第四讲-金属材料的力学性能.pptx
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1、2023/3/281n20世纪中期美国科学家克里克是学物理的,他将“简化归纳”的物理学方法用到生物学上,就和沃森一起发现了DNA。n今天基因科学研究方兴未艾,伴随生物学在20世纪下半叶的巨大发展,可以说是直接受到了物理学研究的影响,采取了“简化归纳”的方法。n“简化归纳”又称为还原论(reductionism)观点:将一个层次上的客体看成由下一层次许多小客体组成,如果把每一部分小客体研究清楚了,凑到一起,则整个客体的规律也就呈现出来。n也就是说,一个层级上的规律,可以还原为下一层级的规律。化学定律可以用物理学定律来说明;传统上物理学家所受的均是该类训练。第1页/共56页21世纪基础科学研究方法
2、:“整体统一”或“突现论”2023/3/282n我们要立足新基础科学前沿,一定要将小的与大的联系起来,这个方法可称为“整体统一”。n李政道认为,“整体统一”的科学方法,应该是21世纪最重要的科学方法。n“整体统一”在物理研究上的重要性,也势必影响到21世纪生物学的研究,因为即便我们把所有的基因都找出来,也不一定明白生物体中生命现象表达的是什么,一定要将小的与大的放到一起研究才有希望。第2页/共56页2023/3/283n可是,如何在“整体统一”方向着手,我们必须研制出新的、更为精密的实验仪器,必须创造出更严格和更广义的理论。n突现论或层涌论(emergentism)观点:整体的性质不能仅是各部
3、分性质简单地相加,下一层次各部分之间还存在着相互作用,存在着相生相克而导致新层次涌现、崭新性质横空出世的机会;n每一个层次之间都有不同的、激动人心的、有效的新规律涌现或旧规律黯然消退的特征。n这些新规律往往不能从所谓的“更深层次规律”推导出来,应该由多种形式、各层次相互作用场共同作出决定:每个层次规律的涌现与消退。n前提:任何事物均存在多重性,单一性质已不存在!第3页/共56页材料性质(性能)万物缤纷、绚丽与繁杂的性能(时空缠绕几何的挠率或涡旋构造特征)2023/3/284n材料的功能特性和效用(如电、磁、光、热、力学等性质)均可被科学、定量地描述,即材料在相关外界应力作用下所产生的响应已可被
4、推测。n如材料的导电性、导热性、光学性能、磁化率、超导转变温度、力学性能等等。n后面课程将结合材料功能性用途,分门别类地介绍“材料”为何具备这些奇妙的性质。n本堂课程内容:材料作为结构件的用途,讨论其力学性能。第4页/共56页2023/3/285第一节 航天飞机、宇宙飞船及其材料太空轨道中飞行器很多:宇宙飞行器、探测器、空间站和人造卫星。航天飞机集火箭、卫星、飞机的优点于一身,既能像火箭一样垂直发射,又能像卫星那样在太空轨道绕地球飞行,还能像飞机那样再入大气层滑翔着陆。呈现出人类科技发展至今的最高水准。美国有五架,其中两架失事;前苏联有一架。第5页/共56页2023/3/286轨道器外挂燃料箱
5、固体助推火箭固体火箭助推器,共两枚,承担航天飞机起飞时80%的推力;外挂燃料箱:装700多吨液氢、液氧推进剂,它与轨道器相连。轨道飞行器:前段是航天员座舱,后段有垂直尾翼、三台主发动机和两台轨道机动发动机。n美国“发现号”航天飞机 第6页/共56页2023/3/287宇宙飞船:中国神舟飞船我国神舟飞船从一号到十号。神舟一号发射;神舟五号发射,首次载人:杨利伟;太空飞行21小时;神舟七号发射,首次太空行走,成为第三个国家。飞行68小时;神舟九号发射,首次实现与天宫一号目标飞行器进行载人交会对接。神舟十与发射,飞行15天。第7页/共56页2023/3/288神十飞船的组成:1、轨道舱2、返回舱3、
6、推进舱 轨道舱:提供出舱活动需要的气阀舱功能和航天员生活舱功能,装有泄复压设备,舱外航天服存放架。轨道舱:提返回舱:航天员上天和返回的乘坐区,是飞船的指挥控制中心,设有仪表显示、报警、照明设备;还有手动操作控制飞船系统;配备有降落伞和反推力火箭,实行软着陆系统。推进舱:安装推进系统发动机和推进剂、飞船电源、环境控制和通信等系统设备,为飞船在轨运行和返回地面提供能源和动力。第8页/共56页2023/3/289部件:温度 总热寿命(s)热循环(次)环境固体火箭喷管:3200;0.02 1 燃气飞行器鼻锥:1500 50100 100 空气 (3000)航天发动机推力室:1650 15 1000 燃
7、气导弹再入体飞行器鼻锥:6600 0.01 1 离解气常用材料熔点:Ti:1943K;Cr:2130 K;Cu:1357K;Fe:1809K;Al:933K;W:3680K第9页/共56页2023/3/2810洲际导弹再入大气层温度高达6600,任何金属材料都会烧为灰烬,只有C/C复合材料仅烧蚀减薄,不会熔融。再入大气层时,表面烧蚀减薄,未烧蚀层与战斗部一起击中目标。第10页/共56页2023/3/2811绝热泡沫聚异氰酸脂 400隔热陶瓷泡沫瓦 1500C/C复合材料第11页/共56页2023/3/2812航天飞机的材料:轨道器返回地面:速度达到25倍音速,迎流面温度达到1400(3000)
8、。机头和机冀:碳基石墨织物全碳复合材料,外层是用化学方法处理过的碳化硅;隔热瓦:厚约3厘米,由两部分构成:外层包覆约1毫米的高辐射陶瓷材料,而内部是导热系数非常低的耐高温陶瓷纤维。绝热泡沫材料:聚异氰酸脂,防止结冰。脱落现象是一个大问题。第12页/共56页2023/3/2813轨道器壳体框架、舱壁和蒙皮:铝、铝合金比铝合金更好的航天结构材料是:钛合金、铝-锂合金-高性能结构材料。所谓高性能结构材料,是指那些具有高强度、高韧性、耐高温、耐磨损、抗腐蚀等特殊性能的材料。第13页/共56页2023/3/2814第二节 材料的力学性能材料的力学性能,即材料在一定温度环境中,在外力(载荷)作用下抵抗其变
9、形和断裂的能力,也称材料的机械性能。主要指标是:强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。此外,力学性能还包括材料在外力长期或重复作用下,以及材料在外力和环境双重影响因素作用下,抵抗材料损伤和失效的能力。第14页/共56页2023/3/2815一、强度与塑性及拉伸实验1、基本概念应力:物体内部任一截面单位面积上所受载荷的作用力,称为应力,以表示,单位Mpa。FFF=F (MPa)外力 内力应力FF第15页/共56页2023/3/2816应变:拉伸时,试样单位长度的伸长量 =l/l0FF拉伸前拉伸前拉伸后拉伸后第16页/共56页2023/3/2817弹性变形:材料受外力作用时产生变形,当外力去除后
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