第二章_结构材料

1、结构材料结构材料结构材料：以力学性能为基础，制造受力构件所用的材料，常见的钢铁、铝、水泥、玻璃、塑料等都是结构材料。外部施加力学载荷拉伸压缩弯曲剪切材料内部产生内应力拉应力压应力弯曲应力剪切应力对力学性能的要求弹性刚度强度塑性韧性硬度疲劳弹性：材料受载荷作用时立即引起变形，当载荷去除，变形立即消失而恢复至原来状态的性能，称为弹性。弹性模量：弹性模量：载荷与变形量的比例常数载荷与变形量的比例常数刚度：材料抵抗弹性变形的能力，称为刚度。强度：材料抵抗外力破坏的能力称为强度，单位面积的受力大小。因材料受载方式和变形形式不同，可分为屈服强度、抗拉强度、抗压强度、剪切强度、蠕变强度、持久强度等。塑性：材

2、料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力称为塑性。延伸率（延伸率（ ）和收缩率（和收缩率（） 5，塑性材料；，塑性材料；5，脆性材料脆性材料韧性：材料抵抗冲击载荷而不被破坏的能力，称为冲击韧性，简称韧性。硬度：材料抵抗其他物体压入其表面的性能，称为硬度。硬度表示了材料表面抵抗局部塑性变形和破坏的能力。疲劳：在交变载荷作用下，材料内部产生交变应力，使得材料产生裂纹，裂纹逐渐发展而突然断裂，这就是材料的疲劳。经多次重复交变作用而不至于引起疲劳破坏的最大应力，称为材料的疲劳强度。管状支撑结构，由中心的钢管和外壁钢管组成，中心钢管主要承受垂直方向的载荷（50，000 t），外壁钢管承受部分垂直方向的

3、载荷和所有的横向载荷(4.9x107 N)。5/3安全系数，在低风速的情况下，外壁钢管约80的强度浪费角联接角联接外壁钢管外壁钢管中心钢管中心钢管地板托梁地板托梁粘弹性减震装置粘弹性减震装置地板联接示意图被撞击后，非常集中的力被钢管和混凝土的弯曲、扭曲和局部撕裂所吸收。外壁钢管受到的载荷被重新分配到临近的其它钢管上。整个世贸的结构设计把受到的冲击能量迅速消散掉了。飞机没有撞倒世贸大厦扩散型火焰0.1-10 W/cm2低燃烧温度低燃烧温度非化学计量比非化学计量比化学计量比的碳氢化合物燃烧温度3027o C 在空气中燃烧最高只能达到825o C 世贸大火是燃油过量的非化学计量比燃烧，温度大概在82

4、5o C，远低于钢的熔点1500o C，因此，钢管没有熔化。世贸大厦钢管没有被大火熔化，但在高温下，钢管的强度大大降低了，大约只有室温强度的3040，所以钢管的强度被大大弱化了。外壁温度低，内部温度高，大的温度梯度造成外壁与内部热膨胀的失配。较长的地板托梁各部分受到的热量是不一致的。钢管强度的弱化，结构完整性的破坏和弯曲引起的形变是大厦倒塌的主要原因。高热量的火焰迅速扩散结构单元开始变形，松弛并下垂强度弱化和变形引起横梁与钢管脱离坠落的横梁冲击下面的横梁并使其脱离钢管强度弱化，失去横梁支撑的外壁钢管变形弯曲冲击改变了横梁承受的载荷大火弱化了横梁的强度并使其扭曲某些楼层地板横梁发生弯曲坠落的楼层

5、地板横梁冲击下面的楼层多米诺骨牌效应，一层接一层坍塌，最终引起大厦垂直坍塌结构单元开始失效，使钢管失去支撑低楼层承受不住冲击载荷大厦重心必须摇摆30米才会倾倒很大的结构破坏耐火层失效很高的热流火焰快速彻底的扩散结构材料的失效英国二战时期自由号补给船在北大西洋断裂英国二战时期自由号补给船在北大西洋断裂脆性断裂脆性断裂脆性断裂特点：很小的预先形变，断裂面平坦应力集中导致在低于材料的强度值时就发生断裂initialneckingcavityformationcavitycoalescencecrackpropagation(in shear)characteristiccup-and-conesha

6、pe of ductilefracturerough surface from plastic deformation1954年1月，从伦敦飞往约翰内斯堡的SA201航班在海上坠毁（金属疲劳引起机身解体）疲劳疲劳失效90的材料失效是由疲劳引起的特点：反复的加载/卸载，但最大应力低于材料的强度通常失效的构件中都存在尖角（如飞机的安全舱门，窗户等）103105107109cycles to failure (log scale)stress amplitudefatigue limite.g. Fe, Ti103105107109cycles to failure (log scale)stres

7、s amplitudee.g. Al, Cu两种疲劳失效 台湾华航CI611班机(波音747-200型)资料图片 共打捞起1432件CI611的残骸，其中属于后段机身的第640件残骸因有多处金属疲劳纹，而出现金属疲劳纹的地方又是23年前机尾擦地时做过修补的部分，飞机从后段机身先断裂，造成机舱失压，最后空中解体。铝合金汽车上应用得最快最广的轻金属特点：重量轻，强度高、耐腐蚀应用：铝合金车圈，铝合金发动机。德国奥迪汽车公司在1999年推出的奥迪A2，以全新的轻量化结构，成为世界第一款大批量生产的全铝轿车。新型结构材料在汽车上的应用奥迪A2奥迪A2的车身采用全铝空间框架车身ASF。所谓ASF概念即仪

8、表板部分由高强度铝结构支撑，空间构架由真空压铸接头的挤压成型段组成，这两者结合成很轻的铝合金车身。从前顶柱到行李舱边，包括车门手把坑都是用铝冲压成形，前柱(A柱)是采用高压铸铝新技术，这是一种用于飞行器结构的高难技术，它能够复合加强并改变材料厚度。由于奥迪A2采用ASF空间结构，使车身重量比传统钢制车身轻40%以上，只有895公斤。 美洲虎铝合金车身XJ系列 通过使用轻量和高强度的铝合金，车身重量减小了40%，强度则提高了60%。 最轻的金属结构材料，是铝的23、钢铁的14。 比强度和比刚度高，均优于铝合金和钢材。 耐腐蚀，耐腐蚀性优于低碳钢。 绿色环保材料，可回收再利用。 减震性好，抗疲劳。

9、 电磁屏蔽性好，能够防电磁辐射。 在熔炼和加工过程中极容易氧化燃烧，生产难度很大；镁合金成形技术有待进一步发展；镁合金的耐蚀性较差；不适合在高温（150350）场合应用；强度和塑韧性有待进一步提高；变形镁合金的发展严重滞后，不能适应不同应用场合的要求 优点镁合金缺点座椅骨架、仪表盘、转向盘和转向柱、轮圈、发动机气缸盖、变速器壳、离合器壳等应用19902000年北美（福特、通用、克莱斯勒）平均每车镁合金使用量变化东风汽车将脱下铝装换镁装钛合金钛具备重量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀和良好的低温韧性等性能，美国的超音速飞机90的结构材料使用的是钛合金，而目前的赛车几乎都使用了钛材 目前，汽车用钛部件主

10、要包括：一、阀。美国厂家利用钛合金制作进、排气阀较普遍，进气阀使用Ti6Al4V合金，排气阀使用Ti6Al2Sn4Zn2Mo合金。利用钛合金制作汽车阀，不仅可以减轻重量，延长使用寿命，而且可靠性高，还可节省燃油。二、连杆。用钛合金制造连杆对减轻发动机重量最有效，能大大提高性能。连杆所用材料主要是Ti6Al4V，其它如Ti4Al2Si4Mn、Ti7Al4Mo等也在研制中。三、曲轴及其它发动机部件。日本正在试制Ti5Al2CrFe合金曲轴，这种曲轴因需要进行防粘接处理，目前还未实用化。其它发动机部件如摇臂、阀簧和连杆的下螺栓等也可利用Ti6Al4V合金制造。四、其它部件。汽车上的螺栓、螺母等连接件

11、和离合器圆盘、压力板等变速器零部件，都可利用钛合金制造。采用旋转成型法制造的钛合金离合器外壳，与钢制外壳相比，可以大大减轻飞轮的冲击破坏。 钛合金应用在飞机结构制造已有很长的历史，但由于它的价格昂贵，所以至今并未延伸于汽车制造上。美国TIMET公司出产的LCB钛合金材料价格明显较通用的飞机材料低，华格纳教授运用其研究汽车组件：如避震系统的制造，可以减轻50%的重量。不仅如此，研发出来的弹性钛合金相对于避震器惯用的钢材料，能以较少的螺旋和尺寸产生一样的抗震强度，而且，钛合金不易生锈，可以省去一般的表面防锈处理，优点多多。钒合金用钒元素生产的钒钢、钒钛合金具有高强度低重量的特点。为了减少汽车重量，

12、一些汽车的连接件是用含5%钒的钛合金制造的。此钒钛合金能够适应汽车零部件的高速机械运作的苛刻环境。法拉利（FERRARI） F1赛车F2004-GA气门通常用钛合金作为材料以求强度的提升及轻量化的要求F2003-GA赛车 技术规格：引擎：3000 Ferrari (型号052), V10排气量：2,997 C.C.汽门数：40燃油供应系统：Magneti Marelli数位电子燃油喷射系统点火系统：Magneti Marelli电子点火系统变速箱：半自动序列七前速底盘：碳纤维和蜂巢复合结构悬吊：独立悬吊，推杆式主动扭曲弹簧剎车：通风碳纤维剎车盘尺寸：长、宽、高 = 4,5451,796959c

13、(mm)轮距：前：1,470 mm；后：1,405 mm车重：600公斤 设计概念: 轻量化和强化结构刚性全新设计的七速变速箱，外壳使用钛合金制成采用铝质内胆、镁质外壁的合金汽缸发动机，比传统的钢质发动机轻了10公斤宝马F1赛车 宝马新6系采用大量铝合金碳素纤维强化塑料车顶这种新材料比钢轻50%，比铝轻35%，可以有效减轻车辆的重量，从而有效提升车辆的动力性能和燃油经济性。而用这种新材料制造的车体，刚度却是金属材料的三倍，其碰撞性和安全性均优越于传统的车体 聚丙烯材料进行研究后发现，采用新的热压工艺，不用通过与玻璃纤维结合，也能生产出满足汽车制造要求的增强型塑料。热压采用的原始材料是伸展成绞丝

14、状的聚丙烯，绞丝中的聚合物分子按照相同的取向进行排列，这一结构能使塑料材料获得与复合材料类似的强度。然后将这种聚丙烯编制制成塑料布，再通过加热和积压工序结合成更厚的塑料薄板材。坚硬的塑料薄板材可方便地加工成汽车车身等部件。一、轻量化是汽车业追求的目标，塑料在此方面可以大显其威。一般塑料的比重在0.91.5之间，纤维增强复合材料比重也不会超过2.0，而金属材料的比重A3钢为7.6、黄铜为8.4、铝为2.7。因此应用塑料是减轻车体重量的有效途径。二、塑料成型容易，可使形状复杂的部件加工简单化。例如仪表台用钢板加工，往往需要先加工成型各个零件，再分别用联接件装配或焊接而成，工序较多。而用塑料可以一次

15、加工成型，加工时间短，精度有保证。三、塑料制品的弹性变形特性能吸收大量的碰撞能量，对强烈撞击有较大的缓冲作用，对车辆和乘员起到保护作用。因此，现代汽车上都采用塑化仪表板和方向盘，以增强缓冲作用。前后保险杠、车身装饰条都采用塑料材料，以减轻外物体对车身的冲击力。另外，塑料还具有吸收和衰减振动和噪声的能力，可以提高乘坐的舒适性。四、通过不同组份搭配的复合材料有含硬质金属的颗粒复合材料，有以夹层板材和树脂胶合纤维为主的层板复合材料和以玻璃纤维、碳纤维为主的纤维复合材料，这些复合材料具有很高的机械强度，可以代替钢板制作车身复盖件或结构件，减轻汽车的重量。五、塑料耐腐蚀性强，局部受损不会腐蚀，而钢材制件

16、一旦漆面受损或者先期防腐做得不好就容易生锈腐蚀。塑料对酸、碱、盐等抗腐蚀能力大于钢板，如果用塑料做车身复盖件，十分适宜在污染较大的区域中使用。六、根据塑料的组织成份，可以通过添加不同的填料、增塑剂和硬化剂来制出所需性能的塑料，改变材料的机械强度及加工成型性能，以适应车上不同部件的用途要求。例如保险杠要有相当的机械强度，而座垫和靠背就要采用柔软的聚胺脂泡沫塑料。更方便的是塑料颜色可以通过添加剂调色产生不同的颜色，可以省去喷漆。有些塑料件还可以电镀，例如ABS塑料具有很好的电镀性能，可用于制作装饰条、标牌、开关旋扭、车轮装饰罩等。克莱斯勒推出环保塑料汽车克莱斯勒推出环保塑料汽车美国三大汽车公司之一

17、克莱斯勒公司在德国的斯图加特市展示了一种新型的塑料汽车。该公司的一位发言人介绍说,由于这种被称为“混合概念车”的新车型既保障了塑料制品的再循环利用,又节省了燃料,因而在很大程度上符合当前的市场趋势。目前,美国、德国、日本和瑞典的各大汽车公司都在开始探索环保汽车的新途径,并且在相应的领域里都取得了不同程度的进展。为了率先在未来的汽车市场上占有一席之地,克莱斯勒公司推出的“混合概念车”CCV的确可谓独出新裁:全车身由2132个废弃的塑料瓶组成。普通汽车车身通常是由80个部分构成,而CCV的车身只简单地分为五大块,这五大块中除了底盘是钢制的, 其余四部分都是由废塑料瓶重新加工制成的。车的顶篷为帆布,帆布篷一直延续到后备箱,可以轻易地用手开启和合上。就是说司机可以在几秒钟内让这辆车变成一辆敞篷车。克莱斯勒的普通车型一般由4000多个零件