一、材料的重要性

材料是指具有特定性質(zhì)，能用于制造各種有用器件的物質(zhì)，是人類生存和發(fā)展所必需的物質(zhì)基礎(chǔ)。歷史學(xué)家根據(jù)人類所使用的材料來劃分時(shí)代，如舊石器時(shí)代、新石器時(shí)代、青銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代等，可見材料的重要性。材料的發(fā)展水平和利用程度已成為人類文明進(jìn)步的標(biāo)志。２０世紀(jì)７０年代，人們把材料、信息和能源譽(yù)為當(dāng)代文明的三大支柱，而信息、能源的發(fā)展又依賴于材料的發(fā)展。材料研究的突破往往帶動(dòng)許多科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展。例如，有了低成本鋼鐵及相關(guān)材料，汽車工業(yè)就得到了迅猛發(fā)展；有了由半導(dǎo)體等材料制成的各類電子元器件，各類電子電器消費(fèi)品才會(huì)不斷出新；有了低消耗的光導(dǎo)纖維，才發(fā)展起來現(xiàn)代的光纖通信；各種高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度材料的發(fā)展，才使發(fā)展大型結(jié)構(gòu)件、提高零部件強(qiáng)度級(jí)別、減輕設(shè)備自重成為可能；各種新材料、新工藝的研發(fā)對(duì)國防工業(yè)、航空航天與武器裝備等方面的發(fā)展更是起著決定性的作用。下一頁返回一、材料的重要性

材料科學(xué)在社會(huì)上占有舉足輕重的地位，材料的品種、數(shù)量和質(zhì)量是衡量一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟(jì)水平及國防實(shí)力的重要標(biāo)志之一。以航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片產(chǎn)品為例，渦輪葉片由于處于溫度最高、應(yīng)力最復(fù)雜、環(huán)境最惡劣的部位而被列為第一關(guān)鍵件，并被譽(yù)為“王冠上的明珠”。渦輪葉片的性能水平，特別是承溫能力，成為一種型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)程度的重要標(biāo)志，在一定意義上，也是一個(gè)國家航空工業(yè)水平的顯著標(biāo)志。渦輪進(jìn)口溫度每提高１００℃，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比能夠提高１０％左右。據(jù)估算，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)效率與性能的提高，約５０％歸功于材料的改進(jìn)。２０世紀(jì)５０年代研制成功的高溫合金使第一代航空噴氣式渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片的使用溫度達(dá)到了８００℃水平，掀起了渦輪葉片用材料的第一次革命。２０世紀(jì)６０年代以來，由于真空冶煉水平的提高和加工工藝的發(fā)展，鑄造高溫合金逐漸開始成為渦輪葉片的主選材料。上一頁下一頁返回一、材料的重要性

定向凝固高溫合金通過控制結(jié)晶生長速度，使晶粒按主承力方向擇優(yōu)生長，改善了合金的強(qiáng)度和塑性，提高了合金的熱疲勞性能，并且基本消除了垂直于主應(yīng)力軸的橫向晶界，進(jìn)一步減少了鑄造疏松、合金偏析和晶界碳化物等缺陷，從而使使用溫度達(dá)到了１０００℃水平。單晶合金渦輪葉片定向凝固技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，使單晶合金的耐溫能力、蠕變度、熱疲勞強(qiáng)度、抗氧化性能和抗腐蝕特性較定向凝固柱晶合金有了顯著提高，很快得到了航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)界的普遍認(rèn)可，幾乎所有先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)都采用了單晶合金用作渦輪葉片，成為２０世紀(jì)８０年代以來航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重大技術(shù)之一，掀起了渦輪葉片用材料的第二次革命。渦輪葉片用材料的第三次革命還需等待，在未來的一段時(shí)間內(nèi)，先進(jìn)單晶合金仍然是高性能航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的主導(dǎo)材料。國外現(xiàn)役最先進(jìn)的第四代推重比為１０的一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪進(jìn)口平均溫度已經(jīng)達(dá)到了１６００℃左右，預(yù)計(jì)未來新一代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度有望達(dá)到１８００℃左右。上一頁返回二、工程材料的分類

１.按結(jié)合鍵的性質(zhì)分類工程材料可分為金屬材料、高分子材料、陶瓷材料、復(fù)合材料。（１）金屬材料包括鋼鐵材料和非鐵金屬材料，具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、高強(qiáng)度、高塑性和金屬光澤等金屬特性，還具有比高分子材料高得多的強(qiáng)度和剛度，比陶瓷材料高得多的塑韌度。因具有其他種類材料不可替代的獨(dú)特性質(zhì)和使用性能，以及成熟的加工工藝，金屬材料仍然是目前應(yīng)用最廣泛的工程材料。金屬材料的研究一方面采用新技術(shù)和新工藝開發(fā)具有高性能的新金屬材料，如非晶態(tài)金屬、納米金屬、智能金屬和儲(chǔ)氫合金等，另一方面則不斷開發(fā)金屬與非金屬相互滲透的新型復(fù)合材料。金屬材料雖然走過了最輝煌的時(shí)代，但其發(fā)展仍未停止。下一頁返回二、工程材料的分類

（２）高分子材料是以高分子化合物為主要成分的材料。按材料來源，高分子材料可分為天然高分子材料和人工合成高分子材料兩大類;按特性和用途可分為塑料、合成橡膠、合成纖維、黏結(jié)劑和涂料等幾類。被稱為現(xiàn)代高分子三大合成材料的塑料、合成橡膠和合成纖維已成為工程建設(shè)和人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚闹匾牧?。塑料、合成橡膠和合成纖維具有相對(duì)密度小、可加工性好、耐蝕性強(qiáng)、自潤滑性好、絕緣和減振性好,以及成本低等優(yōu)點(diǎn),在機(jī)械、車輛、電氣、化工、交通運(yùn)輸?shù)裙こ填I(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用;其缺點(diǎn)是耐熱性差,易軟化和老化,強(qiáng)度低,尺寸穩(wěn)定性差等。高分子材料的發(fā)展主要聚焦在通過聚合物的改性提高其使用性能,開發(fā)環(huán)境友好型材料以及廢棄物的高效利用等方面。上一頁下一頁返回二、工程材料的分類

（３）陶瓷材料是指硅酸鹽、金屬與非金屬的化合物，因其不具備金屬的性質(zhì)，又稱為無機(jī)非金屬材料。陶瓷材料的主要結(jié)合鍵是離子鍵，同時(shí)還存在一定數(shù)量的共價(jià)鍵。陶瓷材料可分為三大類：一是普通陶瓷，主要原料是硅酸鹽礦物，常用于日用瓷器和建筑材料；二是特種陶瓷，主要成分是人工合成化合物，如碳化物、氮化物和氧化物等，用于工程領(lǐng)域耐高溫、耐腐蝕、耐磨損的零件；三是金屬陶瓷，即金屬粉末和特種陶瓷粉末的燒結(jié)材料，主要用于切削刀具、模具和耐熱零件等。上一頁下一頁返回二、工程材料的分類

（４）復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上不同成分、不同性質(zhì)的材料組合而成的材料。復(fù)合材料的性能通常兼有組成材料的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn),還可以產(chǎn)生原來單一材料本身所不具備的優(yōu)良性能,是一類特殊的工程材料,具有廣闊的發(fā)展前景。復(fù)合材料的組成物可分為基體材料和增強(qiáng)材料兩類?；w材料有金屬、塑料、橡膠和陶瓷等,增強(qiáng)材料有各種纖維和無機(jī)化合物顆粒等。復(fù)合材料已經(jīng)應(yīng)用到航空航天、武器裝備、機(jī)械工程、能源工程、海洋工程,乃至民用建筑、交通運(yùn)輸、文體和日常用品等領(lǐng)域。

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２.按材料的功能和用途分類工程材料可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料。結(jié)構(gòu)材料是以其力學(xué)性能為基礎(chǔ)，制造受力構(gòu)件所用的一類材料。功能材料則主要是利用物質(zhì)獨(dú)特的物理、化學(xué)性質(zhì)或生物功能等而形成的一類材料。一種材料往往既是結(jié)構(gòu)材料又是功能材料，如鐵、銅、鋁等。本書主要介紹工程結(jié)構(gòu)材料。結(jié)構(gòu)材料是指以力學(xué)性能為主要性能指標(biāo)的工程材料的統(tǒng)稱。它主要用于制造工程構(gòu)件和機(jī)械裝備中的支撐件、連接件、傳動(dòng)件、緊固件、彈性件以及工具、模具等。這些結(jié)構(gòu)零構(gòu)件都在受力狀態(tài)下服役，因此力學(xué)性能（強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等）是其主要性能指標(biāo)，在許多使用條件下還需要考慮特殊的環(huán)境條件，如高溫環(huán)境、低溫環(huán)境、腐蝕介質(zhì)環(huán)境、放射性輻射環(huán)境等。結(jié)構(gòu)件均有一定的形狀配合精度要求，因此結(jié)構(gòu)材料還需有優(yōu)良的可加工性能，如鑄造性、冷熱成形性、可焊性、切削加工性等。上一頁下一頁返回二、工程材料的分類

不同的使用條件要求材料具有不同的性能，如橋梁構(gòu)件除具有一定的強(qiáng)度和韌性外，還需耐大氣腐蝕和具有良好的焊接性；傳動(dòng)軸需要有良好的耐疲勞性能；飛機(jī)構(gòu)件要求有高的比強(qiáng)度、比剛度；發(fā)動(dòng)機(jī)葉片需要有良好的高溫強(qiáng)度和抗蠕變特性；切削刀具需有良好的紅硬性；化工反應(yīng)釜需能抵抗化學(xué)介質(zhì)的強(qiáng)烈腐蝕等。上一頁下一頁返回二、工程材料的分類

３.按材料的發(fā)展程度分類工程材料可分為傳統(tǒng)材料和新型材料。傳統(tǒng)材料是指那些已經(jīng)發(fā)展成熟且在工業(yè)中已批量生產(chǎn)并大量應(yīng)用的材料,如鋼鐵、塑料等。這類材料由于用量大、產(chǎn)值高、涉及面廣,又是很多支柱產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ),所以又稱為基礎(chǔ)材料。新型材料（先進(jìn)材料）是指那些具有優(yōu)異性能和應(yīng)用前景,且正在發(fā)展中的一類材料。新型材料與傳統(tǒng)材料之間并沒有明顯的界限。傳統(tǒng)材料通過采用新技術(shù),提高性能，增加附加值可以成為新型材料；新型材料發(fā)展成熟且在工業(yè)中批量生產(chǎn)并大量應(yīng)用之后也就成了傳統(tǒng)材料。傳統(tǒng)材料是發(fā)展新型材料和高技術(shù)的基礎(chǔ)，而新型材料又往往能推動(dòng)傳統(tǒng)材料的進(jìn)一步發(fā)展。上一頁返回三、工程材料的知識(shí)架構(gòu)

１.對(duì)工程材料的認(rèn)識(shí)早期人類只能被動(dòng)地利用天然材料（如木材、石頭、動(dòng)物骨骼、皮毛和黏土等）?；鸬膽?yīng)用使人類掌握了材料的制備方法，獲得比天然材料性能更好的制品（如陶器、青銅器、鐵器等）。人類又進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)通過熱處理、添加其他物質(zhì)等方法可以改善材料的性能。這段時(shí)期人們對(duì)材料內(nèi)在關(guān)系還缺乏本質(zhì)認(rèn)識(shí)和規(guī)律性認(rèn)識(shí)，材料的制造生產(chǎn)基本上依靠工匠、藝人的經(jīng)驗(yàn)。直到１８６３年光學(xué)顯微鏡首次應(yīng)用于材料微觀組織的研究領(lǐng)域，使人們能夠?qū)⒉牧系暮暧^性能與微觀組織聯(lián)系起來，因而誕生了金相學(xué)。１９１２年，人們發(fā)現(xiàn)了Ｘ－射線對(duì)晶體的作用，Ｘ－射線隨后被用于晶體衍射分析，使人們對(duì)固體材料的微觀結(jié)構(gòu)有了科學(xué)認(rèn)識(shí)。１９３２年，電子顯微鏡的發(fā)明以及后來各種新分析儀器的問世，把人們帶到了微觀世界的更深層次（１０－７ｍ）。由此看來，人們對(duì)材料的認(rèn)識(shí)是從經(jīng)驗(yàn)性認(rèn)識(shí)到規(guī)律性認(rèn)識(shí)，由宏觀現(xiàn)象測試到微觀本質(zhì)探討的過程。下一頁返回三、工程材料的知識(shí)架構(gòu)

２.材料科學(xué)與工程的定義２０世紀(jì)６０年代初，人們提出了“材料科學(xué)”這個(gè)名詞，它的提出是源于１９５７年，蘇聯(lián)人造衛(wèi)星率先上天，震驚了美國，美國人認(rèn)為自己落后的主要原因之一是先進(jìn)材料落后，于是在一些大學(xué)相繼成立了十余個(gè)材料研究中心，采用先進(jìn)的科學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)方法對(duì)材料進(jìn)行深入研究。從此，“材料科學(xué)”這個(gè)名詞便開始流行。材料科學(xué)的核心內(nèi)容一方面是研究材料的組織結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，具有“研究為什么”的性質(zhì)；另一方面又是面向?qū)嶋H，為經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)。它是一門應(yīng)用學(xué)科，研究和發(fā)展材料的目的在于應(yīng)用，需要通過合理的工藝流程制備出具有實(shí)用價(jià)值的材料，通過批量生產(chǎn)才能使之成為工程材料。所以，在“材料科學(xué)”這個(gè)名詞出現(xiàn)后不久，人們就提出了“材料工程”和“材料科學(xué)與工程”。材料工程研究的是材料在制備、處理和加工過程中的工藝和各種工程問題，具有“解決怎樣做”的性質(zhì)。上一頁下一頁返回三、工程材料的知識(shí)架構(gòu)

１９８６年，英國Ｐｅｒｇａｍｏｎ公司出版的《材料科學(xué)與工程百科全書》中對(duì)材料科學(xué)與工程的定義為：材料科學(xué)與工程研究的是有關(guān)材料組成、結(jié)構(gòu)、制備工藝流程與材料性能和用途的關(guān)系及其應(yīng)用。換言之，材料科學(xué)與工程是研究材料組成、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)過程、材料性能與使用效能以及它們之間關(guān)系的學(xué)科。上一頁下一頁返回三、工程材料的知識(shí)架構(gòu)

３.工程材料四要素材料的組成、結(jié)構(gòu)與組織、合成與加工、性能（或使用性能）稱為材料科學(xué)與工程的四要素，它們之間的關(guān)系可用四面體來表示，如圖緒論－１所示。１）組成組成是構(gòu)成材料的最基本要素，一提到組成應(yīng)該想到兩個(gè)概念：一是組元（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ，ｃｏｎｓｔｉｔｕｅｎｔ），二是成分（ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）。前者指組成合金的元素，有時(shí)也將穩(wěn)定的化合物看成是組元；后者指合金中組元的含量。當(dāng)選擇一種材料或分析表征某種材料的結(jié)構(gòu)和性能時(shí)，必須考慮：為什么要采用這種成分，合金的結(jié)構(gòu)和性能與組元的哪些因素相關(guān)，每種組元的存在形態(tài)是什么，對(duì)合金的結(jié)構(gòu)有什么影響，對(duì)合金的性能有什么影響等問題。上一頁下一頁返回三、工程材料的知識(shí)架構(gòu)

２）結(jié)構(gòu)與組織材料的結(jié)構(gòu)是指材料的組元及其排列和運(yùn)動(dòng)方式。材料的結(jié)構(gòu)層次分為：亞原子層次（可分為原子核和電子兩個(gè)部分），原子或分子層次（包括核外電子結(jié)構(gòu)、鍵合結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)等），顯微層次和宏觀層次。其中的顯微層次和宏觀層次又稱為組織結(jié)構(gòu)。工程材料中組織是指固體材料中的相（包括相對(duì)種類、數(shù)量、大小、形狀與分布等），晶粒（大小和形狀），缺陷（種類、密度和分布）以及織構(gòu)的總和。用肉眼和低倍顯微鏡可觀察到的稱為宏觀組織，用高倍顯微鏡可觀察到的稱為顯微組織。當(dāng)微觀尺度小于１００ｎｍ時(shí)稱為納米結(jié)構(gòu)。不同尺度的結(jié)構(gòu)層次都會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生影響。上一頁下一頁返回三、工程材料的知識(shí)架構(gòu)

３）合成與加工合成與加工是指建立原子、分子與分子聚集體的新排列，在原子尺度到宏觀尺度上對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制以及高效而有競爭力地制造材料和零件的演變過程。合成（制備）通常是指原子和分子組合在一起制造新材料所采用的物理和化學(xué)方法。加工（工藝，這里指成形加工）除了為生產(chǎn)有用材料對(duì)原子、分子進(jìn)行控制外，還包括在尺度上的較大改變，有時(shí)也包括材料制造等工程方面的問題。材料加工涉及許多學(xué)科，是科學(xué)、工程以及經(jīng)驗(yàn)的綜合，是制造技術(shù)的一部分，也是整個(gè)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵一步。必須指出，現(xiàn)在合成與加工間的界限已經(jīng)變得越來越模糊，這是因?yàn)檫x擇各種合成反應(yīng)往往必須考慮由此得到的材料是否適合進(jìn)一步加工。材料的種類不同，合成與加工的方法對(duì)性能的影響也不同。研究表明，材料的固有性能和使用性能取決于它的組成和各個(gè)層次上的結(jié)構(gòu)，后者又取決于合成與加工。因此，材料科學(xué)家與工程師們的任務(wù)就是研究這四種要素以及它們之間的相互關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上創(chuàng)造新材料，以滿足社會(huì)需要，推動(dòng)社會(huì)發(fā)展。上一頁下一頁返回三、工程材料的知識(shí)架構(gòu)

４）性質(zhì)、性能、功能與使用性能性質(zhì)泛指材料所固有的特性，或說是本性，如密度、導(dǎo)電性等。性能（或稱效能）是指材料對(duì)外界刺激（外力、熱、電、磁、化學(xué)刺激等）的反應(yīng)或抵抗（被動(dòng)的響應(yīng)），又稱為“行為”“表現(xiàn)”，如強(qiáng)度、電阻（電導(dǎo)）、耐熱性、耐蝕性等。功能是指材料對(duì)應(yīng)于某種輸入信號(hào)時(shí)所發(fā)生的質(zhì)或量的變化，或其中有某些變化會(huì)產(chǎn)生其他性能的輸出（即能感生出另一種效應(yīng)），如光電效應(yīng)、熱效應(yīng)、壓電效應(yīng)等。使用性能（或稱使用效能、使用特性）是材料在使用條件下應(yīng)用性能的度量，或者說是材料在使用條件下的表現(xiàn)，如使用環(huán)境、受力狀態(tài)等因素對(duì)材料性能和壽命會(huì)產(chǎn)生影響。使用性能是材料固有性質(zhì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工程應(yīng)用能力的綜合反映，也是決定材料能否得到發(fā)展和大量使用的關(guān)鍵。使用性能的度量指標(biāo)有可靠性、有效壽命、安全性和成本等綜合因素，利用材料的物理性能時(shí)，使用性能還包括能量轉(zhuǎn)換率、靈敏度等。使用性能取決于材料的基本性能。上一頁下一頁返回三、工程材料的知識(shí)架構(gòu)

４.工程材料四要素之間的關(guān)系材料四要素模型試圖在材料的組成、合成與加工、結(jié)構(gòu)與組織、性能或使用性能之間建立一個(gè)整體關(guān)系。為了對(duì)四要素之間的關(guān)系有更直觀和更深刻的印象，建立起初步的認(rèn)知，現(xiàn)列舉幾個(gè)例子進(jìn)一步說明。（１）材料的成分對(duì)其性能有著重要的影響。例如鐵碳合金，其性能與碳含量密切相關(guān)：如果不含碳，就是純鐵，性軟、延性極好；當(dāng)碳含量不超過２.１１％時(shí)，稱為鋼，隨著碳含量增加，鋼的強(qiáng)度、硬度上升，但塑性、韌性急劇下降，工藝性能也變差；碳含量超過２.１１％后，工業(yè)上稱之為鑄鐵，由于這時(shí)的碳往往以石墨的形式存在，因此石墨的形態(tài)、尺度、分布對(duì)鑄鐵性能具有很大影響，鑄鐵雖然強(qiáng)度較低，但有良好的切削、減磨、消振性能，加上生產(chǎn)簡便，成本低廉，因此也得到了廣泛的應(yīng)用。上一頁下一頁返回三、工程材料的知識(shí)架構(gòu)

（２）結(jié)構(gòu)也是導(dǎo)致材料性能差異的重要因素。金剛石和石墨都是由碳元素構(gòu)成的，然而兩者內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同（也就是碳原子的排列方式不同），造成了彼此性能上很大的差異。金剛石是自然界中最硬的一種物質(zhì)，絕緣、透明、折射光的能力極強(qiáng)，把它磨成一定的形狀就成為鉆石。工業(yè)上，絕大多數(shù)的金剛石正在發(fā)揮它“硬”的性能：在鉆探機(jī)鉆頭上的金剛石，可以穿透十分堅(jiān)硬的巖層；用金剛石做成刀具，可以加工最硬的金屬。石墨與金剛石正好相反，它很軟，顏色深灰，也不透明，鉛筆芯就是用石墨做成的。石墨是電的良好導(dǎo)體，常用它做電極、電刷。石墨有良好的潤滑作用，常被用作固體潤滑劑。上一頁下一頁返回三、工程材料的知識(shí)架構(gòu)

（３）工藝因素對(duì)材料性能的影響至關(guān)重要。例如，在材料的制備過程中，冷卻速率的變化會(huì)改變材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)。隨著冷卻速率的提高，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)從平衡態(tài)過渡到亞平衡態(tài)、甚至成為非平衡態(tài)，材料性能因此顯著改變?？炖浞瞧胶饽碳夹g(shù)為新型金屬材料的發(fā)展開辟了新途徑。通過快冷非平衡凝固技術(shù)，人們發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)晶，由此改變了晶體學(xué)的傳統(tǒng)觀念；發(fā)明了金屬玻璃，成倍提高了金屬材料的強(qiáng)度、硬度；快速凝固細(xì)化晶粒，獲得超細(xì)晶甚至納米晶材料。圖緒論－２所示為碳含量０.４％的鋼的工藝、組織結(jié)構(gòu)與性能之間的相互關(guān)系。上一頁下一頁返回三、工程材料的知識(shí)架構(gòu)

以高溫合金制造發(fā)動(dòng)機(jī)葉片為例說明工藝對(duì)材料組織結(jié)構(gòu)的改變大幅度提升材料性能的重要性：采用真空冶煉技術(shù)的鑄造高溫合金使用溫度比變形高溫合金提高了３０℃以上；利用定向凝固技術(shù)制備的定向柱晶合金，消除了有害橫向晶界，比常規(guī)鑄造高溫合金的承溫能力提高２０～３０℃，疲勞強(qiáng)度可提高８倍，持久壽命可提高２倍；沒有晶界的單晶高溫合金比定向凝固柱晶高溫合金的承溫能力進(jìn)一步提高２５～３０℃。２０世紀(jì)８０～９０年代，單晶高溫合金相繼發(fā)展了第二代和第三代，每代單晶葉片的承溫能力都比上一代提高２５～３０℃，壽命提高３倍，燃油效率提高３０％。第三代單晶葉片使用溫度比定向柱晶提高近９０℃，達(dá)到１０６０℃。波音７７７飛機(jī)使用的第二代單晶高溫合金ＲｅｎｅＮ５制造的ＧＥ９０發(fā)動(dòng)機(jī)是目前世界上推力最大的發(fā)動(dòng)機(jī)。第四代戰(zhàn)斗機(jī)Ｆ－２２上使用的第三代單晶高溫合金制造的Ｆ１１９發(fā)動(dòng)機(jī)，其推重比達(dá)到１０。上一頁下一頁返回三、工程材料的知識(shí)架構(gòu)

當(dāng)然，材料性能的發(fā)揮與材料的服役環(huán)境條件也是密不可分的。例如，碳石墨材料在真空或惰性氣體環(huán)境中，是難得的加熱材料和隔熱材料，可以應(yīng)用在２０００℃的真空爐中；而一旦處于氧化環(huán)境中，碳石墨材料將被燒蝕，故無法在普通加熱爐中應(yīng)用。由于碳石墨材料具有良好的隔熱性質(zhì)，在高溫真空或惰性氣體環(huán)境中不會(huì)被燒蝕、熔化、解體，可應(yīng)用在航天器前端，防止高速運(yùn)動(dòng)時(shí)高熱對(duì)航天器的損害。從以上敘述可知，材料的性能取決于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只有改變了材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)才能達(dá)到改變和控制材料性能的目的，而材料的合成和加工工藝常常對(duì)材料的結(jié)構(gòu)起決定性作用。從材料的產(chǎn)生到進(jìn)入使用過程，直至損耗，四大要素存在著邏輯上的因果關(guān)系，如圖緒論－３所示?？傊瑹o論是為制造某種產(chǎn)品選擇合適材料及最佳的加工工藝，正確地使用材料，還是改善現(xiàn)有材料或者研制新材料，都需要工程技術(shù)人員具有材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)與性能方面的知識(shí)，都需要材料科學(xué)的理論指導(dǎo)。上一頁返回四、工程材料課程的性質(zhì)與任務(wù)

合理地選擇和使用材料是所有工程領(lǐng)域及其設(shè)計(jì)部門的任務(wù)，它建立在相關(guān)工作人員對(duì)材料的總體把握和正確認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，這就要求所有工程領(lǐng)域的專業(yè)人員都要對(duì)材料有比較全面且正確的了解。工程技術(shù)人員除了具備優(yōu)良的設(shè)計(jì)和制造能力外，還必須具備三方面的知識(shí)基礎(chǔ)：（１）熟悉各種材料的力學(xué)性能、加工特性和改性方法以及應(yīng)用范圍，以改善材料性能，合理應(yīng)用材料；（２）熟悉產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造與材料性能之間的關(guān)系，能夠根據(jù)每個(gè)零部件不同的服役條件（如受力、溫度、環(huán)境介質(zhì)等）進(jìn)行材料和加工處理方法的合理選擇，獲得在使用狀態(tài)下所需要的顯微組織，保證其在規(guī)定的壽命期限內(nèi)正常工作，以合理選擇材料和使用材料；下一頁返回四、工程材料課程的性質(zhì)與任務(wù)

（３）從材料學(xué)的角度，根據(jù)零部件承受載荷的類型和外界條件分析其失效形式，對(duì)零部件材料的主要性能指標(biāo)提出要求，并制定合