1、材料与工程设计材料与工程设计 工程材料科学与设计工程材料科学与设计（James P. SchafferJames P. Schaffer等著）等著）余永宁等翻译余永宁等翻译机械工业出版社机械工业出版社材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义2Gods determine what youre going to be.人生的奋斗目标决定你将成为怎样的人。人生的奋斗目标决定你将成为怎样的人。 材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义3案例：辛辛那提一百货商店的停车场中的问题案例：辛辛那提一百货商店的停车场中的问题 大块的混凝土碎块剥离大块的混凝土碎块剥离 原因：原因：冬天路面撒盐防冻，汽车
2、驶入停车点后滴落含盐的水，导致钢冬天路面撒盐防冻，汽车驶入停车点后滴落含盐的水，导致钢筋氧化，体积膨胀，使得混凝土内部处于张应力状态筋氧化，体积膨胀，使得混凝土内部处于张应力状态 解决的方案：解决的方案： 将内部的加固钢筋连接到一个直流电路的负极上将内部的加固钢筋连接到一个直流电路的负极上 1. 引言引言材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义4（1 1）该部件或系统需要什么样的（电学、力学、化学、热学）该部件或系统需要什么样的（电学、力学、化学、热学）服役性能？服役性能？（2 2）如何生产制造它？）如何生产制造它？（3 3）它必须服役多长时间？）它必须服役多长时间？（4 4）可以接受的生
3、产成本是多少？）可以接受的生产成本是多少？（5 5）在使用过程中需要多长时间检查一次？）在使用过程中需要多长时间检查一次？（6 6）它多长时间需要检修或者维修一次？）它多长时间需要检修或者维修一次？（7 7）在使用寿命结束后要怎么处理其废物？）在使用寿命结束后要怎么处理其废物？（8 8）最后，在使用中发生失效时会造成什么样的后果？）最后，在使用中发生失效时会造成什么样的后果？材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义5（1 1）设计和分析费用）设计和分析费用（2 2）制造成本）制造成本（3 3）运行成本）运行成本（4 4）处置费用）处置费用 2. 统一终身成本工程统一终身成本工程材料科学与工
4、程导论材料科学与工程导论讲义讲义6案例研究案例研究 材料选择中的成本分析材料选择中的成本分析定向凝固（定向凝固（DSDS）高温镍基合金叶片用于喷气式发动机中已经）高温镍基合金叶片用于喷气式发动机中已经有相当长一段时间了。有相当长一段时间了。 每个叶片价格为每个叶片价格为300300美元。如果一公司开始美元。如果一公司开始制造制造SiCSiC强化的强化的SiSi3 3N N4 4陶瓷基复合材料（陶瓷基复合材料（CMCCMC）的叶片。）的叶片。它能够承受它能够承受120012000 0C C的高温，将可以大幅度地提高发动机的燃料效率。的高温，将可以大幅度地提高发动机的燃料效率。同时与使用寿命仅有同
5、时与使用寿命仅有2 2年的年的DSDS叶片相比，叶片相比，CMCCMC叶片也可以使用叶片也可以使用4 4年。年。这个用户希望在未来这个用户希望在未来5 5年内在发动机里装上第一批经过检验的年内在发动机里装上第一批经过检验的CMCCMC叶叶片，许诺在片，许诺在5 5年内每年购买年内每年购买50005000只叶片。只叶片。用户要求你的公司在一个月内递交一份成本预算方案和一个提供这用户要求你的公司在一个月内递交一份成本预算方案和一个提供这些叶片的正式承诺。些叶片的正式承诺。 你被指派来调研这个项目，给你的管理层提供合理的建议，最后由你被指派来调研这个项目，给你的管理层提供合理的建议，最后由经理来决定
6、是否继续进行竞标。经理来决定是否继续进行竞标。 材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义7材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义8 3. 材料和工艺的选择材料和工艺的选择材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义91 1为了材料的选择而建立的数据库为了材料的选择而建立的数据库2.2.有关材料和工艺的标准有关材料和工艺的标准3.3.材料的选择对环境的影响材料的选择对环境的影响 材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义10材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义11案例研究案例研究 电子组件封装外壳材料的选择电子组件封装外壳材料的选择这个问题涉及对电子组件封装外壳的材料进行最佳
7、设计的问题这个问题涉及对电子组件封装外壳的材料进行最佳设计的问题o o 随随着电路密度着电路密度( (电子组件中单位面积上的有效工作元件的数日电子组件中单位面积上的有效工作元件的数日) )增加，增加，消耗的能量也增加了。导致半导体结点温度上升并可能造成失效，消耗的能量也增加了。导致半导体结点温度上升并可能造成失效，因此，电路密度受到散热能力的限制。除了结点失效外，温度的升因此，电路密度受到散热能力的限制。除了结点失效外，温度的升高还可能引发疲劳。问题在于数以千计的连接点处发生失效，以及高还可能引发疲劳。问题在于数以千计的连接点处发生失效，以及集成电路芯片与封装外壳之间发生故障的可能性增大。集成
8、电路芯片与封装外壳之间发生故障的可能性增大。设计选择组件外壳封装材料，目标设计选择组件外壳封装材料，目标（1 1）热导率提高）热导率提高5 5倍以上；（倍以上；（2 2）外壳封装材料的热膨胀系数应该尽可能接近外壳封装材料的热膨胀系数应该尽可能接近SiSi，（，（3 3）新的外壳封）新的外壳封装材料要比现在使用的可伐合金要轻。装材料要比现在使用的可伐合金要轻。材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义12材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义13解答：解答：（1 1）本案例中关键的材料性能是热导率、密度和热）本案例中关键的材料性能是热导率、密度和热膨胀系数。膨胀系数。（2 2）在所考虑的
9、单一材料中，）在所考虑的单一材料中，AlNAlN是唯一可以满足是唯一可以满足所有设计要求的候选材料所有设计要求的候选材料（3 3）考虑复合材料系统。把注意力集中在碳纤维复）考虑复合材料系统。把注意力集中在碳纤维复合材料上。合材料上。（4 4）AlNAlN或者或者Al-CAl-C，最佳为，最佳为AlNAlN材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义14材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义15材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义16案例研究案例研究 用作核废料容器的材料选择用作核废料容器的材料选择核电站每年产生大量高辐射的核废料。对于如何处置核电站每年产生大量高辐射的核废料。对于
10、如何处置这些核废料的问题始终有很大的争议。如果没有可接这些核废料的问题始终有很大的争议。如果没有可接受的解决方案，将会影响核电站的未来。一种比较活受的解决方案，将会影响核电站的未来。一种比较活得认同的方案是将核废料密封在铅得认同的方案是将核废料密封在铅“罐罐”中埋葬于地中埋葬于地下。这是因为铅对于放射线具有良好的屏蔽性。然而，下。这是因为铅对于放射线具有良好的屏蔽性。然而，容器必须保持容器必须保持1000010000年的有效性。两个潜在的问题是年的有效性。两个潜在的问题是由于蠕变和腐蚀引起的失效。我们讨论如何将这种失由于蠕变和腐蚀引起的失效。我们讨论如何将这种失效的风险减少到最少的途径。效的风
11、险减少到最少的途径。材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义17解答：解答：（1 1）铅的熔点）铅的熔点600K600K。室温为。室温为298K298K，大约为，大约为0.5Tm0.5Tm。因此，即。因此，即使在室温下，由自身重量引起的蠕变也是设计时必须考虑的使在室温下，由自身重量引起的蠕变也是设计时必须考虑的重要因素。核废料在容器中可能升温，从而加速罐蠕变的进重要因素。核废料在容器中可能升温，从而加速罐蠕变的进行。行。（2 2）铅与地下水接触，在水环境下腐蚀的可能性也要被减）铅与地下水接触，在水环境下腐蚀的可能性也要被减少到最少。考古学中对暴露在水或者海水中长达少到最少。考古学中对暴露在
12、水或者海水中长达20002000年的铅年的铅试样进行检验。铅具有优异的抗腐蚀性能。试样进行检验。铅具有优异的抗腐蚀性能。（3 3）一种抵抗蠕变的设计是将使用过的核燃料放置在于厚）一种抵抗蠕变的设计是将使用过的核燃料放置在于厚壁的铜容器中，然后用铅填充燃料棒与容器之间的空隙。外壁的铜容器中，然后用铅填充燃料棒与容器之间的空隙。外部的铜壁用铅板包镶以保护铜不与环境接触。部的铜壁用铅板包镶以保护铜不与环境接触。材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义18案例研究案例研究 无铅、快速切削铜合金的开发无铅、快速切削铜合金的开发添加添加0.5%-3%0.5%-3%（质量分数）的铅能够使铜合金的机械加工
13、性得（质量分数）的铅能够使铜合金的机械加工性得到显著的提高。铅在固相铜中事实上没有溶解度，但可在液相到显著的提高。铅在固相铜中事实上没有溶解度，但可在液相铜中有相当高的溶解度。在凝固时，铅便析出并形成均匀分布铜中有相当高的溶解度。在凝固时，铅便析出并形成均匀分布于铜晶粒内以及晶界上的第二相颗粒。在机械加工时，这些颗于铜晶粒内以及晶界上的第二相颗粒。在机械加工时，这些颗粒能起到断屑的作用并能避免刀具冷焊到工件上。许多管道设粒能起到断屑的作用并能避免刀具冷焊到工件上。许多管道设施都是由这些材料做成的。仅在美国含铅的铜合金的每年用量施都是由这些材料做成的。仅在美国含铅的铜合金的每年用量大约是大约是5
14、050万吨。医学研究表明铅是有毒的。铅在饮用水中的含万吨。医学研究表明铅是有毒的。铅在饮用水中的含量是受到严格的法律限制。因此，取代快速切屑铜合金中的铅量是受到严格的法律限制。因此，取代快速切屑铜合金中的铅是必须的。是必须的。材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义19解答：解答：（1 1）Cu-XCu-X合金（合金（X=TeX=Te，SeSe，TlTl，BiBi， S S）的二元相图表明这些）的二元相图表明这些元素在元素在CuCu中也具有有限的固溶度，能够扮演中也具有有限的固溶度，能够扮演PbPb的角色。的角色。（2 2）针对）针对Bi-CuBi-Cu合金的成功改进应当将晶界上薄膜状的第
15、二相转合金的成功改进应当将晶界上薄膜状的第二相转变为球状。变为球状。（3 3）通过添加合金元素或者降低）通过添加合金元素或者降低CuCu的表面张力，或者增大的表面张力，或者增大BiBi的的表面张力。表面张力。（4 4）少量的）少量的In,S In,S 和和BiBi能有效地替代能有效地替代PbPb，来改进铜合金的机加工，来改进铜合金的机加工性能。性能。材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义20材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义21材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义22材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义23材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义24 4.
16、风险评估和产品责任风险评估和产品责任可靠性：零件在其可靠性：零件在其设计寿命期间完成设计寿命期间完成它的预期功能的可它的预期功能的可能性。能性。风险风险材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义251.1.失效概率评估失效概率评估设备的失效可能会由多种原因所致。设备的失效可能会由多种原因所致。211exp22xxpsss材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义26 例题例题 我们假定结构陶瓷材料具有抗拉强度，其平均我们假定结构陶瓷材料具有抗拉强度，其平均值为值为100MPa100MPa，以及标准方差为，以及标准方差为20MPa20MPa。我们还假定在。我们还假定在使用中所施加的应力的平均
17、值为使用中所施加的应力的平均值为55.5MPa55.5MPa，而标准方，而标准方差为差为10MPa10MPa。现在要评估失效概率。现在要评估失效概率。解答：解答：当施加的应力超过材料的拉伸强度时，失效将会在结构陶当施加的应力超过材料的拉伸强度时，失效将会在结构陶瓷工件上发生。施加应力和材料强度的分布在图瓷工件上发生。施加应力和材料强度的分布在图17-1217-12中。中。该图中也给出了该图中也给出了Q Q的分布（的分布（Q Q为抗拉强度与施加应力之间的为抗拉强度与施加应力之间的差别）差别）材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义27可靠性：零件在其可靠性：零件在其设计寿命期间完成设计寿命期
18、间完成它的预期功能的可它的预期功能的可能性。能性。风险风险材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义28 2.2.责任评估责任评估作为风险评估的一个组成部分，责任评估对于确定作为风险评估的一个组成部分，责任评估对于确定失效的代价是必需的。总体费用是直接费用、连带失效的代价是必需的。总体费用是直接费用、连带损失费用及惩罚性损失费用的总和。损失费用及惩罚性损失费用的总和。材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义29 3.3.质量保证标准质量保证标准质量保证包括制定检验方法及制造时评价关键构件质量保证包括制定检验方法及制造时评价关键构件的合格的合格/ /废品的标准。它还包括操作规程、维修日程废
19、品的标准。它还包括操作规程、维修日程表和使用规程的详细说明。表和使用规程的详细说明。材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义30案例研究案例研究 大型工业鼓风机的检验标准大型工业鼓风机的检验标准大型工业鼓风机的转子轴长达数米，直径则可达大型工业鼓风机的转子轴长达数米，直径则可达0.75m0.75m。这些轴一般由中碳钢制造经热处理屈服强度达到这些轴一般由中碳钢制造经热处理屈服强度达到300 300 MPaMPa，抗拉强度达，抗拉强度达500 MPa500 MPa。轴首先锻造成形、再经过机。轴首先锻造成形、再经过机加上获得最后的尺寸。加上获得最后的尺寸。你的公司为制造鼓风机，以你的公司为制造鼓
20、风机，以1010万美元的费用从供应商手万美元的费用从供应商手中买来轴的锻件。这些锻件在供货前必须用磁粉检测方中买来轴的锻件。这些锻件在供货前必须用磁粉检测方法进行检验。法进行检验。公司要求护绝接受任何含有可检测到的缺陷的锻件。所公司要求护绝接受任何含有可检测到的缺陷的锻件。所使用的规程能够检测出表面上深度在使用的规程能够检测出表面上深度在1mm1mm以上的裂纹。限以上的裂纹。限制缺陷在制缺陷在1mm1mm以下是为了确保所有的缺陷能在轴的最后机以下是为了确保所有的缺陷能在轴的最后机加工中被去除掉。加工中被去除掉。材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义31锻件供应两告诉你的公司有锻件供应两告
21、诉你的公司有1/31/3锻件未能通过检测，锻件未能通过检测，它们的成本必须转移到通过检测的锻件之中，因而它们的成本必须转移到通过检测的锻件之中，因而提高其售价。提高其售价。此外因为进行检验排除不合格品，使得交付这些此外因为进行检验排除不合格品，使得交付这些锻件的时间也延误一些时间。作为材料丁程师，要锻件的时间也延误一些时间。作为材料丁程师，要求你来评估本公司中已经执行了求你来评估本公司中已经执行了2020年的这项检验标年的这项检验标准的合理性。准的合理性。材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义32材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义33 5. 失效分析及其预防失效分析及其预防1.
22、1.失效分析的一般实践失效分析的一般实践第一步：第一步： 对失效构件进行全面的目视检查，甚至是对失效构件进行全面的目视检查，甚至是在未进行任何清理之前来完成这项工作在未进行任何清理之前来完成这项工作第二步：获得构件的服役经历第二步：获得构件的服役经历（1 1）构件服役时间多长？（）构件服役时间多长？（2 2）在服役时承受的典）在服役时承受的典型作用应力多高？（型作用应力多高？（3 3）服役环境如何？（）服役环境如何？（4 4）服役）服役条件方面是否存在超常的偏差？条件方面是否存在超常的偏差？材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义34 案例研究案例研究 缝隙焊接蒸汽管的失效分析缝隙焊接蒸汽
23、管的失效分析在电厂中，使用大型钢管来输送过饱和蒸汽给涡轮在电厂中，使用大型钢管来输送过饱和蒸汽给涡轮机。这些管子的直径大约为机。这些管子的直径大约为0.75m0.75m，是由厚度约为，是由厚度约为37.5mm37.5mm的钢板制造程度。钢管中输送的蒸汽的压力的钢板制造程度。钢管中输送的蒸汽的压力为为5MPa5MPa，温度为，温度为538538o oC C（811K811K）。该温度大约是钢的）。该温度大约是钢的熔点（热力学温度）的熔点（热力学温度）的44%44%。在该温度下，对所使用。在该温度下，对所使用的的Cr-MoCr-Mo钢，所关心的问题是蠕变变形与断裂。钢，所关心的问题是蠕变变形与断裂
24、。材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义35 解答解答（1 1）制造工艺：采用平整的钢板制造，先将钢板轧制卷成）制造工艺：采用平整的钢板制造，先将钢板轧制卷成圆筒状，然后使用埋弧焊接工艺沿着钢管的长度方向焊接并圆筒状，然后使用埋弧焊接工艺沿着钢管的长度方向焊接并制造出多个焊道。制造出多个焊道。（2 2）金相观察：）金相观察： 裂纹尖端部位上称为蠕变孔洞的孔隙清楚裂纹尖端部位上称为蠕变孔洞的孔隙清楚表明蠕变过程引起了失效。表明蠕变过程引起了失效。（3 3）Larsen-Miller Larsen-Miller 公式估计：公式估计： 钢管的寿命超过钢管的寿命超过118.7118.7年。年。（
25、4 4）问题出现在焊接件上。）问题出现在焊接件上。材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义36材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义37焊接蒸汽管在焊接蒸汽管在极高温下破裂极高温下破裂的照片的照片材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义38材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义39材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义40 案例研究案例研究 电子线路中导线连接点处的失效电子线路中导线连接点处的失效现代电子线路中，在金的导线和铝衬板之间有数以现代电子线路中，在金的导线和铝衬板之间有数以百计的连接点，它们形成硅芯片与封装外壳之间的百计的连接点，它们形成硅芯片与封装外壳之间
26、的电导通连接。这些导线节点是由热压或者热声波工电导通连接。这些导线节点是由热压或者热声波工艺制作的。其几何形状在下图中示意性给出。工艺艺制作的。其几何形状在下图中示意性给出。工艺过程包括在过程包括在AlAl衬板的一侧上压上衬板的一侧上压上AuAu球，而在另外一球，而在另外一侧上形成楔形连接点。在服役期间发现这些导线中侧上形成楔形连接点。在服役期间发现这些导线中有失效发生。我们将考察导致失效的原因。有失效发生。我们将考察导致失效的原因。材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义41材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义42 解答解答AlAl和和AuAu通过互扩散形成两种脆性金属间化合物。
27、这通过互扩散形成两种脆性金属间化合物。这些金属间化合物些金属间化合物AuAu2 2AlAl和和AuAu5 5Al2Al2能在能在23-5023-50o oC C的温度范的温度范围内逐渐形成，而这正是这些线路的工作时所处的围内逐渐形成，而这正是这些线路的工作时所处的温度范围。在导线接点表面上形成的这些脆性金属温度范围。在导线接点表面上形成的这些脆性金属间化合物能够由于热循环而引起如图间化合物能够由于热循环而引起如图17-2517-25所示的疲所示的疲劳失效。由于金属间化合物的形成所消耗的金也能劳失效。由于金属间化合物的形成所消耗的金也能造成导线接点处形成孔洞，它们随着时间扩展，最造成导线接点处形
28、成孔洞，它们随着时间扩展，最终引起断裂。终引起断裂。材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义43材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义44 2.2.复合材料的失效分析复合材料的失效分析材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义45材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义46材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义47材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义48 3.3.失效预防失效预防负责任的实际操作、良好的维护、认真细致的定期负责任的实际操作、良好的维护、认真细致的定期检验发生断裂的关键构件，是避免失效的最好方法。检验发生断裂的关键构件，是避免失效的最好方法。材料科学
29、与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义49案例研究案例研究 航天压力容器的检查时间间隔的评估航天压力容器的检查时间间隔的评估一个航天压力容器是有一个航天压力容器是有AlAl做成的。容器的外径是做成的。容器的外径是20cm20cm，壁厚是壁厚是1cm1cm。该容器承受。该容器承受10MPa10MPa的氢压。该压力在的氢压。该压力在4h4h中逐中逐渐减少到渐减少到2MPa2MPa。然后对容器重新加压。容器的设计寿命。然后对容器重新加压。容器的设计寿命为为5 5年。制造工艺可能留下沿压力容器整体长度上的纵年。制造工艺可能留下沿压力容器整体长度上的纵观向裂纹。使用超声波法对容器进行检测。观向裂纹。使用超
30、声波法对容器进行检测。需要你推荐需要你推荐一个在制造期间的检验标准以及在随后服役期间的检验一个在制造期间的检验标准以及在随后服役期间的检验间隔。间隔。该该AlAl合金的疲劳裂纹扩展特性由下式给出合金的疲劳裂纹扩展特性由下式给出：（该：（该合金的断裂韧性为合金的断裂韧性为30 MPa m30 MPa m1/21/2）4128.5 10daKdN材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义50材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义51材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义521.先计算断裂时的临界裂纹尺寸2.估算能允许设计寿命为10950循环（5年）的原始裂纹尺寸3.建议确定一个超声波检测程序，能够检测深度为2.2 mm的缺陷，并且不遗漏尺寸为3.5mm的裂纹，而且，压力容器也必须使用相同的程序每10个月检测一次。材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义53无损检测技术硬度检测硬度检测液体渗透检测液体渗透检测磁粉探伤法磁粉探伤法超声波检测超声波检测X X线照相术线照相术涡流技术、光学全息术、中子照相术涡流技术、光学全息术、中子照相术材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义54检测构件中内部裂纹的检测构件中内部裂纹的X X线照相方法的示意图线照相方法的示意图材料科学与工程导论材料科学与工程导论讲义讲义55
