從對(duì)機(jī)械制造類(lèi)產(chǎn)品的市場(chǎng)需求出發(fā)，定義了產(chǎn)品的功能目標(biāo)與適用于產(chǎn)品壽命周期的邊界條件。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的規(guī)劃階段，引出了與要求、構(gòu)造和材料相適應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)。借助“Ashby圖”，可以從眾多的材料選擇項(xiàng)中預(yù)選出與性能要求相符合的材料。在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，需要對(duì)相應(yīng)材料效率的要求加以規(guī)范化，因?yàn)檫@些要求與用于輕量化的材料質(zhì)量有關(guān)。本節(jié)中，采用形狀因子對(duì)改善使用性能的成形方法進(jìn)行量化，性能指標(biāo)的成本則通過(guò)價(jià)格指數(shù)加以關(guān)聯(lián)。借助自行車(chē)車(chē)架的例子，說(shuō)明了按照基本要求和邊界條件分步選擇材料的方法。借助用于內(nèi)燃機(jī)的鑄造合金適合度的評(píng)估示例，來(lái)說(shuō)明用于重量組合的要求和邊界條件，并進(jìn)行相互比較。為了對(duì)材料方案進(jìn)行評(píng)估，還將得出的合金性能范圍與在材料組中的加工消耗進(jìn)行比較。作為示例，還對(duì)可能用于一款面向市場(chǎng)的、大批量生產(chǎn)的高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的材料進(jìn)行了比較和選擇。
引言
結(jié)構(gòu)材料必須首先能夠承受機(jī)械載荷，其次要滿(mǎn)足其他的功能，如：導(dǎo)熱或者熱絕緣。對(duì)材料的力學(xué)性能要求還有：剛度、動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和靜態(tài)強(qiáng)度、減振、斷裂韌度、抗磨損能力和抗蠕變能力。材料可以如下分類(lèi)：陶瓷、非晶形材料（玻璃）、金屬、聚合物與復(fù)合材料（見(jiàn)2.1節(jié)）［1,2］。輕量化所需要的材料要與結(jié)構(gòu)相匹配，特別是要能夠?qū)崿F(xiàn)輕量化的目標(biāo)。圖2-3-1展示了由不同材料制成的兩個(gè)自行車(chē)車(chē)架：一個(gè)車(chē)架是1896年用竹管組裝的［3］，一個(gè)是１００年后用碳纖維增強(qiáng)塑料加工而成的（CFK）［4］。如今，大部分的自行車(chē)的梯形車(chē)架是用鋼或者鋁合金加工而成的。為什么選擇這些材料來(lái)制造車(chē)架？不同的材料之間有什么區(qū)別？如何選擇合適的材料？本章節(jié)就是要回答這些問(wèn)題。
圖2-3-1自行車(chē)作為輕量化示例
a） 竹車(chē)架1896［3］b）碳纖維增強(qiáng)塑料車(chē)架2007［4］
輕量化意味著將一個(gè)用于特定應(yīng)用的構(gòu)件體系的重量最小化。一個(gè)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件越輕，構(gòu)件用于運(yùn)動(dòng)改變所需要的能量就越少。對(duì)于所有的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，都要用市場(chǎng)可接受的成本來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)。每種材料可接受的價(jià)格在很大程度上取決于其應(yīng)用，如圖2-3-2所示。一般來(lái)說(shuō)，用于建筑業(yè)的材料的價(jià)格必須低于用于汽車(chē)制造和醫(yī)療技術(shù)的材料的價(jià)格。價(jià)格與市場(chǎng)容量成反比例關(guān)系：使用量越大，價(jià)格就越低。在航天工業(yè)中省下1kg的重量，就可以節(jié)省大約5000歐元的費(fèi)用。不過(guò)，這種按照應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行的一般性考察并不適用于某些特殊的案例：用于在（西班牙）比爾堡古根海姆博物館的擋板是采用昂貴的鈦合金制造的，或者寶馬豪華轎車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)是采用鎂合金制造的。雖然這些特殊的案例產(chǎn)品所占有的市場(chǎng)容量非常小，但是僅僅采用技術(shù)功能來(lái)評(píng)估這些產(chǎn)品是不夠的，因?yàn)榻ㄖ瑫r(shí)也是藝術(shù)品，而汽車(chē)則是身份和社會(huì)地位的象征。
圖2-3-2材料的平均價(jià)值（價(jià)格/質(zhì)量）與應(yīng)用有關(guān)，反過(guò)來(lái)與市場(chǎng)容量成比例關(guān)系［17］
2.3.2在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)要求的框架內(nèi)選擇材料
問(wèn)題：“對(duì)于一個(gè)特定的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，何種材料是最佳的？”回答這一問(wèn)題的前提是：對(duì)構(gòu)件的使用條件進(jìn)行了分析，并在需求框架（任務(wù)書(shū)）內(nèi)整理出了任務(wù)要求［5］。只有在需求框架與構(gòu)件參數(shù)的功能框架完全明確后，才有可能對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。一般來(lái)說(shuō)，通常需要根據(jù)評(píng)估作出妥協(xié)。材料選擇［6］始于市場(chǎng)對(duì)新產(chǎn)品的需求或者對(duì)已有產(chǎn)品在功能以及合理的加工方法方面的需求（表2-3-1）。
在初始階段，首先要生成能夠滿(mǎn)足構(gòu)件要求的規(guī)劃。材料供應(yīng)商以及新材料開(kāi)發(fā)研究人員可以提供范圍廣泛的材料，這些材料的力學(xué)、摩擦、物理、化學(xué)以及生態(tài)性能與產(chǎn)品所要求的使用性能相對(duì)應(yīng)。下一步是用構(gòu)件的構(gòu)造參數(shù)來(lái)確定構(gòu)件的成形方法，從而限定材料的范圍。這樣，一個(gè)設(shè)計(jì)的抉擇就和一個(gè)材料的選擇聯(lián)系起來(lái)了，并可以用來(lái)評(píng)估對(duì)產(chǎn)品和材料要求的滿(mǎn)足程度。虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和使用仿真可以驗(yàn)證材料對(duì)所提出的要求的滿(mǎn)足程度，不過(guò)可能要按照實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的能力對(duì)預(yù)期設(shè)計(jì)進(jìn)行修正。這一問(wèn)題解決周期可以多次循環(huán)進(jìn)行。通過(guò)這種方法，可以定義材料規(guī)格與制造允差，確定加工工藝鏈。最后，則可以確定用于產(chǎn)品加工的準(zhǔn)確生產(chǎn)計(jì)劃，生產(chǎn)出的產(chǎn)品可以滿(mǎn)足現(xiàn)有的應(yīng)用需求或者新的應(yīng)用需求。對(duì)于材料供應(yīng)商和后續(xù)加工者的質(zhì)量要求也是這樣定義的，這些質(zhì)量要求也包括了產(chǎn)品的功能和供貨條件等要求。在選擇材料時(shí)，材料研發(fā)人員、工程師與銷(xiāo)售人員一起工作、相互配合是最重要的，它可以帶來(lái)滿(mǎn)足市場(chǎng)的創(chuàng)新——新的產(chǎn)品、材料替代或者制造方法的改變。
2.3.3材料效率
在考慮到不同要求的情況下，如何對(duì)現(xiàn)有的材料進(jìn)行評(píng)估？首先，必須將構(gòu)件功能與材料性能相關(guān)聯(lián)，以便于對(duì)特征值進(jìn)行比較。要對(duì)不同的材料進(jìn)行比較以及對(duì)材料進(jìn)行預(yù)選，材料數(shù)據(jù)庫(kù)以及供應(yīng)商的數(shù)據(jù)表是必不可少的。Ashby和他的團(tuán)隊(duì)［7,8］開(kāi)發(fā)出了一個(gè)方法，用來(lái)對(duì)材料的性能進(jìn)行圖形比較。
圖2-2-3顯示了不同材料種類(lèi)的屈服強(qiáng)度與密度關(guān)系的雙對(duì)數(shù)圖。材料性能可近似為一個(gè)橢圓，垂直主軸作為強(qiáng)度離散區(qū)域。相對(duì)來(lái)說(shuō)，密度的變化很小。可以將材料種類(lèi)歸納到域，例如，鈦合金的橢圓位于屈服強(qiáng)度100～1000MPa的區(qū)間，密度區(qū)間為4.4～4.6g/cm3，在圖中具體的位置則取決于合金成分和熱處理工藝。
圖2-3-3借助材料效率線(xiàn)RDZ、RB、RP得出的不同材料的屈服極限與材料密度的關(guān)系［１８］
如何利用Ashby圖呢？如果要尋找確定了最小強(qiáng)度的材料，則可以將這個(gè)最小強(qiáng)度作為界線(xiàn)繪到圖表中，屈服強(qiáng)度位于界線(xiàn)之上的材料都可供選擇使用。例如，在水平線(xiàn)100MPa之上的材料有金屬、高技術(shù)陶瓷與復(fù)合材料。該界線(xiàn)對(duì)應(yīng)于如下歸納的要求：“材料在100MPa載荷的作用下，既不會(huì)產(chǎn)生塑性變形，也不會(huì)發(fā)生斷裂”。在圖2-3-3中，越是位于左邊的材料，就越輕：當(dāng)強(qiáng)度大于100MPa時(shí)，碳纖維增強(qiáng)塑料是最輕的材料。泡沫聚合物、木與皮革更輕，但是強(qiáng)度達(dá)不到要求。不過(guò)，只滿(mǎn)足軸向的要求往往并不能保證材料能夠承受相應(yīng)的載荷。隨之而來(lái)的問(wèn)題是：材料會(huì)在多大程度上滿(mǎn)足一個(gè)特定的應(yīng)用要求？
第二個(gè)例子見(jiàn)圖234。該圖顯示了材料彈性模量與材料密度區(qū)域的雙對(duì)數(shù)圖，圖中的材料有泡沫塑料、木、合成橡膠、聚合物、復(fù)合材料、合金、多孔陶瓷和工程陶瓷。表中的輔助線(xiàn)對(duì)應(yīng)于不同的單一材料在低頻率下機(jī)械波的傳播速度（v）。
聲波速度v取決于材料的彈性模量（E）和密度（ρ）：
就是說(shuō)：材料的彈性模量越大以及密度越小，波在該材料中傳播的速度就越快。在雙對(duì)數(shù)圖表中，速度v可以改寫(xiě)為：
方程式（2.3.2）對(duì)應(yīng)于一個(gè)直線(xiàn)方程：γ=ax+b，其中，γ為logE，x為logρ，斜率a=1（在每個(gè)軸上一個(gè)十進(jìn)位數(shù)）。在ρ=1下的縱坐標(biāo)值對(duì)應(yīng)于密度為1mg/m3的材料，其彈性模量為E=v2。該方程描述了一個(gè)直線(xiàn)族，其對(duì)于各種聲波傳播速度v以及比彈性模量E/ρ平方根的斜度為1。v越高，比彈性模量越大，則直線(xiàn)就越向上移動(dòng)。在根據(jù)方程式（2.3.2）得出的位于直線(xiàn)上方的所有材料都有相同的比彈性模量，例如：在纖維方向上的木材、一些復(fù)合材料、泡沫陶瓷和絕大多數(shù)的合金。
圖2-3-4不同材料類(lèi)別的彈性模量密度對(duì)數(shù)示意圖：木材、聚合物、合金、陶瓷與復(fù)合材料，帶有不同聲波擴(kuò)散速度直線(xiàn)（=比彈性模量）
2.3.4方法學(xué)
如何將材料選擇過(guò)程系統(tǒng)化呢？Ashby等人［8］建議采取下列步驟：
●定義構(gòu)件使用目標(biāo)函數(shù)的最大值或最小值：能源、成本、質(zhì)量、剛度等。
●針對(duì)這些目標(biāo)函數(shù)（P）開(kāi)發(fā)出一個(gè)方程［方程式（2.3.3）］，方程與功能要求（F）、幾何形狀（G）和材料性能（W）相關(guān)：P=f（F,G,W）：
P=f［（功能要求F），（幾何參數(shù)G），（材料性能W）］（2.3.3）
●識(shí)別目標(biāo)函數(shù)的變量：要求、形狀、性能。
●確定最低要求，如：價(jià)格界限、供貨能力等（邊界條件前沿）。
●在目標(biāo)函數(shù)中使用變量。
●如果可能，將目標(biāo)函數(shù)分為三個(gè)部分：
Ｐ＝ｆ１（Ｆ）·ｆ２（G）·ｆ３（W）（2.3.4）
以便于對(duì)每個(gè)部分進(jìn)行優(yōu)化。f1是由市場(chǎng)需求和使用者來(lái)確定的；f2是設(shè)計(jì)人員的主要任務(wù)；這兩個(gè)函數(shù)的求解都取決于材料選擇f3。這樣可以將獨(dú)立的解法疊加組合起來(lái)，用來(lái)在關(guān)聯(lián)中找到“創(chuàng)新妥協(xié)”。
●要得出使用性能的表達(dá)式f3（W），需要定義與使用相關(guān)的材料效率的最大值：M=f（W）。考慮到M=f（W,G），不僅是高效利用材料使用性能的要求，也是在材料選擇與成形方法之間變化關(guān)系的要求。
●借助數(shù)據(jù)庫(kù)、圖表加以量化。
目標(biāo)函數(shù)的定義是材料選擇成功的關(guān)鍵。一般來(lái)說(shuō)，針對(duì)要求設(shè)定的使用參數(shù)和邊界條件是多維的，絕大多數(shù)情況下是相互矛盾的，所以要設(shè)置優(yōu)先次序：價(jià)格與/或重量與/或體積，哪個(gè)重要？有多重要？對(duì)設(shè)計(jì)材料的功能要求在于要滿(mǎn)足特定的熱—力學(xué)功能。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)演員站在舞臺(tái)上時(shí)，舞臺(tái)的變形必須是不可見(jiàn)的；熱交換器必須能實(shí)現(xiàn)良好的導(dǎo)熱；轎車(chē)的車(chē)身在發(fā)生事故的時(shí)候要能保護(hù)乘客。另外，舞臺(tái)建筑看上去要有藝術(shù)感，熱交換器要可回收，汽車(chē)要有運(yùn)動(dòng)感。除了這些很難量化的目標(biāo)參數(shù)之外，還要注意到嚴(yán)格的邊界條件：最大成本、最小特征值、標(biāo)準(zhǔn)尺寸、生態(tài)指標(biāo)以及貿(mào)易保護(hù)法規(guī)（例如：在一級(jí)方程式賽車(chē)中禁止采用金屬基復(fù)合材料）等。
2.3.5剛度與質(zhì)量
對(duì)輕量化設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，最重要的性能組合是在低重量下的高剛度。剛度（S）取決于構(gòu)件幾何形狀（G）上的彈性模量（E）以及機(jī)械載荷類(lèi)型。材料的彈性模量是材料在拉載荷或者壓載荷作用下抵抗彈性變形的能力（參見(jiàn)21節(jié)）。胡克定律σ=Eε適用于材料在單軸拉應(yīng)力或者壓應(yīng)力（σ）作用下的彈性應(yīng)變（ε=Δl/l）。
剛度（S）與構(gòu)件的彈性變形有關(guān)，取決于構(gòu)件的幾何形狀與載荷方向：構(gòu)件的橫截面為A，長(zhǎng)度為l，在外拉力（F）作用下產(chǎn)生了彈性變形（ΔL），因此有：
剛度不僅與材料的彈性模量有關(guān)，也與構(gòu)件的幾何形狀，即橫截面與長(zhǎng)度的比例有關(guān)。這個(gè)問(wèn)題可以歸納如下：要找到對(duì)于一根剛度確定的（要求）、盡可能輕的桿的材料（目標(biāo)函數(shù)）。這根桿在規(guī)定的力（F）作用下產(chǎn)生的變形不能超出規(guī)定值Δl。這樣可以得出目標(biāo)函數(shù)：針對(duì)給定剛度（S）的最小質(zhì)量（m），剛度定義了可允許的彈性變形。圖235顯示了兩種載荷類(lèi)型：?jiǎn)屋S拉伸以及圓柱桿的彎曲，圓柱桿的一端固定、初始長(zhǎng)度（l）確定、直徑（d）和橫截面（A）可選擇。
圖2-3-5在力F作用下，橫截面為A、長(zhǎng)度l的圓柱桿的彈性變形Δl
a）單軸拉/壓載荷b）一端固定情形下的彎曲
1拉應(yīng)力載荷與壓應(yīng)力載荷
圖2-3-5a中的桿在單軸拉載荷或者壓載荷作用下應(yīng)當(dāng)只發(fā)生彈性變形。
●目標(biāo)函數(shù)P可定義為：
Ｐ＝ｍ＝Ｖ·ρ＝Ａ·l·ρ→最小值（2.3.6）
式中，V為體積；ρ為密度；m為應(yīng)當(dāng)最小化的質(zhì)量。剛度SZ可以表示為力（F）和延長(zhǎng)（Δl）的函數(shù)，見(jiàn)方程式（2.3.5）。針對(duì)橫截面的變化，對(duì)方程式（2.3.5）進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可以得到方程式（2.3.7）：
●變量及其分類(lèi)的識(shí)別：如果將方程式（2.3.7）中的A代入方程式（2.3.6），則可以將目標(biāo)函數(shù)分解為三個(gè)部分作為因子：
式中，f1為給出的剛度要求；f2為給出的構(gòu)件幾何形狀，其長(zhǎng)度為l，橫截面變量為A；f3則是材料的使用參數(shù)，由彈性模量和密度給定。
●對(duì)于最小桿重量，材料效率即比彈性模量MDZ=E/ρ最大。就是說(shuō)，在低密度下彈性模量高的材料最適合。圖234中標(biāo)識(shí)出了具有盡可能高的聲波速度的材料。對(duì)于軸向彈性載荷來(lái)說(shuō)，以重量為基準(zhǔn)的位于比彈性模量相同的導(dǎo)線(xiàn)上的材料的效率是一樣的。
表2-3-2給出了在上面討論的應(yīng)力載荷作用下的木、鋼、輕合金、復(fù)合材料與塑料的材料效率值。可以按照M值的大小對(duì)材料排序，以分辨出最合適的材料。對(duì)于拉壓桿來(lái)說(shuō)，鋼、鋁合金、鎂合金和鈦合金的材料效率基本相同，就是說(shuō)，這些材料在相同剛度下的重量相同，當(dāng)然橫截面則不相同。單向、高模數(shù)碳纖維增強(qiáng)塑料（UDCFK）構(gòu)成的桿最輕，而由泡沫材料做成的桿最重。
2彎曲應(yīng)力載荷
對(duì)于一端固定的、承受彎曲載荷的桿（圖235b），可根據(jù)方程式（238）將剛度SB表示為力（F）和偏轉(zhuǎn)（Δl）的函數(shù)。桁梁端部的偏轉(zhuǎn)可以表示為與橫截面有關(guān)的彈性模量和面積慣性矩（I）的函數(shù)：
采用圓桿的面積慣性矩I0作為基準(zhǔn)值：
用方程式（2.3.9）的面積慣性矩進(jìn)行替代，則由方程式（2.3.10）可以得出受載橫截面為：
如果將方程式（2.3.11）中的A代入方程式（2.3.6），則可以得到目標(biāo)函數(shù)P的三個(gè)因子f1，f2和f3：
在這種情況下，當(dāng)材料效率
最大時(shí)，可以達(dá)到最小重量，這有別于在拉/壓載荷作用下的材料效率。周?chē)潭ǖ膱A形平板，在中心垂直承受彈性負(fù)載時(shí)：當(dāng)材料效率
最大的時(shí)候，在相同的剛度（相同撓曲）下重量最輕。表2-3-2對(duì)抗彎梁的材料效率進(jìn)行了比較，采用單向碳纖維增強(qiáng)塑料做成的桿最輕，纖維方向上的木緊隨其后。在金屬中，輕金屬比鋼更適應(yīng)彎曲應(yīng)力載荷，玻璃纖維增強(qiáng)塑料（UD-GFK）也有類(lèi)似的材料效率。
雙對(duì)數(shù)Ashby圖［8］提供了一個(gè)簡(jiǎn)明的用于材料評(píng)估的方法。在該方法中，將材料效率表示為平行直線(xiàn)束。這些直線(xiàn)位置越高，所屬材料的效率就越高。對(duì)于給定的剛度，在構(gòu)件最小重量下，材料效率M應(yīng)當(dāng)為最大。通常將材料效率M表示為彈性模量與密度的函數(shù)：
式中，對(duì)于拉和壓情形，n=1；對(duì)于一端固定的桿彎曲情形，n=1/2；對(duì)于所有端都固定的平板壓彎情形，n=1/3。根據(jù)方程式（2.3.5），可將方程式（2.2.13）改寫(xiě)為直線(xiàn)方程：
方程式（2.3.14）描述了斜度為1/n的直線(xiàn)族，即：對(duì)拉壓桿為1，對(duì)彎曲桿為2，對(duì)彎曲板為3。每條直線(xiàn)都與材料有關(guān)，在輕量化中，這些材料的效率相同，而材料效率則與剛度有關(guān)。縱坐標(biāo)距離更高的直線(xiàn)對(duì)應(yīng)于更大的M值與更大的比剛度。圖2-3-6中引入了用于拉壓載荷、桿彎曲和平板撓曲的輕量化輔助線(xiàn)。采用這種圖表方法，可以快速簡(jiǎn)單地對(duì)材料效率進(jìn)行比較。斜度為2的輔助線(xiàn)（與桿彎曲相對(duì)應(yīng)）平行向上移動(dòng)，直至遇到最后一個(gè)材料，在這里為碳纖維增強(qiáng)塑料。由此可以確定，緊密堆積、高模數(shù)單向碳纖維增強(qiáng)塑料（見(jiàn)22節(jié)）對(duì)輕量化抗彎梁來(lái)說(shuō)是最佳材料，緊隨其后的是纖維方向上的西印度輕木。從理論上說(shuō)，鈹和金剛石與西印度輕木的使用價(jià)值相同。對(duì)于平板的撓曲，可以假設(shè)一個(gè)各向同性的彈性模量，該彈性模量既不適用于木材也不適用于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。在表2-3-2中，對(duì)于采用這種材料構(gòu)成的平板假設(shè)有0/90°的復(fù)合方式（值為a），此種復(fù)合方式會(huì)使剛度下降。
圖2-3-6Ashby圖：材料彈性模量與材料密度的關(guān)系，帶有用于壓/拉桿、
抗彎梁和平板壓彎曲相同材料效率的定位線(xiàn)，M沿箭頭方向上升［6］
3強(qiáng)與輕
對(duì)于強(qiáng)度高和重量輕、或者斷裂韌度高和重量輕的要求，也可以借助Ashby圖表對(duì)材料效率進(jìn)行評(píng)估（圖2-3-7）。
圖2-3-7Ashby圖：材料斷裂韌度與材料密度的關(guān)系，借助
用于各種載荷類(lèi)型的相同材料效率C的輔助線(xiàn)確定［6］
4在彈性區(qū)域的應(yīng)力載荷—彈性極限
對(duì)于靜態(tài)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)形式來(lái)說(shuō)，材料可承受的最大載荷直至彈性極限（見(jiàn)2.1節(jié)）。對(duì)鐵素體鋼和馬氏體鋼來(lái)說(shuō)，材料可承受的最大載荷可直至屈服強(qiáng)度。對(duì)其他金屬和聚合物來(lái)說(shuō)，材料可承受的最大載荷則直至延伸極限。對(duì)于這些材料來(lái)說(shuō)，在拉載荷和壓載荷作用下，這些材料特征值的絕對(duì)值通常相同。陶瓷則不一樣，承受壓載荷作用的陶瓷強(qiáng)度至少是承受拉載荷作用的陶瓷強(qiáng)度的十倍以上（見(jiàn)21節(jié)）。對(duì)于合成橡膠，采用斷裂強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)的極限值。圖2-3-3所示為以材料密度為基準(zhǔn)的材料強(qiáng)度區(qū)域雙對(duì)數(shù)圖。與彈性模量相反，一個(gè)材料組的強(qiáng)度取決于材料的成分和加工過(guò)程。可由剛度導(dǎo)出以物體重量為基準(zhǔn)的材料效率（在最大允許應(yīng)力下不產(chǎn)生塑性變形）為［1、8］：
對(duì)拉壓桿，有
對(duì)簡(jiǎn)單抗彎梁，有
對(duì)圓形平板，有
根據(jù)方程式（2.3.13），M給出了彈性變形的材料效率，而R則與在彈性變形區(qū)域允許的最大應(yīng)力有關(guān)。在圖2-3-3中繪出了用于材料效率R的輔助線(xiàn)。同樣地，還是要在圖表中的左上方尋找最佳的輕量化材料。
5失效—韌性斷裂與輕
出于使用安全考慮，靜態(tài)承載結(jié)構(gòu)形式也根據(jù)材料的斷裂韌度來(lái)設(shè)計(jì)，以避免產(chǎn)生解理斷裂。材料的斷裂韌度特征值KIC（見(jiàn)2.1節(jié)）表示了線(xiàn)彈性的、最大允許的應(yīng)力強(qiáng)度值。在材料失效時(shí)，KIC還是能量吸收能力的尺度。與陶瓷、橫向紋理的木材和塑料相比，金屬與復(fù)合材料的斷裂韌度相對(duì)較高。圖2-3-8所示為根據(jù)線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)得出的材料斷裂韌度值與材料密度值的雙對(duì)數(shù)圖表。
與強(qiáng)度類(lèi)似，可以針對(duì)各種載荷類(lèi)型導(dǎo)出針對(duì)斷裂韌度C的材料效率，即可得出以下關(guān)系式［1、8］：
對(duì)拉壓桿，有
對(duì)簡(jiǎn)單抗彎梁，
對(duì)圓形平板，有
圖2-3-8中繪出了與相同材料效率相對(duì)應(yīng)的輔助線(xiàn)。在這里還要注意的是：如果要求材料的韌度越好與質(zhì)量越輕，就越要到圖表的左上方去尋找材料。區(qū)域KIC>10MPa m1/2也意味著增塑，因此，這一區(qū)域只用來(lái)定向。在圖中，對(duì)于眾多載荷類(lèi)型來(lái)說(shuō)，纖維復(fù)合材料都是處于尖峰域，而金屬的比斷裂韌度比陶瓷的比斷裂韌度要好。
圖2-3-8材料彈性模量和密度的雙對(duì)數(shù)示意圖［6］，.采用輕量化抗彎梁及其向左上方向位移的相同材料效率輔助線(xiàn)，考慮到了變形因子。示例中，根據(jù)方程式（2.3.21），借助E*和ρ*提高到了10，以提高ΦMB=1的材料的效率［6］
6輕與價(jià)廉
產(chǎn)品的價(jià)格是一個(gè)重要的市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)。在選擇材料時(shí)必須要考慮到一點(diǎn)，即能夠以合適的成本生產(chǎn)出輕量化的構(gòu)件。基于這一考慮，可以在材料價(jià)格/材料重量的基礎(chǔ)上引入一個(gè)價(jià)格因子。這個(gè)價(jià)格因子可以給出材料以重量為基準(zhǔn)的價(jià)格與結(jié)構(gòu)鋼每千克價(jià)格的比例關(guān)系（表2-3-2）。如果采用材料的價(jià)格因子除以材料效率，則材料效率可以與材料的價(jià)格相關(guān)，就是說(shuō)，通過(guò)這種方法可以得到一個(gè)相對(duì)尺度，看出如果將一個(gè)材料的使用參數(shù)與鋼的相同參數(shù)相比，其價(jià)格會(huì)比鋼材貴出多少。舉例來(lái)說(shuō)，這里要尋找用于一個(gè)剛度確定的抗彎梁的材料，要求梁的價(jià)格要便宜，重量要盡可能輕。
表2-3-2中根據(jù)材料效率對(duì)材料序列進(jìn)行了比較，條件是抗彎梁剛度確定、一端固定，比較方式為不采用材料價(jià)格基準(zhǔn)進(jìn)行比較與采用材料價(jià)格基準(zhǔn)進(jìn)行比較，括號(hào)表達(dá)式內(nèi)為材料價(jià)格基準(zhǔn)。價(jià)格因子明顯地改變了輕量化抗彎梁材料的序列。現(xiàn)在，木材為第一選擇，之后是鋼。如果不考慮價(jià)格，鋼是最后的選擇。由于碳纖維增強(qiáng)塑料的價(jià)格高，反而落到了最后的位置。
在這個(gè)例子中，輕和價(jià)廉的要求占有同等地位。一般來(lái)說(shuō)，必須對(duì)各種要求進(jìn)行優(yōu)先權(quán)評(píng)估，并且對(duì)于使用參數(shù)要考慮到重量因素。
2.3.6幾何形狀
迄今為止，選擇的都是幾何形狀簡(jiǎn)單的試樣，如實(shí)心圓桿或圓形平板。實(shí)際上，還可以借助構(gòu)件的幾何形狀設(shè)計(jì)來(lái)滿(mǎn)足輕量化要求。對(duì)于單軸拉載荷或者壓載荷來(lái)說(shuō)，載荷均勻分布在構(gòu)件的橫截面上，與構(gòu)件的形狀無(wú)關(guān)。對(duì)于彎曲或者扭轉(zhuǎn)來(lái)說(shuō)，就不再是這樣了。形狀因子（Φ）是一個(gè)無(wú)量綱的數(shù)，表征了與尺寸無(wú)關(guān)的、在一定載荷作用下的、抵抗變形的橫截面形狀阻力。剛度的形狀因子ΦM與強(qiáng)度的形狀因子ΦR可用來(lái)考察一端固定梁的彎曲載荷。由抗彎剛度的形狀因子ΦMB可得出一個(gè)橫截面的面積慣性矩對(duì)于圓桿的面積慣性矩的關(guān)系：
式中，I為一個(gè)幾何形狀的面積慣性矩；I0為圓形橫截面的面積慣性矩；SB和S0B分別為相應(yīng)的抗彎剛度。
表2-3-3給出了簡(jiǎn)單桁梁橫截面的抗彎剛度形狀因子和抗彎強(qiáng)度形狀因子。壁厚越薄以及直徑越大（例如：管的直徑），形狀因子越高。
形狀因子是如何影響目標(biāo)函數(shù)與材料效率的呢？在抗彎梁的例子中，可以將方程式（2.3.15）代入方程式（2.3.9）中。
與方程式（2.3.11）類(lèi)似，承載橫截面可表示為：
對(duì)于質(zhì)量最小化的目標(biāo)函數(shù)P，可在材料效率中引入與橫截面相關(guān)的因子
應(yīng)當(dāng)為最大值的材料效率f3（W）為：
就是說(shuō)：形狀因子越大，材料效率越高。但是，形狀因子的選擇不是無(wú)限制的，而是取決于可用于該材料加工的成形方法。表2-3-4列出了管形狀因子的例子，管采用表中給出的材料加工。木材料的管很難加工，但是用于桁梁的形狀因子則可以達(dá)到2.5（表2-3-3）。采用焊接板材可以方便地加工出薄壁管，特別是采用鋼材可以達(dá)到很高的形狀因子。薄壁管和纖維增強(qiáng)塑料管的承載能力受限于凸起失效（見(jiàn)1.2節(jié)）。表2-3-4展示了按照實(shí)心桿抗彎強(qiáng)度（形狀因子1，如表2-3-2）得出的材料序列，并將其與每個(gè)形狀因子可實(shí)現(xiàn)的材料效率進(jìn)行了比較。這里，單向碳纖維增強(qiáng)塑料又成為剛度最好的材料選擇，緊隨其后的是鋼，然后是木材以及輕金屬鋁和鎂。如果采用價(jià)格因子，鋼管就是價(jià)格最好的方案。
如何在Ashby圖表中考慮形狀因子呢？圖2-3-8所示為不同材料彈性模量與密度的雙對(duì)數(shù)圖表以及輕量化抗彎梁輔助線(xiàn)。方程式（2.3.18）可以改寫(xiě)為：
2.3.7示例：自行車(chē)架的材料選擇
劍橋工程選擇（CES）［10］是為個(gè)人計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)的軟件。采用這個(gè)軟件，可以按照規(guī)定的原則用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行材料選擇。這里以自行車(chē)架為例，逐步說(shuō)明材料選擇的方法。
CES由三個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成：①材料；②依據(jù)材料類(lèi)別的材料性能；③準(zhǔn)確的材料性能。為了提出設(shè)計(jì)一個(gè)梯形車(chē)架的建議，可將最重要的目標(biāo)函數(shù)歸納如下：在低重量下的高抗彎剛度、高強(qiáng)度和足夠的韌度。這樣，可以在考慮到形狀因子RB和C的情形下對(duì)材料效率MB進(jìn)行比較。為了實(shí)現(xiàn)較大的市場(chǎng)份額，又加入了針對(duì)價(jià)格低廉方案的框架條件。
●要求A：在高抗彎剛度下的最小重量。
為此，首先根據(jù)圖2-3-9，采用針對(duì)材料類(lèi)別的彈性模量—密度圖表。根據(jù)方程式（2310），材料效率
圖239Ashby圖：材料類(lèi)別的彈性模量與密度的關(guān)系，借助輕量化抗彎梁的材料效率輔助線(xiàn)［17］●要求B：利用成形方法提高抗彎剛度。
尋找面積慣性矩盡可能高的材料來(lái)加工長(zhǎng)構(gòu)件，采用這些構(gòu)件將車(chē)架組裝起來(lái)。在目標(biāo)函數(shù)中引入幾何形狀因子，可借助根據(jù)方程式（2.3.15）和表2-3-2得到的形狀因子ΦMB，由方程式（2.3.20）得出幾何形狀組合的材料效率。
●要求C：價(jià)格低廉。
自行車(chē)應(yīng)當(dāng)可以每天使用，可供應(yīng)的市場(chǎng)范圍很廣。這個(gè)邊界條件可以與工藝材料效率結(jié)合在一起，并除以?xún)r(jià)格因子（見(jiàn)表2-3-2）。這樣一來(lái)，在最小重量下，對(duì)于長(zhǎng)構(gòu)件可加工橫截面抗彎剛度的要求就可以采用成本來(lái)進(jìn)行加權(quán)評(píng)估了。圖2-3-10顯示了借助輔助線(xiàn)在方程式（2.3.18）中除以以質(zhì)量為基準(zhǔn)的價(jià)格因子后得到的結(jié)果。通過(guò)域“纖維方向木”在圖中繪入基準(zhǔn)線(xiàn)。在圖2-3-10中，只畫(huà)出了材料效率抗彎剛度/價(jià)格高于木材的材料。
圖2-3-10承受彎曲應(yīng)力載荷的材料的彈性模量/形狀因子與（密度價(jià)格/質(zhì)量）/形狀因子的關(guān)系。圖中采用木的材料效率作為輔助線(xiàn)
a）總覽圖圖2-3-10承受彎曲應(yīng)力載荷的材料的彈性模量/形狀因子與（密度價(jià)格/質(zhì)量）/形狀因子的關(guān)系。圖中采用木的材料效率作為輔助線(xiàn)(續(xù))
b）具有比木材更高的以?xún)r(jià)格為基準(zhǔn)的材料［18］
●要求D：強(qiáng)與輕。
根據(jù)章節(jié)2.3.5.1，可引入拉壓應(yīng)力載荷和彎曲應(yīng)力載荷的材料效率作為選擇標(biāo)準(zhǔn)（圖2-3-11a，M=3/2）。按照相同剛度下價(jià)格更低廉的標(biāo)準(zhǔn)選擇出的材料結(jié)果可見(jiàn)圖2311b。按照這一要求，材料選擇中排除了合成橡膠和陶瓷。
圖2-3-11
a）在相同抗彎剛度下，選擇出的價(jià)格更便宜的材料（圖2310b）的屈服強(qiáng)度及其密度，借助針對(duì)壓/拉/彎曲應(yīng)力載荷的材料效率輔助線(xiàn)b）材料的彈性模量/形狀因子對(duì)比密度價(jià)格/形狀因子，材料是指通過(guò)木材輔助線(xiàn)在圖a）中還存在的材料［18］
圖2-3-12滿(mǎn)足A～D要求的材料的斷裂韌度與密度，借助針對(duì)壓/拉與彎曲應(yīng)力載荷的材料效率的輔助線(xiàn)［18］
圖2-3-13選擇材料彈性模量/形狀因子與密度/形狀因子的關(guān)系，借助抗彎剛度輔助線(xiàn)［18］
●要求E：失效的安全性極限。
所采用材料的斷裂韌度應(yīng)當(dāng)限制在KIC>20MPa m1/2。這樣一來(lái)，不僅排除了陶瓷，也排除了木材、聚合物和鑄造合金。斷裂韌度的材料效率應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足輕量化桁梁可承受的拉、壓、彎曲與扭轉(zhuǎn)應(yīng)力載荷的要求。對(duì)于超出了規(guī)定斷裂韌度極限值的材料，根據(jù)章節(jié)2.3.5.2的介紹，可以借助材料效率CDZ和CB進(jìn)行評(píng)估。按照要求A～D選擇的材料在圖2-3-12中以材料效率“斷裂韌度與輕”來(lái)進(jìn)行評(píng)估。在具有足夠斷裂韌度的材料中，只有鋼、高強(qiáng)度鈦?zhàn)冃魏辖鸷透邚?qiáng)度鋁變形合金以及價(jià)格昂貴的碳纖維增強(qiáng)塑料具有高的材料效率。
●要求F：材料必須可回收。
CES［11］還包括了針對(duì)材料回收能力選擇的標(biāo)準(zhǔn)。按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，復(fù)合材料無(wú)法滿(mǎn)足要求。采用迄今為止選擇出的材料組，通過(guò)使用性能數(shù)據(jù)庫(kù)，可以得出準(zhǔn)確的合金，在圖2.3.13中顯示出了這些合金以?xún)r(jià)格為基準(zhǔn)的比剛度。由此可以得出滿(mǎn)足規(guī)定要求的材料順序：
低合金鋼；
鋁合金：變形鋁合金3xxx與5xxx；
高強(qiáng)度鋁合金：變形合金 2xxx，7xxx；
不銹鋼；
鋅合金：鋅鋁合金，鋅銅合金；
玻璃纖維增強(qiáng)塑料：環(huán)氧樹(shù)脂基與苯酚樹(shù)脂基。
●根據(jù)上面得到的結(jié)果，對(duì)比在引言中提到的材料方案（圖2-3-1）：竹車(chē)架不能滿(mǎn)足韌度要求，而碳纖維增強(qiáng)塑料車(chē)架由于成本的原因也不予考慮。
2.3.8示例：對(duì)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的多種要求
1內(nèi)燃機(jī)的目標(biāo)參數(shù)
表2-3-5給出了內(nèi)燃機(jī)最重要的目標(biāo)及其加工方法。這些參數(shù)按照其意義對(duì)整個(gè)汽車(chē)及其市場(chǎng)能力進(jìn)行加權(quán)，其中5表示最重要。目標(biāo)與發(fā)動(dòng)機(jī)材料性能的內(nèi)在聯(lián)系通過(guò)量化的概念和特征值符號(hào)給出，對(duì)此在表2-3-6中給予了解釋。
尺寸較小的發(fā)動(dòng)機(jī)可以減小汽車(chē)尺寸以及降低整車(chē)重量，但對(duì)于強(qiáng)調(diào)功率的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，只能通過(guò)增加氣缸工作容積來(lái)提升發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。這樣一來(lái)，不論是對(duì)于制造方法還是對(duì)于構(gòu)件強(qiáng)度，減小缸體壁厚都是一個(gè)挑戰(zhàn)。因此，目標(biāo)設(shè)定不僅涉及構(gòu)件，也涉及整車(chē)。對(duì)于不同的要求來(lái)說(shuō)，可以引進(jìn)哪些材料特征值作為目標(biāo)值呢？表2-3-6［9］顯示了材料特征值的多樣性。在可能的情況下，可根據(jù)參考文獻(xiàn)［1］將其表示為組合特征值的材料效率，并通過(guò)引入示例的相應(yīng)載荷來(lái)加以描述。相應(yīng)的表達(dá)式與表2-3-5中列出的目標(biāo)有關(guān)。按照要求，將表2-3-6劃分為氣缸體和氣缸區(qū)域（這里為氣缸套）。在表2-3-6中傳遞到材料上的要求對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)使用性能有不同程度的影響，對(duì)此要求對(duì)材料特征值進(jìn)行加權(quán)。最重要的參數(shù)是缸體材料的比交變疲勞強(qiáng)度、鏡面磨損以及缸體與缸套復(fù)合物的質(zhì)量。
2材料比較
根據(jù)已有的技術(shù)知識(shí)，不需要對(duì)所有可供使用的材料進(jìn)行材料效率評(píng)估。由于曲軸箱形狀復(fù)雜，只能采用鑄造方法加工。由于要承受熱應(yīng)力載荷，所以不能采用塑料，而根據(jù)對(duì)曲軸箱材料斷裂韌度的要求，又可以排除陶瓷。基于成本的原因，不用考慮鎳合金和銅合金。這樣一來(lái)，值得考慮的只有合金組灰鑄鐵、鋁合金和鎂合金。可以根據(jù)準(zhǔn)確的特征值和數(shù)據(jù)對(duì)特殊示例［10］進(jìn)行比較：GG25和GGV500、AlSi8（9）Cu3、AlSi7Cu4Mg和AZ91（見(jiàn)2.1節(jié)）。根據(jù)對(duì)氣缸體和氣缸鏡面要求（表236）進(jìn)行劃分的方法，還可以考慮采用材料復(fù)合的方式，即將能夠達(dá)到抗磨損和油膜穩(wěn)定性要求的氣缸套鑄入不必達(dá)到這一要求的鋁合金或者鎂合金氣缸體中。已知的是，灰鑄鐵和鋁基復(fù)合材料（MMC）可以滿(mǎn)足氣缸鏡面的要求，因此，在灰鑄鐵缸體和過(guò)共晶鋁硅合金中不需要單獨(dú)鑄入缸套。
下面介紹一個(gè)材料比較的方法，在該方法中考慮到了要求的整體性。按照表2-3-6的形式，在表2-3-7中列出了所選擇的合金最重要的材料效率，表中的離散范圍位于最小特征值和最大特征值之間。基于預(yù)期的表達(dá)方式（表2-3-6），將每個(gè)最佳值加粗標(biāo)注出來(lái)。這個(gè)值得到最高分5，其他的值可相對(duì)這個(gè)值來(lái)進(jìn)行計(jì)算（欄內(nèi)左部分）。刻度值（在0到5之間）乘以加權(quán)，加到每個(gè)材料上。這樣得出的加權(quán)總和雖然沒(méi)有絕對(duì)的說(shuō)服力，但是用來(lái)對(duì)材料進(jìn)行比較是足夠了。
●灰鑄鐵最大的優(yōu)點(diǎn)在于良好的阻尼性、不需要使用缸套與高強(qiáng)度，缺點(diǎn)是重量大、比剛度小［11］。在按照表2-3-7進(jìn)行的技術(shù)評(píng)估中，灰鑄鐵以72～99分列在最后一檔。
●亞共晶鋁硅合金重量低、導(dǎo)熱性好、比剛度高。與灰鑄鐵相比，缺點(diǎn)是強(qiáng)度低、耐磨性差、減振差。在按照表2-3-7進(jìn)行的技術(shù)評(píng)估中，亞共晶鋁硅合金以104～131分列第二檔。
●過(guò)共晶鋁硅合金除了具有亞共晶鋁硅合金的優(yōu)點(diǎn)外，還具有高抗磨損強(qiáng)度，可以無(wú)缸套使用［12,13］。在按照表2-3-7進(jìn)行的技術(shù)評(píng)估中，過(guò)共晶鋁硅合金以128 ～152分列第一檔。
●鎂合金具有最小的密度與高比剛度，導(dǎo)熱性高于灰鑄鐵（但比鋁硅合金的低），但是疲勞強(qiáng)度低、易腐蝕、抗蠕變性差、熱膨脹系數(shù)高。在按照表2-3-7進(jìn)行的評(píng)估中，鎂合金的分?jǐn)?shù)與亞共晶鋁硅合金類(lèi)似，但是離散度高（97～137）。
亞共晶鋁硅合金與鎂合金［14］需要采取與氣缸套材料復(fù)合的方式，這樣可以提高技術(shù)性能指標(biāo)。
3制造方法的經(jīng)濟(jì)性
為了生產(chǎn)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)下列鑄造方法進(jìn)行了考察（見(jiàn)3.1節(jié)）：砂型鑄造、金屬型鑄造、壓鑄、低壓鑄造、擠壓鑄造（可與實(shí)時(shí)控制壓鑄方法等效）。對(duì)每種方法參數(shù)的詳細(xì)考察可參見(jiàn)參考文獻(xiàn)［13］～［17］。對(duì)于大的構(gòu)件，灰鑄鐵只能采用砂型鑄造方法，鋁合金可以用上面提到的所有鑄造方法加工，對(duì)于鎂合金則只能采用壓鑄的方法。為了進(jìn)行目標(biāo)比較，引入了大量的經(jīng)濟(jì)性因素［15］。在圖2-3-14中，采用加權(quán)表示了用于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)批量生產(chǎn)的特征參數(shù)［13,14］。圖中的長(zhǎng)帶對(duì)應(yīng)于重量帶寬。為了得到有說(shuō)服力的相對(duì)特征數(shù)，必須按照材料的特征值那樣對(duì)這些相對(duì)值進(jìn)行刻度化、加權(quán)與相加處理。最重要的點(diǎn)是加工周期以及構(gòu)件的復(fù)雜程度。
圖2-3-14用于曲軸箱加工的經(jīng)濟(jì)因子的加權(quán)平均
考慮到構(gòu)件的復(fù)雜程度，鑄造方法的差別很大（見(jiàn)3.1節(jié)）。傳統(tǒng)的砂型鑄造方法沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力，可以采用的方法有用于灰鑄鐵鑄造與鋁合金鑄造的組芯造型方法。在組芯造型方法中，鑄模由多個(gè)單一芯構(gòu)成，采用插塞連接、粘接連接與/或螺栓連接等方式以自動(dòng)化方式組裝在一起。對(duì)于鋁合金和鎂合金，可以采用低壓鑄造、壓鑄和擠壓鑄造的方法進(jìn)行加工。
如果采用由灰鑄鐵或者M(jìn)MC構(gòu)成的氣缸套，則還需要一個(gè)額外的加工程序。氣缸套必須事先加工完畢，然后鑄入亞共晶鋁硅合金中，或者擠壓進(jìn)鑄造件中。按照定位方法，可采用擠壓鑄造方法，在成形加工時(shí)將鋁基體材料擠入圓柱形的、多孔的硅氧化物或者鋁氧化物預(yù)制件中［15］。
4功能范圍圖示表
為了能夠清楚地表達(dá)所得到的數(shù)據(jù)，根據(jù)圖2-3-15選擇了功能范圍圖示方法。在這個(gè)方法中，橫坐標(biāo)為批量生產(chǎn)能力，縱坐標(biāo)為技術(shù)功率。越往右，則生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性越好。越向上，則技術(shù)性能越好。可以采用圖2-3-14中區(qū)域C和D中的產(chǎn)品來(lái)替代區(qū)域A中的產(chǎn)品，也可以采用區(qū)域D中的產(chǎn)品來(lái)替代B中的產(chǎn)品。區(qū)域C中的產(chǎn)品是否能替代區(qū)域B中的產(chǎn)品則要看技術(shù)改善與成本提高的性?xún)r(jià)比。
圖2-3-15與批量生產(chǎn)有關(guān)的工藝性能替代功能圖表
圖2-3-16四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)大批量生產(chǎn)的材料可替代方案總功能圖表：對(duì)角長(zhǎng)帶作為GG25方案的替代極限（在其下面的產(chǎn)品沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力）
對(duì)于本節(jié)中研究的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，可以給出材料/方法組合的區(qū)域。該區(qū)域是由刻度化的材料總和以及經(jīng)濟(jì)性總和的最小值和最大值構(gòu)成的。圖2-3-16所示為按照?qǐng)D2-3-15在材料功能圖表中繪制的大批量生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)果域。這里選擇了由最經(jīng)濟(jì)的GG25材料用組芯造型方法加工的氣缸曲軸箱作為比較基準(zhǔn)。圖中灰色的長(zhǎng)帶表示了可能的替代邊界。所有位于帶下方的氣缸曲軸箱與灰鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)缸體相比都是沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力的。
這個(gè)功能圖表很好地反映了氣缸曲軸箱產(chǎn)品的現(xiàn)狀。在大批量生產(chǎn)中，首先采用GG25，緊隨其后的是帶有灰鑄鐵氣缸套鑄入件的AlSi8Cu3箱體。鋁合金曲軸箱的技術(shù)性能明顯優(yōu)于灰鑄鐵曲軸箱。這兩種材料的曲軸箱都是采用組芯造型方法生產(chǎn)的。
采用組芯造型方法鑄造的蠕蟲(chóng)狀石墨灰鑄鐵（GGV 500）［16］可以很好地替代傳統(tǒng)片狀石墨灰鑄鐵。蠕蟲(chóng)狀石墨灰鑄鐵具有更好的材料性能，可以實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，但是蠕蟲(chóng)狀石墨灰鑄鐵的石墨組織比較難控制，這一點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加。沿著替代直線(xiàn)更左面的是帶有灰鑄鐵或者M(jìn)MC氣缸套的AlSi9Cu3壓鑄殼體。與GG25相比，是否選擇AlSi9Cu3壓鑄發(fā)動(dòng)機(jī)殼體要看其較低的經(jīng)濟(jì)性和更高的技術(shù)性能哪個(gè)更重要。按照這個(gè)模型，鎂合金殼體大批量生圖2-3-17用于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)指標(biāo)高、
成本壓力小的材料功能圖表（豪華車(chē)型、跑車(chē)）產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性無(wú)法與灰鑄鐵相比，但是具有更好的技術(shù)性能。原則上，MMC氣缸套的設(shè)計(jì)使用比灰鑄鐵的設(shè)計(jì)使用難度要大。因此，對(duì)于所有的方法，這個(gè)材料區(qū)域都更向左。由于具有更高的抗磨損強(qiáng)度和更低的重量，這個(gè)區(qū)域具有更好的技術(shù)性能。位于替代界限下方的、無(wú)競(jìng)爭(zhēng)力的方法有重力鑄造和低壓鑄造方法。在組芯造型方法的大批量生產(chǎn)中，采用過(guò)共晶鋁硅合金的缸體，由于凝固時(shí)間長(zhǎng)（加工周期）、設(shè)備與人工費(fèi)用高，其競(jìng)爭(zhēng)力不如采用灰鑄鐵和亞共晶鋁硅合金材料的缸體。
通過(guò)采用功能圖表進(jìn)行比較，可以看出，材料功能圖表所表達(dá)出的效果更好一些。但是，在這個(gè)圖表中，對(duì)技術(shù)性能的評(píng)估要高于對(duì)生產(chǎn)成本的評(píng)估（圖2-3-17，例如：用于豪華轎車(chē)或者跑車(chē)的大容量發(fā)動(dòng)機(jī)）。與圖2-3-16相比，對(duì)過(guò)共晶均質(zhì)AlSi17Cu4Mg曲軸箱體的低壓鑄造方案的評(píng)估結(jié)果與帶氣缸套的亞共晶鋁硅合金材料方案相同。在這個(gè)產(chǎn)品領(lǐng)域中，還有一個(gè)鎂/鋁復(fù)合曲軸箱體方案［10］。采用這種方案的發(fā)動(dòng)機(jī)性能與過(guò)共晶鋁硅合金缸體相同，但是由于重量減輕，從而降低了汽車(chē)的重量，使得汽車(chē)的行駛性能得到了提高［17］。
2.3.9小結(jié)與展望
對(duì)一個(gè)構(gòu)件及其使用的目標(biāo)功能和邊界條件的表達(dá)越精確，就越可以更好地定義相關(guān)材料的特征值。由于需要滿(mǎn)足的要求多種多樣，因此有必要對(duì)材料進(jìn)行評(píng)估，以便于確定材料性能的優(yōu)先權(quán)，并對(duì)其進(jìn)行加權(quán)評(píng)估。在簡(jiǎn)單的情形下，將各種使用參數(shù)緊密結(jié)合起來(lái)進(jìn)行分析，比采用材料效率的方法更有效。通常采用指數(shù)冪來(lái)表達(dá)材料密度的相關(guān)性，因此，在對(duì)材料進(jìn)行輕量化比較時(shí)，采用雙對(duì)數(shù)表的表達(dá)方式非常有幫助。除此之外，也可采用針對(duì)各種材料效率和邊界條件的材料逐步選擇方法。
一個(gè)設(shè)計(jì)方案能否實(shí)現(xiàn)取決于制造方法，特別是加工材料的成形與連接方法。在搞清楚加工工藝后，必須進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)估。一般來(lái)說(shuō)，制造方法的成本要高于材料的成本。CES［18］考慮了加工方法，但也只是提供了一個(gè)輔助方向。在制造構(gòu)件過(guò)程中獲取數(shù)據(jù)是很困難的，也會(huì)導(dǎo)致不同的評(píng)估結(jié)果。因此，對(duì)新構(gòu)件制造的預(yù)測(cè)還無(wú)法做到很精確，但是，學(xué)習(xí)曲線(xiàn)的方法還是有效的（見(jiàn)第7章）。采用材料功能范圍圖示方法，可以對(duì)工藝和經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)花費(fèi)進(jìn)行比較。采用材料域的方法，至少可以對(duì)各種材料種類(lèi)的潛力進(jìn)行相對(duì)比較。對(duì)于每種應(yīng)用情形與每個(gè)制造商來(lái)說(shuō)，都要根據(jù)具體的應(yīng)用情形和制造方法來(lái)選擇合適的材料。為了實(shí)現(xiàn)成功的決策，除了采用上面介紹的方法之外，還要根據(jù)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和基于對(duì)市場(chǎng)的預(yù)測(cè)進(jìn)行判斷。采用選擇的材料數(shù)據(jù)對(duì)構(gòu)件功能進(jìn)行仿真以及對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)試，可以對(duì)解決方案進(jìn)行驗(yàn)證。另外，還有可能需要對(duì)目標(biāo)函數(shù)加以修改，再重新進(jìn)入問(wèn)題解決循環(huán)周期。在確定了加工方法、準(zhǔn)確的材料規(guī)格和加工允差后，還要檢查目標(biāo)函數(shù)是否滿(mǎn)足市場(chǎng)成本的要求。除此之外，還要針對(duì)降低制造成本的要求，充分挖掘改進(jìn)潛力以及對(duì)極其重要的學(xué)習(xí)曲線(xiàn)進(jìn)行評(píng)估，只有這樣，成功的創(chuàng)新才是可以期待的。
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