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材料史话 剑通长55 7厘米 宽4 6厘米 柄长8 4厘米 剑身满布黑色棱形花纹 庄重华贵 靠近剑格处有8个错银鸟篆字 越王鸠浅 勾践 自作用 剑 剑格两面都用蓝色琉璃镶嵌精美花纹 剑首部分有7个同心圆状的花纹 最细处如发丝一般 仅0 2毫米 这口2500年前的古剑至今依旧锋光夺目 寒气逼人 毫无锈蚀 刃薄锋利 试之以纸 二十余层一划而破 似乎2500年的岁月和阴暗潮湿的环境 没有在剑身上留下任何痕迹 越王勾践剑1973年曾东渡日本展出 哄动日本科技界和考古界 对我国古代兵器制造技术惊叹不已 经北京钢铁学院等单位用质子荧光非真空分析得知 剑是用相当纯净的高锡青铜铸造的 黑色菱形花纹处含有锡 铜 铁 铅 硫等成分 并且剑的不同部位 铜锡比例不同 剑脊含锡较低 使剑韧性好 不易折断 而刃部含锡量高 使锋利 此剑可能采用了复合剑制造技术 1 越王勾践剑 在中世纪 欧洲用于制造十字军兵器的钢材 是一种具有传奇色彩的金属材料 由于这种钢的产地在大马士革 故人们将之称为 大马士革钢 它可以砍断飘在空中的羽毛 可以劈开坚固的盔甲 而且它经过多次拼杀后仍不卷刃 这在当时不能不说是一种奇迹 19世纪俄国著名的炼钢专家安诺索夫为了揭开大马士革钢的秘密 几乎付出了毕生的精力 直至最后 安诺索夫只是探索到大马士革钢的含碳量在1 4 左右 但令人费解的是 根据金属学理论 当钢的含碳量大于1 1 时 即在钢的金属晶界上析出又硬又脆 呈网状的渗碳体 导致材料在实际中根本无法应用 那么 为什么大马士革钢含有极高的碳含量 却具有高强度 高韧性的优良特性呢 2 神秘的大马士革钢 本世纪70年代末 美国斯坦福大学的冶金学家证实了大马士革钢既是一种超高碳钢 又是一种超塑性的金属 他们仿照大马士革钢的金相结构 成功的将新的大马士革钢制造出来 主要工艺是 第一步 将含碳量1 5 1 6 的超高碳钢冶铸成钢坯 当钢坯冷却到1100 1150 时 使用轧制 锻造 挤压等方式对钢坯实施反复的压力加工 从而打碎钢中内部铸造结构的网状渗碳体 迫使渗碳体细化成微粒分布在钢的金属晶界上 从而减轻了渗碳体对基体金属强度的危害 而且由于渗碳体在钢中呈弥散分布 故起到阻碍金属晶粒长大的作用 是钢的内部晶粒呈现的很细小 第二步 当钢坯冷却到600 700 时 再次对钢坯进行反复的压力加工 目的是使钢的金属显微组织进一步均匀细化 最后使金属晶粒细化到1um左右 经过以上两个步骤的工艺程序 高碳钢完全进入了超塑性状态 应用这种钢制造工具或机器零件 其强度 韧性完全等同于大马士革钢的特性 2 神秘的大马士革钢 1941年至1944年 是中国人民抗日战争最艰苦的年代 也是我军军工生产最困难的时期 当时 急需的武器是五 炮弹和八二迫击炮弹 但在经济 文化落后 连手工业都廖廖无几的偏僻的抗日根据地太行山区 要生产出以钢铁和化工原料为基础的现代化的弹药 谈何容易 在晋冀豫抗日根据地的太行山区 只能炼出白口生铁而后浇铸成各种弹体 而弹体铸造成型后 还要车出弹口 弹带槽和弹尾 两端还要挑出螺纹丝扣 以便安装引信和尾翼 我们知道 白口铸铁 当时制作的弹体后来化验 基含碳量为3 4 2 中的碳 多数是以渗碳体形式存在铸铁中 其室温的显微组织为二次渗碳体加珠光体加变态莱氏体 故性质非常硬而脆 用它铸成的弹体根本不能切削加工 那么如何能把白口生铁铸成的弹体变成可进行切削加工成半成品弹体呢 这是要解决的用白口生铁生产弹体的关键性技术难关 3 韧化处理的炮弹 当时 根据一位在国外学习过的军工战士说 有一种 韧化处理 工艺方法 可以使白口铸铁变成具有较高韧性和强度的铸件 并能切削加工成各种机器零件 大家自造土炉 进行试验 将白口生铁浇铸成的弹体装在白口铸铁铸成的铁箱中 在箱的底部和弹体的间隙填充耐火材料碎粒 箱口盖上生铁板 接口处用粘土密封 然后缓慢加热到960 左右保温三四天 再经三四天极缓慢冷却到室温 当时准确掌握加热温度也是关键 可是没有测量温度的仪器 军工战士就将银元切成小块 放在炉中不同部位 因为纯银 银元 的熔点为960 来观测弹体火焰颜色判断炉温 来控制白口铸铁弹体 韧化处理 的温度 经过反复试验 结果白口生铁浇铸成的弹体变软可以切削加工了 当时军工战士把这种软化处理技术称为 韧化处理 也就是现在说的石墨化退火 把经过这种处理后的铸铁称为灰口铸铁 也就是现在说的可锻铸铁 3 韧化处理的炮弹 韧化处理 因为是在高温下 960 左右 经过长时间保温 帮其白口生铁的显微组织中的渗碳体 便会发生分解进行第一阶段石墨化 在从高温至中温经极缓慢冷却时 奥氏体的成分将沿着Fe C 石墨 相图中E S 线变化 而不断析出二次石墨 当冷却到温度时 则进行第二阶段石墨化 结果在室温获得了在铁素体基体上分布着团絮状石墨组织 其布氏硬度 HB 为150 255 正好进行切削加工 3 韧化处理的炮弹 用普通碳素结构钢制造的客车 在运行过程易受到大气环境的严重腐蚀 虽经人们不断探索 采取各种防锈措施 防锈层最终会脱落 锈蚀又会发生 在普通碳素钢中加入少量的铜 磷 钛 铬 镍等 可大大延缓锈蚀速度 具有较好的耐大气腐蚀性能 它的配方和使用不同与不锈钢 所以被人们称之为 耐候钢 耐候钢中的铜和磷 在自身被腐蚀的过程中 表面会发生铜的 富集 现象 改变其化学性能 在腐蚀层和铜富集层间形成紧密的薄氧化铜中间层 减缓腐蚀介质向钢板内腐蚀 铬在大气中使钢表面形成一层致密的氧化膜而起保护作用 经实验表明 它在恶劣环境中的耐腐蚀性相当于普通碳素钢的3倍 目前我国已采用耐候钢制造客车 如双层硬座客车使用寿命为20 24年 采用耐候钢制造之后 同一种类型的客车使用期可达35年 且自重减轻20 成本降低30 4 耐候钢 旅客列车的福音 泡沫铝制造方法 通过下列五道工序 制出海绵状多孔质泡沫体 1 添加0 5 5 钛 赋予熔融铝以粘性 2 添加并熔解2 25 镁 以形成大小事宜而且均匀的网状孔隙 约3毫米 3 加入并熔解2 18 硅 以使熔融合金在凝固时产生膨胀效应 4 随后当熔融合金通过自然冷却 降到适当温度时 要充分搅拌 5 铸入预先保温加热的铸模 450 600 内 这种新产品的优点是比重为0 5 0 6 很轻 刚性大 耐热性很好 冲击吸收性好 吸音性好 易于车削加工 可以粘接和涂漆 因此在建筑 内外装饰 隔音壁 天井 门 间壁及地板等 汽车 车门 内壁 减振器及其冲击部件 以及其它方面 泡沫苯乙烯铸模及废水处理用的过滤器 预计有广泛用途 5 能浮在水面上的金属 泡沫铝 轻型泡沫铝材料用于神七的返回舱 返回舱在落地时有很大的冲击力 轻型泡沫铝材料内结构像馒头一样 既轻 强度又大 可以像弹簧一样减震 使得返回舱落地时的冲击力大大减小了 人们传统上认为 金属中存在孔洞 就是废品 因为孔隙作为裂纹而影响力学性能 但是自然界存在多样化的孔隙材料 例如树木 油面筋中的闭孔 珊瑚与藕节中的通孔 凡是现存的必然有其存在的合理性 如通孔多孔金属材料有好的消声性能 闭孔泡沫铝能浮在水面 6 轻型泡沫Al材料 大家知道钨是熔点高达3410 的金属 我们常用的电灯泡中的灯丝就是钨丝做的 但即使用钨作电接点 电火花的高温也能将它一层一层地烧成气体 所以纯钨接点的寿命也不长 为了增加它的寿命 材料科学家想了一个绝妙的方法 他们先将钨粉用粉末冶金方法烧结成有很多细孔的电接点 然后将这种电接点浸入到熔点低但导电性又很好的液态银 熔点为960 8 或铜 熔点为1083 4 中 让液态银或铜进入多孔的钨接点内 待凝固后 就成为能 出汗 的电接点了 它怎么就能 出汗 呢 原来 当电接点在开关中受到电火花或电弧的高温作用时 其中的银或铜首先就变成液体 即 汗 然后 在继续受热时 它们就蒸发变为气体 将电接点上的热量大量散发掉 这样整个电接点的温度就降低了 凡是需要承受高温的地方 发汗 冷却材料都有用武之地 比如 我国长征运载火箭中的液氢 液氧火箭发动机燃耗室喷注板的材料 就是用一种 发汗 冷却材料制造的 因为它要承受3500 的高温 在 发汗 冷却材料中 必须有一种耐高温的材料作骨架 而骨架必须做成多孔的 以便其中可以 隐藏 冷却剂 冷却剂则既可用固体 其熔点要低 也可用气体或液体 比如 液氢 液氧发动机的燃烧室喷注板就是用液氢 液氢本来温度就低 当它汽化时 则会带走大量的热 因此冷却效果非常好 7 能 发汗 冷却的金属 8 形状记忆合金 许多重大的发现都是从偶然事件开始的 记忆合金也是这样 1963年 美国海军一个研究所奉命研制一种新式装备 在一次试验中他们需要一些镍 钛合金丝 然而当他们将合金丝领回来时 却发现这些镍钛合金丝是弯弯曲曲的 使用起来不方便 于是他们就将这些细丝一根根地拉直 并用在试验中 在试验过程中 奇怪的现象出现了 当温度升到一定值的时候 这些已经被拉得直直的镍钛合金丝 突然又全部恢复到原来弯弯曲曲的形状 而且丝毫不差 和原来一模一样 他们反复作了多次试验 结果都是这样 被拉直或做成其他形状的镍钛合金丝 只要遇到这个温度 便立即恢复到原来那种弯弯曲曲的样子 好像从前被 冻 得失去知觉时 被人们改变了形状 而当温度升高到一定值的时候 它们 苏醒 了 又 记忆 起了自己原来的模样 于是便不顾一切地恢复了自己的 本来面目 类似的现象是在50年代初期就不止一次地被观察到 只不过当时没有引起足够的重视 所以使记忆合金的真正实用化晚了十几年 9 时效 懒 的发现 1906年 冶金工程师A Welmer发现了硬铝而闻名世界 在炼取硬铝时加进了4 5 铜 0 5 1 镁 0 5 锰 维尔姆把类似的合金加热到快要熔化的程度 紧接着使它激冷 但它的强度并不比原来大多少 这天是星期六 天气特别好 维尔姆交待一实验员检验用上述热处理的试样 但这位实验员想准时下班 便决定把实验拖到下周进行 到了星期一 发现试样的强度高得异乎寻常 硬铝经过热处理 再进行时效后就变得更坚硬了 时效硬化 20世纪40年代 李熏在雪菲尔德大学安朱教授指导下 从事钢中氢的研究 在第二次世界大战期间 英国飞机曾发生过突然断裂事故 李熏苦心钻研 发现钢中含氢是造成事故的主因 并弄清了钢中含氢产生白点需要孕育期和钢中去氢的规律 解决了长期存在的问题 李熏等找出了钢中氢含量及机械强度与发裂的关系 即每100克钢中含氢达2毫升时 就能降低钢的塑性 而当时一般生产的钢 其含氢量高达4 6毫升左右 钢的氢脆难以避免 造成发裂的钢含氢量一般较高 氢在钢中的扩散率和溶解度是钢产生发裂与否的两个重要因素 李熏等提出一个理论 即在缺陷附近由于氢的聚集而产生内压 导致裂纹 此压力的形成 则是由于高温时原子氢向缺陷扩散 在室温下原子氢变为分子氢 这些分子氢不能扩散 因而产生巨大内压力 使钢发生裂纹 当有碳化物存在时 氢与碳化物反应形成甲烷 其压力也足以产生裂纹 冷加工时伴有缺陷生成 从而增加分子氢含量 促使氢脆萌生 李熏在1942至1948年间 关于钢中氢的研究 发表了一系列有价值的论文 为钢中氢的研究进一步奠定了科学基础 受到人们赞誉 10 李熏与氢脆 考古学家已经证实 人类最早接触和利用的金属铁来自太空陨铁 即铁质陨石 陨铁不含碳及其他夹杂物 一般含有1 5 的钴和镍 正是这种只含有少量合金元素的接近于纯铁的天赐之物 才使得人们认识和利用了这种金属 萌发了从地球上寻找和取得这种金属的动机 有趣的是 在元素周期表中大都是每个周期的每个族只有一个元素 但是第 族却并列了三个元素 如铁 钴 镍 这种看来不合规则的排列方法 难道可以用陨铁中铁 钴 镍共存的事实作为一种 旁证 么 铁器时代最早始于安纳托利亚地区 大约距今4000年左右 据考古学家分析 铁的发现可能和当地土著人在炼铜时曾用过氧化铁矿石作为造渣时的助熔剂有关 因为在熔渣中有时会夹杂着同时被还原出来的少量铁 真正普遍地使用铁器 大概要晚1000多年 西方早期使用的人工铁都是块炼铁 冶炼的方法大致和中国古代相仿 即在1200 左右 这可能是当时能够达到的最高工艺温度了 用木炭 这是当时能够获得的纯度较高 强度较大的炭了 把铁矿石还原成固态铁 其中夹杂着没有烧完的木炭和炼铁时产生的熔渣而呈团块状 然后趁热锻打 挤出其中的夹杂物 并利用铁的延展性和锻打时局部产生的热使小块的铁锻接成一体 变成可以进一步制作铁器的铁材 读者如果还记得在影片中见到过的铁匠反复锻打刀剑犁锄时的情景 就可以想像出古代人们在发现和制作铁器时的不畏艰苦和不屈不挠的情景 11 古代的炼铁术 中国的冶铁技术大致可追溯到公元前6世纪的春秋时代的中后期 在古书中可以找到零星的有关铁的记载 如 管子 地数篇 中说过 凡天下名山五千三百九十一 出铁之山三千六百有九 亦即出铁之山的数目占总山数的66 9 到现在还没有弄清楚他这一数据的来源 但由此说明 当时人们已经知道铁矿石的存在形式 同一书中还有 山上有赭者 其下有铁 的记载 赭指赤铁矿所特有的棕红色 可见当时已经有了由赤铁矿炼铁的实践活动 中国的冶铁术略晚于西方 但我国的冶炼生铁和块炼铁技术却是差不多同时形成的 冶炼生铁的技术要求铁处于液态 可当时所能达到的1200 工艺温度却不能使纯铁 熔点1535 变为液态 但是当铁中溶入 不是夹杂 硫 磷 硅 锰 特别是碳后 可以使熔点降至1150 左右 只要选取了适当的器皿和工艺 就可以得到液态生铁 读者也许知道汽车防冻液和用糖水做成的冰棍 其凝固点 或熔点 低于水的凝固点的原理 在这里只要把铁水看成像糖水或防冻液一样的溶液 就可以明白生铁的熔融温度为什么远低于纯铁的道理了 下图是明代宋应星在 天工开物 中所附的古代炼铁工艺的示意图 图中的风箱可能是维持反应炉中高温的重要发明之一 有趣的是 从书中的记载看 当时炼铁炉的出铁口是用泥封的 而现代炼铁用的高炉出铁口仍然是用耐火泥封塞的 赞誉 11 古代的炼铁术 12 神奇的材料加工计算模拟 典型模拟方法及所对应的模拟尺度 有限元法 有限元法是把要分析的连续体假想地分割成有限个单元所组成的组合体 也就是划分网格 这些单元仅在顶角处相互连接 这些连接点称为结点 在有限元法中 常以结点位移作为基本未知量 并对每个单元根据分块近似 假设一个简单的函数近似地表示单元内位移的分布规律 再利用力学理论中的变分原理或其他方法 建立结点中力与位移之间的特性关系 得到一组代数方程 用计算机求解从而得到所有结点的性质 有限元方法原则上可以求解任何复杂的偏微分方程和任何复杂的求解区域问题 有限元法 网格划分 有限元模拟人脚走路受力情况 先进铸造工艺计算模拟 大家对铸造过程并不陌生 传统的铸造工艺是 睁眼造型 闭眼浇注 我们不禁要问 闭眼 操作能做好吗 没错 眼见为实 在铸造工艺设计中非常重要 而金属液一旦进入模具型腔之后我们就无法看到其动态流动 温度分布以及凝固过程 所以工程师们只能凭经验和想象来设计模具 这很令人头疼 那么如何才能看到整个铸造过程 让其在我们面前变得 可视 从而优化铸造工艺呢 首先采用计算机模拟技术和现代铸造理论 模拟铸件充型 温度分布和凝固过程 其次用三维X射线实时观察和监测浇注过程获得初步试验数据 最后通过实际浇铸生产并与模拟 监测结果对比 确定最佳的生产工艺 通过这样三步 我们就实现了 可视化铸造 如下图动画所示 先进铸造工艺计算模拟 实际生产 X射线实时观察 计算机模拟 先进铸造工艺计算模拟 图中是一个大型钢锭的充型过程模拟 其中用到专业模拟软件viewcast 从动画中我们可以清楚的看到整个铸件充型过程 先进铸造工艺计算模拟 此动画显示了钢锭的冷却过程中温度的变化过程 其中不同的颜色代表不同的温度 这样温度这一不可见的过程也将变得 可视 先进锻造工艺计算模拟 锻造加工的悠久历史锻造 打铁 No 先进锻造工艺计算模拟 如何加工大型巨轮中的大型曲轴曲拐呢 先进锻造工艺计算模拟 曲拐加工工艺的计算机模拟 先进锻造工艺计算模拟 工艺的模拟和工厂试制的比较 先进锻造工艺计算模拟 上图是对一个大型压力容器件的加工模拟过程 用计算模拟的结果来指导生产 已经取得了很好的效果 有限元模拟 实际生产 横楔轧 连杆 感应加热 其它加工过程的模拟 齿轮架 晶粒演化 钻孔 显微组织模拟 我们知道材料的宏观性能的好坏是由其内部显微组织来决定的 就像一个人的是否健康 也是由其各组织器官是否正常来决定一样 既然计算机能利用各种宏观模型来实现加工过程的模拟 当然也能通过各种微观或介观模型来实现其内部细微组织的模拟 显微组织模拟 图中显示了计算机模拟的不同时刻的凝固枝晶形貌图 不同的颜色代表不同的浓度分布 这样显微组织形核 生长等过程也将实现 可视化 显微组织模拟 三维等轴树枝晶形貌的模拟 法国巴黎的象征 艾菲尔铁塔 1884年 法国政府为了庆祝1789年资产阶级革命胜利100周年 决定于1889年开办一个轰动世界的博览会 并计划在巴黎修建一座永久性的纪念塔 用什么材料建 当时有各种意见 为了使纪念塔建得高大而宏伟 当时杰出的法国工程师古斯塔夫 艾菲尔提出用钢铁建造一座300米高的铁塔的方案 因为过去还没有这样的铁建筑物 不少人对这一方案持怀疑态度 经过激烈的竞争 艾菲尔终于获胜 但当时的一些同行认为 这样高的塔 重量将达到7000吨 有可能底层的铁架结构承受不了如此大的重压而不能持久 艾菲尔则坚持认为 他的这件 纪念品 保持25年绝对不会成问题 现在看来 他当时对自己的估计也比较保守 因为现在这座铁塔已过了100多年 依然完好无损地耸立在巴黎 吸引着成千上万的游客 说起来这还是要归功于艾菲尔极端大胆而细心的设计 法国巴黎的象征 艾菲尔铁塔 原来 为了能使铁塔创造建筑史上的奇迹 他研究了法国及欧洲中世纪以来兴建的高大教堂和城堡史 分析了埃及金字塔和中国的寺院宝塔的特点 结合自己多年兴建桥梁 车站和教堂的经验 进行了精确的设计和计算 最后才定下施工方案 为了使塔身 稳如泰山 不发生像比萨斜塔那样的意外 他把塔基的面积扩大到125平方米 四座塔墩用水泥浇灌 牢牢扎根在地基上 塔身用1 3万个钢铁构件和250万个铆钉连成一体 塔身分为4层 第一层高57米 第2层高58米 第三层高159米 最后一层距地面300米 在最后一层上还建了一个小楼台 所以塔的总高达328米 这在当时是全世界最高的建筑了 这座铁塔从1887年1月20日动工 到1889年4月5日竣工 只花了不到两年的时间 正好赶上法国资产阶级革命胜利100周年纪念 法国巴黎的象征 艾菲尔铁塔 艾菲尔铁塔建成后 许多人预言 这座塔的寿命不会长久 因为它将在风雨中遭到锈蚀 变脆 最后坍塌 1928年 美国有几家报纸断言铁塔已经完全生锈而可能在不久的将来会倒塌 但法国的科学家和工程师只是给铁塔重新刷上了一层防锈油漆保护它 并告诉美国报纸 那些说铁塔要倒的说法 不过是一些耸人听闻的谣传 不要把它当回事 果然 铁塔至今还耸立在巴黎的上空 现在 只要常看电视的小朋友 一看到艾菲尔铁塔 就知道那是法国巴黎的象征 飞机的灵魂 飞机的灵魂 飞机的灵魂 飞机的灵魂 飞机的灵魂 飞机的灵魂 这就是飞机的灵魂 发动机 这就是发动机的灵魂 涡轮叶片 这就是涡轮叶片的灵魂 镍基单晶高温合金 这就是镍基单晶高温合金的灵魂 固溶强化和 沉淀强化 哥伦比亚号航天飞机空难原因及其材料分析 哥伦比亚 号航天飞机1981年4月12日首次发射升空 是美国资格最老的航天飞机 哥伦比亚 号机舱长18m 舱内能装运36t重的货物 外形像一架大三角翼飞机 机尾装有3个主发动机和1个巨大的推进剂外贮箱 里面装有几百t重的液氧 液氢燃料 它附在机身腹部 供给航天飞机燃料进入太空轨道 外贮箱两边各有1枚巨型固体燃料助推火箭 整个组合装置重约2000t 哥伦比亚号航天飞机空难原因及其材料分析 2003年2月1日 哥伦比亚 号在完成为期16天的科学实验任务后 在返航途中解体 7名宇航员丧生 灾难发生后 为了查清原因 首先由NASA支持组成了调查组 目的是对从得克萨斯州和路易斯安纳州收集来的8 4万片大约38 飞机残骸重新按原位组装 如图l所示 提供实际数据进行分析 通过分析和再现的模拟试验来证实事故产生的原因 哥伦比亚号航天飞机空难原因及其材料分析 调查组根据以下的检查分析结果以期作出判断 残骸的清洗和评估 热分析 以寻找航天飞机爆炸的起源 对各种材料的冶金分析 如Inconel Al合金 不锈钢 C C复合材料的X一射线和断口分析 机翼上的传感器和录音机的结果 在检查残骸时发现 连接上下翼展面板的钢紧固件表现出沿晶断裂的脆性断口 如图2所示 图3为中间体面板舷内上端的弹坑小半球冲蚀花样 表明该处发生很高的局部过热和大量的沉积物 在机翼前缘3个部分 重点研究了子系统面板隔热瓦 碳 碳复合材料 RCC 面板和机翼构件 在这个区域主要分析左机翼前的8号和9号面板附近沉积物成分和观察X射线显示的花样 分析结果指出 高温离子流是从RCC面板内侧缝隙穿过上下面板进入 如图4所示 哥伦比亚号航天飞机空难原因及其材料分析 哥伦比亚号航天飞机空难原因及其材料分析 用SEM EDS光电子能谱分析 得出沉积物的化学成分是Fe Al Ni Nb和C 由这些成分虽然不能明确确定是什么合金 但是它们与2000系铝合金 Inconel601 Inconel718以及面板与绝缘体有关 图5为左机翼8号RCC面板上部沉积物横截面的电子探针分析的金相图 a 及示意图 b 隔热瓦上陶瓷的内表面上也发现该类沉积物 而其它部位完好 说明沉积物是从隔热瓦的内侧向外喷出的 经过X射线鉴定 矿渣为高温转变的多铝红柱石 其形成温度为1100 并在RCC面板试样上发现有Fe Ni Al等 这是由于左机翼RCC的8号面板横梁及翼展支撑材料是2024铝合金 Inconel718合金 桅杆是A286合金 哥伦比亚号航天飞机空难原因及其材料分析 哥伦比亚 号航天飞机残骸材料分析的结果 与肉眼判断以及飞行录音机记录的异常解释是一致的 左机翼隔热瓦受损是 哥伦比亚 航天飞机解体的主要原因 航天飞机共有2万多块隔热瓦 如果隔热瓦松动 损坏或丢失 将改变航天飞机的空气动力学结构 再人大气层中遇到高温会使航天飞机的温度超过承受极限而导致破裂和爆炸 哥伦比亚号航天飞机空难原因及其材料分析 调查组收集到的分析数据指出 一个很大的热事件发生在靠近左机翼前缘的8号和9号面板下半部裂缝处 一种叫作Cerachrome的沉积融熔渣显示该处温度超过1649 可熔化掉金属支撑结构材料 冲蚀隔热瓦和RCC面板材料 烧坏起落架 使航天飞机失稳而最终爆炸 那么 这条裂缝是从哪里来的呢 原来在 哥伦比亚 号航天飞机升空时 就有人报告从外储存的燃料箱左侧双脚架处 掉下了一块冷冻的隔热泡沫砸到左翼碳 碳复合材料面板下半部附近 造成裂缝 因此 材料分析结果认为 在再人大气层过程中 高温热离子流穿过此处 使机翼铝合金 铁基合金 镍基合金结构熔化 导致航天飞机失控 机翼破坏和机体解体 在美国得克萨斯州的一个实验室所进行的1次模拟实验中 1个航天飞机机翼的复制品被泡沫隔热材料高速撞击后 留下1道裂缝 这一实验结果为 哥伦比亚 号航天飞机失事提供了最强有力的新证据 锂电池 锂电池 锂电池 锂电池 锂电池 锂电池 锂电池 锂电池 锂电池 锂电池 神奇的人造金刚石 神奇的人造金刚石 神奇的人造金刚石 神奇的人造金刚石 神奇的人造金刚石 神奇的人造金刚石 神奇的人造金刚石 神奇的人造金刚石 神奇的人造金刚石 神奇的人造金刚石 神奇的人造金刚石 材料科学与工程 材料科学与工程主要研究以下四个方面以及它们之间的相互关系 1 研究材料的结构与成分 即研究材料由哪些种类的原子构成的 以及这些原子的排列方式 2 研究材料的各种性能 这些性能一般是在实验室中测量的 3 材料的加工与合成 即材料的制备科学与工艺 包括传统材料制备工艺的改进和新材料制备工艺的研究 4 材料在服役条件下的行为 此时材料经受综合性能的考验 例如制作桥梁的钢铁材料 不但承受一定的应力 还受到日晒雨淋以及各种气体的腐蚀 材料在服役条件下的行为显然不同于上面第二点所说的材料在实验室中表现出来的性能 因此 材料科学与工程就是研究材料的结构和成分 性能 加工工艺 服役行为和它们相互间的密切关系 科技创造未来 绚丽多彩的新材料世界 现代陶瓷 采用超细粉末烧结 纤维补强 晶须增韧等技术制成 克服了传统陶瓷的脆性 不但强度 硬度 韧性都高 又耐磨损 耐腐蚀 耐高温 能制作多种要求极高 以前很难制造的机器另部件 还有各种 功能陶瓷 如电子陶瓷 磁性陶瓷 化学功能陶瓷 生物功能陶瓷等等 其中生物功能陶瓷用来制作人工骨骼 关节 牙齿 具有一系列理想的性能 超导材料 超导材料零电阻 抗磁性和高灵敏度的特点 在能源 交通 电子及其他学科领域带来技术革命 新型合金 由钛和铝或镍和铝合成的金属化合物 重量非常轻 在760 的高温下仍保持极优良的机械性能 再加入陶瓷纤维合成的复合材料 其硬度为现有飞机发动机所用材料硬度的3倍 此外还有新型的 智敏材料 能感受外部环境的变化 从而做出预先设计好的反映 在自然界中 生物能利用最简单的原材料 经过有机合成 得到各种优越而特殊性能的物质 科学家正努力破解其中的奥秘 进而进行模仿 这就是前途无量的 仿生材料 科技创造未来 绚丽多彩的新材料世界 古老的陶瓷变成未来的材料之王 经过高科技处理 它不再像现在这样脆弱 而是坚硬如宝石 足以做防弹衣 锤子和削钢如泥 不锈不裂的刀具 透明如玻璃 用以制作高压钠灯的灯管和飞机 坦克的观察窗 柔软如纸张 可以印刷各种图案 折叠成各具特色的工艺品 二十一世纪 我们可能改用陶瓷作底片拍照 陶瓷照片日晒雨淋火烧水浸都不褪色 我们也可能把半导体陶瓷刷在墙上 通上安全电压后保持恒定室温 从而取代空调 我们还可能用生物陶瓷修复损坏的关节 陶瓷关节又耐磨又与人体相融 阴雨天就不再感到关节酸痛 二十一世纪 人类提高车速靠超导 利用超导材料作 车轮 的磁悬浮列车 其能耗比民航客机减少一半 速度却一样快 医疗检查靠超导 把核磁共振谱仪上的超导磁体口径扩大一米 人躺入其中 就可获得人体任意断面的清晰图像 用肉眼看清病变组织 工作效率靠超导 超导电子计算机可将工作速度提到目前的一千倍 打赢战争靠超导 利用超导材料贮能的电磁激光炮 可以让敌人的飞机 坦克顷刻化为乌有 科技创造未来 绚丽多彩的新材料世界 蜘蛛腹部后方有一个纺绩器 内通纺绩腺 该腺体分泌的蛋白质粘液能够在空气中凝结成极牢固的蛛丝 据报道 在对由蛛丝编结成的 具有一定厚度的材料进行实验时发现 这种材料硬度比同样厚度的钢材高9倍 弹性比最具弹力的其他合成材料高两倍 对上述蛛丝材料进一步加工后 可用其制造轻型防弹背心 武器装备防护材料 车轮外胎 整形手术用具和高强度鱼网等产品 美国密执安州大学的穆凯席 甘迪教授研究一种能感受外界环境变化 自动加固的智能材料 当直升机叶片在飞速旋转中遇到疾风作用猛烈振动而可能断裂时 分布在叶片中的微小液滴就会变成固体而防止叶片受到破坏 人们还从人手在劳动过程中产生老茧从而使手更耐磨的实例中到启迪 研制出一种能在工作中变得更结实的高锰钢智能材料 由于高锰钢在受到冲击强力摩擦中会变得很硬 从而使它成为绝好的在行驶中横冲直接撞的坦克铁脚板履带和越敲打越结实的保险柜材料 美国弗尼吉亚理工学院智能材料研究中心研制成一种能减弱振动的飞机座舱壁材料 能使飞机平稳飞行 它是利用装在墙壁内的压电材料 使墙壁振动方向正好和原来的振动方向相反 这样就等于消除了座舱壁和窗框产生疲劳的根源 科技创造未来 绚丽多彩的新材料世界 更令人感兴趣的是 新潮的智能餐具 用毫微塑料 一种新型智能材料 制成的智能碗 盆 碟 不仅能自动感知碗 盆 碟内食物存在与否 还能随之作出相应的外形变化 使之能适合各种不同的需求 不仅如此 它们一旦用来盛装食物后 还能使食物的温度始终保持不变 并能使食物保持新鲜 利用毫微塑料制成的椅子 不仅能帮助立者坐下或坐者站起 还能按主人的需要随心所欲地变换坐椅的形状 使它适合不同年龄的男女老少使用 此外 这种智能坐椅还能根据各人的需求自动升温或冷却 以提供靠坐的舒适性 甚至还能记忆家庭中每一个成员对坐椅的特殊偏爱 纳米胶囊 纳米胶囊 Nanocapsules 就是在纳米尺度 1纳米 10 9米 的胶囊 当物质小到1至100纳米 10 9 10 7米 时 由于其量子效应 物质的局域性和巨大的表面及界面效应 使物质的很多性能发生质变 呈现出许多既不同于宏观物体 也不同于单个孤立原子的奇异现象 纳米胶囊是纳米材料的一个重要分支 是零维纳米材料的重要组成部分 纳米胶囊可以看作是微米胶囊概念的延伸 而微米胶囊无论从合成技术还是从实际应用来说都