材料科學(xué)基礎(chǔ)青島科技大學(xué)多媒體課件課程名稱:郝春成FundamentalsofMaterialsScience2/1/20231ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU張立同院士、黃伯云院士雙雙摘取2004年國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)

在國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)連續(xù)六年空缺后，經(jīng)國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)辦主持評(píng)審，由西北工業(yè)大學(xué)張立同院士主持的“耐高溫長(zhǎng)壽命抗氧化陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)”獲得2004年國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。

該項(xiàng)目研制的連續(xù)纖維增韌碳化硅陶瓷基復(fù)合材料是一種新型戰(zhàn)略性熱結(jié)構(gòu)材料，可以替代金屬材料來解決目前航空航天器燃料20-30%浪費(fèi)的問題，以滿足其向高速度、高精度、高搭載和長(zhǎng)壽命發(fā)展的需求。該項(xiàng)目突破了材料制造工藝一系列制約實(shí)現(xiàn)工程化的國(guó)際性難題，獲得了10項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利，建立了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的低成本、高性能材料，并成功經(jīng)受了1100多批次的考核。其成果整體技術(shù)躋身國(guó)際先進(jìn)行列，走出自主創(chuàng)新、跨越式發(fā)展國(guó)際前沿性材料的道路，對(duì)國(guó)防科技工業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展都將發(fā)揮重大作用，潛在市場(chǎng)每年約10億元。我國(guó)是繼法國(guó)和美國(guó)之后第三個(gè)掌握此技術(shù)的國(guó)家。

張立同

中國(guó)工程院院士，著名航空材料專家?，F(xiàn)任超高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)主任、中國(guó)復(fù)合材料學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)、國(guó)務(wù)院學(xué)位委員會(huì)學(xué)科評(píng)議組成員、國(guó)防科工委咨詢委員會(huì)委員、國(guó)家自然科學(xué)基金工程材料學(xué)部咨詢組成員。

2/1/20232ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU2/1/20233ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU由中南大學(xué)黃伯云院士等完成的“高性能炭/炭航空制動(dòng)材料的制備技術(shù)”獲得2004年國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。

“高性能炭/炭航空制動(dòng)材料的制備技術(shù)”涉及高性能炭/炭剎車材料的研究、開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化。這一技術(shù)發(fā)明的成功，使我國(guó)成為繼美、英、法之后第四個(gè)擁有該制備技術(shù)和生產(chǎn)該類高技術(shù)產(chǎn)品的國(guó)家，標(biāo)志著我國(guó)在航空航天炭/炭復(fù)合材料領(lǐng)域邁入世界前沿。這對(duì)打破外國(guó)對(duì)該技術(shù)的封鎖，實(shí)現(xiàn)我國(guó)高性能航空制動(dòng)材料國(guó)產(chǎn)化，確保國(guó)家航空航天戰(zhàn)略安全具有重大意義。采

本制備技術(shù)生產(chǎn)的高性能炭/炭復(fù)合材料航空剎車副，與國(guó)外同類產(chǎn)品相比，使用強(qiáng)度提高30%，耐磨性提高20%；壽命提高9%；價(jià)格降低21%；生產(chǎn)效率提高100%；高能制動(dòng)性能超過25%。

黃伯云

中國(guó)工程院院士，我國(guó)著名的材料學(xué)專家?，F(xiàn)任國(guó)家“863”高技術(shù)新材料領(lǐng)域?qū)＜椅瘑T會(huì)主任，中南大學(xué)校長(zhǎng)。近年來在粉末冶金、新材料等領(lǐng)域取得一系列國(guó)家級(jí)、省部級(jí)科技成果。2/1/20234ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU2/1/20235ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU緒論

Introduction1、材料科學(xué)的發(fā)展史2、材料的分類3、材料基本用途4、材料技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)5、什么是材料科學(xué)2/1/20236ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU什么是材料(materials)?Materialsisthestufffromwhichathingismadeforusing.材料是人類社會(huì)所能接受的、可經(jīng)濟(jì)地制造有用物品的物質(zhì)。天然材料人工材料人工材料2/1/20237ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU一、材料的發(fā)展史，就是人類社會(huì)的發(fā)展史。人類歷史的劃分石器時(shí)代陶器時(shí)代青銅器時(shí)代鐵器時(shí)代?，F(xiàn)代社會(huì)三大支柱能源、信息和材料（1998）生物工程，信息技術(shù)和新材料鋼鐵時(shí)代發(fā)展史硅時(shí)代新材料時(shí)代2/1/20238ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU我國(guó)材料的歷史進(jìn)程

(Historicalperspective)漫長(zhǎng)而又曲折的歷程：石斧2/1/20239ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU

2/1/202310ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU湖北江陵楚墓出土越王勾踐寶劍2/1/202311ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU中國(guó)古代鐵器的金相組織湖南長(zhǎng)沙砂子塘戰(zhàn)國(guó)凹形鐵鋤2/1/202312ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU古代科技名著：“考工記”（先秦）、“夢(mèng)溪筆談”（宋代沈括）、

“天工開物”（明代宋應(yīng)星）明代后：封建統(tǒng)治、帝國(guó)主義侵略束縛了材料的發(fā)展停滯狀態(tài)18世紀(jì)后進(jìn)入鋼鐵時(shí)代解放后：材料科學(xué)受到重視和發(fā)展，被列為現(xiàn)代技術(shù)三大支柱之一。一整套材料體系門類全齊數(shù)量質(zhì)量鋼鐵突破億噸大關(guān)世界第一原子彈、氫彈、人造衛(wèi)星、火箭長(zhǎng)征三號(hào)運(yùn)載火箭在發(fā)射架上的圖片寶鋼高爐2/1/202313ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU*航空航天的物質(zhì)基礎(chǔ)三高一低的結(jié)構(gòu)材料（高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、低密度)b(MPa) 0.2(MPa) (%)382 310 6488 478 12360 280 4482 472 9330 250 2440 290 6縱向橫向高鍛鋁2014（LD10）的力學(xué)性能衛(wèi)星發(fā)射，節(jié)省1公斤重量將降低費(fèi)用$20000。一次發(fā)射節(jié)約費(fèi)用20%。鋁的理論強(qiáng)度為4700MPa，當(dāng)今高強(qiáng)鋁合金的最高強(qiáng)度沒有超過1000MPa。sdFig.1.Relationbetweensandd.2/1/202314ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU鋁合金的主要應(yīng)用領(lǐng)域戰(zhàn)機(jī)艦船導(dǎo)彈火箭人造衛(wèi)星戰(zhàn)車高速列車汽車高層建筑2/1/202315ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSUf導(dǎo)彈頭罩窗口窗口材料：藍(lán)寶石金剛石ZnS/金剛石導(dǎo)彈的眼睛——窗口材料（ZnS,ZnSe,Al2O3,diamond,…）2/1/202316ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU此外，對(duì)某些材料的細(xì)節(jié)要求也非常嚴(yán)格。如結(jié)構(gòu)材料的微觀結(jié)構(gòu)、晶粒度、夾雜；功能材料的功能參數(shù)靈敏度；精密合金材料的導(dǎo)磁率、矯頑力、剩磁；電絕緣介質(zhì)的電阻率、擊穿強(qiáng)度、損耗、介電常數(shù)；微波復(fù)合材料的透潑性和吸收性；密封灌注材料的密封性；粘合劑的粘合強(qiáng)度等都有極細(xì)致的要求。有色金屬有色金屬2/1/202317ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU神舟5號(hào)飛船2/1/202318ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU神舟5號(hào)飛船2/1/202319ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU神舟6號(hào)飛船2/1/202320ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU其表面并不是光滑的金屬結(jié)構(gòu)，而是像蜂窩一樣，由數(shù)萬個(gè)正六邊形組合而成的“燒蝕層”。據(jù)返回艙的制造方北京衛(wèi)星制造廠技術(shù)人員介紹，返回艙表面的“燒蝕層”設(shè)計(jì)是出于耐高溫和防震考慮。在燒蝕層的每一個(gè)“蜂窩”里都有5厘米到6厘米厚的棉狀填充物，這些填充物均用特殊材料制成，可以經(jīng)受4000℃的高溫。

展出的返回艙一面大部分都是焦黑色，并有多處裂縫。這個(gè)焦面是返回艙下降時(shí)對(duì)著地球的面，在“神六”正常落地后，由于受風(fēng)力影響，主降落傘曾拉動(dòng)返回艙改變?cè)凶藨B(tài)，并與地面發(fā)生一定碰撞，這使返回艙表面出現(xiàn)了一些裂縫。

神舟6號(hào)飛船2/1/202321ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU神舟6號(hào)飛船我國(guó)第二艘載人飛船“神舟”6號(hào)使用了太鋼的不銹鋼熱軋板和冷軋板、高強(qiáng)度熱軋鋼板、高等級(jí)電磁純鐵冷軋薄板三類四種產(chǎn)品，都是關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和功能性金屬材料；神舟六號(hào)及其運(yùn)載火箭上采用了東北特鋼集團(tuán)生產(chǎn)的高強(qiáng)鋼、高溫合金、不銹鋼等3個(gè)系列20多種新材料；寶鋼特殊鋼分公司提供了“神六”火箭發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵材料、箭船分離使用的解鎖包帶材料、用于飛船調(diào)整姿態(tài)和返回著落的火箭噴射系統(tǒng)用材、控制系統(tǒng)用功能材料以及釬焊用材等。2/1/202322ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU神舟7號(hào)2/1/202323ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU航天材料在眾多材料中，航天材料的種類非常多。由于火箭、導(dǎo)彈和衛(wèi)星的種類很多，它們各自的需求不同，因此所用的材料也是五花八門的，液體、固體、氣體、黑色金屬、有色金屬、各種非金屬、超塑材料、復(fù)合材料，多達(dá)數(shù)千種。但這么多的材料，選擇起來的要求卻非?？量獭Ｓ行┮竽芸垢邷?、抗高壓，如發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑藥柱燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生3000攝氏度以上的高溫，6MPa的高壓，瞬時(shí)產(chǎn)生2500攝氏度的溫差熱沖擊，這就要求發(fā)動(dòng)機(jī)的材料具有耐高溫、高壓的性能。有的火箭使用液氫液氧作推進(jìn)劑，這樣火箭儲(chǔ)存罐的材料就需要能夠承受超低溫，還要抗腐蝕、抗燒蝕。而像潛地導(dǎo)彈的選材則必須能夠承受巨大的水下載荷，同時(shí)還要具有隱身性能好，抗干擾性強(qiáng)，可耐受惡劣環(huán)境等特點(diǎn)。

特點(diǎn)2/1/202324ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU為什么要重視對(duì)航天材料的選用航天材料的選用需要非常慎重。一發(fā)火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星往往上億元，如果選材不當(dāng)造成發(fā)射失敗，損失無法估量。1986年1月美國(guó)航天飛機(jī)挑戰(zhàn)者號(hào)在進(jìn)行第10次飛行時(shí)，右側(cè)固體發(fā)動(dòng)機(jī)后部連接處密封材料失效，液體外漏，導(dǎo)致升空73秒后爆炸。7名機(jī)組成員全部遇難。美國(guó)某公司的一名技工曾把一枚廢舊的鉚釘裝在航天飛機(jī)上，被發(fā)現(xiàn)后，這家公司被罰款一億美元，而這名技工則被判了20年徒刑。我國(guó)1991年12月28日發(fā)射的東方紅2號(hào)甲通訊衛(wèi)星就是因?yàn)橐粋€(gè)小小的繼電器中殘留有金屬屑而導(dǎo)致失效。2/1/202325ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU如何測(cè)試航天材料的性能結(jié)構(gòu)用材料，其化學(xué)性能，如材料成分等在化學(xué)或光譜試驗(yàn)室用液相色譜法或紅外光譜法進(jìn)行測(cè)定；力學(xué)性能如沖擊韌性、斷裂韌性等在力學(xué)試驗(yàn)室用萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)定；物理性能如斷口形貌、微觀組織等在金相試驗(yàn)室用顯微鏡等設(shè)備測(cè)定；用于航天器件控制的功能材料分別由各有關(guān)試驗(yàn)室測(cè)定，如軟磁、硬磁、硅鋼、電阻、雙金屬、膨脹等類材料在電磁試驗(yàn)室用電橋法、方圈法、沖擊法、介質(zhì)測(cè)量?jī)x、LCR儀等方法測(cè)定；橡膠、密封、灌注、粘合、石油等有機(jī)材料用有機(jī)材料試驗(yàn)室相應(yīng)設(shè)備測(cè)定；用于微波頻段的材料如雷達(dá)天線軍等則要在微波試驗(yàn)室用網(wǎng)絡(luò)分析儀在相應(yīng)頻段測(cè)試。以上試驗(yàn)大都有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，特殊的有航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。2/1/202326ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU二、材料的發(fā)展史，就是科學(xué)技術(shù)的發(fā)展史。原理 成品 發(fā)展時(shí)間電機(jī) 1821 1886 65真空管 1882 1915 33無線電 1887 1922 35X光 1895 1913 18雷達(dá) 1935 1940 5原子堆 1939 1942 3半導(dǎo)體 1948 1951 3激光 1958 1960 2表1科學(xué)原理的發(fā)現(xiàn)時(shí)間與其產(chǎn)業(yè)化時(shí)間的對(duì)照中國(guó)的四大發(fā)明：紙、火藥、指南針、活字印刷2/1/202327ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU耐用電燈泡愛迪生（Edison）主要發(fā)明：投票計(jì)數(shù)器、普用印刷機(jī)、改良打字機(jī)、留聲機(jī)、白熾燈、噴火器、活動(dòng)電影機(jī)、大型碎石機(jī)、水底潛望鏡、傳真電報(bào)、有聲電影機(jī)、魚雷機(jī)械裝置、世界上第一座電影“攝影棚”、第一所中央發(fā)電廠等。2/1/202328ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU卡爾·本茨和他發(fā)明的第一輛三輪汽車萊特兄弟自制引擎的“基蒂霍克”號(hào)飛機(jī)2/1/202329ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU1859年美國(guó)人埃德溫·德雷克有賓夕法尼亞打出世界上第一口油井諾貝爾Nobel2/1/202330ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU

貝爾及他設(shè)計(jì)的有線電話

馬可尼于1895年發(fā)明無線電通訊技術(shù)2/1/202331ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU1）邏輯推理(古代哲學(xué)家，432BC.)2）宏觀形貌觀察、觀測(cè)（byeye,1669）3）數(shù)學(xué)理論計(jì)算4）科學(xué)測(cè)定（X-raydiffraction,electrondiffraction,等）1、古代中國(guó)：“日取其半，萬世不竭”“道生一，一生二，二生三，三生萬物”（《老子》）；“以土與金、木、水、火雜以成百物”（《國(guó)語·正語》）；“太極生兩儀，兩儀生四象，四象生八卦，八卦交而生萬物”（《易經(jīng)》）人類對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的發(fā)展過程2/1/202332ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU2、Europe:Plato(428-348B.C.)andEuclid(330-275?B.C.)5regularpolyhedronsstandfor5originalelements(fire,air,earth,water,ether)whichwereusedfordescribingeverythingintheworld.Fire-tetrahedronAir-octahedronEther-dodecahedronEarth-cubeWater-icosahedron2/1/202333ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU介觀宏觀晶體的結(jié)構(gòu)與形狀晶體的結(jié)構(gòu)晶體的形狀2/1/202334ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSUMorphologyofPbScrystalwithNaClstructure2/1/202335ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSUMorphologyofDiamond2/1/202336ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSUSnowflake1mm60SOURCE:W.Bentley&W.Humpbreys,SnowCrystals,(McGraw-HillBookCompany,1931),p.147.2/1/202337ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSUOHSTRUCTUREOFICE(H2O)AbBaa2/1/202338ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU宋（960-1279A.D.）?樓鑰,《謝林景思和韻》黃昏門外六花飛，因倚胡床醉不知。南朝?陳（557-589A.D.）?徐陵，《詠雪》豈苦天庭瑞，輕雪帶風(fēng)斜。三農(nóng)喜盈尺，六出舞崇花。雪花—“六出”、“六花”西漢（206B.C.-24A.D.）,《韓詩外傳》：凡草木花五出，獨(dú)雪花六出2/1/202339ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU1669,N.Steno,晶面角守恒定律材料科學(xué)的發(fā)展過程1885,A.Bravais,晶體空間點(diǎn)陣學(xué)說1912,M.Laue*,晶體的X射線衍射1915,W.H.BraggandW.L.Bragg**X射線晶體結(jié)構(gòu)分析方法*1914’sNobelprize;**1915’s,***1987’s.電子顯微鏡（SEM、TEM）掃描探針顯微術(shù)***（STM、AFM）2/1/202340ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSUABAABCAATOMICPACKING2/1/202341ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSUPackingmode1(ABCABC…)2/1/202342ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSUPackingmode2(ABCABC…)2/1/202343ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSUPackingmode3(AaBbCcAaBbCc…)2/1/202344ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU2.材料的分類用途：結(jié)構(gòu)材料（受力，承載）

功能材料（半導(dǎo)體，超導(dǎo)體，以及光、電、聲、磁、應(yīng)力轉(zhuǎn)換，等）物理形態(tài)：晶體材料、非晶態(tài)材料和納米材料屬性：金屬材料、無機(jī)非金屬材料和有機(jī)高分子材料幾何形態(tài)：三維材料、二維材料、一維材料和零維材料發(fā)展：傳統(tǒng)材料（鋼鐵，銅，鋁，水泥，塑料，陶瓷，...） 新材料（金屬間化合物，高溫超導(dǎo)材料，非晶態(tài)合金，納米材料,...）2/1/202345ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU材料分類(ClassificationofMaterials)2/1/202346ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU結(jié)構(gòu)材料

用于制造各種結(jié)構(gòu)，通俗地說就是要受力，因此對(duì)它的要求主要是機(jī)械性能，如強(qiáng)度、延伸率(達(dá)到極限強(qiáng)度斷裂時(shí)伸長(zhǎng)了多少，延伸率小的材料便容易脆斷)、硬度、韌性(受沖擊力時(shí)容不容易斷裂)、剛性(容不容易保持形狀不變)等等。有時(shí)不要求其能經(jīng)受住嚴(yán)峻的環(huán)境條件，如要求耐熱性、抗腐蝕性等等。2/1/202347ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU功能材料

主要用于完成某種特殊功能，如液晶材料用于顯示，但有時(shí)也要求有一定機(jī)械強(qiáng)度，如光導(dǎo)纖維主要用于傳輸光線，同時(shí)也要求有一定機(jī)械強(qiáng)度，否則連自己的重量都承受不了，也就無法構(gòu)成長(zhǎng)的通信線路。2/1/202348ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU3.材料基本用途

金屬材料絕大部分都是結(jié)構(gòu)材料，但近來也出現(xiàn)一些功能材料，如形狀記憶合金、儲(chǔ)氫合金、金屬超導(dǎo)材料等。陶瓷材料有的作為結(jié)構(gòu)材料，有的作為功能材料。液晶材料目前還只能作為功能材料。2/1/202349ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU

toyotaRAV4HondaNSXNissanLafesta

HondaNSXHondaS2000HondaS2000

HondaCIVICHondaS2000HondaCIVIC

2/1/202350ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU2/1/202351ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU2/1/202352ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU2/1/202353ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU2/1/202354ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU2/1/202355ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU2/1/202356ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU2/1/202357ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU2/1/202358ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU汽車與材料現(xiàn)代汽車制造金屬材料的應(yīng)用及發(fā)展方向

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代汽車制造材料的構(gòu)成，發(fā)生了較大的變化，高密度材料的比例下降，低密度材料有較大幅度的增加，可以說，從90年代開始，汽車材料向輕量化、節(jié)省資源、高性能和高功能方向發(fā)展。一、汽車制造的金屬材料長(zhǎng)期以來，鋼鐵一直是構(gòu)成汽車的主要材料，在汽車用鋼中，合金鋼比例較高。國(guó)外不少汽車采用含Cr、Ni、Mo等元素的結(jié)構(gòu)鋼和含Co量很高的永磁材料，而這些元素的資源都較稀缺，節(jié)約合金資源成為指導(dǎo)汽車材料開發(fā)和應(yīng)用的方針之一。構(gòu)成汽車的零件約有兩萬多個(gè)，在這些零件中，使用了各種各樣的材料(見圖)。其中約86%是金屬材料，而在金屬材料中，鋼鐵材料占了80%。在90年代日本的消費(fèi)量中冷軋薄板占37%，熱軋薄板33%，特殊鋼24%;另外鋁鑄材料的83%都是用于汽車制造上，這對(duì)日本經(jīng)濟(jì)界的發(fā)展產(chǎn)生了很大的影響。鋼鐵材料的理論強(qiáng)度約為14000MPa，直徑為1～2μm的鐵單晶體試棒可接近這個(gè)理論強(qiáng)度，而實(shí)際使用材料的最大強(qiáng)度只有2000MPa。從宏觀上看是由于材料的缺陷，在微觀上看是由于結(jié)晶的缺陷，所以，為得到強(qiáng)度高而便宜的鋼鐵材料，應(yīng)盡量減小這些缺陷，并進(jìn)行各種各樣的研究。汽車的車體鋼板，以前使用的是容易成型的軟質(zhì)鋼材。為適應(yīng)輕量化的需求，以后開發(fā)了高張力鋼板。這種鋼板具有成型性好、強(qiáng)度高，并可使板厚減薄的優(yōu)點(diǎn)。高張力鋼板是在原有鋼板基礎(chǔ)上添加固溶強(qiáng)化型元素(硅、錳等)和析出強(qiáng)化型元素(鈮、鈦等)，并在鋼鐵廠退火爐內(nèi)連續(xù)退火而得到。它有著屈服點(diǎn)低的、復(fù)合成分多的特點(diǎn)。車身外板用的鋼板使用最多的是加磷的抗拉強(qiáng)度為350～400MPa的鋼板，特別是轎車上使用的鋼板，20%～50%都是高張力鋼板。目前，正在進(jìn)行研究將以前鑄造的一體成型的發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體改用鋼板沖壓成型，可大幅度減輕重量而制成輕量化(約33%)的鋼板制氣缸體。另外，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)齒輪由于高功率輸出、輕量化、降低噪聲等的需要，對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)齒輪提出了嚴(yán)格的質(zhì)量要求:強(qiáng)度好，熱處理變形小。為達(dá)到這一要求，在鋼鐵材料的制造過程中，采用了連續(xù)鑄造法。這種方法跟以前的鑄錠法相比，具有冷卻速度快、成分偏析少的優(yōu)點(diǎn)，它與制鋼時(shí)的真空脫氣技術(shù)組合，可以滿足齒輪所要求的強(qiáng)度。進(jìn)而，為縮小對(duì)熱處理變形影響大的鋼的淬透性的偏差，制造出高品質(zhì)的連續(xù)鑄造鋼，現(xiàn)在鑄造的鋼可將日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的淬透性規(guī)格限制在1/3上。連續(xù)鑄造法具有提高制鋼時(shí)的材料利用率和降低制造所耗能源的優(yōu)點(diǎn)，且由于制造工藝合理化也使成本有了降低。降低成本是和提高質(zhì)量同等重要的課題，降低成本主要有兩個(gè)手段:一是減少合金元素的添加量和降低替代材料的成本?？蓪r(jià)高而且價(jià)格不穩(wěn)定的含Mo的Cr～Mo鋼改用鉬添加量只有其一半的半Mo鋼和硼鋼。二是降低零件制造成本。在這里為降低零件制造所消耗的能源而采用非調(diào)質(zhì)鋼，為提高加工能力，也有采用易切削鋼。因非調(diào)質(zhì)鋼添加了釩，控制了熱鍛后的冷卻速度，省去了淬火、回火的熱處理，故確保了強(qiáng)度。它可在汽車的曲軸、連接件、FF車的車輪等部分使用，其用途可望得到進(jìn)一步擴(kuò)大。另外，對(duì)于易切削且強(qiáng)度降低少而用于齒輪的低鉛、易切削鋼是一種新的易切削鋼材。它可用于小型車的變速器，并具有降低制造成本的效果。新型彈簧鋼新型彈簧鋼主要指汽車懸掛系統(tǒng)的彈簧用鋼，目前用的最廣的鋼板彈簧是Si鋼，其性能基本上能滿足使用要求，近年來，變截面少片彈簧在汽車上的應(yīng)用越來越多，使用這種彈簧可以節(jié)約l/3左右的材料，并使汽車的平順性等性能得到改善，同時(shí)有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，但其生產(chǎn)工藝發(fā)生了相應(yīng)的變化，含Si量較高的彈簧鋼具有較高的脫碳傾向，故應(yīng)發(fā)展低Si或無Si的彈簧鋼，以滿足生產(chǎn)的需要。微合金非調(diào)質(zhì)鋼在鋼中加入微量V、Ti、Nb等元索、經(jīng)鍛造或軋制冷卻后在鐵索體、珠光體中析出碳化物或碳氮化物而達(dá)到強(qiáng)化，不需要調(diào)質(zhì)，可以減少熱處理工序和設(shè)備，避免熱處理變形和淬火裂紋造成的廢品，降低能耗和生產(chǎn)成本。高強(qiáng)度鋼板采用高強(qiáng)度鋼板，既可以減少汽車由身的質(zhì)量，又可以提高汽車的安全性和可靠性，含磷深沖壓高強(qiáng)度鋼板主要應(yīng)用在車身、駕駛室上的深沖壓件，使用得當(dāng)，可降低材料消耗10％，雙相鋼板其有較低的屈服強(qiáng)度和高的加工硬化能力，比較適宜于制造變形程度大的沖壓或拉延深件，根據(jù)成形特點(diǎn)，可使零件質(zhì)量減輕30％一60％。鍍覆鋼板鍍層鋼板和鋼管的研制與應(yīng)用，是為了改善耐腐蝕性等性能。國(guó)外在汽車上大量使用覆層鋼板。鍍鋁或滲鋁鋼管主要用來制造消聲器，排氣凈化裝置的接觸容器和反應(yīng)器部件。鍍鋅鋼板用來制造車身、車架、駕駛室、油箱等零件。含鋅、鉻的高分子化合物涂層鋼板，主要用于防腐蝕要求高和不便于涂裝的車身、駕駛室零件。傳動(dòng)系材料齒輪是汽車的重要基礎(chǔ)零件，應(yīng)按其模數(shù)和工況選用不同級(jí)別的齒輪鋼。在我國(guó)目前變速器和后橋齒輪大都使用2OCrMnTi，需仿制國(guó)外成熟的先進(jìn)鋼種，形成汽車齒輪用鋼系列化。擴(kuò)大應(yīng)用有色輕金屬有色輕金屬的應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大，鋁的密度為鋼的l/3，用鋁代替鋼可以減少質(zhì)量50％左右，但鋁的強(qiáng)度低，體積較大。鎂合金的強(qiáng)度比鋁合金高、而與高強(qiáng)使合金結(jié)構(gòu)鋼相近，所以，沖壓鋁、鎂合金作汽車材料，是使汽車減輕質(zhì)量和節(jié)能的一條有效途徑。用鋁合金板可制造發(fā)動(dòng)機(jī)罩、行李箱蓋、保險(xiǎn)杠、車身內(nèi)外板件、散熱器，用鎂合金制造操縱桿托架、大粱、離合器殼和變速器殼等。粉末冶金合金燒結(jié)金屬，是以金屬粉末為原料，作金屬模具內(nèi)壓縮成形，后燒結(jié)而成的，無需加工，材料的成分配制能自由控制，它已應(yīng)用于軸承、排氣門座、凸輪、齒輪、支架上。這種材料也可以用來制造連桿、消聲器、離合器、轉(zhuǎn)向系及制動(dòng)系部件。

隨著粉末冶金工藝和技術(shù)新發(fā)展，高強(qiáng)度、高耐磨性、耐熱、形狀復(fù)雜的燒結(jié)結(jié)構(gòu)零件和高性能減摩材料將大量應(yīng)用于汽車制造中。所以，高強(qiáng)度燒結(jié)合金鋼、燒結(jié)不銹鋼等結(jié)構(gòu)材料、低噪聲軸承材料、高溫高真空減摩材料、半金屬減摩材料等將進(jìn)一步得到發(fā)展和應(yīng)用，這將對(duì)汽車制造產(chǎn)生巨大的影響。鋁合金材料鋁是輕量化首選材料。在高張力鋼板、鋁、塑料與一種稱為FRP的輕量化材料中，鋁起了特別重要的作用。由于鋁的比重只有鐵的1/3，由鐵向鋁轉(zhuǎn)換也比較容易，所以把活塞、進(jìn)氣支管、氣缸蓋、盤輪等都采用了重量輕的鋁合金。在美國(guó)和歐洲，保險(xiǎn)杠、油箱也將鋼板改用為鋁合金。保險(xiǎn)杠用的新鋁合金也多次被開發(fā)。但在日本，主要使用的是鋼板和塑料，這是因?yàn)闅W美等國(guó)和日本的鋁價(jià)格差異較大。因此，未來汽車的材料構(gòu)成比例中，歐美地區(qū)的鋁將成為主要比率。如在德國(guó)的試驗(yàn)車中，鋁合金使用率已達(dá)到全體材料的30%。另外，由于不穩(wěn)定的鋁價(jià)格和強(qiáng)力塑料的推出，每輛汽車中鋁使用量的增加勢(shì)頭比以前有所減弱，從精煉鋁在價(jià)格來看，鋁仍將是輕量化首選材料。鎂合金材料鎂比鋁更輕，且資源豐富。對(duì)于易氧化的鎂，由于已開發(fā)出效率高的鍛造工藝，使鎂的制造成本下降，但其精煉能源為電力，所以其成本比鋁高。鎂能否在汽車零部件上大量使用，鎂和鋁的價(jià)格差成為關(guān)鍵。鎂的比重只有鋁的0.64;因此價(jià)格差如能控制在1.7倍以下，才有可能使用鎂。據(jù)此，從目前輕量化材料的現(xiàn)狀出發(fā)，還不如把鋁改換成塑料。但也存在制造設(shè)備的供給能力和再循環(huán)問題。而在環(huán)境問題上，也將會(huì)帶來新的問題。二、汽車金屬材料的應(yīng)用和發(fā)展汽車板料成形的發(fā)展趨勢(shì)為滿足較高的安全標(biāo)準(zhǔn)及乘坐的舒適性，就必須增加轎車的質(zhì)量，但轎車的質(zhì)量又極大地影響著轎車的油耗及尾氣的排放量，因此，汽車工業(yè)正努力采用輕型結(jié)構(gòu)來減輕汽車質(zhì)量。這就涉及到對(duì)材料及生產(chǎn)工藝的戰(zhàn)略決定。而占整車質(zhì)量20％～25％的白車身無疑具有很大的減輕質(zhì)量潛力。不同的車身結(jié)構(gòu)對(duì)減輕車身質(zhì)量的潛在能力起決定性的作用，這些方法一類為分開的生產(chǎn)方式(自支撐底盤及獨(dú)立車身和承載構(gòu)架及獨(dú)立車身)，另一類為集成式的加工方法。(金屬板材整體式車身和無車架車身)。如今金屬板材整體式車身在大批量生產(chǎn)中已廣泛使用。減輕車身質(zhì)量的方法大最使用輕質(zhì)材料是車身減輕質(zhì)量的主要手段。如今，中型車質(zhì)量經(jīng)50％～60％由鋼組成，車身中鋁的結(jié)構(gòu)比僅限于3％～7％(質(zhì)量)、集中于發(fā)動(dòng)機(jī)及底盤生產(chǎn)中。塑料約占10％～15％(質(zhì)量)。在當(dāng)今大批量生產(chǎn)中，白車身的主要材料是鋼，但其他材料如鋁合金及塑料正顯得愈加重要，過去白車身材料采用常規(guī)低碳鋼，然而為了減輕質(zhì)量及增加結(jié)構(gòu)性能，高強(qiáng)度鋼(HSS)已變得愈加有前景了。在可靠的生產(chǎn)工藝下，采用高強(qiáng)度鋼可減輕質(zhì)量。在大多數(shù)情況下，結(jié)構(gòu)板件要求更大的拉深深度以及更加復(fù)雜的負(fù)載。大批量生產(chǎn)中，屈服強(qiáng)使高達(dá)42OMPa的微合金鋼和含磷合金鋼，在結(jié)構(gòu)部件中(防撞擊部件)，如車體內(nèi)側(cè)板、內(nèi)側(cè)柱等，已廣泛的應(yīng)用。對(duì)大批量和小批量生產(chǎn)的影響在金屬車身面板和結(jié)構(gòu)面板的生產(chǎn)成形中，深沖壓為主要的生產(chǎn)工藝。然而在材料成形方面仍然可以進(jìn)一步改進(jìn)。生產(chǎn)工藝必須根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模劃分。白車身內(nèi)面板和外面板的大規(guī)模生產(chǎn)通常由沖壓線和多工位壓機(jī)生產(chǎn)，因?yàn)檫@些生產(chǎn)方式可以滿足批量的要求。而材料(尤其是超高強(qiáng)度鋼)對(duì)壓力機(jī)最大許可壓力和單位工件生產(chǎn)時(shí)間有很大影響。泡沫金屬在未來汽車中的應(yīng)用制造從泡沫塑料在建筑中廣泛使用中得到啟發(fā)，科學(xué)家們考慮在汽車業(yè)中使用“泡沫金屬”。目前汽車工業(yè)是消耗金屬最多的工業(yè)之一，金屬制造業(yè)雖然能生產(chǎn)2500多種性能各異的鋼材和千百種有色金屬，但仍然滿足不了汽車制造業(yè)的特殊需要。如果“泡沫金屬”能研制出來，它將成為未來汽車的最佳材料，這種泡沫金屬零件的結(jié)構(gòu)是:外表用薄鋼制成，中心則用泡沫金屬填充。報(bào)載歐洲目前已經(jīng)研制出--種新型鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，它比普通鋼質(zhì)材料輕10％。主要是靠粘結(jié)鋼質(zhì)零件和采用減震材料新結(jié)構(gòu)而制成。同時(shí)還研制出“精確鋼坯”組合新結(jié)構(gòu)，能使所有部件相互巧妙配合。這樣，在汽車制造中，就可以機(jī)動(dòng)而廣泛地選用應(yīng)力強(qiáng)度恰好合適的組合部件，如在車門鉸鏈部位，其零件除外形合理、美觀外，還需具備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。目前德國(guó)科學(xué)家已經(jīng)成功地研制出“泡沫鋁”--將鋁粉和鈦氧化合物粉末相混成，填放到鋼皮制成的模型中，然后再把這充滿混合物的模型加熱到鋁的熔點(diǎn)，這時(shí)，氫氣會(huì)從氫化合物中分解而逸出，從而使熔化的鋁產(chǎn)生泡沫，當(dāng)鋼皮模型完全冷卻后，便形成了固體“泡沫鋁”。這種“泡沫鋁”具有整體結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量輕而均勻，強(qiáng)度比鋁更高，其外覆的鋼皮模型更增強(qiáng)了部件的強(qiáng)度和剛度。為了提高汽車的安全性和可靠性，需要從設(shè)計(jì)上、制造上，特別是材料方面考慮。例如，提高汽車結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度和韌性，使之更堅(jiān)固可靠，一旦發(fā)生撞車、翻車等交通事故時(shí)，能最大限度地減輕損傷程度，保證人員的乘車安全。與此同時(shí)，大力發(fā)展各種汽車用的具有特殊功能的材料，以提高汽車的自控能力，進(jìn)一步改善汽車的性能。汽車所用的材料，由于節(jié)省能源、節(jié)省資源、輕量化的需要而有所變化，新材料相繼被推出、應(yīng)用。在比較成熟的金屬材料中，鋼鐵材料和輕金屬材料也出現(xiàn)了新的發(fā)展趨勢(shì)。2/1/202359ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU4.材料技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前，材料技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)有以下幾種：第一，從均質(zhì)材料向復(fù)合材料發(fā)展。以前人們只使用金屬材料、高分子材料等均質(zhì)材料，現(xiàn)

在開始越來越多地使用諸如把金屬材料和高分子材料結(jié)合在一起的復(fù)合材料。

合成材料合成材料2/1/202360ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU材料技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之

第二，由結(jié)構(gòu)材料為方往向功能材料、多功能材料并重的方向發(fā)展。以前講材料，實(shí)際上都

是指結(jié)構(gòu)材料。但是隨著高技術(shù)的發(fā)展，其他高技術(shù)要求材料技術(shù)為它們提供更多更好的功

能材料，而材料技術(shù)也越來越有能力滿足這一要求。所以現(xiàn)在各種功能材料越來越多，終

會(huì)有一天功能材料將同結(jié)構(gòu)材料在材料領(lǐng)域平分秋色。

2/1/202361ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU材料技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之

第三，材料結(jié)構(gòu)的尺度向越來越小的方向發(fā)展。如以前組成材料的顆粒，尺寸都在微米(100萬分之一米)方向發(fā)展的材料。由于顆粒極度細(xì)化，使有些性能發(fā)生了截然不同的變化。如以前給人以極脆印象的陶瓷，居然可以用來制造發(fā)動(dòng)機(jī)零件。

2/1/202362ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU材料技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之

第四，由被動(dòng)性材料向具有主動(dòng)性的智能材料方向發(fā)展。過去的材料不會(huì)對(duì)外界環(huán)境的作用

作出反應(yīng)，完全是被動(dòng)的。新的智能材料能夠感知外界條件變化、進(jìn)行判斷并主動(dòng)作出反應(yīng)。

2/1/202363ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU材料技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之

第五，通過仿生途徑來發(fā)展新材料。生物通過千百萬年的進(jìn)化，在嚴(yán)峻的自然界環(huán)境中經(jīng)過優(yōu)勝劣汰，適者生存而發(fā)展到今天，自有其獨(dú)特之處。通過“師法自然”并揭開其奧秘，會(huì)給我們以無窮的啟發(fā)，為開發(fā)新材料又提供了一條廣闊的途徑。2/1/202364ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU5.什么是材料科學(xué)“材料科學(xué)”至今人無明確定義。有人認(rèn)為材料科學(xué)是研究各種材料的結(jié)構(gòu)，制備加工工藝與性能之間的科學(xué)。本著這一關(guān)系可用一四面體表示如圖材料科學(xué)與工程四要素

2/1/202365ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU材料固有性能

制備合成