大過程，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。首先，合金的結(jié)晶過程不一定在恒溫下進行，很多情況是在一個溫度范圍內(nèi)完成的；其次，合金的結(jié)晶不僅會發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)的變化，還會伴有成分的變化。 合金系是指兩個或兩個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)晶過程以及相和組織存在范圍與變化規(guī)律的簡明示意圖即為相圖。 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 材料常見的力學(xué)性能有彈性、強度、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、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)碳鋼的牌號及應(yīng)用 工程上所用的碳鋼主要按用途來進行編號。 1)普通碳素結(jié)構(gòu)鋼：這類鋼主要保證力學(xué)性能，其牌號體現(xiàn)其力學(xué)性能，用 Q+數(shù)字表示，數(shù)字表示屈服點數(shù)值 。例如 Q275表示屈服點為275MPa。若牌號后面標注字母 A、 B、 C、 D，則表示鋼材質(zhì)量等級不同，含磷、硫量依次降低，鋼材質(zhì)量則依次提高。若在牌號后標注字母 “F”則為沸騰鋼，標注 “b”為半鎮(zhèn)靜鋼，不標注 “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：這類鋼必須同時保證化學(xué)成分和力學(xué)性能。其牌號是采用兩位數(shù)字表示