1、工程材料学工程材料学第第1 1章章 序序 论论 第第1 1节节 概述概述一、工程材料一、工程材料 什么是工程材料？印象中工程材料是哪类材料？什么是工程材料？印象中工程材料是哪类材料？是否联想到：建筑工程、桥梁、企业建设所用到的材料？是否联想到：建筑工程、桥梁、企业建设所用到的材料？实际上工程材料的含义远非如此，实际上工程材料的含义远非如此，凡与凡与工程工程有关的材料均谓之有关的材料均谓之工程材料工程材料。如机器零件（轴承、弹簧等部件）、工模具、量具、工业加热炉内的构如机器零件（轴承、弹簧等部件）、工模具、量具、工业加热炉内的构件、飞机发动机涡轮叶片、高分子材料中的粘结剂、防宇宙射线的宇航服件、
2、飞机发动机涡轮叶片、高分子材料中的粘结剂、防宇宙射线的宇航服（芳香族聚酰胺纤维）、镍氢电池中的储氢合金（芳香族聚酰胺纤维）、镍氢电池中的储氢合金 工程材料按其性能特点分为结构材料和功能材料两大类。工程材料按其性能特点分为结构材料和功能材料两大类。结构材料结构材料以以力学性能为主力学性能为主,兼有一定的物理、化学性能。兼有一定的物理、化学性能。功能材料功能材料以特殊的物理、化以特殊的物理、化学性能为主学性能为主,如那些要求有电、光、声、磁、热等功能和效应的材料。如那些要求有电、光、声、磁、热等功能和效应的材料。总之，工程材料包括了与工农业、国防尖端技术等各行各业有关的所总之，工程材料包括了与工农
3、业、国防尖端技术等各行各业有关的所有材料。按照其基本成分分类见图有材料。按照其基本成分分类见图1 11 1。二、新材料发展趋势二、新材料发展趋势1 1继续重视高性能的新型金属材料继续重视高性能的新型金属材料 指具有高强度、高韧性、耐高温、耐低温、抗腐蚀、抗辐射等性指具有高强度、高韧性、耐高温、耐低温、抗腐蚀、抗辐射等性能的材料。这种材料与发展空间技术、核能、海洋开发等工业有着能的材料。这种材料与发展空间技术、核能、海洋开发等工业有着极其密切的关系。新材料是依靠新技术和新工艺发展的。例如，合极其密切的关系。新材料是依靠新技术和新工艺发展的。例如，合金成分的物理冶金设计，微量元素的加入与控制，特殊
4、组织结构的金成分的物理冶金设计，微量元素的加入与控制，特殊组织结构的控制等，可大幅度提高材料的性能。面向控制等，可大幅度提高材料的性能。面向2121世纪，金属材料仍占主世纪，金属材料仍占主导地位。导地位。2 2结构材料趋向于复合化结构材料趋向于复合化 尽管金属材料采用了一系列强韧化措施及发展了非金属材料，如尽管金属材料采用了一系列强韧化措施及发展了非金属材料，如高分子材料和陶瓷材料高分子材料和陶瓷材料,但由于单一材料存在难以克服的某些缺点，但由于单一材料存在难以克服的某些缺点，如脆性、弹性模量低、比强度不足等。所以把不同的材料进行复合如脆性、弹性模量低、比强度不足等。所以把不同的材料进行复合以
5、得到优于原组分性能的新材料，就成为结构材料发展的一个重要以得到优于原组分性能的新材料，就成为结构材料发展的一个重要趋势。如玻璃树脂基的第一代复合材料，碳纤维增强树脂基的第二趋势。如玻璃树脂基的第一代复合材料，碳纤维增强树脂基的第二代复合材料，第三代复合材料则是正在发展的金属基、陶瓷基及碳代复合材料，第三代复合材料则是正在发展的金属基、陶瓷基及碳基复合材料。复合材料在航空、航天工业和汽车工业中获得了广泛基复合材料。复合材料在航空、航天工业和汽车工业中获得了广泛的应用，在化工设备和其它方面也有较多的应用。的应用，在化工设备和其它方面也有较多的应用。3低维材料正在扩大应用低维材料正在扩大应用 包括零
6、维包括零维(超微粒超微粒)、一维、一维(纤维纤维)和二维薄膜材料，可用于作结构材料和功和二维薄膜材料，可用于作结构材料和功能材料。能材料。通过化学反应、气相沉积等方法，可制出亚微米级和纳米级通过化学反应、气相沉积等方法，可制出亚微米级和纳米级(1-100mm)的的金属或陶瓷金属或陶瓷粉末粉末。有很大的比表面积和比表面能，熔点低，扩散速度快，。有很大的比表面积和比表面能，熔点低，扩散速度快，烧结温度下降，强度高而塑性好，具有良好的综合性能。某些超微粒功能烧结温度下降，强度高而塑性好，具有良好的综合性能。某些超微粒功能材料，可成为高效吸波材料。材料，可成为高效吸波材料。一维一维材料最突出的是光导纤
7、维，可用于作通信工程材料。纤维结构材料是材料最突出的是光导纤维，可用于作通信工程材料。纤维结构材料是复合材料中的主要增强组分，它决定了复合材料的关键性能；纤维中的晶复合材料中的主要增强组分，它决定了复合材料的关键性能；纤维中的晶须，其强度和刚度可接近理论强度值；碳纤维、有机高分子纤维和陶瓷纤须，其强度和刚度可接近理论强度值；碳纤维、有机高分子纤维和陶瓷纤维均有广阔的应用前景。维均有广阔的应用前景。二维二维的薄膜材料发展迅速，金刚石薄膜和有机高分子薄膜十分诱人，高温超的薄膜材料发展迅速，金刚石薄膜和有机高分子薄膜十分诱人，高温超导薄膜也尤为突出。金刚石薄膜可用于高速电子计算机的微芯片；高分子导薄
8、膜也尤为突出。金刚石薄膜可用于高速电子计算机的微芯片；高分子分离膜已在水处理、化工生产、高纯物质制备等方面获得了应用；高温超分离膜已在水处理、化工生产、高纯物质制备等方面获得了应用；高温超导薄膜将开辟超导技术的新领域。导薄膜将开辟超导技术的新领域。4非晶非晶(亚稳态亚稳态)材料日益受到重视材料日益受到重视 70年代通过快冷技术年代通过快冷技术(106s)而获得非晶态或亚稳态合金材料。由而获得非晶态或亚稳态合金材料。由于骤冷，金属中的合金元素于骤冷，金属中的合金元素偏析程度降低，没有晶界，偏析程度降低，没有晶界，从而可提高合金从而可提高合金化程度，而化程度，而不致产生脆性相不致产生脆性相。非晶态
9、合金具有高强度、耐腐蚀等特点，。非晶态合金具有高强度、耐腐蚀等特点，某些非晶态铁基合金具有很好的磁学性能，用作变压器比硅钢片的铁损某些非晶态铁基合金具有很好的磁学性能，用作变压器比硅钢片的铁损低低23。在工程应用中，通过在工程应用中，通过激光束表面处理激光束表面处理可在工件表面获得非晶态，具有高可在工件表面获得非晶态，具有高耐磨性和耐蚀性。另外，非晶态的硅太阳能电池，光电转换率可达耐磨性和耐蚀性。另外，非晶态的硅太阳能电池，光电转换率可达15，有很大进一步实用化研究价值。有很大进一步实用化研究价值。5功能材料迅速发展功能材料迅速发展 功能材料功能材料是当代新技术中能源技术、空间技术、信息技术和
10、计算机技是当代新技术中能源技术、空间技术、信息技术和计算机技术的物质基础。功能材料是术的物质基础。功能材料是90年代材料研究与生产中最活跃的领域。例年代材料研究与生产中最活跃的领域。例如，由于超大容量信息通信网络和超高计算机的发展，对集成电路的要如，由于超大容量信息通信网络和超高计算机的发展，对集成电路的要求越来越高，促进集成度逐年增加。从材料看，除了硅半导体外，化合求越来越高，促进集成度逐年增加。从材料看，除了硅半导体外，化合物半导体受到越来越多的重视。又如有关磁记录和磁光记录材料、高温物半导体受到越来越多的重视。又如有关磁记录和磁光记录材料、高温超导材料、光电转换材料等都将有进一步的发展。
11、近年来超导材料、光电转换材料等都将有进一步的发展。近年来功能梯度材料功能梯度材料发展很快，其性能是原来的均质材料和一般复合材料所不具备的，梯度发展很快，其性能是原来的均质材料和一般复合材料所不具备的，梯度功能材料将有巨大的应用潜力。功能材料将有巨大的应用潜力。一般复合材料中分散相是均匀分布的，但在有些情况下，常常希望同一般复合材料中分散相是均匀分布的，但在有些情况下，常常希望同一件材料两侧具有不同的功能，又希望两侧结合得完美，从而不至于在苛一件材料两侧具有不同的功能，又希望两侧结合得完美，从而不至于在苛刻条件下因性能不匹配而发生破坏。刻条件下因性能不匹配而发生破坏。航天飞机推进系统中超音速燃烧
12、冲压式发动机，燃烧气体温度超过航天飞机推进系统中超音速燃烧冲压式发动机，燃烧气体温度超过2000；燃烧室壁另一侧又要经受作为燃料的液氢的冷却作用，温度为；燃烧室壁另一侧又要经受作为燃料的液氢的冷却作用，温度为200。一般材料显然满足不了这一要求。于是，人们想到将金属和陶瓷。一般材料显然满足不了这一要求。于是，人们想到将金属和陶瓷联合起来使用，用陶瓷去对付高温，用金属来对付低温。联合起来使用，用陶瓷去对付高温，用金属来对付低温。但是，用传统的技术将金属和陶瓷结合起来时，由于二者的界面热力学但是，用传统的技术将金属和陶瓷结合起来时，由于二者的界面热力学特性匹配不好，在极大的热应力下还是会遭到破坏。
13、特性匹配不好，在极大的热应力下还是会遭到破坏。在陶瓷和金属之间通过连续地控制内部组成和微细结构的变化，使两种在陶瓷和金属之间通过连续地控制内部组成和微细结构的变化，使两种材料之间不出现界面，从而使整体材料具有耐热应力强度和机械强度也较材料之间不出现界面，从而使整体材料具有耐热应力强度和机械强度也较好的新功能。好的新功能。又如又如W-Cu热沉材料。热沉材料。6特殊条件下应用的材料特殊条件下应用的材料 在低温、高压、高真空、高温以及辐射条件下，材料的结构和组织将在低温、高压、高真空、高温以及辐射条件下，材料的结构和组织将会转变，并由此引起性能变化。研究这些变化规律，将有利于改善材会转变，并由此引起
14、性能变化。研究这些变化规律，将有利于改善材料性能和开发新材料。例如，在高压下的结构材料，由于原子间距离料性能和开发新材料。例如，在高压下的结构材料，由于原子间距离缩短，材料将由绝缘体转变为导电体，缩短，材料将由绝缘体转变为导电体，NbNb3 3SnSn、NbNb3 3CeCe和和NbNb3 3SiSi等超导体等超导体均在高压下合成。现正在开展高压力及冲击波对材料性能影响的试验均在高压下合成。现正在开展高压力及冲击波对材料性能影响的试验研究，理论上预测氢在几千万大气压下将转变为金属态，它在室温时研究，理论上预测氢在几千万大气压下将转变为金属态，它在室温时就具有超导性，它的实现还有待于高压条件的创
15、建。另外，对太空、就具有超导性，它的实现还有待于高压条件的创建。另外，对太空、深海洋等工程技术所用的材料也将继续深入研究。深海洋等工程技术所用的材料也将继续深入研究。7材料的设计及选用计算机化材料的设计及选用计算机化 由于电子计算机及应用技术的高度发展，使得人们可以按照指定的性由于电子计算机及应用技术的高度发展，使得人们可以按照指定的性能进行材料设计正逐步成为现实。通过电子计算机的应用以及量子力能进行材料设计正逐步成为现实。通过电子计算机的应用以及量子力学、系统工程和统计学的运用，可以在微观与宏观相结合的基础上进学、系统工程和统计学的运用，可以在微观与宏观相结合的基础上进行材料设计和选用，使之
16、最佳化。目前已建立起计算机化的各种材料行材料设计和选用，使之最佳化。目前已建立起计算机化的各种材料性能数据库和计算机辅助选材系统，并进一步向智能化方向发展性能数据库和计算机辅助选材系统，并进一步向智能化方向发展,从从而提高了工程技术的用材水平。而提高了工程技术的用材水平。三、工程材料三、工程材料学学 不仅学习各种材料的分类、基本特性、制备方法、用途，而且学习材料不仅学习各种材料的分类、基本特性、制备方法、用途，而且学习材料性能与组成、组织结构、制备工艺之间的内在联系、作用机理。性能与组成、组织结构、制备工艺之间的内在联系、作用机理。以典型的工程材料为例以典型的工程材料为例，学习材料（重点是金属
17、材料）所表现出的宏观，学习材料（重点是金属材料）所表现出的宏观性能的内在本质，为提高材料性能、开发新材料、材料选择、使用打基础。性能的内在本质，为提高材料性能、开发新材料、材料选择、使用打基础。第第2节节 工程材料失效分析工程材料失效分析一、概念与意义一、概念与意义 失效失效：工程上所使用的工件在使用过程中失去所规定的功能。：工程上所使用的工件在使用过程中失去所规定的功能。有些场合使用的零件失效不会造成很大的损失（弹簧）。但有些场有些场合使用的零件失效不会造成很大的损失（弹簧）。但有些场合失效会造成巨大的经济损失，甚至危及生命安全，如锅炉材料，特别合失效会造成巨大的经济损失，甚至危及生命安全，
18、如锅炉材料，特别是航空航天、核工业、大型工程等。是航空航天、核工业、大型工程等。所以必须分析失效原因，提出预防措施，这就发展了新学科所以必须分析失效原因，提出预防措施，这就发展了新学科失失效分析学。效分析学。为什么本课程学习材料失效？为什么本课程学习材料失效？二、失效原因二、失效原因 失效原因并不是简单的设计、计算问题。如轧机支架：失效原因并不是简单的设计、计算问题。如轧机支架：除剪切力、拉应力外，还有疲劳，过渡角等因素。除剪切力、拉应力外，还有疲劳，过渡角等因素。再者，还与使用环境等很多因素有关，可概括为四个方面：再者，还与使用环境等很多因素有关，可概括为四个方面：（一）（一）设计设计 应从
19、强度计算、结构形式、选材、使用条件和环境的影响等多个应从强度计算、结构形式、选材、使用条件和环境的影响等多个 方面方面周密考虑周密考虑安全使用寿命问题。安全使用寿命问题。设计中的错误主要表现为：设计中的过载荷、外形上的应力集中、设计中的错误主要表现为：设计中的过载荷、外形上的应力集中、焊接或装配不当，没有考虑使用条件和环境的影响等。焊接或装配不当，没有考虑使用条件和环境的影响等。工件外形设计不合理或结构上存在问题，将引起应力集中。如尖角、工件外形设计不合理或结构上存在问题，将引起应力集中。如尖角、过渡角太小、凹槽和缺口布置或设计不当等。过渡角太小、凹槽和缺口布置或设计不当等。在未经周密的计算，
20、或构件形状复杂，及很难进行应力计算时就从事在未经周密的计算，或构件形状复杂，及很难进行应力计算时就从事设计，也将引起工件早期失效。例如汽轮机叶片，由于设计不当，经常设计，也将引起工件早期失效。例如汽轮机叶片，由于设计不当，经常发生共振损坏。发生共振损坏。德国阿连兹技术中心德国阿连兹技术中心(AZT)(AZT)曾对曾对12001200次蒸汽轮机电站失效原因进行统次蒸汽轮机电站失效原因进行统计分析，其中设计及结构引起的事故占计分析，其中设计及结构引起的事故占17175 5，这说明了设计与失效，这说明了设计与失效之间的密切关系。之间的密切关系。配合：共振等。腐蚀等；环境：温度介质、应力等；使用条件：
21、振动、疲劳缺口；外形：夹角、过渡角、；，受力复杂，很难计算载荷：注意复杂的零件 （二）选材（二）选材 1.1.选材不当选材不当 主要原因，如主要原因，如80.12.180.12.1加拿大某地储油罐炸裂，引起大火，损失加拿大某地储油罐炸裂，引起大火，损失850850万美万美元。失效分析表明，是由于选用锰碳比很低的元。失效分析表明，是由于选用锰碳比很低的ASTMA283ASTMA283钢，在低温使用，钢，在低温使用，导致储油罐壳发生脆性断裂。导致储油罐壳发生脆性断裂。2.2.材质低劣材质低劣 材料的生产经冶炼、铸造、锻造、轧制等阶段，这些过程中造成的缺陷材料的生产经冶炼、铸造、锻造、轧制等阶段，这
22、些过程中造成的缺陷往往会导致早期失效。往往会导致早期失效。(1)(1)冶炼：冶炼工艺较差，会使钢中有较多的氧、氢、氮，并形成非金属冶炼：冶炼工艺较差，会使钢中有较多的氧、氢、氮，并形成非金属夹杂物，不仅使材料变脆，甚至还会成为疲劳源。夹杂物，不仅使材料变脆，甚至还会成为疲劳源。(2)(2)铸造：铸造工艺不当，可产生铸造缺陷；铸件中由于碳化物、氮化物铸造：铸造工艺不当，可产生铸造缺陷；铸件中由于碳化物、氮化物和硫化物等沿晶界的析出，会引起铸件产生沿晶断裂。和硫化物等沿晶界的析出，会引起铸件产生沿晶断裂。(3)(3)锻造或轧制：锻造工艺不当，会产生各种缺陷，如过热、过烧、锻造或锻造或轧制：锻造工艺
23、不当，会产生各种缺陷，如过热、过烧、锻造或轧制裂纹、流线分布不良及折叠等。轧制裂纹、流线分布不良及折叠等。般不全检，或手段问题材料本身质量：检验一对材料性能认识不足；选材：某些特殊条件下焊接裂纹、残余应力。焊接：气孔、未焊透、陷；烧、回火不足、组织缺变形、开裂、过热、过热加工：氧化、脱碳、疲劳断裂；应力集中磨）：表面裂纹、粗糙冷加工（车、铣、刨、（三）加工（三）加工 1 1冷加工冷加工 加工工艺不当。磨削深度过大或冷却不充分，使表面出现回火组织加工工艺不当。磨削深度过大或冷却不充分，使表面出现回火组织使表面硬度降低，甚至形成磨削裂纹；零件表面加工粗糙，造成应力使表面硬度降低，甚至形成磨削裂纹；
24、零件表面加工粗糙，造成应力集中。例如某厂购进一批集中。例如某厂购进一批DALDAL载重汽车，使用两年后，约有载重汽车，使用两年后，约有4 4的发动的发动机曲轴发生断裂，经分析，是由于加工质量不符合规定而造成的早期机曲轴发生断裂，经分析，是由于加工质量不符合规定而造成的早期失效。失效。2 2热处理热处理 文献报告表明，工模具失效大部分是热处理不当造成的。例如，文献报告表明，工模具失效大部分是热处理不当造成的。例如，天津机车车辆厂用天津机车车辆厂用60Si2Mn60Si2Mn钢生产的热成型弹簧，装车使用后不久就钢生产的热成型弹簧，装车使用后不久就产生了断裂。分析认为，是由于弹簧在热处理时加热温度过
25、高引起淬产生了断裂。分析认为，是由于弹簧在热处理时加热温度过高引起淬火裂纹所致。火裂纹所致。3 3焊接焊接 焊接缺陷引起失效的例子也很多。如焊接时产生气孔、未焊透、焊焊接缺陷引起失效的例子也很多。如焊接时产生气孔、未焊透、焊接裂纹等均会造成工件在使用过程中早期失效。另外，焊接所引起的接裂纹等均会造成工件在使用过程中早期失效。另外，焊接所引起的残余应力也会引起零件的早期失效。残余应力也会引起零件的早期失效。（四）安装（四）安装 据文献统计，在据文献统计，在260260起压力容器失效中，属于操作不当而造成的失效竟起压力容器失效中，属于操作不当而造成的失效竟占占74746 6。又如前苏联切尔诺贝利核
26、电站事故是由于电站工作人员粗暴违。又如前苏联切尔诺贝利核电站事故是由于电站工作人员粗暴违反反应堆装置的操作规程，导致了这场大灾难。反反应堆装置的操作规程，导致了这场大灾难。总之，工件失效的原因是复杂的，它是各种因素共同作用的结果。但每总之，工件失效的原因是复杂的，它是各种因素共同作用的结果。但每一失效事故，都有一个导致失效的主要原因。因此对各种服役条件下的工一失效事故，都有一个导致失效的主要原因。因此对各种服役条件下的工件失效，应作具体分析，找出失效方式和失效抗力指标。失效分析时应做件失效，应作具体分析，找出失效方式和失效抗力指标。失效分析时应做到设计、材料、工艺相结合；结构强度与材料强度相结
27、合；宏观规律与微到设计、材料、工艺相结合；结构强度与材料强度相结合；宏观规律与微观机理相结合；规律性试验与生产实际相结合。观机理相结合；规律性试验与生产实际相结合。载等。良，会引起其它零件过维修保养：一个零件不过载使用：大增加；操作失误：工件受力大）；减小，个别零件未受力局部应力过大（接触面安装不良：配合不当三、失效类型三、失效类型(一一)变形失效变形失效 弹性弹性变形、变形、塑性塑性变形、变形、蠕变蠕变变形。变形。(二二)断裂失效断裂失效(1)塑性断裂失效：断裂前有一定塑料变形，一般是非灾难性的。塑性断裂失效：断裂前有一定塑料变形，一般是非灾难性的。(2)脆性断裂失效：脆性断裂失效：突发性突
28、发性。(3)疲劳断裂：最终断裂是疲劳断裂：最终断裂是瞬时瞬时的，因此的，因此危害性较大危害性较大。工程上疲劳断裂约。工程上疲劳断裂约占失效总数的占失效总数的80以上。以上。(4)蠕变断裂失效：最终断裂是蠕变断裂失效：最终断裂是瞬时瞬时的。多属高温低应力沿晶蠕变断裂。的。多属高温低应力沿晶蠕变断裂。(三三)腐蚀失效腐蚀失效 与周围介质发生与周围介质发生化学化学或或电化学作用电化学作用。其中应力腐蚀、氢脆和腐蚀疲劳其中应力腐蚀、氢脆和腐蚀疲劳等是突发性失效，而点腐蚀、缝隙腐蚀等局部腐蚀和大部分均匀腐蚀失等是突发性失效，而点腐蚀、缝隙腐蚀等局部腐蚀和大部分均匀腐蚀失效不是突发性的。效不是突发性的。失
29、效形式多，机理复杂，占较大比率。失效形式多，机理复杂，占较大比率。(四四)磨损失效磨损失效 后果一般不像断裂失效和腐蚀失效那么严重，然而近年来却发现一些后果一般不像断裂失效和腐蚀失效那么严重，然而近年来却发现一些来自磨损的灾难性事故。磨损失效主要有：来自磨损的灾难性事故。磨损失效主要有：粘着磨损、磨粒磨损、接触粘着磨损、磨粒磨损、接触疲劳磨损、微动磨损、气蚀疲劳磨损、微动磨损、气蚀等几种失效形式等几种失效形式(一一)冶金质量问题冶金质量问题 微量杂质元素对金属材料性能影响很大。提高纯度，如钢铁中微量杂质元素对金属材料性能影响很大。提高纯度，如钢铁中S、P(二二)微合金化微合金化 钢、铜、铝。提
30、高强韧性。钢、铜、铝。提高强韧性。(三三)控制轧制控制轧制 细晶组织，尽量减少缺陷和内应力。细晶组织，尽量减少缺陷和内应力。(四四)强韧化工艺强韧化工艺 如板条状位错型马氏体的应用、亚温淬火、超细晶粒处理、形变热处如板条状位错型马氏体的应用、亚温淬火、超细晶粒处理、形变热处理和复合热处理、超高温淬火、碳化物的微细化处理、高碳钢和渗碳钢的理和复合热处理、超高温淬火、碳化物的微细化处理、高碳钢和渗碳钢的短时加热淬火等。短时加热淬火等。(五五)采用局部复合强化采用局部复合强化 采用局部复合强化，克服薄弱环节。例如中碳合金结构钢淬火、低温采用局部复合强化，克服薄弱环节。例如中碳合金结构钢淬火、低温回火
31、后滚压；合金渗碳钢经回火后滚压；合金渗碳钢经C-N共渗淬火、低温回火后滚压，都可提高其共渗淬火、低温回火后滚压，都可提高其疲劳极限。疲劳极限。四、提高失效抗力的方法（从材料角度）四、提高失效抗力的方法（从材料角度）3.3.热容经验定律评价热容经验定律评价第第3节节 工程材料的选用原则工程材料的选用原则工程材料学的最终目的：工程材料学的最终目的：提高材料的提高材料的使用性能使用性能、经济性经济性，最终准确、合理地使用材料。，最终准确、合理地使用材料。所以要了解工程材料选用选用原则、要求，在学习、研究中增强目的性。所以要了解工程材料选用选用原则、要求，在学习、研究中增强目的性。一、使用性能一、使用
32、性能能够安全可能够安全可靠工作所必靠工作所必备的性能备的性能）、太高（资源问题：的材料，安全系数不必经济性：尽量使用便宜工、焊接、热处理）便、可行性（铸造、加工艺性能：满足制备方安全性）能满足使用要求（使用性技术性CoNi腐蚀、抗氧化等。化学性能：耐高温、耐、光等；物理性能：热、点、磁性模量、硬度等；、韧性、疲劳强度、弹、力学性能：2.0b第第3节节 工程材料的选用原则工程材料的选用原则二、工艺性能二、工艺性能制备过程中各制备过程中各种工艺过程是种工艺过程是否易实现否易实现、润湿、膨胀等复合材料相容性：反应陷等切削：硬度、粘性、缺化等；稳定性、过热过烧、氧性、变形与开裂、回火热处理：淬透性、淬
33、硬钢，铝合金与镁合金；不锈钢、铸铁与低碳元素焊接：基体材料、合金锻造：塑性加工能力；等）；孔、裂纹、偏析、夹杂性等（问题：疏松、气铸造：凝固潜热、流动第第4节节 材料化学成分、组织结构与性能之间的关系材料化学成分、组织结构与性能之间的关系化学成分：化学成分：FeAl、铁钢、铁钢、AZ31-AZ91组织结构：晶体结构、显微组织、精细结构组织结构：晶体结构、显微组织、精细结构外部条件：温度、介质、应力状态等外部条件：温度、介质、应力状态等铸造工艺，热处理，冷、加塑性工加工工艺等铸造工艺，热处理，冷、加塑性工加工工艺等纤维强化、颗粒强化，定向凝固等纤维强化、颗粒强化，定向凝固等材料性能外部条件组织结
34、构化学成分组织结构加工、处理工艺化学成分基本要求：基本要求：掌握工程材料及其分类，了解新材料的发展趋势。掌握工程材料及其分类，了解新材料的发展趋势。掌握材料化学成分、组织结构与性能之间的关系。掌握材料化学成分、组织结构与性能之间的关系。思考题：思考题：1.思考影响金属材料力学性能的因素。思考影响金属材料力学性能的因素。2.分析材料化学成分、组织结构与性能间的关系。分析材料化学成分、组织结构与性能间的关系。失效分析在适航与维修中的作用失效分析在适航与维修中的作用适航中心适航中心 粟牧怀粟牧怀 改革开放以来，我国民用航空业发展较快。但由于技术人员不足和管理水平不高改革开放以来，我国民用航空业发展较
35、快。但由于技术人员不足和管理水平不高在在80年代未和年代未和90年代初多次出现较严重的航空事故。当时在民航系统内没有较完善的年代初多次出现较严重的航空事故。当时在民航系统内没有较完善的失效分析部门和专业分析人员。在出现机械零、部件的失效和由于机械原因导致事故失效分析部门和专业分析人员。在出现机械零、部件的失效和由于机械原因导致事故时，多是将失效件送国外或国内其他系统的分析部门进行失效分析，但由于利益、责时，多是将失效件送国外或国内其他系统的分析部门进行失效分析，但由于利益、责任问题和对民航的维护、使用特点的不了解，经常得到不正确的结论。如任问题和对民航的维护、使用特点的不了解，经常得到不正确的
36、结论。如-30KY-154 发动机的非包容性破坏事故，苏联事故调查人员的结论是因我国使用不当而引起发动发动机的非包容性破坏事故，苏联事故调查人员的结论是因我国使用不当而引起发动机包容性事故。但后经民航组织分析小组重新调查、分析、试验，是因发动机高压轴机包容性事故。但后经民航组织分析小组重新调查、分析、试验，是因发动机高压轴内一密封胶卷选材不合理，引起高压轴和衬套间高压，导致低压传动轴断裂。同时此内一密封胶卷选材不合理，引起高压轴和衬套间高压，导致低压传动轴断裂。同时此型发动机没有防型发动机没有防“飞转飞转”措施。又如措施。又如ALF-502 发动机的一级涡轮叶片发生了断裂。经发动机的一级涡轮叶
37、片发生了断裂。经制造厂分析为正常的疲劳断裂。发动机执管单位又将此叶片送到刚组建的航空材料失制造厂分析为正常的疲劳断裂。发动机执管单位又将此叶片送到刚组建的航空材料失效分析室。经分析，疲劳裂纹起源于叶片的缺陷是在叶片铸造时产生的。这种例子还效分析室。经分析，疲劳裂纹起源于叶片的缺陷是在叶片铸造时产生的。这种例子还有很多但当时民航系统无自己的失效分析部门，只能接受别人的分析结果。因此很难有很多但当时民航系统无自己的失效分析部门，只能接受别人的分析结果。因此很难保证采取的措施正确性。保证采取的措施正确性。随着我国适航管理工作不断深入发展，适航部门感到有必要在民航系统成立自己的，随着我国适航管理工作不
38、断深入发展，适航部门感到有必要在民航系统成立自己的，权威性失效分析部门。其工作责任是研究重大的，多发性故障权威性失效分析部门。其工作责任是研究重大的，多发性故障;在发生事故时协助调在发生事故时协助调查和试验分析查和试验分析,找出引起故障或事故的真实原因，协助制定防止再次发生类似问题的方找出引起故障或事故的真实原因，协助制定防止再次发生类似问题的方法及措施，保证民用航空安全。在总局各级领导关心下，各兄弟单位的帮助下，适航法及措施，保证民用航空安全。在总局各级领导关心下，各兄弟单位的帮助下，适航中心航空材料失效分析室于中心航空材料失效分析室于1992年年9月月26日正式成立，并陆续购置了扫瞄电子显
39、微镜、日正式成立，并陆续购置了扫瞄电子显微镜、X射线能谱分析仪、金相显微镜、红外分析仪等具有世界先进水平的设备，培养引进射线能谱分析仪、金相显微镜、红外分析仪等具有世界先进水平的设备，培养引进了具有博士、硕士及大学学历具有高级、中级技术职称的专业技术人员开始开展失了具有博士、硕士及大学学历具有高级、中级技术职称的专业技术人员开始开展失效分析工作。下面通过几个实例来看失效分析在适航和维修中的作用。效分析工作。下面通过几个实例来看失效分析在适航和维修中的作用。我国的波音我国的波音747一一SP型飞机在型飞机在89年时出现了一次机翼前梁腹板的上缘处开裂事件，整个裂纹年时出现了一次机翼前梁腹板的上缘处
40、开裂事件，整个裂纹长达长达660毫米。当时断裂件送制造厂分析，结论是由于声音而引起的疲劳裂纹。毫米。当时断裂件送制造厂分析，结论是由于声音而引起的疲劳裂纹。2年后年后,在同型号在同型号的另一架飞机上的相同位置又发生了形状完全相同长度更长的裂纹，送制造厂分析后结论相同，的另一架飞机上的相同位置又发生了形状完全相同长度更长的裂纹，送制造厂分析后结论相同，但适航部门感到这二次故障的现象十分相似，而且考虑到发生位置的危害性，利用刚刚成立安但适航部门感到这二次故障的现象十分相似，而且考虑到发生位置的危害性，利用刚刚成立安装完的设备开展了分析工作。经分析发现裂纹产生的位置是在机翼前缘上梁，并处于发动机前装
41、完的设备开展了分析工作。经分析发现裂纹产生的位置是在机翼前缘上梁，并处于发动机前吊挂处。产生这种裂纹的主应力不是飞行中的应力，而是飞机着陆过程中由于重力引起的瞬间吊挂处。产生这种裂纹的主应力不是飞行中的应力，而是飞机着陆过程中由于重力引起的瞬间高应力。同时在裂纹起源处找到了产生应力集中的缺陷。整个裂纹上没有声音疲劳的断裂特征。高应力。同时在裂纹起源处找到了产生应力集中的缺陷。整个裂纹上没有声音疲劳的断裂特征。因此我们认为是因构件上有制造而产生的应力集中点，在着陆的载荷的作用下，引起了低循环因此我们认为是因构件上有制造而产生的应力集中点，在着陆的载荷的作用下，引起了低循环疲劳断裂。为了避免产生此
42、类裂纹，应在结构设计上改进和避免制造过程中产生应力集中点。疲劳断裂。为了避免产生此类裂纹，应在结构设计上改进和避免制造过程中产生应力集中点。此结论得到波音公司的认可，并采取了必要的防止方法。此结论得到波音公司的认可，并采取了必要的防止方法。在某航空公司所执管的在某航空公司所执管的BAe一一146飞机上多次发现轮毂内的裂纹。该公司将毂送来希望能确定失飞机上多次发现轮毂内的裂纹。该公司将毂送来希望能确定失效原因。经分析发现在裂纹源区有较严重的晶间腐蚀现象。同时在内表面漆层脱落的应力集中效原因。经分析发现在裂纹源区有较严重的晶间腐蚀现象。同时在内表面漆层脱落的应力集中的尖角处也存在着程度不同的晶间腐
43、蚀现象。分析后得出因有腐蚀介质的流入而引起应力腐蚀的尖角处也存在着程度不同的晶间腐蚀现象。分析后得出因有腐蚀介质的流入而引起应力腐蚀疲劳开裂。在一般情况下，轮毂内不应接触到腐蚀性介质。只有在清洗飞机或维护不当时可能疲劳开裂。在一般情况下，轮毂内不应接触到腐蚀性介质。只有在清洗飞机或维护不当时可能产生腐蚀介质的流入，在缺少漆层保护的应力集中处产生应力腐蚀裂纹。因此需在维护上注意，产生腐蚀介质的流入，在缺少漆层保护的应力集中处产生应力腐蚀裂纹。因此需在维护上注意，避免产生上述现象。避免产生上述现象。我国发生的我国发生的MD一一82飞机主起落架折断事件，经分析发现此起落架存在着较严重的不符合要求飞机
44、主起落架折断事件，经分析发现此起落架存在着较严重的不符合要求的粗大晶粒。分析认为是因缺少道垫处理工序而引起的粗大晶粒。这种粗大晶粒使起落架的抗的粗大晶粒。分析认为是因缺少道垫处理工序而引起的粗大晶粒。这种粗大晶粒使起落架的抗疲劳性能下降，引起了疲劳断裂。据此结论适航工程部门要求全面检查，同时派一个工作小组疲劳性能下降，引起了疲劳断裂。据此结论适航工程部门要求全面检查，同时派一个工作小组与制造厂进行分析讨论产生粗大晶粒的原因和防止方法。在讨论中制造厂认为此事件与英国与制造厂进行分析讨论产生粗大晶粒的原因和防止方法。在讨论中制造厂认为此事件与英国AIR TOVRS 公司所发生的事件相同，已有结论，
45、即刹车过急加上节流阀原因而引起的。但由于我们公司所发生的事件相同，已有结论，即刹车过急加上节流阀原因而引起的。但由于我们已经进行了详细的分析，我们例举了大量的断口上的证据来说明与英国事件的不同性。断口特已经进行了详细的分析，我们例举了大量的断口上的证据来说明与英国事件的不同性。断口特点的形态及种种与英国事件的不同性均证实了缺少锻造后的正火处理。经反复讨论及又进行了点的形态及种种与英国事件的不同性均证实了缺少锻造后的正火处理。经反复讨论及又进行了验证试验后，制造厂承认了我们的结论，并开始通过记录查找原因。为什么会产生这种差错；验证试验后，制造厂承认了我们的结论，并开始通过记录查找原因。为什么会产
46、生这种差错；产生差错的起落架有几件，安装在那架飞机上；研究这种缺陷对其疲劳性能会有多大影响等工产生差错的起落架有几件，安装在那架飞机上；研究这种缺陷对其疲劳性能会有多大影响等工作。并制定了可行的检查方法，从而从根本上消除这种事故隐患。作。并制定了可行的检查方法，从而从根本上消除这种事故隐患。近几年我国使用的飞机多次发生电子舱、货舱着火事件，其直接原因是因导线短路的火花而近几年我国使用的飞机多次发生电子舱、货舱着火事件，其直接原因是因导线短路的火花而引起的。但适航部门已经注意到了这种事件已构成重复性、多发性故障。并注意到它对航空安引起的。但适航部门已经注意到了这种事件已构成重复性、多发性故障。并
47、注意到它对航空安全的危害。为此适航部门进行了专项研究经研究。发现机舱内的隔音隔热垫的外包覆层不阻全的危害。为此适航部门进行了专项研究经研究。发现机舱内的隔音隔热垫的外包覆层不阻燃。为此适航部门颁发了适航管理文件要求各航空公司加强检查，同时将此问题通报了燃。为此适航部门颁发了适航管理文件要求各航空公司加强检查，同时将此问题通报了FAA，希望希望FAA协助彻底解决此问题。协助彻底解决此问题。从以上几个例子中可以看出，在使用中发生了不正常的失效件需对其进行深入的分析。因为从以上几个例子中可以看出，在使用中发生了不正常的失效件需对其进行深入的分析。因为任何一个失效件上都带有大量的信息，它客观地反映了失
48、效的起始、发展、变化的全过程通任何一个失效件上都带有大量的信息，它客观地反映了失效的起始、发展、变化的全过程通过对失效件的分析可准确地找出导致失效的原因及外部环境的影响因素，确定其薄弱环节，制过对失效件的分析可准确地找出导致失效的原因及外部环境的影响因素，确定其薄弱环节，制定设计、制造、维护、使用中的改进措施，最终达到保证民用航空安全。失效分析结果反馈到定设计、制造、维护、使用中的改进措施，最终达到保证民用航空安全。失效分析结果反馈到相关部门后，将产生巨大的经济效益及社会效益。相关部门后，将产生巨大的经济效益及社会效益。二、民航总局适航中心的航空材料分析室成立及组成情况二、民航总局适航中心的航
49、空材料分析室成立及组成情况1、1992年年9月月26 日，民航总局批准由适航中心正式组建航空材料失效分析室（为了方便与航空日，民航总局批准由适航中心正式组建航空材料失效分析室（为了方便与航空 界的失界的失 效分析部门联系，现称航空材料失效分析室）。效分析部门联系，现称航空材料失效分析室）。2、航空材料失效分析室的职责、航空材料失效分析室的职责 负责民用航空器重要失效件的分析和研究；负责航空产品的失效预防研究；参与民用航空器负责民用航空器重要失效件的分析和研究；负责航空产品的失效预防研究；参与民用航空器事故和重大多发性故障的调查及分析；参与国内外失效分析的合作与交流。事故和重大多发性故障的调查及
50、分析；参与国内外失效分析的合作与交流。3、航空材料失效分析室的人员状况、航空材料失效分析室的人员状况 根据航空材料失效分析室的工作特点，需配备有丰富实践经验技术全面的专业技术人员。到根据航空材料失效分析室的工作特点，需配备有丰富实践经验技术全面的专业技术人员。到目前为止，共调人六名正式分析人员和一名特聘的失效分析专家（退休返聘），六名正式人员目前为止，共调人六名正式分析人员和一名特聘的失效分析专家（退休返聘），六名正式人员 分别具有大学或硕士或博士后学历及高级或中级技术职称；分别具有航空制造业的经验或航空分别具有大学或硕士或博士后学历及高级或中级技术职称；分别具有航空制造业的经验或航空维修业的
