第二章_結(jié)構(gòu)材料

1、結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料：以力學(xué)性能為基礎(chǔ)，制造受力構(gòu)件所用的材料，常見(jiàn)的鋼鐵、鋁、水泥、玻璃、塑料等都是結(jié)構(gòu)材料。外部施加力學(xué)載荷拉伸壓縮彎曲剪切材料內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力拉應(yīng)力壓應(yīng)力彎曲應(yīng)力剪切應(yīng)力對(duì)力學(xué)性能的要求彈性剛度強(qiáng)度塑性韌性硬度疲勞彈性：材料受載荷作用時(shí)立即引起變形，當(dāng)載荷去除，變形立即消失而恢復(fù)至原來(lái)狀態(tài)的性能，稱為彈性。彈性模量：彈性模量：載荷與變形量的比例常數(shù)載荷與變形量的比例常數(shù)剛度：材料抵抗彈性變形的能力，稱為剛度。強(qiáng)度：材料抵抗外力破壞的能力稱為強(qiáng)度，單位面積的受力大小。因材料受載方式和變形形式不同，可分為屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度、持久強(qiáng)度等。塑性：材

2、料在載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力稱為塑性。延伸率（延伸率（ ）和收縮率（和收縮率（） 5，塑性材料；，塑性材料；5，脆性材料脆性材料韌性：材料抵抗沖擊載荷而不被破壞的能力，稱為沖擊韌性，簡(jiǎn)稱韌性。硬度：材料抵抗其他物體壓入其表面的性能，稱為硬度。硬度表示了材料表面抵抗局部塑性變形和破壞的能力。疲勞：在交變載荷作用下，材料內(nèi)部產(chǎn)生交變應(yīng)力，使得材料產(chǎn)生裂紋，裂紋逐漸發(fā)展而突然斷裂，這就是材料的疲勞。經(jīng)多次重復(fù)交變作用而不至于引起疲勞破壞的最大應(yīng)力，稱為材料的疲勞強(qiáng)度。管狀支撐結(jié)構(gòu)，由中心的鋼管和外壁鋼管組成，中心鋼管主要承受垂直方向的載荷（50，000 t），外壁鋼管承受部分垂直方向的

3、載荷和所有的橫向載荷(4.9x107 N)。5/3安全系數(shù)，在低風(fēng)速的情況下，外壁鋼管約80的強(qiáng)度浪費(fèi)角聯(lián)接角聯(lián)接外壁鋼管外壁鋼管中心鋼管中心鋼管地板托梁地板托梁粘彈性減震裝置粘彈性減震裝置地板聯(lián)接示意圖被撞擊后，非常集中的力被鋼管和混凝土的彎曲、扭曲和局部撕裂所吸收。外壁鋼管受到的載荷被重新分配到臨近的其它鋼管上。整個(gè)世貿(mào)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)把受到的沖擊能量迅速消散掉了。飛機(jī)沒(méi)有撞倒世貿(mào)大廈擴(kuò)散型火焰0.1-10 W/cm2低燃燒溫度低燃燒溫度非化學(xué)計(jì)量比非化學(xué)計(jì)量比化學(xué)計(jì)量比的碳?xì)浠衔锶紵郎囟?027o C 在空氣中燃燒最高只能達(dá)到825o C 世貿(mào)大火是燃油過(guò)量的非化學(xué)計(jì)量比燃燒，溫度大概在82

4、5o C，遠(yuǎn)低于鋼的熔點(diǎn)1500o C，因此，鋼管沒(méi)有熔化。世貿(mào)大廈鋼管沒(méi)有被大火熔化，但在高溫下，鋼管的強(qiáng)度大大降低了，大約只有室溫強(qiáng)度的3040，所以鋼管的強(qiáng)度被大大弱化了。外壁溫度低，內(nèi)部溫度高，大的溫度梯度造成外壁與內(nèi)部熱膨脹的失配。較長(zhǎng)的地板托梁各部分受到的熱量是不一致的。鋼管強(qiáng)度的弱化，結(jié)構(gòu)完整性的破壞和彎曲引起的形變是大廈倒塌的主要原因。高熱量的火焰迅速擴(kuò)散結(jié)構(gòu)單元開(kāi)始變形，松弛并下垂強(qiáng)度弱化和變形引起橫梁與鋼管脫離墜落的橫梁沖擊下面的橫梁并使其脫離鋼管強(qiáng)度弱化，失去橫梁支撐的外壁鋼管變形彎曲沖擊改變了橫梁承受的載荷大火弱化了橫梁的強(qiáng)度并使其扭曲某些樓層地板橫梁發(fā)生彎曲墜落的樓層

5、地板橫梁沖擊下面的樓層多米諾骨牌效應(yīng)，一層接一層坍塌，最終引起大廈垂直坍塌結(jié)構(gòu)單元開(kāi)始失效，使鋼管失去支撐低樓層承受不住沖擊載荷大廈重心必須搖擺30米才會(huì)傾倒很大的結(jié)構(gòu)破壞耐火層失效很高的熱流火焰快速?gòu)氐椎臄U(kuò)散結(jié)構(gòu)材料的失效英國(guó)二戰(zhàn)時(shí)期自由號(hào)補(bǔ)給船在北大西洋斷裂英國(guó)二戰(zhàn)時(shí)期自由號(hào)補(bǔ)給船在北大西洋斷裂脆性斷裂脆性斷裂脆性斷裂特點(diǎn)：很小的預(yù)先形變，斷裂面平坦應(yīng)力集中導(dǎo)致在低于材料的強(qiáng)度值時(shí)就發(fā)生斷裂initialneckingcavityformationcavitycoalescencecrackpropagation(in shear)characteristiccup-and-conesha

6、pe of ductilefracturerough surface from plastic deformation1954年1月，從倫敦飛往約翰內(nèi)斯堡的SA201航班在海上墜毀（金屬疲勞引起機(jī)身解體）疲勞疲勞失效90的材料失效是由疲勞引起的特點(diǎn)：反復(fù)的加載/卸載，但最大應(yīng)力低于材料的強(qiáng)度通常失效的構(gòu)件中都存在尖角（如飛機(jī)的安全艙門，窗戶等）103105107109cycles to failure (log scale)stress amplitudefatigue limite.g. Fe, Ti103105107109cycles to failure (log scale)stres

7、s amplitudee.g. Al, Cu兩種疲勞失效 臺(tái)灣華航CI611班機(jī)(波音747-200型)資料圖片 共打撈起1432件CI611的殘骸，其中屬于后段機(jī)身的第640件殘骸因有多處金屬疲勞紋，而出現(xiàn)金屬疲勞紋的地方又是23年前機(jī)尾擦地時(shí)做過(guò)修補(bǔ)的部分，飛機(jī)從后段機(jī)身先斷裂，造成機(jī)艙失壓，最后空中解體。鋁合金汽車上應(yīng)用得最快最廣的輕金屬特點(diǎn)：重量輕，強(qiáng)度高、耐腐蝕應(yīng)用：鋁合金車圈，鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)。德國(guó)奧迪汽車公司在1999年推出的奧迪A2，以全新的輕量化結(jié)構(gòu)，成為世界第一款大批量生產(chǎn)的全鋁轎車。新型結(jié)構(gòu)材料在汽車上的應(yīng)用奧迪A2奧迪A2的車身采用全鋁空間框架車身ASF。所謂ASF概念即儀

8、表板部分由高強(qiáng)度鋁結(jié)構(gòu)支撐，空間構(gòu)架由真空壓鑄接頭的擠壓成型段組成，這兩者結(jié)合成很輕的鋁合金車身。從前頂柱到行李艙邊，包括車門手把坑都是用鋁沖壓成形，前柱(A柱)是采用高壓鑄鋁新技術(shù)，這是一種用于飛行器結(jié)構(gòu)的高難技術(shù)，它能夠復(fù)合加強(qiáng)并改變材料厚度。由于奧迪A2采用ASF空間結(jié)構(gòu)，使車身重量比傳統(tǒng)鋼制車身輕40%以上，只有895公斤。 美洲虎鋁合金車身XJ系列 通過(guò)使用輕量和高強(qiáng)度的鋁合金，車身重量減小了40%，強(qiáng)度則提高了60%。 最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，是鋁的23、鋼鐵的14。 比強(qiáng)度和比剛度高，均優(yōu)于鋁合金和鋼材。 耐腐蝕，耐腐蝕性優(yōu)于低碳鋼。 綠色環(huán)保材料，可回收再利用。 減震性好，抗疲勞。

9、 電磁屏蔽性好，能夠防電磁輻射。 在熔煉和加工過(guò)程中極容易氧化燃燒，生產(chǎn)難度很大；鎂合金成形技術(shù)有待進(jìn)一步發(fā)展；鎂合金的耐蝕性較差；不適合在高溫（150350）場(chǎng)合應(yīng)用；強(qiáng)度和塑韌性有待進(jìn)一步提高；變形鎂合金的發(fā)展嚴(yán)重滯后，不能適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)合的要求 優(yōu)點(diǎn)鎂合金缺點(diǎn)座椅骨架、儀表盤、轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向柱、輪圈、發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋、變速器殼、離合器殼等應(yīng)用19902000年北美（福特、通用、克萊斯勒）平均每車鎂合金使用量變化東風(fēng)汽車將脫下鋁裝換鎂裝鈦合金鈦具備重量輕、強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕和良好的低溫韌性等性能，美國(guó)的超音速飛機(jī)90的結(jié)構(gòu)材料使用的是鈦合金，而目前的賽車幾乎都使用了鈦材 目前，汽車用鈦部件主

10、要包括：一、閥。美國(guó)廠家利用鈦合金制作進(jìn)、排氣閥較普遍，進(jìn)氣閥使用Ti6Al4V合金，排氣閥使用Ti6Al2Sn4Zn2Mo合金。利用鈦合金制作汽車閥，不僅可以減輕重量，延長(zhǎng)使用壽命，而且可靠性高，還可節(jié)省燃油。二、連桿。用鈦合金制造連桿對(duì)減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量最有效，能大大提高性能。連桿所用材料主要是Ti6Al4V，其它如Ti4Al2Si4Mn、Ti7Al4Mo等也在研制中。三、曲軸及其它發(fā)動(dòng)機(jī)部件。日本正在試制Ti5Al2CrFe合金曲軸，這種曲軸因需要進(jìn)行防粘接處理，目前還未實(shí)用化。其它發(fā)動(dòng)機(jī)部件如搖臂、閥簧和連桿的下螺栓等也可利用Ti6Al4V合金制造。四、其它部件。汽車上的螺栓、螺母等連接件

11、和離合器圓盤、壓力板等變速器零部件，都可利用鈦合金制造。采用旋轉(zhuǎn)成型法制造的鈦合金離合器外殼，與鋼制外殼相比，可以大大減輕飛輪的沖擊破壞。 鈦合金應(yīng)用在飛機(jī)結(jié)構(gòu)制造已有很長(zhǎng)的歷史，但由于它的價(jià)格昂貴，所以至今并未延伸于汽車制造上。美國(guó)TIMET公司出產(chǎn)的LCB鈦合金材料價(jià)格明顯較通用的飛機(jī)材料低，華格納教授運(yùn)用其研究汽車組件：如避震系統(tǒng)的制造，可以減輕50%的重量。不僅如此，研發(fā)出來(lái)的彈性鈦合金相對(duì)于避震器慣用的鋼材料，能以較少的螺旋和尺寸產(chǎn)生一樣的抗震強(qiáng)度，而且，鈦合金不易生銹，可以省去一般的表面防銹處理，優(yōu)點(diǎn)多多。釩合金用釩元素生產(chǎn)的釩鋼、釩鈦合金具有高強(qiáng)度低重量的特點(diǎn)。為了減少汽車重量，

12、一些汽車的連接件是用含5%釩的鈦合金制造的。此釩鈦合金能夠適應(yīng)汽車零部件的高速機(jī)械運(yùn)作的苛刻環(huán)境。法拉利（FERRARI） F1賽車F2004-GA氣門通常用鈦合金作為材料以求強(qiáng)度的提升及輕量化的要求F2003-GA賽車 技術(shù)規(guī)格：引擎：3000 Ferrari (型號(hào)052), V10排氣量：2,997 C.C.汽門數(shù)：40燃油供應(yīng)系統(tǒng)：Magneti Marelli數(shù)位電子燃油噴射系統(tǒng)點(diǎn)火系統(tǒng)：Magneti Marelli電子點(diǎn)火系統(tǒng)變速箱：半自動(dòng)序列七前速底盤：碳纖維和蜂巢復(fù)合結(jié)構(gòu)懸吊：獨(dú)立懸吊，推桿式主動(dòng)扭曲彈簧剎車：通風(fēng)碳纖維剎車盤尺寸：長(zhǎng)、寬、高 = 4,5451,796959c

13、(mm)輪距：前：1,470 mm；后：1,405 mm車重：600公斤 設(shè)計(jì)概念: 輕量化和強(qiáng)化結(jié)構(gòu)剛性全新設(shè)計(jì)的七速變速箱，外殼使用鈦合金制成采用鋁質(zhì)內(nèi)膽、鎂質(zhì)外壁的合金汽缸發(fā)動(dòng)機(jī)，比傳統(tǒng)的鋼質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)輕了10公斤寶馬F1賽車 寶馬新6系采用大量鋁合金碳素纖維強(qiáng)化塑料車頂這種新材料比鋼輕50%，比鋁輕35%，可以有效減輕車輛的重量，從而有效提升車輛的動(dòng)力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性。而用這種新材料制造的車體，剛度卻是金屬材料的三倍，其碰撞性和安全性均優(yōu)越于傳統(tǒng)的車體 聚丙烯材料進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，采用新的熱壓工藝，不用通過(guò)與玻璃纖維結(jié)合，也能生產(chǎn)出滿足汽車制造要求的增強(qiáng)型塑料。熱壓采用的原始材料是伸展成絞絲

14、狀的聚丙烯，絞絲中的聚合物分子按照相同的取向進(jìn)行排列，這一結(jié)構(gòu)能使塑料材料獲得與復(fù)合材料類似的強(qiáng)度。然后將這種聚丙烯編制制成塑料布，再通過(guò)加熱和積壓工序結(jié)合成更厚的塑料薄板材。堅(jiān)硬的塑料薄板材可方便地加工成汽車車身等部件。一、輕量化是汽車業(yè)追求的目標(biāo)，塑料在此方面可以大顯其威。一般塑料的比重在0.91.5之間，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料比重也不會(huì)超過(guò)2.0，而金屬材料的比重A3鋼為7.6、黃銅為8.4、鋁為2.7。因此應(yīng)用塑料是減輕車體重量的有效途徑。二、塑料成型容易，可使形狀復(fù)雜的部件加工簡(jiǎn)單化。例如儀表臺(tái)用鋼板加工，往往需要先加工成型各個(gè)零件，再分別用聯(lián)接件裝配或焊接而成，工序較多。而用塑料可以一次

15、加工成型，加工時(shí)間短，精度有保證。三、塑料制品的彈性變形特性能吸收大量的碰撞能量，對(duì)強(qiáng)烈撞擊有較大的緩沖作用，對(duì)車輛和乘員起到保護(hù)作用。因此，現(xiàn)代汽車上都采用塑化儀表板和方向盤，以增強(qiáng)緩沖作用。前后保險(xiǎn)杠、車身裝飾條都采用塑料材料，以減輕外物體對(duì)車身的沖擊力。另外，塑料還具有吸收和衰減振動(dòng)和噪聲的能力，可以提高乘坐的舒適性。四、通過(guò)不同組份搭配的復(fù)合材料有含硬質(zhì)金屬的顆粒復(fù)合材料，有以?shī)A層板材和樹(shù)脂膠合纖維為主的層板復(fù)合材料和以玻璃纖維、碳纖維為主的纖維復(fù)合材料，這些復(fù)合材料具有很高的機(jī)械強(qiáng)度，可以代替鋼板制作車身復(fù)蓋件或結(jié)構(gòu)件，減輕汽車的重量。五、塑料耐腐蝕性強(qiáng)，局部受損不會(huì)腐蝕，而鋼材制件

16、一旦漆面受損或者先期防腐做得不好就容易生銹腐蝕。塑料對(duì)酸、堿、鹽等抗腐蝕能力大于鋼板，如果用塑料做車身復(fù)蓋件，十分適宜在污染較大的區(qū)域中使用。六、根據(jù)塑料的組織成份，可以通過(guò)添加不同的填料、增塑劑和硬化劑來(lái)制出所需性能的塑料，改變材料的機(jī)械強(qiáng)度及加工成型性能，以適應(yīng)車上不同部件的用途要求。例如保險(xiǎn)杠要有相當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)度，而座墊和靠背就要采用柔軟的聚胺脂泡沫塑料。更方便的是塑料顏色可以通過(guò)添加劑調(diào)色產(chǎn)生不同的顏色，可以省去噴漆。有些塑料件還可以電鍍，例如ABS塑料具有很好的電鍍性能，可用于制作裝飾條、標(biāo)牌、開(kāi)關(guān)旋扭、車輪裝飾罩等?？巳R斯勒推出環(huán)保塑料汽車克萊斯勒推出環(huán)保塑料汽車美國(guó)三大汽車公司之一

17、克萊斯勒公司在德國(guó)的斯圖加特市展示了一種新型的塑料汽車。該公司的一位發(fā)言人介紹說(shuō),由于這種被稱為“混合概念車”的新車型既保障了塑料制品的再循環(huán)利用,又節(jié)省了燃料,因而在很大程度上符合當(dāng)前的市場(chǎng)趨勢(shì)。目前,美國(guó)、德國(guó)、日本和瑞典的各大汽車公司都在開(kāi)始探索環(huán)保汽車的新途徑,并且在相應(yīng)的領(lǐng)域里都取得了不同程度的進(jìn)展。為了率先在未來(lái)的汽車市場(chǎng)上占有一席之地,克萊斯勒公司推出的“混合概念車”CCV的確可謂獨(dú)出新裁:全車身由2132個(gè)廢棄的塑料瓶組成。普通汽車車身通常是由80個(gè)部分構(gòu)成,而CCV的車身只簡(jiǎn)單地分為五大塊,這五大塊中除了底盤是鋼制的, 其余四部分都是由廢塑料瓶重新加工制成的。車的頂篷為帆布,帆布篷一直延續(xù)到后備箱,可以輕易地用手開(kāi)啟和合上。就是說(shuō)司機(jī)可以在幾秒鐘內(nèi)讓這輛車變成一輛敞篷車。克萊斯勒的普通車型一般由4000多個(gè)零件