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第一章绪论 1 材料概述材料是工程技术的基础与先导。现代社会的进步,在很大程度上都依赖于新材料的发现与发展。科学家与工程师们都认识到发展尖端技术的前提是发展新材料与新材料加工技术, 并在近二十年来在这方面作出了空前的重要进展。所以许多人将我们这一历史时期称为“材料时代”。材料是宇宙间可用于制造有用物品的物质。有用指除了使用价值外,还需具有一定的性能,如物理性质,化学性质和力学性能等。物品可以是单件的器件或元件,可以是组装的机器与仪器,也可以是集成的系统。根据材料的基本性质与结构,可以将其分为四大类,即金属,陶瓷,聚合物和复合材料。我们常常使用“工程材料”这个词。工程材料在较广的定义上与“材料”相差无几,但它还有一个比较专门的定义,指那些具有专门设计的结构、专门的性能、专门用于某一领域的材料。例如美国材料标准测试协会( ASTM )对工程塑料的定义是: those plastics and positions for which well defined properties are available such that engineering rather than empirical methods can be used for the design and manufacture of products that require definite and predictable performance in structural applications over a substantial temperature range. 即:具有确定性质的塑料或聚合物复合物,可用工程方法(而不是经验方法)设计并生产产品,这种产品作为结构件应用时,在较宽温度范围内具有确定的、可预测的使用性能。根据以上繁琐的定义,聚碳酸酯和聚甲醛属于工程塑料,在制造管材、凸轮和齿轮方面可以代替钢铁和木材;而聚苯乙烯和聚氯乙烯则属于通用塑料,它们缺乏承受载荷的能力, 只能用来制造包装和容器。从事材料,尤其是工程材料的开发、研究工作的学科领域称为材料科学与工程。美国科学院对材料科学与工程的定义为: involves the generation and application of knowledge relating position, structure, and the processing of materials to their properties and uses. 即:材料组成、结构、加工与材料性质、使用之间关系的发现与应用。材料科学着重于发现材料的本质,并由此对结构与组成、性质、使用性能之间的关系作出描述与解释;而材料工程则是应用材料科学的知识,对材料进行开发、制造、修饰并实现其具体应用。有人认为材料科学与工程属于工程科学,实际上它是个交叉学科或多学科领域,涉及固体物理学、金属学、陶瓷学、高分子化学与高分子物理等。为开发新的工程材料,材料学家们先是设计出新的材料结构,再开发出新的制造方法, 使材料的种类呈几何级数增长。据粗略统计, 目前我们共拥有 45,000 种金属合金, 15,000 种聚合物,还有近千种陶瓷、木材、复合材料和纺织品。让我们看一辆小轿车所用材料的更新情况。以 1986 年梅塞德斯- 奔驰轿车为例,使用了 67% 的钢铁, 12% 的聚合物, 4% 的合金铝和 12% 的纺织品。而一辆 1996 年的同牌号汽车,钢铁下降到 62% ,聚合物增加到 18% ,合金铝增加到 6% 。不仅是汽车行业, 其它行业中使用聚合物的比例也在增高。在日常生活中更不必说,每个人都能感受到身边的塑料用品是越来越多了。图 1-1 是材料成熟曲线,它是根据了解到的发展规划绘制的。可以看出聚合物、陶瓷、复合材料的应用将大幅度增加。复合材料是一种或多种材料的结合体。玻璃钢与混凝土是两个最熟知的例子。当然今天的复合材料不会那样简单,而是集高强度、低重量于一身的工程化材料。图 1-1 材料成熟曲线为进一步看清高精尖材料的发展脉络,不妨对飞机结构材料的发展作一简短的回顾。因为很少有像飞机那样的制品对材料的性质、重量及工作温度有那样严格的要求。世界上第一架金属飞机是德国 Hans Reissner 公司于 1912 年设计制造并试飞成功的,它的机翼材料是纯铝。到 30 年代初期, 出现了合金铝的机身和机翼, 如波音 757 的材料就是 80% 的合金铝, 12% 钢铁, 3% 的复合材料。以铝为主的材料结构延续了很长时间, 到超音速时代就不得不改变了。因为铝的强度只能维持到 195 °C。目前唯一的超音速客机协和式和 SR71 式侦察机的机身都采用了钛合金。麦道公司于 70 年代设计的 Harrier 式飞机,率先将铝合金全部换成了碳纤维与环氧树脂