导语

在工程与制造领域，材料始终是构建一切产品与结构的根基。要理解一项技术或一个产品，首先必须认识其所依赖的材料。本篇文章将从工程材料的基本概念入手，带领读者了解常见材料的分类、特性与应用场景，并逐步展开对关键

材料的详细介绍。此外，在材料选择与应用中，性能数据往往决定了产品的质量与价值。不同材料在强度、韧性、耐磨性、耐腐蚀性等方面各具优势，而这些差异往往通过直观的对比图才能清晰呈现。本篇文章将结合中文高清可视化图表，对常见材料的关键性能进行系统对比与解读，让大家快速理解数据背后的含义，从而在科研、工程或产业应用中做出更合理的决策。

01

认识工程材料

 

 

通常情况下，工程材料可分为下图所示的金属、聚合物、弹性体、陶瓷、玻璃以及复合材料6大类。一类材料通常具有一些共性特点，比如相似的性能、相似的加工工艺，以及相似的应用。

 

 

 

 

图1 工程材料(通过不同的方式将金属、陶瓷、玻璃聚合物和弹性体组合起来可形成复合材料。)

 

 

金属

金属:硬度较高，具有相对较高的弹性模量。一般情况下，纯金属较软且易于成形，可以通过合金化、机械加工及热处理方式来提高强度的同时仍保持延展性，因此适用于塑性成形。某些高强度合金(例如弹簧钢)的伸长率只有1%，但即便如此也足以保证材料在断裂前发生屈服，即使发生断裂，也属于韧性断裂。从某种程度上来说，金属的高延展性使得其易发生疲劳。在所有的材料种类中，金属最易发生腐蚀。

陶瓷

陶瓷:也具有很高的弹性模量，但和金属不同，陶瓷材料非常脆。这类材料的抗拉强度等同于脆性断裂强度，抗压强度等同于脆性抗碎强度，后者约为前者的15倍。陶瓷几乎没有延展性，因此不允许有应力集中(如裂纹或孔洞)或高接触应力(例如夹持点)等情况发生。韧性材料可以通过变形的方式使得应力更加均匀地分布以此来缓解应力集中。正因为如此，它们可以在接近屈服强度的静力载荷情况下使用然而，陶瓷却不能。脆性材料的强度不稳定，取决于受力材料的体积和加载时间，所以陶瓷材料不像金属材料那么易于在设计中使用。当然，陶瓷也有其优势，它们强度高、硬度高、耐磨性能好(因此常常用作轴承和切削工具)，在高温下依然保持高强度，并有很好的耐蚀性。

玻璃

玻璃:是非晶态固体，最常见的是钠钙玻璃和硼硅玻璃，用于玻璃瓶和烤箱器皿。除此之外，还有很多种不同的玻璃。金属也可以通过急速冷却来获得非晶体结构如同陶瓷一样，由于没有品体结构，玻璃的塑性很差，且硬而脆，不能承受应力集中。

聚合物

聚合物:不同于以上各类材料，它具有很低的弹性模量，大约只有金属弹性模4)量的1/50。但是，其强度却很高，几乎与金属相当，由此可承受很大的弹性挠曲。即使在室温下，聚合物也会发生蠕变，这就意味着聚合物零件在长时间承载时必须要有一个固定装置。聚合物的性能很大程度上取决于温度，在20℃时具有高强度和高韧性的聚合物，放置于4℃的家用冰箱内时就变成了脆性材料，而在100℃的水里时又会发生快速蠕变。在200℃以上温度时，几乎没有聚合物还能保持工作强度。有些聚合物是以晶体结构为主，有些是非晶体，还有一部分是晶体和非品体的混合物。透明材料一般是非晶体结构。如果在设计中充分考虑上述特性，那么聚合物的诸多优势就可尽情地发挥出来了。就比强度这类综合性能指标而言，聚合物甚至可以与金属一较高下聚合物易于成型，多功能的复杂聚合物零件甚至可以一次成型。巨大的弹性挠曲使得聚合物零件易于咬合连接，装配快捷且价廉。若采用精密模具和预着色的生产方式最终精饰工序都可以省去。此外，聚合物耐腐蚀(涂料是一种聚合物)，具有较小的摩擦系数。充分发挥聚合物的这些特性就可以成就好的设计。

弹性体

弹性体:在处于玻璃化温度Tg以上时是一种长链聚合物，在Tg以下时，这类材料分子间的共价键保持稳定，但用来连接分子链的较弱的范德华力和氢键会融化。这些特性使得弹性体具有十分独特的性能，其弹性模量只有10-3GPa(典型金属弹性模量的1/10^5)，且随着温度的升高而增大(其他类的固体都随着温度的升高而减小)，同时弹性伸长量很大。弹性体的特性与其他固体的差距如此之大，因此需借助专门的试验来评估其性能，这就带来了一个问题。本书是基于所设定的性能组合表来进行材料的选择，那么前提条件就是这些性能需适用于所有材料。为克服上述问题，我们在设计初期使用一组通用性能，对类似弹性体这种特殊材料采用近似值来评价。对于仅仅在某一类材料中才会用到的特定性能，则把它们单独储存起来，在设计后期再使用。

复合材料

复合材料:是两种及两种以上的材料按照特定的配置和比例结合形成的材料，从而有效地扬长避短。复合材料包括纤维、特种树脂、夹层结构、多孔结构、泡沫、电缆和层压板。几乎所有的天然材料，如木材、骨头、皮肤和树叶，都是复合材料。最常见的复合材料就是纤维强化的复合材料。目前，大多数工程应用的复合材料都是在聚合物基体上加入强化的玻璃纤维、碳纤维或者苯二胺纤维(芳纶)。这些材料质轻、硬度和强度高，且韧性也很好。由于会发生软化，这些以聚合物为组成成分的复合材料不能在250℃以上的温度中使用，但在室温下其表现出众。聚合物零件成本较高，成型性差且难以连接。因此尽管复合材料有诸多优良性能，设计者只有在性价比合理的情况下才会使用。如今，对高性能和低能耗要求的日益突出，必将大大推动复合材料的使用。

02

材料性能图

 

 

材料能不能用得久、用得好，关键取决于它的性能。为了找到合适的材料，我们需要有方法来对比和考察这些性能。用表格或柱状图展示单一性能固然直观，但实际的零部件工作环境往往更复杂，并不是单一性能就能决定结果的。比如，轻量化设计同时需要保持足够的刚度；在防腐蚀的环境里，还必须兼顾导热性；而在需要高韧性的地方，强度同样必不可少。把两种性能放在同一个坐标图里，就能更直观地看到不同材料的分布和特点。

这样的图表不但把复杂信息压缩得简洁明了，方便查阅，还能帮助我们发现不同性能之间的关系，检验和对比数据。更重要的是，它还能成为工程中的“多面手”工具：帮我们挑选合适的材料，研究加工方式对性能的影响，验证结构设计是否合理，甚至还能为未来材料的发展方向提供启示。

 

 

1

 

 

弹性模量-密度

弹性模量和密度是两种最常见的性能。钢是硬的，橡胶是软的——这是由弹性模量决定的;铅是重的，木塞能浮于水面--这是由密度决定的。下图显示的是工程材料的弹性模量E和密度p的取值范围。每一系列材料的数值在图表中聚集在一起可用一个彩色区域包围起来。

 

 

 

 

图1 弹性模量 E与密度p 的关系图(深色覆盖区域代表一类材料的数据。对角等高线对应的是纵波速度。对应 E/p，E^1/2/p和E^1/3p的基准线有助于选出合适的材料，用于最小重量目标下的挠度设计。)

 

 

2

 

 

强度—密度

强度是指零件承受载荷后抵抗发生断裂或超过容许限度的残余变形的能力。也就是说，强度是衡量零件本身承载能力（即抵抗失效能力）的重要指标。

 

 

 

 

图2 强度σ与密度p 的关系图

 

 

3

 

 

弹性模量—强度

 

 

 

 

图3 弹性模量E与强度σ,关系图

 

 

4

 

 

 比模量—比强度

比模量是单位密度的弹性模量，比模量是材料承载能力的一个重要指标，比模量越大,零件的刚性就愈大，也称为“比刚度”。

比强度为材料的强度与材料表观密度之比。比强度越高表明达到相应强度所用的材料质量越轻。优质的结构材料应具有较高的比强度，才能尽量以较小的截面满足强度要求，同时可以大幅度减小结构体本身的自重。

 

 

 

 

图4 比模量 E/p与比强度of /p 的关系图

 

 

5

 

 

 断裂韧性与弹性模量

断裂韧性是试样或构件中有裂纹或类裂纹缺陷情形下发生以其为起点的不再随着载荷增加而快速断裂，即发生所谓不稳定断裂时，材料显示的阻抗值。断裂韧性表征材料阻止裂纹扩展的能力，是度量材料的韧性好坏的一个定量指标。

 

 

 

 

图5 断裂韧度 Kc与弹性模量的关系图

 

 

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 断裂韧性与强度

 

 

 

 

图6 断裂韧度K c与强度σ,关系图

 

 

7

 

 

损耗因子与弹性模量

材料阻尼在材料学中又称内耗，是指材料在振动时由于材料的晶粒相互摩擦等内部原因引起的机械振动能量损耗的现象，通常用损耗因子或阻尼比来表示该材料的阻尼大小。材料阻尼特性与材料的内部组织和结构有关，在很大程度上受周围环境如磁场、辐射等的影响，与温度和振动频率有很大关系。

 

 

 

 

图 7 损耗系数n与弹性模量E的关系图

 

 

8

 

 

导热系数与电阻率

导热系数是指在稳定传热条件下单位面积传递的热量，导热系数仅针对存在导热的传热形式，当存在其他形式的热传递形式时，如辐射、对流和传质等多种传热形式时的复合传热关系，该性质通常被称为表观导热系数、显性导热系数或有效导热系数。

电阻率是指材料的电阻与横截面积的乘积与长度的比值，是衡量材料导电性能的物理参数。电阻率不仅与材料种类有关，而且还与温度、压力和磁场等外界因素有关。

 

 

 

 

图8 导热系数入与电阻率pe的关系图

 

 

9

 

 

导热系数与热扩散系数

热扩散系数是物体中某一点的温度的扰动传递到另一点的速率的量度，表示物体在加热或冷却中，温度趋于均匀一致的能力。物体的热扩散率越大，表明热量由物体表面向深层或者由深层向物体表面的扩散的能力越强，温度变化所及深度越深，各深度的温度差消除越快物体的热扩散率越小，则反之。

 

 

 

 

图9 导热系数入与热扩散系数a的关系图

 

 

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热膨胀系数—导热系数

 

 

 

 

图10 热膨胀系数α与导热系数入的关系图

 

 

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热膨胀系数—弹性模量

 

 

 

 

图11 热膨胀系数α与弹性模量E的关系图

 

 

12

 

 

最高工作温度

 

 

温度在很多方面会影响材料的表现。随着温度上升，材料可能发生蠕变，限制了其承载能力;也可能退化或者分解，化学结构发生变化，最终导致失效。温度的升高也可能使产品氧化，或与环境发生其他反应，使其无法发挥正常作用。由于以上任何一个原因，材料不能安全使用的近似温度称为最高工作温度。

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摩擦系数

 

 

 

 

图13 各种材料在未经润滑的钢表面滑动的摩擦系数

图14 磨损率常数 Ka与硬度 H的关系图

 

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