緒論,材料科學基礎

材料科學基礎青島科技大學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年國家技術發(fā)明一等獎

在國家技術發(fā)明一等獎連續(xù)六年空缺后，經國家科學技術獎勵辦主持評審，由西北工業(yè)大學張立同院士主持的“耐高溫長壽命抗氧化陶瓷基復合材料應用技術”獲得2004年國家技術發(fā)明一等獎。

該項目研制的連續(xù)纖維增韌碳化硅陶瓷基復合材料是一種新型戰(zhàn)略性熱結構材料，可以替代金屬材料來解決目前航空航天器燃料20-30%浪費的問題，以滿足其向高速度、高精度、高搭載和長壽命發(fā)展的需求。該項目突破了材料制造工藝一系列制約實現工程化的國際性難題，獲得了10項國家發(fā)明專利，建立了具有自主知識產權的低成本、高性能材料，并成功經受了1100多批次的考核。其成果整體技術躋身國際先進行列，走出自主創(chuàng)新、跨越式發(fā)展國際前沿性材料的道路，對國防科技工業(yè)和國民經濟發(fā)展都將發(fā)揮重大作用，潛在市場每年約10億元。我國是繼法國和美國之后第三個掌握此技術的國家。

張立同

中國工程院院士，著名航空材料專家。現任超高溫結構復合材料國防科技重點實驗室學術委員會主任、中國復合材料學會副理事長、國務院學位委員會學科評議組成員、國防科工委咨詢委員會委員、國家自然科學基金工程材料學部咨詢組成員。

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

“高性能炭/炭航空制動材料的制備技術”涉及高性能炭/炭剎車材料的研究、開發(fā)及產業(yè)化。這一技術發(fā)明的成功，使我國成為繼美、英、法之后第四個擁有該制備技術和生產該類高技術產品的國家，標志著我國在航空航天炭/炭復合材料領域邁入世界前沿。這對打破外國對該技術的封鎖，實現我國高性能航空制動材料國產化，確保國家航空航天戰(zhàn)略安全具有重大意義。采

本制備技術生產的高性能炭/炭復合材料航空剎車副，與國外同類產品相比，使用強度提高30%，耐磨性提高20%；壽命提高9%；價格降低21%；生產效率提高100%；高能制動性能超過25%。

黃伯云

中國工程院院士，我國著名的材料學專家?，F任國家“863”高技術新材料領域專家委員會主任，中南大學校長。近年來在粉末冶金、新材料等領域取得一系列國家級、省部級科技成果。2/1/20234ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU2/1/20235ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU緒論

Introduction1、材料科學的發(fā)展史2、材料的分類3、材料基本用途4、材料技術的發(fā)展趨勢5、什么是材料科學2/1/20236ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU什么是材料(materials)?Materialsisthestufffromwhichathingismadeforusing.材料是人類社會所能接受的、可經濟地制造有用物品的物質。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，就是人類社會的發(fā)展史。人類歷史的劃分石器時代陶器時代青銅器時代鐵器時代?，F代社會三大支柱能源、信息和材料（1998）生物工程，信息技術和新材料鋼鐵時代發(fā)展史硅時代新材料時代2/1/20238ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU我國材料的歷史進程

(Historicalperspective)漫長而又曲折的歷程：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中國古代鐵器的金相組織湖南長沙砂子塘戰(zhàn)國凹形鐵鋤2/1/202312ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU古代科技名著：“考工記”（先秦）、“夢溪筆談”（宋代沈括）、

“天工開物”（明代宋應星）明代后：封建統治、帝國主義侵略束縛了材料的發(fā)展停滯狀態(tài)18世紀后進入鋼鐵時代解放后：材料科學受到重視和發(fā)展，被列為現代技術三大支柱之一。一整套材料體系門類全齊數量質量鋼鐵突破億噸大關世界第一原子彈、氫彈、人造衛(wèi)星、火箭長征三號運載火箭在發(fā)射架上的圖片寶鋼高爐2/1/202313ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU*航空航天的物質基礎三高一低的結構材料（高強度、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）的力學性能衛(wèi)星發(fā)射，節(jié)省1公斤重量將降低費用$20000。一次發(fā)射節(jié)約費用20%。鋁的理論強度為4700MPa，當今高強鋁合金的最高強度沒有超過1000MPa。sdFig.1.Relationbetweensandd.2/1/202314ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU鋁合金的主要應用領域戰(zhàn)機艦船導彈火箭人造衛(wèi)星戰(zhàn)車高速列車汽車高層建筑2/1/202315ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSUf導彈頭罩窗口窗口材料：藍寶石金剛石ZnS/金剛石導彈的眼睛——窗口材料（ZnS,ZnSe,Al2O3,diamond,…）2/1/202316ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU此外，對某些材料的細節(jié)要求也非常嚴格。如結構材料的微觀結構、晶粒度、夾雜；功能材料的功能參數靈敏度；精密合金材料的導磁率、矯頑力、剩磁；電絕緣介質的電阻率、擊穿強度、損耗、介電常數；微波復合材料的透潑性和吸收性；密封灌注材料的密封性；粘合劑的粘合強度等都有極細致的要求。有色金屬有色金屬2/1/202317ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU神舟5號飛船2/1/202318ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU神舟5號飛船2/1/202319ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU神舟6號飛船2/1/202320ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU其表面并不是光滑的金屬結構，而是像蜂窩一樣，由數萬個正六邊形組合而成的“燒蝕層”。據返回艙的制造方北京衛(wèi)星制造廠技術人員介紹，返回艙表面的“燒蝕層”設計是出于耐高溫和防震考慮。在燒蝕層的每一個“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。這個焦面是返回艙下降時對著地球的面，在“神六”正常落地后，由于受風力影響，主降落傘曾拉動返回艙改變原有姿態(tài)，并與地面發(fā)生一定碰撞，這使返回艙表面出現了一些裂縫。

神舟6號飛船2/1/202321ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU神舟6號飛船我國第二艘載人飛船“神舟”6號使用了太鋼的不銹鋼熱軋板和冷軋板、高強度熱軋鋼板、高等級電磁純鐵冷軋薄板三類四種產品，都是關鍵結構和功能性金屬材料；神舟六號及其運載火箭上采用了東北特鋼集團生產的高強鋼、高溫合金、不銹鋼等3個系列20多種新材料；寶鋼特殊鋼分公司提供了“神六”火箭發(fā)動機關鍵材料、箭船分離使用的解鎖包帶材料、用于飛船調整姿態(tài)和返回著落的火箭噴射系統用材、控制系統用功能材料以及釬焊用材等。2/1/202322ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU神舟7號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、復合材料，多達數千種。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)動機推進劑藥柱燃燒時會產生3000攝氏度以上的高溫，6MPa的高壓，瞬時產生2500攝氏度的溫差熱沖擊，這就要求發(fā)動機的材料具有耐高溫、高壓的性能。有的火箭使用液氫液氧作推進劑，這樣火箭儲存罐的材料就需要能夠承受超低溫，還要抗腐蝕、抗燒蝕。而像潛地導彈的選材則必須能夠承受巨大的水下載荷，同時還要具有隱身性能好，抗干擾性強，可耐受惡劣環(huán)境等特點。

特點2/1/202324ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU為什么要重視對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、導彈、衛(wèi)星往往上億元，如果選材不當造成發(fā)射失敗，損失無法估量。1986年1月美國航天飛機挑戰(zhàn)者號在進行第10次飛行時，右側固體發(fā)動機后部連接處密封材料失效，液體外漏，導致升空73秒后爆炸。7名機組成員全部遇難。美國某公司的一名技工曾把一枚廢舊的鉚釘裝在航天飛機上，被發(fā)現后，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1991年12月28日發(fā)射的東方紅2號甲通訊衛(wèi)星就是因為一個小小的繼電器中殘留有金屬屑而導致失效。2/1/202325ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU如何測試航天材料的性能結構用材料，其化學性能，如材料成分等在化學或光譜試驗室用液相色譜法或紅外光譜法進行測定；力學性能如沖擊韌性、斷裂韌性等在力學試驗室用萬能材料試驗機測定；物理性能如斷口形貌、微觀組織等在金相試驗室用顯微鏡等設備測定；用于航天器件控制的功能材料分別由各有關試驗室測定，如軟磁、硬磁、硅鋼、電阻、雙金屬、膨脹等類材料在電磁試驗室用電橋法、方圈法、沖擊法、介質測量儀、LCR儀等方法測定；橡膠、密封、灌注、粘合、石油等有機材料用有機材料試驗室相應設備測定；用于微波頻段的材料如雷達天線軍等則要在微波試驗室用網絡分析儀在相應頻段測試。以上試驗大都有國家標準，特殊的有航天行業(yè)標準。2/1/202326ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU二、材料的發(fā)展史，就是科學技術的發(fā)展史。原理 成品 發(fā)展時間電機 1821 1886 65真空管 1882 1915 33無線電 1887 1922 35X光 1895 1913 18雷達 1935 1940 5原子堆 1939 1942 3半導體 1948 1951 3激光 1958 1960 2表1科學原理的發(fā)現時間與其產業(yè)化時間的對照中國的四大發(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：投票計數器、普用印刷機、改良打字機、留聲機、白熾燈、噴火器、活動電影機、大型碎石機、水底潛望鏡、傳真電報、有聲電影機、魚雷機械裝置、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”號飛機2/1/202329ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU1859年美國人埃德溫·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

貝爾及他設計的有線電話

馬可尼于1895年發(fā)明無線電通訊技術2/1/202331ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU1）邏輯推理(古代哲學家，432BC.)2）宏觀形貌觀察、觀測（byeye,1669）3）數學理論計算4）科學測定（X-raydiffraction,electrondiffraction,等）1、古代中國：“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》）人類對材料微觀結構認識的發(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介觀宏觀晶體的結構與形狀晶體的結構晶體的形狀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，輕雪帶風斜。三農喜盈尺，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，獨雪花六出2/1/202339ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU1669,N.Steno,晶面角守恒定律材料科學的發(fā)展過程1885,A.Bravais,晶體空間點陣學說1912,M.Laue*,晶體的X射線衍射1915,W.H.BraggandW.L.Bragg**X射線晶體結構分析方法*1914’sNobelprize;**1915’s,***1987’s.電子顯微鏡（SEM、TEM）掃描探針顯微術***（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：結構材料（受力，承載）

功能材料（半導體，超導體，以及光、電、聲、磁、應力轉換，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、無機非金屬材料和有機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結構材料

用于制造各種結構，通俗地說就是要受力，因此對它的要求主要是機械性能，如強度、延伸率(達到極限強度斷裂時伸長了多少，延伸率小的材料便容易脆斷)、硬度、韌性(受沖擊力時容不容易斷裂)、剛性(容不容易保持形狀不變)等等。有時不要求其能經受住嚴峻的環(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，但有時也要求有一定機械強度，如光導纖維主要用于傳輸光線，同時也要求有一定機械強度，否則連自己的重量都承受不了，也就無法構成長的通信線路。2/1/202348ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU3.材料基本用途

金屬材料絕大部分都是結構材料，但近來也出現一些功能材料，如形狀記憶合金、儲氫合金、金屬超導材料等。陶瓷材料有的作為結構材料，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汽車與材料現代汽車制造金屬材料的應用及發(fā)展方向

隨著科學技術的飛速發(fā)展，現代汽車制造材料的構成，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期以來，鋼鐵一直是構成汽車的主要材料，在汽車用鋼中，合金鋼比例較高。國外不少汽車采用含Cr、Ni、Mo等元素的結構鋼和含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汽車材料開發(fā)和應用的方針之一。構成汽車的零件約有兩萬多個，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，這對日本經濟界的發(fā)展產生了很大的影響。鋼鐵材料的理論強度約為14000MPa，直徑為1～2μm的鐵單晶體試棒可接近這個理論強度，而實際使用材料的最大強度只有2000MPa。從宏觀上看是由于材料的缺陷，在微觀上看是由于結晶的缺陷，所以，為得到強度高而便宜的鋼鐵材料，應盡量減小這些缺陷，并進行各種各樣的研究。汽車的車體鋼板，以前使用的是容易成型的軟質鋼材。為適應輕量化的需求，以后開發(fā)了高張力鋼板。這種鋼板具有成型性好、強度高，并可使板厚減薄的優(yōu)點。高張力鋼板是在原有鋼板基礎上添加固溶強化型元素(硅、錳等)和析出強化型元素(鈮、鈦等)，并在鋼鐵廠退火爐內連續(xù)退火而得到。它有著屈服點低的、復合成分多的特點。車身外板用的鋼板使用最多的是加磷的抗拉強度為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，正在進行研究將以前鑄造的一體成型的發(fā)動機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，驅動系統齒輪由于高功率輸出、輕量化、降低噪聲等的需要，對驅動系統齒輪提出了嚴格的質量要求:強度好，熱處理變形小。為達到這一要求，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，它與制鋼時的真空脫氣技術組合，可以滿足齒輪所要求的強度。進而，為縮小對熱處理變形影響大的鋼的淬透性的偏差，制造出高品質的連續(xù)鑄造鋼，現在鑄造的鋼可將日本工業(yè)標準規(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的材料利用率和降低制造所耗能源的優(yōu)點，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量同等重要的課題，降低成本主要有兩個手段:一是減少合金元素的添加量和降低替代材料的成本?？蓪r高而且價格不穩(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質鋼，為提高加工能力，也有采用易切削鋼。因非調質鋼添加了釩，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，其用途可望得到進一步擴大。另外，對于易切削且強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，同時有顯著的技術經濟效益，但其生產工藝發(fā)生了相應的變化，含Si量較高的彈簧鋼具有較高的脫碳傾向，故應發(fā)展低Si或無Si的彈簧鋼，以滿足生產的需要。微合金非調質鋼在鋼中加入微量V、Ti、Nb等元索、經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到強化，不需要調質，可以減少熱處理工序和設備，避免熱處理變形和淬火裂紋造成的廢品，降低能耗和生產成本。高強度鋼板采用高強度鋼板，既可以減少汽車由身的質量，又可以提高汽車的安全性和可靠性，含磷深沖壓高強度鋼板主要應用在車身、駕駛室上的深沖壓件，使用得當，可降低材料消耗10％，雙相鋼板其有較低的屈服強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，根據成形特點，可使零件質量減輕30％一60％。鍍覆鋼板鍍層鋼板和鋼管的研制與應用，是為了改善耐腐蝕性等性能。國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。傳動系材料齒輪是汽車的重要基礎零件，應按其模數和工況選用不同級別的齒輪鋼。在我國目前變速器和后橋齒輪大都使用2OCrMnTi，需仿制國外成熟的先進鋼種，形成汽車齒輪用鋼系列化。擴大應用有色輕金屬有色輕金屬的應用范圍在不斷擴大，鋁的密度為鋼的l/3，用鋁代替鋼可以減少質量50％左右，但鋁的強度低，體積較大。鎂合金的強度比鋁合金高、而與高強使合金結構鋼相近，所以，沖壓鋁、鎂合金作汽車材料，是使汽車減輕質量和節(jié)能的一條有效途徑。用鋁合金板可制造發(fā)動機罩、行李箱蓋、保險杠、車身內外板件、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。粉末冶金合金燒結金屬，是以金屬粉末為原料，作金屬模具內壓縮成形，后燒結而成的，無需加工，材料的成分配制能自由控制，它已應用于軸承、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、轉向系及制動系部件。

隨著粉末冶金工藝和技術新發(fā)展，高強度、高耐磨性、耐熱、形狀復雜的燒結結構零件和高性能減摩材料將大量應用于汽車制造中。所以，高強度燒結合金鋼、燒結不銹鋼等結構材料、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一步得到發(fā)展和應用，這將對汽車制造產生巨大的影響。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，由鐵向鋁轉換也比較容易，所以把活塞、進氣支管、氣缸蓋、盤輪等都采用了重量輕的鋁合金。在美國和歐洲，保險杠、油箱也將鋼板改用為鋁合金。保險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，這是因為歐美等國和日本的鋁價格差異較大。因此，未來汽車的材料構成比例中，歐美地區(qū)的鋁將成為主要比率。如在德國的試驗車中，鋁合金使用率已達到全體材料的30%。另外，由于不穩(wěn)定的鋁價格和強力塑料的推出，每輛汽車中鋁使用量的增加勢頭比以前有所減弱，從精煉鋁在價格來看，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，鎂和鋁的價格差成為關鍵。鎂的比重只有鋁的0.64;因此價格差如能控制在1.7倍以下，才有可能使用鎂。據此，從目前輕量化材料的現狀出發(fā)，還不如把鋁改換成塑料。但也存在制造設備的供給能力和再循環(huán)問題。而在環(huán)境問題上，也將會帶來新的問題。二、汽車金屬材料的應用和發(fā)展汽車板料成形的發(fā)展趨勢為滿足較高的安全標準及乘坐的舒適性，就必須增加轎車的質量，但轎車的質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)正努力采用輕型結構來減輕汽車質量。這就涉及到對材料及生產工藝的戰(zhàn)略決定。而占整車質量20％～25％的白車身無疑具有很大的減輕質量潛力。不同的車身結構對減輕車身質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方式(自支撐底盤及獨立車身和承載構架及獨立車身)，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中已廣泛使用。減輕車身質量的方法大最使用輕質材料是車身減輕質量的主要手段。如今，中型車質量經50％～60％由鋼組成，車身中鋁的結構比僅限于3％～7％(質量)、集中于發(fā)動機及底盤生產中。塑料約占10％～15％(質量)。在當今大批量生產中，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，然而為了減輕質量及增加結構性能，高強度鋼(HSS)已變得愈加有前景了。在可靠的生產工藝下，采用高強度鋼可減輕質量。在大多數情況下，結構板件要求更大的拉深深度以及更加復雜的負載。大批量生產中，屈服強使高達42OMPa的微合金鋼和含磷合金鋼，在結構部件中(防撞擊部件)，如車體內側板、內側柱等，已廣泛的應用。對大批量和小批量生產的影響在金屬車身面板和結構面板的生產成形中，深沖壓為主要的生產工藝。然而在材料成形方面仍然可以進一步改進。生產工藝必須根據生產規(guī)模劃分。白車身內面板和外面板的大規(guī)模生產通常由沖壓線和多工位壓機生產，因為這些生產方式可以滿足批量的要求。而材料(尤其是超高強度鋼)對壓力機最大許可壓力和單位工件生產時間有很大影響。泡沫金屬在未來汽車中的應用制造從泡沫塑料在建筑中廣泛使用中得到啟發(fā)，科學家們考慮在汽車業(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構是:外表用薄鋼制成，中心則用泡沫金屬填充。報載歐洲目前已經研制出--種新型鋼質結構材料，它比普通鋼質材料輕10％。主要是靠粘結鋼質零件和采用減震材料新結構而制成。同時還研制出“精確鋼坯”組合新結構，能使所有部件相互巧妙配合。這樣，在汽車制造中，就可以機動而廣泛地選用應力強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，還需具備結構穩(wěn)定性。目前德國科學家已經成功地研制出“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，這時，氫氣會從氫化合物中分解而逸出，從而使熔化的鋁產生泡沫，當鋼皮模型完全冷卻后，便形成了固體“泡沫鋁”。這種“泡沫鋁”具有整體結構，其質量輕而均勻，強度比鋁更高，其外覆的鋼皮模型更增強了部件的強度和剛度。為了提高汽車的安全性和可靠性，需要從設計上、制造上，特別是材料方面考慮。例如，提高汽車結構材料的強度和韌性，使之更堅固可靠，一旦發(fā)生撞車、翻車等交通事故時，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，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了新的發(fā)展趨勢。2/1/202359ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU4.材料技術的發(fā)展趨勢

當前，材料技術的發(fā)展趨勢有以下幾種：第一，從均質材料向復合材料發(fā)展。以前人們只使用金屬材料、高分子材料等均質材料，現

在開始越來越多地使用諸如把金屬材料和高分子材料結合在一起的復合材料。

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

第二，由結構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，實際上都

是指結構材料。但是隨著高技術的發(fā)展，其他高技術要求材料技術為它們提供更多更好的功

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

會有一天功能材料將同結構材料在材料領域平分秋色。

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第三，材料結構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)動機零件。

2/1/202362ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU材料技術的發(fā)展趨勢之

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

作出反應，完全是被動的。新的智能材料能夠感知外界條件變化、進行判斷并主動作出反應。

2/1/202363ZhimingYU,Dept.ofMSE,CSU材料技術的發(fā)展趨勢之

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化，在嚴峻的自然界環(huán)境中經過優(yōu)勝劣汰，適者生存而發(fā)展到今天，自有其獨特之處。通過“師法自然”并揭開其奧秘，會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“材料科學”至今人無明確定義。有人認為材料科學是研究各種材料的結構，制備加工工藝與性能之間的科學。本著這一關系可用一四面體表示如圖材料科學與工程四要素

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

制備合成