第2章高性能结构材料
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第二章 钢结构的材料
3.人工时效 使钢材产生10%的塑性变形，再加热到 200～300 oC，然后冷却到室温进行试验。这样可使时 效在几小时内完成。
五、复杂应力状态的影响
在复杂应力如平面或立体 应力作用下，钢材的屈服并 不只取决于某一方向的应力， 而是由反映各方向应力综合 影响的 屈服条件来确定。
eq ( x y y z z x ) 3( )
第二节
钢材的主要机械性能
• 钢材的机械性能（力学性能）通常是指钢厂生 产供应的钢材在标准条件下拉伸、冷弯和冲击 等单独作用下显示出的各种机械性能。它们由 相应实验得到，试验采用的试件的制作和试验 方法都必须按照各相关国家标准规定进行。 一、单向拉伸时的性能 标准试件在室温（100C～350C) 、以满足静 力加载的加载速度一次加载所得钢材的应力 ζ ～ ε 应变曲线显示的钢材机械性能如下:：
二、疲劳计算
• 反复荷载作用产生的应力重复一周叫做一个循环。 Δ ζ =ζ max-ζ min称为应力幅，表示应力变化的幅 度。 • 试验表明，焊接结构发生疲劳破坏并不是名义最 大应力ζ max作用的结果，而是焊缝部位足够大小 的应力幅反复作用的结果。非焊接结构的的疲劳 寿命不仅与应力幅有关，还与 其他因素有关。 规范把疲劳计算公式中的应力幅调整为折算应力 幅，以反映其实际工作情况。 • 疲劳计算的公式是以试验为依据的，分为常幅和 变幅疲劳两种情况进行计算。
（2）槽钢
有热轧普通槽钢和轻型槽钢两种。槽 钢规格用槽钢符号 [ 或Q[表示。 例如，普通槽钢[10、[20a，轻型槽钢Q[20a。 （3）工字钢 有普通工字钢和轻型工字钢两种。 例如，普通工字钢I18、I50a，轻型工字钢QI50。 （4）H型钢 H型钢比工字钢的翼缘宽度大并为等 厚度，截面抵抗矩较大且质量较小，便于与其它 构件连接。热轧H型钢分为宽、中、窄翼缘H型钢， 它们的代号分别为HW、HM和HN。例如HW260a、 HM360、HN300b。
五、复杂应力状态的影响
在复杂应力如平面或立体 应力作用下，钢材的屈服并 不只取决于某一方向的应力， 而是由反映各方向应力综合 影响的 屈服条件来确定。
eq ( x y y z z x ) 3( )
第二节
钢材的主要机械性能
• 钢材的机械性能（力学性能）通常是指钢厂生 产供应的钢材在标准条件下拉伸、冷弯和冲击 等单独作用下显示出的各种机械性能。它们由 相应实验得到，试验采用的试件的制作和试验 方法都必须按照各相关国家标准规定进行。 一、单向拉伸时的性能 标准试件在室温（100C～350C) 、以满足静 力加载的加载速度一次加载所得钢材的应力 ζ ～ ε 应变曲线显示的钢材机械性能如下:：
二、疲劳计算
• 反复荷载作用产生的应力重复一周叫做一个循环。 Δ ζ =ζ max-ζ min称为应力幅，表示应力变化的幅 度。 • 试验表明，焊接结构发生疲劳破坏并不是名义最 大应力ζ max作用的结果，而是焊缝部位足够大小 的应力幅反复作用的结果。非焊接结构的的疲劳 寿命不仅与应力幅有关，还与 其他因素有关。 规范把疲劳计算公式中的应力幅调整为折算应力 幅，以反映其实际工作情况。 • 疲劳计算的公式是以试验为依据的，分为常幅和 变幅疲劳两种情况进行计算。
（2）槽钢
有热轧普通槽钢和轻型槽钢两种。槽 钢规格用槽钢符号 [ 或Q[表示。 例如，普通槽钢[10、[20a，轻型槽钢Q[20a。 （3）工字钢 有普通工字钢和轻型工字钢两种。 例如，普通工字钢I18、I50a，轻型工字钢QI50。 （4）H型钢 H型钢比工字钢的翼缘宽度大并为等 厚度，截面抵抗矩较大且质量较小，便于与其它 构件连接。热轧H型钢分为宽、中、窄翼缘H型钢， 它们的代号分别为HW、HM和HN。例如HW260a、 HM360、HN300b。
第二章 材料的结构(含答案)
第二章材料的结构(含答案)一、填空题（在空白处填上正确的内容）1、内部原子按一定规律排列的物质叫________。
答案：晶体2、金属晶体在不同方向上具有不同性能的现象叫________。
答案：各向异性3、常见的金属晶格类型有________、________、________三种。
答案：体心立方、面心立方、密排六方4、常见的金属晶格类型有三种，α-Fe、Cr、W、Mo、V的晶格属于________。
答案：体心立方5、表示晶体中原子排列的空间格子叫做________，组成空间格子的最基本的几何单元叫做________。
答案：晶格、晶胞6、实际金属结构中的点缺陷包括________、________和________；它们可使金属的强度________。
答案：间隙原子、置换原子、空位、提高7、工程材料的结合键有________、________、________和________四种。
答案：离子键、共价键、金属键、分子键8、三种常见金属晶格类型为________、________和________。
答案：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格；9、按溶质原子在溶剂晶格中所处的位置不同，固溶体可分为________和________两种。
答案：置换固溶体、间隙固溶体10、面心立方晶格中，晶胞的原子数为________，致密度为________。
答案：4、0.7411、位错分为两种，它们是________和________；多余半排原子面的是________位错。
答案：刃型位错、螺型位错、刃型位错12、相是指金属或合金中成分________，结构________，并由________与其它部分分开的均匀组成部分。
答案：相同、相同、界面13、合金中成分、结构和性能相同的组成部分称为________。
答案：相14、按其几何形式的特点，晶格缺陷可分为________、________和________。
答案：点缺陷、线缺陷、面缺陷15、体心立方晶格中，晶胞的原子数为________，原子半径与晶格常数的关系为________，致密度为________。
第二章新型材料及材料的未来.
19
记忆合金发展历史：
1932年，瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到“记忆” 效应； 1963年，美国海军武器实验室发现TiNi合金形状记忆效 应；
70年代，日本和西德开始探索形状记忆效应机理及应用；
1970年，美国将TiNi记忆合金丝材制成宇宙飞船的天线；
80年代，我国开展相关研究工作，起步较晚，但起点比 较高。
1977
1995 近年 近年 近年
3
美国GE
高温高压
刀具
刀具 刀具 刀具 刀具
近年
金刚石厚膜
CVD
刀具
图2-5金刚石锯片
4
图2-6金刚石砂轮
图2-7PCD刀具
二、超塑性合金 （像麦芽糖一样柔软可塑） 1．金属的超塑性的发现 1920年，德国人罗森海因在对锌铝铜合金发现 1945年，前苏联学者包奇瓦尔在许多有色金属合金中发 现这一现象。 凡金属在适当的温度下（大约相当于金属熔点温度的 一半）变得像软糖一样柔软，而应变速度10毫米秒时产生 本身长度三倍以上的延伸率，均属于超塑性。 具有超塑性的合金能像饴糖一样伸长10倍、20倍甚至 上百倍，既不出现缩颈，也不会断裂。
钛合金有三大优点： ① 比强度高； ② 强度随温度的降低而提高，且有足够的韧性； ③ 在低温下对缺口敏感性小，即不易出现裂纹。 铝合金：在超低温下保持良好的韧性，冲击值也基本保持不变
奥氏体不锈钢：强、韧、塑性配合良好，低温韧性极佳
13
第二节 新型高性能功能材料
功能材料是指在光、电、磁、热、化学、生化等方面具有特
9
1．高温合金及其分类
1）按照基体组元的不同 铁基高温合金 镍基高温合金 钴基高温合金 2）按制备工艺不同 变形高温合金 铸造高温合金 粉末冶金高温合金
记忆合金发展历史：
1932年，瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到“记忆” 效应； 1963年，美国海军武器实验室发现TiNi合金形状记忆效 应；
70年代，日本和西德开始探索形状记忆效应机理及应用；
1970年，美国将TiNi记忆合金丝材制成宇宙飞船的天线；
80年代，我国开展相关研究工作，起步较晚，但起点比 较高。
1977
1995 近年 近年 近年
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美国GE
高温高压
刀具
刀具 刀具 刀具 刀具
近年
金刚石厚膜
CVD
刀具
图2-5金刚石锯片
4
图2-6金刚石砂轮
图2-7PCD刀具
二、超塑性合金 （像麦芽糖一样柔软可塑） 1．金属的超塑性的发现 1920年，德国人罗森海因在对锌铝铜合金发现 1945年，前苏联学者包奇瓦尔在许多有色金属合金中发 现这一现象。 凡金属在适当的温度下（大约相当于金属熔点温度的 一半）变得像软糖一样柔软，而应变速度10毫米秒时产生 本身长度三倍以上的延伸率，均属于超塑性。 具有超塑性的合金能像饴糖一样伸长10倍、20倍甚至 上百倍，既不出现缩颈，也不会断裂。
钛合金有三大优点： ① 比强度高； ② 强度随温度的降低而提高，且有足够的韧性； ③ 在低温下对缺口敏感性小，即不易出现裂纹。 铝合金：在超低温下保持良好的韧性，冲击值也基本保持不变
奥氏体不锈钢：强、韧、塑性配合良好，低温韧性极佳
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第二节 新型高性能功能材料
功能材料是指在光、电、磁、热、化学、生化等方面具有特
9
1．高温合金及其分类
1）按照基体组元的不同 铁基高温合金 镍基高温合金 钴基高温合金 2）按制备工艺不同 变形高温合金 铸造高温合金 粉末冶金高温合金
材料化学第2章高分子材料的结构
X
CH2
C n
H
有不对称碳原子，所以有旋光异构。
注：对高分子来说，关心不是具体构型（左旋或 右旋），而是构型在分子链中的异同，即：
全同（等规）、间同或无规。
34
c
aC b
高分子链上有 取代基的碳原子 可以看成是不对
d
R RR R R
称碳原子
HHHH
将锯齿形碳链 H 排在一个平面上，
RH
RH
取代基在空间有 不同的排列方式。
以大分子链中的重复单元数目表示，记作 DP
注：重复单元与结构单元的异同：
5
(1) 由一种结构单元组成的高分子
一个高分子如果是由一种单体聚合而成，其重复单 元与结构单元相同。
例如：聚苯乙烯
n CH2 CH 聚合
CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH
缩写成
CH2 CH n
n 表示重复单元数，也称为链节数, 在此等于聚合度
(6) 单体单元（monomer unit）: 与单体的化学组成完全相同只是化学结构不同的 结构单元。
4
(7) 聚合度(degree of polymerization): 聚合物分子中，结构单元的数目叫聚合度。 聚合度是衡量高分子大小的一个指标。
有两种表示法：
以大分子链中的结构单元数目表示，记作 xn
2.6 高分子材料的结构
前言 一、定义
1. 高分子化合物 是指分子量很高并由共价键连接的一类化合物 . 又称：高分子化合物、大分子化合物、高分子、
大分子、高聚物、聚合物 Macromolecules, High Polymer, Polymer
分子量：一般高达几万、几十万，甚至上百万， 范围在104～106
第二章 材料的组成结构与性能
当
r
续固溶体。
当
r1 r2 0.15 r1
时，溶质与溶剂之间可以形成连
r
形成有限型固溶体， 而不是充分必要条件。
当
r1 r2 15% ~ 30% 时，溶质与溶剂之间只能 r 这是形成连续固溶体的必要条件， 1
固 溶体或不能形成 固溶体，而容易形成中间相或化合 物。因此Δr愈大，则溶解度愈小。
铁、铬、锰三种金属属于黑色金属，其余的所有金
属都属于有色金属。有色金属又分为重金属、轻金
属、贵金属和稀有金属等四类。
（2）金属合金 金属合金是指由两种或两种以上的
金属元素或金属元素与非金属元素构成的具有金属
性质的物质。如青铜是铜和锡的合金，黄铜是铜和
锌的合金，硬铝是铝、铜、镁等组成的合金。二元
合金、三元合金。 2、无机非金属材料的化学组成 从化学的角度来看，无机非金属材料都是由金属元 素和非金属元素的化合物配合料经一定工艺过程制
长石的过渡，其密度及折光率均递增。通过测定未知组
成固溶体的性质进行对照，反推该固溶体的组成。
固溶体化学式的写法
以CaO加入到ZrO2中为例，以1mol为基准，掺入 xmolCaO。
形成置换式固溶体：
CaO Ca Oo V
ZrO 2 '' Zr
O
空位模型
x
x
x
则化学式为：CaxZrl~xO2-x 形成间隙式固溶体：
2、无限固溶体（连续固溶体、完全互溶固溶体），
是由两个 ( 或多个 ) 晶体机构相同的组元形成的，
任一组元的成分范围均为0～100%。
Cu-Ni 系、Cr-Mo 系、Mo-W系、Ti-Zr系等 在室温下都能无限互溶，形成连续固溶体。 MgO-CoO 系统， MgO 、 CoO 同属 NaCl 型结 构，rCo2+= 8nm ，rMg2+= 8nm ，形成无限固溶体，
r
续固溶体。
当
r1 r2 0.15 r1
时，溶质与溶剂之间可以形成连
r
形成有限型固溶体， 而不是充分必要条件。
当
r1 r2 15% ~ 30% 时，溶质与溶剂之间只能 r 这是形成连续固溶体的必要条件， 1
固 溶体或不能形成 固溶体，而容易形成中间相或化合 物。因此Δr愈大，则溶解度愈小。
铁、铬、锰三种金属属于黑色金属，其余的所有金
属都属于有色金属。有色金属又分为重金属、轻金
属、贵金属和稀有金属等四类。
（2）金属合金 金属合金是指由两种或两种以上的
金属元素或金属元素与非金属元素构成的具有金属
性质的物质。如青铜是铜和锡的合金，黄铜是铜和
锌的合金，硬铝是铝、铜、镁等组成的合金。二元
合金、三元合金。 2、无机非金属材料的化学组成 从化学的角度来看，无机非金属材料都是由金属元 素和非金属元素的化合物配合料经一定工艺过程制
长石的过渡，其密度及折光率均递增。通过测定未知组
成固溶体的性质进行对照，反推该固溶体的组成。
固溶体化学式的写法
以CaO加入到ZrO2中为例，以1mol为基准，掺入 xmolCaO。
形成置换式固溶体：
CaO Ca Oo V
ZrO 2 '' Zr
O
空位模型
x
x
x
则化学式为：CaxZrl~xO2-x 形成间隙式固溶体：
2、无限固溶体（连续固溶体、完全互溶固溶体），
是由两个 ( 或多个 ) 晶体机构相同的组元形成的，
任一组元的成分范围均为0～100%。
Cu-Ni 系、Cr-Mo 系、Mo-W系、Ti-Zr系等 在室温下都能无限互溶，形成连续固溶体。 MgO-CoO 系统， MgO 、 CoO 同属 NaCl 型结 构，rCo2+= 8nm ，rMg2+= 8nm ，形成无限固溶体，
第2章混凝土结构材料的物理力学性能
钢筋的断后伸长率（伸长率）是指钢筋拉断后的伸长 值与原长的比称为钢筋的断后伸长率（习惯上称为伸 长率）
第 二 章
目录 上一章
下一章
HELP
l l0 100% l0
混凝土结构设计原理
伸长率
l l
1
5 10 : 100 :
l1 l 100% l : l 5d l 10d l 100mm
第 二 章
目录 上一章
低 碳：C<0.25%
含碳万分数 中 碳：C=0.25 ～ 0.6% 高 碳：C>0.6%
下一章
HELP
含锰、硅、钒的百分数，取整。
混凝土结构设计原理
本章重点 了解并掌握土木工程用钢筋的品种、级别、 性能、强度指标及其选用原则； 掌握钢筋混凝土结构中混凝土的强度指标， 重点掌握混凝土的立方体抗压强度指标； 掌握钢筋混凝土结构中钢筋和混凝土的应力 -应变曲线关系； 掌握混凝土在长期荷载作用下随时间增长而 增长的变形—徐变； 掌握混凝土的变形模量，混凝土的收缩变形 以及钢筋和混凝土之间粘结应力的组成。
为了使钢筋冷拉时效后， 既能显著提高强度，又使 钢材具有一定的塑形，应 合理选择张拉控制点K’，K’ 点相对应的应力称为冷拉 控制应力，K点相对应的应 变称为冷拉率。冷拉工艺 分为控制应力和控制应变 （冷拉率）两种方法。
下一章
HELP
混凝土结构设计原理
钢筋的冷弯性能
钢筋的冷弯性能是检验钢筋韧性、内部质量和加工可 适性的有效方法。冷弯性能也是评价钢筋塑性的指标， 弯芯的直径 越小，弯折角 越大，说明钢筋的塑性越好。 冷弯是检验钢筋局部变形能力的指标。 钢筋塑性愈好，构件破坏前预兆愈明显。
下一章
第 二 章
目录 上一章
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HELP
l l0 100% l0
混凝土结构设计原理
伸长率
l l
1
5 10 : 100 :
l1 l 100% l : l 5d l 10d l 100mm
第 二 章
目录 上一章
低 碳：C<0.25%
含碳万分数 中 碳：C=0.25 ～ 0.6% 高 碳：C>0.6%
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HELP
含锰、硅、钒的百分数，取整。
混凝土结构设计原理
本章重点 了解并掌握土木工程用钢筋的品种、级别、 性能、强度指标及其选用原则； 掌握钢筋混凝土结构中混凝土的强度指标， 重点掌握混凝土的立方体抗压强度指标； 掌握钢筋混凝土结构中钢筋和混凝土的应力 -应变曲线关系； 掌握混凝土在长期荷载作用下随时间增长而 增长的变形—徐变； 掌握混凝土的变形模量，混凝土的收缩变形 以及钢筋和混凝土之间粘结应力的组成。
为了使钢筋冷拉时效后， 既能显著提高强度，又使 钢材具有一定的塑形，应 合理选择张拉控制点K’，K’ 点相对应的应力称为冷拉 控制应力，K点相对应的应 变称为冷拉率。冷拉工艺 分为控制应力和控制应变 （冷拉率）两种方法。
下一章
HELP
混凝土结构设计原理
钢筋的冷弯性能
钢筋的冷弯性能是检验钢筋韧性、内部质量和加工可 适性的有效方法。冷弯性能也是评价钢筋塑性的指标， 弯芯的直径 越小，弯折角 越大，说明钢筋的塑性越好。 冷弯是检验钢筋局部变形能力的指标。 钢筋塑性愈好，构件破坏前预兆愈明显。
下一章
第二章钢结构材料
作用则属于连续交变荷载，或称循环荷载。
1） 加载速度的影响
高于此温度时，不论 何种加载方式材料的 韧性性能均好。T3
低于此温度时，不论 何种加载方式材料的 韧性性能均差。T1
常温下某温度时，静载下材料 的韧性最好，中等加载速度下 次之，冲击加载最差。T2
2）循环荷载的影响
钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐积累损伤、 产生裂纹、裂纹逐渐扩展，直到最后破坏，这种现
锰、硅含量不高时可提高钢材强度，但又不会过多 降低塑性和冲击韧性，不过量时是有益元素。
硫、磷、氧、氮均是有害元素，一般情况下其含量
元旦应严格控制。（但也有例外） 2-4-2 钢材的焊接性能 指钢材经过焊接后能获得良好的焊接接头的性能。 包括焊缝金属和近缝区钢材在施焊时不开裂、焊接
构件在施焊后的机械性能不低于母材。
达到屈服点作为评价钢结构承载能力极限状态的标
志，即取屈服强度作为钢材的标准强度。 钢材的伸长率是反映钢材塑性的指标之一。反映钢 材塑性的另一个指标是截面收缩率。 伸长率δ等于试件拉断后原标距间的伸长量和原标 距比值的百分率。原标距长度有10倍标距δ 和5倍标
10
距δ5两种。
断面收缩率ψ是试件拉断后，颈缩区的断面面积 缩小值与原断面面积比值的百分率。 由单向拉伸试验还可以看出钢材的韧性好坏。 韧性用材料破坏过程中单位体积吸收的总能量来衡 量，包括弹性能和非弹性能两部分，其值等于应力
力集中。应力高峰值及应
力分布不均匀的程度与杆件 截面变化急剧的程度有关。
实验表明，应力集中处，不仅有纵向应力，还有横向应力， 常常形成同号应力场，有时还会有三向的同号应力场。这种同 号应力场导致钢材塑性降低，脆性增加，结构发生脆性破坏的 危险性增大。
第2章_材料的组织结构
（体心体方晶格）
1394℃
（面心立方晶格）
912℃
（体心体方晶格）
纯铁的同素异构转变
2.4
材料的同素异构现象
2.4
材料的同素异构现象
金属的同素异构 转变与液态金属的结 晶过程相似，遵循液 体结晶的一般规律： 1、恒温转变； 2、转变时有过冷 现象； 3、转变过程由生 核和长大两个基本过 程组成。
（3）密排六方晶格 晶格属于六方棱柱体，在六棱柱 晶胞的12个项角上各有一个原子，两 个端面的中心各有一个原子，晶胞内 部有三个原子。
每个密排六方晶胞原子数为: （1/6）×12+（1/2）×2+3＝6个 较脆
2.1.1 金属的理想晶体结构
（三）金属晶格的常见类型
金属的晶格类型不同，性能必 然存在差异。即使晶格类型相同， 由于各元素的原子大小和原子间距 的不同；金属的晶格类型和晶格常 数发生改变时，金属的性能也会发 生相应的变化。
形成无限固溶体的 条件：两组元具有相同 的晶格，原子直径相差 很小。
2.1.3 金属材料的结构特点
（2）间隙固溶体 溶质原子分布在溶剂晶格 间隙处而形成的晶体相。
形成条件：两组元直径相 差较大。 由于两组元原子大小和性 能上的差别，导致晶格发生畸 变、歪扭，使晶体的位错运动 阻力增大，合金塑性变形抗力 增大，由此强化了合金。 固溶强化：因形成固溶体 而引起合金强度、硬度升高， 但塑性和韧4.2
同分异构
化学成分相同而分子结构中原子 排列不同的现象。 同分异构对高分子材料的性能影 响很大。
2.3 金属的结晶与细晶强化
2.3 金属的结晶与细晶强化
2.结晶温度 纯金属由液态转变为固态的温度。
混凝土结构设计原理第2章混凝土结构材料的物理力学性能2
第二章 钢筋和混凝土的材料性能
1）混凝土的双向（法向）受力强度
第一象限：双拉 第三象限：双压 第二、四象限：拉压 结论： 结论： 强度接近于单拉强度； 双拉强度接近于单拉强度 双拉强度接近于单拉强度； 双压强度比单压强度有很大 双压强度比单压强度有很大 提高（最多可提高27 27％ 提高（最多可提高27％）； 双向拉压异号应力使强度 双向拉压异号应力使强度 拉压 降低。 降低。
2.1 混凝土的物理力学性能
第二章 钢筋和混凝土的材料性能
2）混凝土在剪应力和正应力共同作用下的复合强度 ）
混凝土的抗剪强度： 混凝土的抗剪强度：随拉应力增大而减小，随压应力增大而增 应力增大而减小， 当压应力在0.6fc左右时，抗剪强度达到最大；压应力继续 左右时，抗剪强度达到最大； 大；当压应力在 增大，由于内裂缝发展明显， 增大，由于内裂缝发展明显，抗剪强度将随压应力增大而减小 结论： 结论：剪＋压强度低于单压强度 剪应力使抗拉强度降低
A点以前，微裂缝没有明显发展，混凝土的变形主要是弹 点以前，微裂缝没有明显发展， 性变形，应力-应变关系近似直线 应变关系近似直线。 性变形，应力 应变关系近似直线。A点应力随混凝土强 度的提高而增加，对普通强度混凝土σ (0.3～ 度的提高而增加，对普通强度混凝土 A约为 (0.3～ 0.4)fc， 对高强混凝土σA可达(0.5～0.7)fc。 对高强混凝土 可达(0.5～ (0.5 A点以后，由于微裂缝处的应力集中，裂缝开始有所延伸 点以后，由于微裂缝处的应力集中， 发展，产生部分塑性变形，应变增长开始加快，应力发展，产生部分塑性变形，应变增长开始加快，应力-应 变曲线逐渐偏离直线。 变曲线逐渐偏离直线。微裂缝的发展导致混凝土的横向 变形增加。但该阶段微裂缝的发展是稳定扩展的。 变形增加。但该阶段微裂缝的发展是稳定扩展的。
材料概论第2章
*由成分、结构都不同的几种晶粒构成的材料，
则它们属于几种不同的相。
*1个相必须在物理和化学性质上都是完全均匀的， 但不一定只含有1种物质。例如： • 纯金属是单相材料，钢(非纯金属)在室温下由铁素体 (含碳的Fe)和渗碳体(Fe3C为化合物)组成；
• 普通陶瓷：由晶相(1种/几种)与非晶相(玻璃相)组成。
构成的具有金属性质的物质。如黄铜—Cu+Zn的
合金，硬铝—Al+Cu+Mg等组成的合金。
合金元素：为形成合金所加入的元素。由2或
3种元素构成的分别叫做二元或三元合金。 一些
主要合金的化学组成见p22表2-2。
合金一般都是多晶体，有时可形成固溶体、共熔 晶、金属间化合物，以及它们的聚集体。
非晶态合金具有许多优异性能，如强韧性、抗
用强度大的平板作表面材料制成的轻质抗弯刚性 大的材料。
*蜂窝结构材料——用蜂窝状的物质作为夹心材料，
思考题
普通的混凝土中有几种相？请分别写出各种 相的名称。若在其中加入钢筋，则钢筋起到 什么作用？此时又有 几种相？
第二章 材料的组成、结构与性能
2.1.2 材料的化学组成
金属材料的化学组成: 包括纯金属和以金属为 基所构成的合金。特点是具有其他材料无法 取代的强度、塑性、韧性、导热性、导电性 以及良好的可加工性等。为获得需要的性能， 须控制材料的成分与组织。 无机非金属材料的化学组成 高分子材料的化学组成
第二章 材料的组成、结构与性能
*材料组织可分为：
1.微观组织(结构)—也称微细组织、显微组织， 由原子的种类及其排列状态决定的。又可分为： 晶体结构与非晶态(无定形)结构。 2.宏观组织—是用肉眼可以观察到的粗大组织， 有时是指用放大倍数≤20~100的放大镜可观察到 组织。又可分为：单一和复合组织。这些组织还可
第二章 结构材料
e.g. Fe, Ti
e.g. Al, Cu
fatigue limit
103
105
107
109103105107109cycles to failure (log scale)
cycles to failure (log scale)
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。
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。
应用
1990～2000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Ti －6Al－4V合金，排气阀使用Ti－6Al－2Sn－4Zn－2Mo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Ti－6Al－4V，其它如Ti－4Al－2Si－4Mn、Ti －7Al－4Mo等也在研制中。 三、曲轴及其它发动机部件。日本正在试制Ti－5Al－2Cr－Fe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Ti－6Al－4V合金制造。 四、其它部件。汽车上的螺栓、螺母等连接件和离合器圆盘、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。
第二章钢结构材料
部组织重新排列，抵抗外力 的能力增强。
σ
fu
B
D
fy
C
F
fe
E
fp A
0 0.1 0.15
2.5
ε /%
22
单向受拉应力－应变曲线
(5)颈缩阶段：BD段 应力超过fu后，试件出现
“颈缩”而断裂， fu称为抗 拉强度(Tensile Strength，材 料力学中用σb表示）。
根据上述特性，可确定钢材的强度指标和塑性指标。
钢材的脆性断裂
裂纹基本形式 (1) 张开型 (2) 滑移型 (3) 撕开型
防止钢材脆性断裂的措施
(1)加强施焊工艺管理，避免焊接过程中产生 裂缝、夹渣、气泡等。
(2)焊缝不宜过分集中，约束不应过强，避免 产生过大残余应力。
(3)合理细部设计，避免应力集中。 (4)选择合理钢材。
钢材的疲劳破坏
钢材在连续反复荷载作用下的破坏称为疲劳破坏。
钢材在复杂应力下工作性能
zs
2 x
2 y
2 z
( x
y
y z
z x )
3(
2 xy
2 yz
2 zx
)
钢材在复杂应力下工作性能
平面应力作用下，
z 0 yz zx 0
zs
2 x
2 y
x
y
3
2 xy
冷弯性能指钢材冷加工(即在常温下加工)产生塑性变
形时，对发生裂缝的抵抗能力。
钢材可焊性
衡量普通碳素钢可焊性良好的标准：
碳含量在0.27%以下 固定杂质含锰量在0.7%以下 含硅量在0.4%以下 硫磷含量各在0.05%以下
σ
fu
B
D
fy
C
F
fe
E
fp A
0 0.1 0.15
2.5
ε /%
22
单向受拉应力－应变曲线
(5)颈缩阶段：BD段 应力超过fu后，试件出现
“颈缩”而断裂， fu称为抗 拉强度(Tensile Strength，材 料力学中用σb表示）。
根据上述特性，可确定钢材的强度指标和塑性指标。
钢材的脆性断裂
裂纹基本形式 (1) 张开型 (2) 滑移型 (3) 撕开型
防止钢材脆性断裂的措施
(1)加强施焊工艺管理，避免焊接过程中产生 裂缝、夹渣、气泡等。
(2)焊缝不宜过分集中，约束不应过强，避免 产生过大残余应力。
(3)合理细部设计，避免应力集中。 (4)选择合理钢材。
钢材的疲劳破坏
钢材在连续反复荷载作用下的破坏称为疲劳破坏。
钢材在复杂应力下工作性能
zs
2 x
2 y
2 z
( x
y
y z
z x )
3(
2 xy
2 yz
2 zx
)
钢材在复杂应力下工作性能
平面应力作用下，
z 0 yz zx 0
zs
2 x
2 y
x
y
3
2 xy
冷弯性能指钢材冷加工(即在常温下加工)产生塑性变
形时，对发生裂缝的抵抗能力。
钢材可焊性
衡量普通碳素钢可焊性良好的标准：
碳含量在0.27%以下 固定杂质含锰量在0.7%以下 含硅量在0.4%以下 硫磷含量各在0.05%以下
新型高分子材料第二章——高性能高分子PPT课件
17
2. 热性能
PPS分子的刚性高及规整排列，使其成为结晶性聚合物， 最高结晶度达65%，结晶温度为127℃，Tm为280～290℃， 在空气中的开始分解温度为430～460℃，热稳定性远远优于 PA、PBT、POM及PTFE等工程塑料。经与GF复合增强后， HDT可达260℃，长期使用温度为220～240℃，在热塑性塑 料中是最高的。
全同立构PS（IPS），结晶， 熔点240 ℃
间同立构PS（SPS） ，熔 点270 ℃，
无规立构PS（aPS），无定 形，透明
提高分子的等规度，提高Tg 和Tm
7
分子间氢键
交联
增加分子间的相互作用，提高Tg
8
纤
聚甲醛
维
增
尼龙6
强
尼龙66
对
酚醛树脂
热
聚碳酸酯
变
芳香聚酯
形
温
聚醚醚酮
度
聚苯硫醚
的
聚砜
14
2.2.1 聚苯硫醚
聚苯硫醚（PPS）为对二氯苯和硫化钠为原料制备的，目 前被认为耐热性最佳的聚合物之一。
nNa2S + n Cl
Cl NMP 加热加压
S
+ 2nNaCl
n
PPS为第六大工程塑料和第一大特种工程塑料，属热塑性 结晶树脂。其Tm高达280~290℃，Td＞400℃，与无机填料、 增强纤维以及其它高分子材料复合，可制得各种PPS工程塑 料及合金。
有极好的刚性和强度，其拉伸强度、弯曲强度和弯曲弹 性模量均列在工程塑料前列。PPS树脂通过纤维增强后， 刚性进一步提高。
良好的抗蠕变性，在高温下的强度保持率远远高于PBT、 PES、PC及其它工程塑料，适宜制作螺丝等紧固件，可解 决因塑料松弛而引起的紧固力下降这一缺点。
2. 热性能
PPS分子的刚性高及规整排列，使其成为结晶性聚合物， 最高结晶度达65%，结晶温度为127℃，Tm为280～290℃， 在空气中的开始分解温度为430～460℃，热稳定性远远优于 PA、PBT、POM及PTFE等工程塑料。经与GF复合增强后， HDT可达260℃，长期使用温度为220～240℃，在热塑性塑 料中是最高的。
全同立构PS（IPS），结晶， 熔点240 ℃
间同立构PS（SPS） ，熔 点270 ℃，
无规立构PS（aPS），无定 形，透明
提高分子的等规度，提高Tg 和Tm
7
分子间氢键
交联
增加分子间的相互作用，提高Tg
8
纤
聚甲醛
维
增
尼龙6
强
尼龙66
对
酚醛树脂
热
聚碳酸酯
变
芳香聚酯
形
温
聚醚醚酮
度
聚苯硫醚
的
聚砜
14
2.2.1 聚苯硫醚
聚苯硫醚（PPS）为对二氯苯和硫化钠为原料制备的，目 前被认为耐热性最佳的聚合物之一。
nNa2S + n Cl
Cl NMP 加热加压
S
+ 2nNaCl
n
PPS为第六大工程塑料和第一大特种工程塑料，属热塑性 结晶树脂。其Tm高达280~290℃，Td＞400℃，与无机填料、 增强纤维以及其它高分子材料复合，可制得各种PPS工程塑 料及合金。
有极好的刚性和强度，其拉伸强度、弯曲强度和弯曲弹 性模量均列在工程塑料前列。PPS树脂通过纤维增强后， 刚性进一步提高。
良好的抗蠕变性，在高温下的强度保持率远远高于PBT、 PES、PC及其它工程塑料，适宜制作螺丝等紧固件，可解 决因塑料松弛而引起的紧固力下降这一缺点。
第五次课-《材料科学导论》第02章-材料的结构基础02-晶体学与晶体化学(原子规则排列)-2015-骆军
crystobalite +L
mullite
+L
mullite
alumina
+
1600 1400 0
+ crystobalite
mullite
20
40
60
80
100
alumina
crystobalite
Composition (wt% alumina)
图2.10.8 石英-氧化铝中间相相图
2015/4/24 19
3. 固溶体的结构（Structure of solid solution）
虽然固溶体仍保持溶剂的晶格类型，但与纯溶剂组元的晶体 结构相比，其结构还是发生了变化。 （1）晶格畸变
由于溶质与溶剂的原子半径不同，因而在溶质原子附近的局 部范围内形成一弹性应力场，造成晶格畸变(图2.10.3)。晶格 畸变程度可通过溶剂晶格常数的变化反映出来(图2.10.4)。
27
图2.10.11 拓扑密排相中的配位多面体
28
表2.10-1 固溶体与中间相的比较
类型 固溶体 中间相
单相固溶体位于相图 相图中的位置 位于相图中部 两侧，紧挨纯组元 晶体结构特点 结构与溶剂相同 成分特点 原子分布特点 性能特点 标记符号
2015/4/24
与形成中间相的元素 均不同 符合特定比例(或在 成分不符合特定比例， 可连续变化 这比例附近连续变化)
20
图2.10.9
AB型（NaCl）正常价化合物 的晶体结构
21
2. 电子化合物
（elctrides)
电子化合物是指按照一定价电子浓度的比值组成一定 晶格类型的化合物。 电子浓度是指化合物中每个原子平均所占有的价电子 数（e/a）表示。 当价电子浓度为3/2时，电子化合物具有体心立方晶格 ；价电子浓度达到7/4时，电子化合物具有密排六方晶格。 常见的电子化合物有：Fe-Al、Ni-Al等。 电子化合物的熔点和硬度都很高，但塑性较差，一般 是有色金属的强化相。
mullite
+L
mullite
alumina
+
1600 1400 0
+ crystobalite
mullite
20
40
60
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100
alumina
crystobalite
Composition (wt% alumina)
图2.10.8 石英-氧化铝中间相相图
2015/4/24 19
3. 固溶体的结构（Structure of solid solution）
虽然固溶体仍保持溶剂的晶格类型，但与纯溶剂组元的晶体 结构相比，其结构还是发生了变化。 （1）晶格畸变
由于溶质与溶剂的原子半径不同，因而在溶质原子附近的局 部范围内形成一弹性应力场，造成晶格畸变(图2.10.3)。晶格 畸变程度可通过溶剂晶格常数的变化反映出来(图2.10.4)。
27
图2.10.11 拓扑密排相中的配位多面体
28
表2.10-1 固溶体与中间相的比较
类型 固溶体 中间相
单相固溶体位于相图 相图中的位置 位于相图中部 两侧，紧挨纯组元 晶体结构特点 结构与溶剂相同 成分特点 原子分布特点 性能特点 标记符号
2015/4/24
与形成中间相的元素 均不同 符合特定比例(或在 成分不符合特定比例， 可连续变化 这比例附近连续变化)
20
图2.10.9
AB型（NaCl）正常价化合物 的晶体结构
21
2. 电子化合物
（elctrides)
电子化合物是指按照一定价电子浓度的比值组成一定 晶格类型的化合物。 电子浓度是指化合物中每个原子平均所占有的价电子 数（e/a）表示。 当价电子浓度为3/2时，电子化合物具有体心立方晶格 ；价电子浓度达到7/4时，电子化合物具有密排六方晶格。 常见的电子化合物有：Fe-Al、Ni-Al等。 电子化合物的熔点和硬度都很高，但塑性较差，一般 是有色金属的强化相。
第二章 材料科学与工程的四个基本要素
第二章 材料科学与工程的四个基本要素 MSE 四要素；– 使用性能，材料的性质，结构与成分，合成与加工两个重要内容;– 仪器与设备，分析与建模§2。
1 性质与使用性能 1。
基础概念2。
性质与性能的区别与关系 3。
材料的失效分析4. 材料（产品）使用性能的设计5. 材料性能数据库6. 其它问题2。
1。
1基础内容 材料性质：是功能特性和效用的描述符，是材料对电.磁.光.热。
机械载荷的应。
材料性质描述• 力学性质;强度,硬度,刚度，塑性,韧性物理性质;电学性质，磁学性质，光学性质，热学性质 化学性质；催化性质，防化性质结构材料性质的表征——-—材料力学性质 强度:材料抵抗外应力的能力.塑性:外力作用下，材料发生不可逆的永久性变形而不破坏的能 力。
硬度：材料在表面上的小体积内抵抗变形或破裂的能力。
刚度：外应力作用下材料抵抗弹性变形能力。
疲劳强度：材料抵抗交变应力作用下断裂破坏的能力.抗蠕变性：材料在恒定应力（或恒定载荷）作用下抵抗变形的能力。
韧性：材料从塑性变形到断裂全过程中吸收能量的能力.6强度范畴刚度范畴塑性范畴韧性范畴应力应 变2.1.1基础内容7材料的物理性质磁学性质光学性质电学性质· 导电性 · 绝缘性 · 介电性· 抗磁性 · 顺磁性 · 铁磁性· 光反射 · 光折射 · 光学损耗 · 光透性热学性质· 导热性 · 热膨胀 · 热容 · 熔化注：上面只列出了材料的主要物理性质2.1.1基础内容物理性质的交互性———-材料应用的关键点现代功能材料不仅仅表现出单一的物理性质，更重要的是具备了特 殊的物理交互性。
例如: 电学———-机械电致伸缩 机械————电学压电特性 磁学————机械磁致伸缩 电学————磁学巨磁阻效应 电学——-—光学电致发光 性能定义在某种环境或条件作用下,为描述材料的行为或结果，按照特定的 规范所获得的表征参量。
第2章 材料力学性能4-粘结性能
第2章 混凝土结构材料的力学性能
三、 钢筋与混凝土的粘结性能
1. 粘结作用与粘结机理
P P
两种粘结作用
T
保证钢筋和混 凝土共同工作
锚固粘结
缝间粘结
改善钢筋混凝 土的耗能性能
第2章 混凝土结构材料的力学性能
粘结力计算
粘结力是钢筋和混凝土共同工作的基础。粘结力分析：
s
s
s s
M
M+dM
1 dx
d b s 4
上式表明,粘接应力使钢筋应力发生改变，钢筋应力增量 和粘结应力是相辅相成的。
第2章 混凝土结构材料的力学性能
粘结试验
修正梁试验 拔出试验
第2章 混凝土结构材料的力学性能
破坏形态 钢筋拔出
粘附力
有滑移时粘附力即消失
光圆钢筋
摩擦力 机械咬合力
（钢筋表面不 平、微锈时可 显著提高咬合 力）
◆现《规范》GB50010-2010
（普通钢筋）
——外形系数（光面
（预应力钢筋） 0.16；螺旋肋0.13）
第2章 混凝土结构材料的力学性能
◆ACI规范
◆欧洲CEB-FIP模式规范
式中， 1 ——考虑配筋类型系数（光面钢筋1.0；刻痕1.4；带肋2.25）
2
——考虑在混凝土凝固时的位置系数（一般取1.0；不利时取0.7) ）
第2章 混凝土结构材料的力学性能
2. 钢筋的锚固
钢筋锚固分析
假设
钢筋屈服时正好发生锚固破坏
第2章 混凝土结构材料的力学性能
la
d cos 2 la p d la p d 2 2
假定由于p引起的混凝土中的拉应 力按线形分布
三、 钢筋与混凝土的粘结性能
1. 粘结作用与粘结机理
P P
两种粘结作用
T
保证钢筋和混 凝土共同工作
锚固粘结
缝间粘结
改善钢筋混凝 土的耗能性能
第2章 混凝土结构材料的力学性能
粘结力计算
粘结力是钢筋和混凝土共同工作的基础。粘结力分析：
s
s
s s
M
M+dM
1 dx
d b s 4
上式表明,粘接应力使钢筋应力发生改变，钢筋应力增量 和粘结应力是相辅相成的。
第2章 混凝土结构材料的力学性能
粘结试验
修正梁试验 拔出试验
第2章 混凝土结构材料的力学性能
破坏形态 钢筋拔出
粘附力
有滑移时粘附力即消失
光圆钢筋
摩擦力 机械咬合力
（钢筋表面不 平、微锈时可 显著提高咬合 力）
◆现《规范》GB50010-2010
（普通钢筋）
——外形系数（光面
（预应力钢筋） 0.16；螺旋肋0.13）
第2章 混凝土结构材料的力学性能
◆ACI规范
◆欧洲CEB-FIP模式规范
式中， 1 ——考虑配筋类型系数（光面钢筋1.0；刻痕1.4；带肋2.25）
2
——考虑在混凝土凝固时的位置系数（一般取1.0；不利时取0.7) ）
第2章 混凝土结构材料的力学性能
2. 钢筋的锚固
钢筋锚固分析
假设
钢筋屈服时正好发生锚固破坏
第2章 混凝土结构材料的力学性能
la
d cos 2 la p d la p d 2 2
假定由于p引起的混凝土中的拉应 力按线形分布
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10
第2章高性能结构材料
2.2.1 超级钢
超级钢材料计划又称STX- 21( Structural Materials X for 21 St century ) 即面向21世纪的结构材料计划。
它是日本政府确立的由科学技术厅金属材料技术研究所 从1997 年4 月开始研究的一个国家级课题。其目标是将现有 钢材在成分基本不变的前提下实用强度和结构寿命提高到现 有性能和寿命的2倍， 并在2015年前实现实用化。
7
第2章高性能结构材料
§8.2 新型金属结构材料
金属材料优点: 高韧性，延展性好，强度高，导电性好。
发展情况：
初期：铁和钢(铁的合金)。
20世纪初：以硬铝为首的铝合金。
20世纪50年代：又出现只有钢一半重、耐热性比钢好 而强度不低于钢的钛合金。
现在：主要仍是钢、铝合金、钛合金，镁合金；性能
提高。
发展：超高纯度铁、超高强度钢、超高速钢(用作刀具)、 超硬合金、超塑性合金、超耐热合金、超低温
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
因此，世界各先进国家在制定国家关键技术发展计划 时，高温结构材料与技术被列为高性能结构材料领域的重 点发展项目之一。
6
第2章高性能结构材料
发展新型高性能结构材料将支撑交通运输、能源动力、 资源环境、电子信息、农业和建筑、航天航空、国防军工以 及国家重大工程等领域可持续发展，对国家支柱产业的发展 和国家安全的保障起着关键性的作用，同时还将促进包括新 材料产业在内的我国高新技术产业的形成与发展，带动传统 产业和支柱产业的改造和产品的升级换代，提高国际竞争力， 形成新的产业和新的经济增长点。
例如：发展现代航空航天技术，对动力机械而言，工作温 度愈高、比强度和比刚度愈高，效率亦愈高，先进军用发动 机的发展趋势要求涡轮前温度和推重比不断提高，正在向推 重比15～20发展，高温结构材料技术是关键。
5
第2章高性能结构材料
有资料指出，飞机及发动机性能的改进分别有2/3和1/2 靠材料性能提高。对卫星和飞船，减重1公斤能带来极高的 效益；汽车节油有37%靠材料轻量化，40%靠发动机改进。 绝热发动机（不冷却）主要靠材料性能提高。航空方面的 先进复合材料、单晶合金、涡轮盘合金，航天方面的含能 材料、热防护材料、弹头材料等不仅要先行，而且还要起 到先导的作用。如果没有优质的单晶合金、涡轮前温度无 法提高，高推比航空发动机就难以实现。由此可见高性能 结构材料在航空航天技术中的基础性和先导性。
材料等等。 8
第2章高性能结构材料
§2.2 新型金属结构材料 2.2.1 超级钢
2012年全球粗钢总产量为15.478亿吨，中国大陆7.16亿 吨，占全球钢产量的46.3%。高性能钢铁材料发展引起各国 关注。
钢铁材料具有资源相对丰富、生产规模庞大、加工制造 容易、性能多样可靠、成本低廉稳定、使用便利习惯和回收 利用方便等特点，是基础设施建设、工业设备制造和人民日 常生活中广泛使用的材料。
1981年4
月12日首次
发射，2003
年2月1日在
得克萨斯州
北部上空解
体坠毁，7名
宇航员全部
遇难。
4
第2章高性能结构材料
什么是高性能结构材料？
高性能结构材料是一类具有高比强度、高比刚度、耐高 温、耐腐蚀、耐磨损的材料。
高性能结构材料是在高新技术推动下发展起来的一类新 材料，是国民经济现代化的物质基础之一。
第2章 高性能结构材料
§2.1 高性能结构材料概述 §2.2 新型金属结构材料 §2.3 新型无机非金属结构材料 §2.4 新型高分子材料
1
第2章高性能结构材料
§2.1 高性能结构材料概述
——对应--功能材料
结构材料是社会生活和国民经济建设的重要的物质基
础。金属、陶瓷和高分子材料长期以来是三大传统的工
各类高洁净钢是20世纪90年代的研究热点。洁净化的
含义，一是最大限度地去除钢中P、S、O、N、H（有时包
括C）等杂质元素的含量；二是严格控制钢中夹杂物的数
量、成分、尺寸、形态及分布。 12
第2章高性能结构材料
2.2.1 超级钢
■高均匀性技术 高均匀性是指成分、组织和性能的高度均匀。已有试
验表明，材料微区结构越均匀，所对应材料的抗冲击性能 越高。
程结构材料。随着工业化的迅速推进，对工程结构材料
的性能提出了越来越高的要求，也推动了发展新一代高
性能结构材料。 2
第2章高性能结构材料
◆材料原因导致的灾难
●1912年泰坦尼克号沉没原因：钢材含硫高，脆性断裂。 ●1986年挑战者号，升空72秒爆炸。费曼调查：火箭助推
器某处O型密封圈在摄氏10度以下失去弹性，造成液氢 泄漏。
不断地改进钢材质量、降低成本、增强钢铁材料的竞争 能力。
9
第2章高性能结构材料
2.2.1 超级钢
新一代钢铁材料---超级钢 超级钢是20世纪90年代末为更好地利用钢铁材料在使用 性能上的优势，并进一步改进传统钢铁材料的一些不足，减 少材料消耗，降低能耗而研制的新材料。其主要目的在于解 决传统钢铁材料在强度、寿命上的不足。
■超细晶技术 金属材料的强化方式有固溶强化、析出强化、位错强
化和晶粒细化强化等。在这些强化方式中，晶粒细化强化 是唯一能够同时提高强度和韧度的有效方法。
与普通钢比较有三个显著结构特点：
① 超级钢的晶粒结构均匀化程度更高；
② 降低了结构中杂质和缺陷数量，使材料纯度更高；
③ 细化材料的结构使晶粒更小。 13
该课题的目标是 在生产成本基本不增加的前提下将现有 的碳素钢、低合金钢结构钢和合金结构钢的强度指标提高一 倍，即分别达到400MPa、800MPa、和1500MPa，并满足韧 度和各种使用性能的要求，追求超细晶技术、洁净化技术和 均匀技术的结合。
11
第2章高性能结构材料
2.2.1 超级钢
■洁净化技术
3
第2章高性能结构材料
● “哥伦比亚”号航天飞机事故调查委员会公布的调查报告称， 外部燃料箱表面脱落的一块泡沫材料击中航天飞机左翼前 缘的名为“增强碳碳”（即增强碳-碳隔热板）的材料。当 航天飞机返回时，经过大气层，产生剧烈摩擦使温度高达 摄氏1400度的空气在冲入左机翼后融化了内部结构，致使 机翼和机体融化，导致了悲剧的发生。
第2章高性能结构材料
2.2.1 超级钢
超级钢的应用
——汽车制造业
（如图）