【信息科学与工程学】第二篇 材料工程01 材料科学 （1）

ISO标准​

国际标准化组织

全球通用

ISO 9001（质量体系），ISO 6892（拉伸试验）

ASTM标准​

美国材料与试验协会

全球广泛应用

ASTM A36（结构钢），ASTM E8/E8M（拉伸试验）

EN标准​

欧洲标准化委员会

欧盟成员国

EN 10025（结构钢），EN 10219（焊接钢管）

JIS标准​

日本工业标准调查会

日本及亚洲

JIS G 3101（一般结构钢），JIS Z 2241（拉伸试验）

GB标准​

中国国家标准化管理委员会

中国

GB/T 700（碳素结构钢），GB/T 228.1（金属拉伸）

化学成分​

元素种类与含量范围

C, Si, Mn, P, S, Cr, Ni等含量

光谱分析，化学分析

决定材料基本性能

力学性能​

强度、塑性、韧性

屈服强度，抗拉强度，延伸率，冲击功

拉伸试验，冲击试验

承载能力与安全性

物理性能​

密度、热、电、磁性能

密度，热导率，电阻率，磁导率

物理性能测试

功能适应性

工艺性能​

成型、加工、焊接性

弯曲试验，焊接试验，热处理工艺

工艺性能试验

制造可行性

微观组织​

晶粒、相组成、缺陷

晶粒度，相比例，夹杂物评级

金相检验，电镜分析

性能的内在决定因素

尺寸公差​

几何尺寸允许偏差

厚度，宽度，长度，直径公差

尺寸测量

装配与互换性

表面质量​

外观、表面缺陷

裂纹，结疤，划伤，锈蚀程度

目视，仪器检测

美观与耐腐蚀性

金属材料​

金属键

导电导热性好，塑性好，不透明

Fe, Al, Cu, Ti及其合金

陶瓷材料​

离子键/共价键

高硬度，高熔点，脆性大

Al₂O₃, SiO₂, SiC, Si₃N₄

高分子材料​

共价键+分子间力

密度小，绝缘，易老化

PE, PVC, PP, 尼龙，橡胶

复合材料​

多种键合复合

可设计性强，比强度高

碳纤维/环氧树脂，混凝土

钢铁材料​

碳素钢

Q235, 45, T8

成本低，综合性能好

建筑，机械，工具

合金钢

40Cr, 20CrMnTi, GCr15

高强度，耐磨，特殊性能

齿轮，轴承，模具

不锈钢

304, 316, 430

耐腐蚀，美观

化工，医疗，餐具

工具钢

Cr12, W18Cr4V

高硬度，耐磨，红硬性好

刀具，模具，量具

有色金属​

铝合金

1060, 2024, 6061, 7075

比强度高，耐腐蚀

航空，交通，建筑

铜合金

T2, H62, QSn6.5-0.1

导电导热，耐腐蚀

电器，船舶，仪表

钛合金

TC4, TA2

比强度极高，耐腐蚀

航空，医疗，化工

镁合金

AZ31, AZ91

密度最小，减震好

航天，3C产品

电子结构​

10⁻¹⁰ m

能带理论，价电子，结合键

量子力学计算，X射线谱

导电性，化学活性，光学特性

晶体结构​

10⁻¹⁰-10⁻⁸ m

晶体学，晶系，晶格，晶胞

X射线衍射，电子衍射

各向异性，理论强度，相变

晶体缺陷​

10⁻⁹-10⁻⁶ m

点缺陷，位错，晶界，相界

透射电镜，场离子显微镜

塑性变形，扩散，强度，韧性

显微组织​

10⁻⁶-10⁻³ m

晶粒，相，析出物，夹杂物

光学显微镜，扫描电镜

强度，韧性，耐腐蚀，磁性能

宏观组织​

>10⁻³ m

织构，偏析，裂纹，孔洞

宏观检验，超声探伤

各向异性，断裂行为

相图规则​

吉布斯相律：F = C - P + 2

系统自由度与组分数、相数关系

合金设计，热处理工艺制定

扩散定律​

菲克第一定律：J = -D(dC/dx)

扩散通量与浓度梯度成正比

渗碳，均匀化，烧结，氧化

强化机制​

叠加近似：Δσ = Δσ_s + Δσ_g + Δσ_d + Δσ_p

多种强化机制贡献可叠加

合金设计，工艺优化

变形机制​

位错理论：τ = Gb/ℓ

位错运动所需切应力

塑性变形，加工硬化

失效判据​

断裂力学：K₁ = Yσ√(πa)

应力强度因子与裂纹尺寸关系

安全评估，寿命预测

应力​

σ = F/A

σ: 应力 (Pa)，F: 力 (N)，A: 面积 (m²)

材料内部受力强度

应变​

ε = ΔL/L₀

ε: 应变，ΔL: 长度变化，L₀: 原长

材料变形程度

弹性模量​

E = σ/ε (弹性区)

E: 杨氏模量 (Pa)

材料刚度，抵抗弹性变形能力

屈服强度​

σ_y = F_y/A₀

σ_y: 屈服强度，F_y: 屈服载荷

材料开始发生明显塑性变形

抗拉强度​

σ_u = F_max/A₀

σ_u: 抗拉强度，F_max: 最大载荷

材料最大均匀变形抗力

延伸率​

δ = (L_f - L₀)/L₀ × 100%

δ: 延伸率，L_f: 断后长度

材料塑性指标

断面收缩率​

ψ = (A₀ - A_f)/A₀ × 100%

ψ: 断面收缩率，A_f: 断后面积

材料塑性指标

真应力-真应变​

σ_T = σ(1+ε)，ε_T = ln(1+ε)

σ_T: 真应力，ε_T: 真应变

大变形分析

细晶强化​

σ_g = k_y·d⁻¹/² (Hall-Petch)

k_y: 常数，d: 晶粒直径

晶粒细化，d↓ → 强度↑

固溶强化​

Δσ_s ∝ C^n (C: 溶质浓度)

n: 指数(~1/2或2/3)

合金元素种类与含量

位错强化​

σ_d = α·G·b·√ρ

α: 常数(~0.5)，G: 剪切模量，b: 柏氏矢量，ρ: 位错密度

冷加工，塑性变形

析出强化​

Δσ_p = (Gb/L) × f(粒子参数)

L: 粒子间距，与粒子尺寸、体积分数有关

时效处理，沉淀相

加工硬化​

σ = K·εⁿ

K: 强度系数，n: 应变硬化指数

变形量，变形温度

菲克第一定律​

J = -D(∂C/∂x)

稳态扩散，通量与浓度梯度成正比

渗碳，均匀化

菲克第二定律​

∂C/∂t = D(∂²C/∂x²)

非稳态扩散，浓度随时间变化

计算渗层深度

阿伦尼乌斯方程​

D = D₀exp(-Q/RT)

扩散系数与温度关系

预测不同温度扩散速率

扩散距离​

x ≈ √(Dt)

平均扩散距离

估算工艺时间

相变动力学​

f = 1 - exp(-ktⁿ) (JMAK方程)

相变体积分数随时间变化

热处理工艺设计

疲劳寿命​

S-N曲线：σᵃN = C (Basquin方程)

σ: 应力幅，N: 循环次数，a,C: 材料常数

降低应力集中，提高表面质量

断裂韧性​

K_IC = Yσ√(πa)

K_IC: 断裂韧性，Y: 几何因子，a: 裂纹长度

材料选择，缺陷控制

蠕变速率​

ε̇ = Aσⁿexp(-Q/RT)

ε̇: 稳态蠕变速率，n: 应力指数

降低工作温度，使用耐热材料

腐蚀速率​

i_corr = B/R_p (极化电阻法)

i_corr: 腐蚀电流密度，R_p: 极化电阻

选用耐蚀材料，涂层保护

磨损率​

W = K·(F_N·L)/H

W: 磨损体积，K: 磨损系数，H: 硬度

提高硬度，润滑

材料真伪​

化学成分

元素含量标准

光谱分析数据对比标准

光谱分析，化学分析

强度等级​

力学性能

屈服/抗拉强度标准

σ_y, σ_u 实测值对比标准值

拉伸试验

塑性评估​

延伸率/断面收缩率

塑性指标标准

δ, ψ 实测值对比标准值

拉伸试验

韧性判断​

冲击吸收功

冲击韧性标准

冲击功与温度关系曲线

冲击试验

硬度匹配​

硬度值

硬度与强度经验关系

硬度-强度换算公式

硬度测试

组织合格性​

显微组织

金相组织标准图谱

晶粒度评定，相比例计算

金相检验

热处理状态​

组织+性能

相变原理，TTT/CCT曲线

组织与性能对应关系

金相+硬度+性能测试

缺陷评估​

缺陷类型/尺寸

缺陷验收标准

断裂力学判据K < K_IC

无损检测，断裂力学计算

耐蚀性能​

腐蚀速率/电位

耐蚀等级标准

极化曲线分析

电化学测试，盐雾试验

高温性能​

蠕变/持久强度

高温性能标准

蠕变方程，Larson-Miller参数

蠕变试验，持久试验