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材料力学读后感篇一

本文主要讲述了绝热剪切带的形成及对其研究的发展过程，并总结了其在各个领域所起的作用，从材料热粘塑性本构失稳形成绝热剪切带及其扩展规律,绝热剪切带内的组织结构特征及其演化机制,以及计算机数值模拟技术在材料绝热剪切研究中的应用等,指出了研究发展的趋势以及尚未解决的问题。

关键词：绝热剪切带

发展规律

模拟技术

发展趋势

一 概述

绝热剪切带是材料或构件内剪应变高度集中的狭窄区域,是高应变率加载条件下材料变形、断裂的特殊机制。绝热剪切带是一个剪切变形高度局域化的窄带形区域,宽度一般为10~102lm量级,在剪切带内可产生101~102量级的剪应变,应57 123变率可达10~10s,温升可达10~10k，由于周围存在大量相对较/冷的基体,因此asb内的材料还要经受极快的冷却速率。绝热剪切带形成过程主要分为以下几个阶段:（1）刀具挤压,刀尖前方的工件材料向上隆起,刀尖处发生较大的变形;（2）靠近刀尖处的材料继续变形,逐渐形成一个小的变形区域;（3）刀尖前方的变形区域不断变大,并斜向上扩展;（4）变形区逐渐变窄,并扩展至切屑自由表面,整个变形区开始集中剪切滑移变形,绝热剪切带初步形成;

（5）锯齿节块沿着剪切带向上滑移,剪切带变窄变密;

（6）剪切带变成一个狭窄的很大的连接区,变形高度集中并发生弯曲.所谓绝热,其实是一个近似的说法,由于材料的高速变形,因此整个变形过程的时间是很短的,在如此短的时间内,绝大部分(90%左右)的塑性功转化为热量并且来不及散失,所以近似认为在这样高应变速率下的变形过程为绝热过程。因此,材料在高应变、高应变速率条件下的变形特点就由两个互相竞争的因素来决定:一是由于应变增加导致的加工硬化效应,二是由于绝热温升而引起的热软化效应，还存在应变率强化效应。当热软化作用占优时,材料就会发生所谓热塑失稳,使剪切变形集中在很窄的区域里发生,这一区域和周围基体的变形量相差很大,此变形局域化区域就是通常所说的绝热剪切带。绝热剪切现象普遍存在于包括金属、金属 玻璃与工程塑料等材料的侵彻穿靶、爆炸破片、高速冲压与成型、切削加工等动态变形过程中。研究绝热剪切有很大用处，如绝热剪切是装甲材料主要失效方式之一;制造动能穿甲弹的材料要求具有较强的绝热剪切敏感性;爆炸载荷加载下薄壳的破坏形式主要为绝热剪切破坏,断裂时间、破片尺寸分布等特征参数均与绝热剪切有着密切的联系。正是由于绝热剪切变形局部化研究的重大理论价值和直接工程应用背景,美国和俄罗斯等一些军事强国在其军方的大力支助下,开展了长期大量卓有成效的研究工作,较有代表性的是wright所在的研究小组在美国军方研究中心和美国海军支助下取得了大量研究成果,于2002年出版了有关绝热剪切变形局部化数学物理问题的专著。在我国,这方面的研究也在进行,中国科学院力学研究所、中国科学技术大学和北京理工大学等科研机构和高等院校都进行了一些有意义的工作。

二 绝热剪切现象发展过程

1878年，henri tresca是第一个对绝热剪切变形局部化进行研究的科学家。1944年,zener和hollomon首次把绝热剪切变形局部化解释为材料的热塑性失稳，深入的研究才得以进行。1944年首次发现绝热剪切现象以来,国内外专家学者已在asb的研究方面作出了不懈的努力,总结起来,主要有以下3个方面的工作: 第一,力学工作者主要着眼于剪切变形局域化本构失稳模型的描述,探寻材料本构失稳形成asb的临界条件和asb的扩展规律;第二,冶金和材料工作者主要着眼于绝热剪切带内的微观组织结构特征及演化规律,以及影响变形局域化产生和发展的冶金因素;第三,近些年来,随着计算机软、硬件技术的发展,利用计算机数值模拟技术来研究绝热剪切行为已变得非常活跃,如应用有限元方法来求解asb内应力场、温度场,模拟asb内组织演化过程等。

2.1 材料本构失稳形成asb的研究

材料的本构关系就是指在一定的微观组织下,材料的流变应力对由温度、应变、应变速率等热力学参数所构成的热力学状态所作出的响应。与材料和加载方式有关，通过对各种材料在不同的加载条件下进行测试得到响应规律后进行总结,把材料分为弹塑性,刚塑性和粘塑性和热粘塑性等几类。

由于高应变率加载和所造成的绝热温升,高应变率下材料的本构关系和准静态条件下相比有着很大的差异。一般材料(除混凝土等极少数材料)都会由于温升而造成材料性能劣化，材料一般也都具有粘性特征,大多数材料都存在应变率硬化现象。在高应变率材料本构关系研究的基础上,各国科学家开展了大量的绝热剪切变形局部化失稳判据研究。材料绝热剪切变形局部化失稳的影响因素主要有两个方面,一方面是材料本身的力、热性能参数,如材料密度、屈服强度、热容、热软化系数和热传导系数等;另一方面是应变、应变率和温度等外界因素。grady提出绝热剪切带韧度概念，北京理工大学的研究人员在grady的绝热剪切带韧度概念的启发下,提出了采用绝热剪切带扩展能来表征材料绝热剪切敏感性的初步思路,并建立了相应的较为完善的测试方法。

由于高应变率加载和所造成的绝热温升,高应变率下材料的本构关系和准静态条件下相比有着很大的差异。一般材料(除混凝土等极少数材料)都会由于温升而造成材料性能劣化，材料一般也都具有粘性特征,大多数材料都存在应变率硬化现象。

在高应变率材料本构关系研究的基础上,各国科学家开展了大量的绝热剪切变形局部化失稳判据研究。材料绝热剪切变形局部化失稳的影响因素主要有两个方面,一方面是材料本身的力、热性能参数,如材料密度、屈服强度、热容、热软化系数和热传导系数等;另一方面是应变、应变率和温度等外界因素。

grady提出绝热剪切带韧度概念，北京理工大学的研究人员在grady的绝热剪切带韧度概念的启发下,提出了采用绝热剪切带扩展能来表征材料绝热剪切敏感性的初步思路,并建立了相应的较为完善的测试方法。

2.2 asb内组织结构的一般特征和演化规律

随着电子显微技术的发展,到20世纪70年代初,已经开始用透射电镜技术研究asb内的微观精细结构。近10年来,更是由于各种暗场、衍射分析技术的完善和提高,使人们对asb内的精细组织结构有了更深刻的认识。根据绝热剪切带内组织是否发生相变,可将其分为两类:形变带和相变带。在纯金属中产生的绝热剪切带大多都属于形变带,而相变带则经常产生于钢铁、铀合金及钛合金中。大多数绝热剪切带的微观组织都具有共同的特征:中心都为细小的等轴晶,这与基体组织有较大差异。此外,从基体到绝热剪切带中心,微观组织是逐渐变化和过渡的。一般认为,绝热剪切带形成过程中微观组织演化主要包括:原始组织的重新取向、碎化和各种缺陷、亚结构的形成,并伴有局部的温度升高,剪切带中心应变最大,温度最高,演化成以等轴晶为基的组织;从带中心到基体应变和温度都逐渐减小,微观组织的变化主要体现在原始组织的重新取向、碎化程度逐渐减小、位错等缺陷密度逐渐降低。

2.3 有色金属及其合金中asb的内部组织特征及演化规律

目前焦点主要集中在:第一,所观察到的细晶组织是否发生了再结晶;第二,在绝热剪切变形条件下,是什么样的再结晶机制在起作用。目前,适用于静态退火条件下的再结晶机制,如应变诱导晶界迁移机制,认为已存在的大角度晶界两边的位错密度的不同,是使晶界迁移的驱动力,并导致再结晶形核;另外一个是亚晶合并机制,这种机制认为通过亚晶的形成和转动,来消除能量不稳定的低角度晶界,而产生更大的亚晶,同时在亚晶之间产生更大的取向差,形成大角度晶界,最后形成新的再结晶晶粒。

2.4 计算机数值模拟技术在材料绝热剪切研究中的运用

随着计算机软、硬件技术的发展以及数值计算方法的不断改进,使得数值模拟技术在材料科学中的应用越来越广泛。有限元法（fea，finite element analysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的近似解，然后推导求解这个域总的满足条件，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。有限元分析是对于结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法。它是50年代首先在连续体力学领域--飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。有限元分析软件目前最流行的有：ansys、adina、abaqus、msc四个比较知名比较大的公司。

数值模拟的基本原理:金属成形过程是一个弹(粘)塑性变形过程,有时在这个过程中还伴有明显的温度和微观组织变化。从物理角度来看,无论这个过程多么复杂,总可以通过一组微分方程以及相应的边界条件和初始条件表示出来。这组微分方程以及边界条件和初始条件可以根据固体力学、热力学和材料科学的基础理论建立起来。通常,这组微分方程的基本未知量是试样各点的位移、温度和一些用于描述微观组织的物理量。kobayashi首先在变分原理的基础上导出了刚粘塑性有限元列式,从此,粘塑性有限元法得到了很大的发展目前已开发出的大型实用化有限元计算程序可概括为两类基本方法,即分别是基于lagrange参考系和基于euler参考系而得到的控制方程方法。对asb的数值模拟研究主要集中在拟合本构方程、估算绝热温升、asb产生与扩展以及内部组织演化等方面,其中建立材料本构方程是最基础的一步。kuriyama和meyers[39]等建立了绝热剪切带扩展的数值计算模型,利用该模型及有限元方法建立了剪切带尖端的应力应变分布与宏观变形量的函数关系。分析结果表明,绝热剪切带的扩展存在两个阶段:在较低冲击速度条件下,剪切带扩展速度强烈依赖于冲击速度;而在冲击速度逐渐增大的情况下,剪切带扩展速度趋向于某个饱和值。在asb内部组织演化方面的模拟工作也取得了一些进展,结合绝热温升和再结晶动力学的计算来预测asb内组织变化是目前研究的热点。

三 绝热剪切实验的模拟

成功模拟绝热剪切的损伤破坏过程的关键在于微孔洞损伤演化方程的正确建立。在理想损伤系统近似下,延性损伤系统的微观变量可取为微孔洞的体积,该损伤系统可以由一维相空间{v}来描述.但为了简单起见,我们将把微损伤在相空间的连续分布等效和简化为某统计性质.同时因孔洞的成核机制很复杂,封加波分析了微孔洞的成核和微孔洞的长大对损伤发展的贡献,并指出当载荷较强时,孔洞的长大效应将对损伤函数的演化起主导作用,因而在冲击载荷条件下可以忽略孔洞成核效应对损伤演化的贡献。关于绝热剪切带中微孔洞损伤发展所需的能量来源,塑性功大部分转化为导致温升热功能,并促成材料热软化和塑性流动进一步加速,另一部分则直接转化成微缺陷发展所需提供的能量。

为了建立与绝热剪切过程相应的损伤演化方程,本文提出如下假设:(1)孔洞长大过程中因表面积增加所需之表面能,由孔洞周围所在的单元介质产生的一部分塑性功提供。

(2)微孔洞长大的阈值条件由等效塑性应变ep来衡量。(3)忽略成核效应.关于塑性局域变形中部分塑性功直接转换成微缺陷发展所需提供的能量的思想,提出了一种绝热剪切带中反映微损伤发展特性的损伤演化方程,并将之嵌入含损伤热粘塑性本构关系和高速冲击软件hvp之中,成功模拟了钨合金圆台形试件在shpb实验中的绝热剪切带发展过程和钨合金弹侵彻钢靶时的绝热剪切冲塞过程.计算结果和实验结果的良好符合说明本文所提出的损伤演化方程、含损伤热粘塑性本构关系和计算方法是合理的,为进一步更细致和更精确地刻画绝热剪切损伤的发生发展和破坏过程打下了良好的基础.四 研究应用举例

4.1 穿甲侵彻过程中靶板内绝热剪切带研究

在开坑和冲塞阶段,弹体能量以弹、靶破碎和冲塞崩落的方式消耗,不产生绝热剪切带。在稳定侵彻阶段,可达到绝热剪切带需要的应变量,从而产生绝热剪切带,且呈稀疏状分布,绝热剪切带与侵彻方向大约成45b夹角。

在假定的条件下,计算得到30crmnmo装甲靶板产生绝热剪切带的临界剪应变为0147,产生绝热剪切带的临界温度为391e,并得到了绝热剪切带内的剪应力和剪应变、温度和剪应变关系曲线。

4.2切削高强度结构钢形成的绝热剪切带

（1）绝热剪切带和基体之间组织形态是渐变的.剪切带内是细化的等轴晶组织,过渡区经历大塑性变形。

（2）绝热剪切的硬度接近淬火马氏体硬度,切削速度对硬度影响不大。（3）绝热剪切带中心为马氏体组织,并含有少量v-fe5c2和fe3c碳化物及奥氏体。过渡区内是变形后的马氏体板条组织,板条之间分布有高密度的位错。

（4）观察和分析结果表明,绝热剪切带形成经历了马氏体相变、碳化物析出及动态再结晶等过程。实验切削条件下得到的绝热剪切带属于相变带。

4.3 正交切削切屑形成中绝热剪切行为

（1）在切削过程中,随着切削速度的提高和刀具前角的减小,asb的产生并发展,切屑由带状切屑y形变带型锯齿形切屑y转变带型锯齿型切屑y断裂型切屑。切削速度是影响这一转化过程的主要因素。

（2）工件材料的硬度也是影响绝热剪切过程的主要因素之一。回火硬度高的材料绝热剪切的临界切削速度低于回火硬度低的材料。在切削速度较小的情况下,绝热剪切带的形成和发展对回火硬度的提高更敏感。

（3）asb内显微硬度值高于切屑基体。切削速度增大,形变带内的硬度相应增加。切削速度和回火硬度对转变带的硬度影响不大。（4）asb的sem观察表明,形变带由大变形组织构成。转变带内组织是渐变的,中心区为细晶组织,带中心和基体之间是形变过渡区。转变带形成过程中经历了大塑性变形和组织细化。

4.4 高速切削锯齿形切屑内绝热剪切带微观特征研究

（1）高速切削30crni3mov高强度合金钢形成的锯齿形切屑第一和第二变形区内形成了绝热剪切带和白层。绝热剪切带分成两类即在较低切削速度下形成的形变带和高速下形成的转变带。

(2)转变带内的硬度高于形变带和切屑基体,并达到了淬火马氏体硬度。对剪切带内温升的计算表明,转变带的硬度来自于相变硬化。

(3)白层的x射线衍射分析结果表明,白层内发生了非扩散性的马氏体相变。(4)tem观察发现,形变带内为经历了大塑性变形的回火马氏体组织。转变带是由尺寸为50~100 nm的等轴晶组成,转变带中心区在形成过程中发生了动态再结晶。

五 研究中存在的问题及发展趋势

5.1 热粘塑性本构关系研究中的问题

在热粘塑性本构关系的研究方面,也远没有达到很完善的程度。目前的关于热粘塑性本构关系的模型很大程度上就是对实验数据的数值拟合,而并非更多地依赖于金属变形本质。由于这种现状,使得现有本构模型只在一个较窄的范围内有意义,还不能完全达到代替实验进行预报的程度。

5.2 asb内部组织演化及相变研究中的问题

在asb内部组织结构的研究方面,目前主要有两个非常突出的问题： 第一,有色金属及合金中绝热剪切带内组织演化机制问题。例如在对cu中的绝热剪切带进行了tem和衍射分析后,发现越靠近asb中心,其衍射花样就越接近环形,这就表明这些细小等轴晶的晶粒取向差较大, 但他将产生较大取向差的原因归结于剪切带内晶粒为适应变形而发生的自身旋转, ebsd的测量结果表明, asb内存在的变形板织构也能产生类似的环状衍射花样,于是认为出现环状衍射花样并不是发生了动态再结晶的充分证据。因此,重新考察asb内存在的细晶状态是很有必要的,这个验证过程可能要引入综合的测试手段,进行更深入的研究,才能得出令人信服的结论。

第二,就是钢中绝热剪切带演化机制的争论。asb内的微观组织演化只能通过高度变形和伴随的绝热温升共同作用来完成,其相应的演化机制应为动态回复、动态再结晶和应变诱导相变。在钢中由于试验条件、试样的几何形状及材料成分、原始组织的不同,都会使绝热剪切时局部应变、应变率和绝热温升有较大的差异,此外不同条件下的绝热剪切还会使相变温度较之平衡条件下发生不同程度的偏离。由于钢中诸多复杂性因素的影响,其绝热剪切带演化机制也较之有色金属及合金的更复杂,目前认识还无法统一,争论还将持续下去。

5.3 asb数值模拟研究中的问题

数值模拟方面的研究,主要问题是在物理模型的建立上。asb内部组织的演化机制还有待于进一步研究,因而也限制了用数值方法模拟其组织演化过程。另外就是数值算法的改进和网格重划问题。通常地,绝热剪切带的形成和发展过程是预先不知道的,事先画好的网格在变形高度集中后会发生严重畸变,而可能导致计算失稳,使计算不能继续下去,因此,在有可能产生应变集中的区域还应考虑网格重划或事先增加网格密度等特殊方法。

5.4该领域的研究趋势展望

目前在asb研究中,主要有如下发展趋势：

首先,要改进基于位错动力学的本构关系模型,发展包含微观组织变化的材料热粘塑性动态本构方程,达到宏观与微观的耦合。然后还要建立和完善材料处于热塑失稳区的物理力学模型,以及在不同温度环境和高应变速率下金属材料的失稳机制和物理力学描述。另外,材料的宏观损伤和失效是大量微损伤演化的结果,绝热剪切带是材料微损伤的一种,又主要产生于压应力、剪应力及复合应力之下,因而不同于一般的微损伤(如微孔洞、微裂纹等),因此,怎样从整体上认识绝热剪切带的演化,就成为我们研究动态载荷材料失效的一个必须解决的问题。

继续深入研究asb内部精细结构和微观晶体取向,确认组织类型,弄清asb内组织、织构的演化规律,尤其是高应变、高应变速率下的相变和动态再结晶机制。材料的绝热剪切现象是普遍存在的,尤其在军事领域中,其发生频度更高,弄清asb的微观结构及组织演化规律,具有重大的理论和实际意义。

在材料热粘塑性动态本构方程的研究基础上,进一步发展有限元方法和其它一些数值计算方法,使之能够模拟出asb的产生、发展及内部组织演化过程,最终便于我们事先预知材料的绝热剪切行为。

参考文献

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材料力学读后感篇二

工程力学（钱学森力学班）介绍

 概述

自2009年起，清华大学航天航空学院工程力学系“钱学森力学班”开始面向全国招生。钱学森先生是全球华人中近代最有影响的学术大师之一，是近代力学和航天事业的奠基人，是清华大学工程力学系的前身—“工程力学研究班”的创办者。

 培养目标

探索高质量人才的国际化创新培养模式，建立高水平的国际化培养体系，设立专门的课程系统，采取因材施教的个性化教学方式，营造热爱科学的学术氛围，激发学生的学习兴趣，厚植学生的数学力学基础，强化学生的创造力，力求使之具备成为力学顶尖人才或相关科学技术领域领军人才的潜力。

 历史与现状

清华大学工程力学系创立于1958年。在半个世纪的发展历程中，以钱学森为代表的一大批著名学者，如钱伟长、张维、杜庆华、黄克智、过增元、杨卫等院士为清华力学的发展付出了他们的努力与睿智，奠定了清华力学发展的坚实基础，使清华力学成为全国力学学科的一面旗帜，并在历次高校力学学科评比中一直位居全国第一。

清华大学工程力学系具有一流的师资，现有中国科学院、工程院院士4名，博士生导师30名，“长江学者特聘教授”5名，杰出青年基金获得者7名，国家级教学名师1名。为国家培养了一大批杰出人才，已有12位毕业生成为院士。自1999年教育部设立全国百篇优秀博士论文奖以来，本学科有10篇论文获奖，约占全国力学获奖篇数的一半。

工程力学系教学和人才培养一直位居清华大学前列，在全校综合教学评估中多次排名第一，“固体力学重点学科建设与高水平博士生规模培养”项目获得国家级教学成果特等奖，“理论力学”、“材料力学”、“弹性力学”、“流体力学”等骨干课程均为国家级精品课。

1 清华力学学科不仅在全国高校排名第一，在国际上也有重要影响，尤其是固体力学团队近十年来在多项重要指标上已经跻身世界前十，成为人才济济、硕果累累的人才培养核心基地。已有一大批毕业生去哈佛大学、剑桥大学、麻省理工学院、斯坦福大学、普林斯顿大学等欧美名校继续深造，后在世界一流大学担任教授，或在微软、通用、壳牌等国际著名工业集团担当主管。

 广阔的空间和全新的舞台

力学一直肩负着我国经济建设、国家安全和社会可持续发展的重要使命，特别是在空天、能源、交通、环境、海洋等领域做出了许多基础性、战略性、前瞻性的重大创新贡献。在“两弹一星”、“嫦娥探月”、“载人航天”等重大科技工程中有一大批以力学为深厚背景的杰出科学家，如钱学森院士、钱伟长院士、王永志院士（清华大学航天航空学院院长、中国载人航天工程总设计师、国家最高科学奖获得者），杨卫院士（现浙江大学校长）等，另外仅在清华大学就有众多因坚实宽广的力学基础而在其他工程领域取得卓越成就的院士和学科带头人，如摩擦学的温诗铸院士、水利学的张楚汉院士、土木工程的袁驷教授、机械工程的曾攀教授等等。力学除在传统工程科学领域继续发挥着重大作用外，还与生命科学、信息科学、纳米科技、经济学等学科相互融合，催生了一大批新兴交叉学科。

面对国家战略需求和世界科学前沿，面向重大科技工程和交叉学科的挑战，“钱学森力学班”的学生具有广阔的发展空间和全新的施展才华的舞台。

 全新的培养模式

1.实行本、硕、博贯通培养，绝大部分学生本科毕业后直接攻读博士学位； 2.实行流动制和多院系协同培养制度：从清华土木、水利、机械、精仪、热能、汽车等相关院系选拔优秀学生进入本班学习，三年级后根据志向多向选择专业；

3.建立高水平的国际化培养体系，选送部分优秀学生与国际名校交换学习； 4.配备最优秀师资队伍，聘请著名学者和国际力学大师授课； 5.实行小班授课和导师制，为每位学生配备指导教师；

6.因材施教：设计个性化培养方案，以提供学生自主选择的空间；采取个性化教学模式，以激发学生的学习兴趣，发挥学生科研上的巨大潜力，2 造就学生优秀的学术素养；

7.设立专门的课程体系，以打造厚实的数理和力学基础，养成创新性思维素质；增加跨学科课程设置，以扩展学生的选课范围，拓宽学生的跨学科视野；设立专题研究课程，以引导学生及早进入感兴趣的科研领域；推动专题研究小组交流和班级学术交流，以培养学生的探索与创新精神。

我们相信，通过“钱学森力学班”的培养，你们必将根深叶茂，具有可与国际顶尖大学学生比拟的竞争力和长远发展潜力。

材料力学读后感篇三

飞行器及其动力装置、附件、仪表所用的各类材料，是航空航天工程技术发展的决定性因素之一。航空航天材料科学是材料科学中富有开拓性的一个分支。飞行器的设计不断地向材料科学提出新的课题，推动航空航天材料科学向前发展；各种新材料的出现也给飞行器的设计提供新的可能性，极大地促进了航空航天技术的发展。

航空航天材料的进展取决于下列3个因素:①材料科学理论的新发现：例如，铝合金的时效强化理论导致硬铝合金的发展；高分子材料刚性分子链的定向排列理论导致高强度、高模量芳纶有机纤维的发展。②材料加工工艺的进展：例如，古老的铸、锻技术已发展成为定向凝固技术、精密锻压技术，从而使高性能的叶片材料得到实际应用；复合材料增强纤维铺层设计和工艺技术的发展，使它在不同的受力方向上具有最优特性，从而使复合材料具有“可设计性”，并为它的应用开拓了广阔的前景；热等静压技术、超细粉末制造技术等新型工艺技术的成就创造出具有崭新性能的一代新型航空航天材料和制件，如热等静压的粉末冶金涡轮盘、高效能陶瓷制件等。③材料性能测试与无损检测技术的进步：现代电子光学仪器已经可以观察到材料的分子结构；材料机械性能的测试装置已经可以模拟飞行器的载荷谱，而且无损检测技术也有了飞速的进步。材料性能测试与无损检测技术正在提供越来越多的、更为精细的信息，为飞行器的设计提供更接近于实际使用条件的材料性能数据，为生产提供保证产品质量的检测手段。一种新型航空航天材料只有在这三个方面都已经发展到成熟阶段，才有可能应用于飞行器上。因此，世界各国都把航空航天材料放在优先发展的地位。中国在50年代就创建了北京航空材料研究所和北京航天材料工艺研究所，从事航空航天材料的应用研究。

简况 18世纪60年代发生的欧洲工业革命使纺织工业、冶金工业、机器制造工业得到很大的发展，从而结束了人类只能利用自然材料向天空挑战的时代。1903年美国莱特兄弟制造出第一架装有活塞式航空发动机的飞机,当时使用的材料有木材(占47％),钢（占35％）和布（占18％）,飞机的飞行速度只有16公里/时。1906年德国冶金学家发明了可以时效强化的硬铝，使制造全金属结构的飞机成为可能。40年代出现的全金属结构飞机的承载能力已大大增加，飞行速度超过了600公里/时。在合金强化理论的基础上发展起来的一系列高温合金使得喷气式发动机的性能得以不断提高。50年代钛合金的研制成功和应用对克服机翼蒙皮的“热障”问题起了重大作用，飞机的性能大幅度提高,最大飞行速度达到了3倍音速。40年代初期出现的德国 v-2火箭只使用了一般的航空材料。50年代以后，材料烧蚀防热理论的出现以及烧蚀材料的研制成功，解决了弹道导弹弹头的再入防热问题。60年代以来,航空航天材料性能的不断提高,一些飞行器部件使用了更先进的复合材料，如碳纤维或硼纤维增强的环氧树脂基复合材料、金属基复合材料等，以减轻结构重量。返回型航天器和航天飞机在再入大气层时会遇到比弹道导弹弹头再入时间长得多的空气动力加热过程，但加热速度较慢，热流较小。采用抗氧化性能更好的碳-碳复合材料陶瓷隔热瓦等特殊材料可以解决防热问题。

分类 飞行器发展到80年代已成为机械加电子的高度一体化的产品。它要求使用品种繁多的、具有先进性能的结构材料和具有电、光、热和磁等多种性能的功能材料。航空航天材料按材料的使用对象不同可分为飞机材料、航空发动机材料、火箭和导弹材料和航天器材料等；按材料的化学成分不同可分为金属与合金材料、有机非金属材料、无机非金属材料和复合材料。

材料应具备的条件 用航空航天材料制造的许多零件往往需要在超高温、超低温、高真空、高应力、强腐蚀等极端条件下工作，有的则受到重量和容纳空间的限制，需要以最小的体积和质量发挥在通常情况下等效的功能，有的需要在大气层中或外层空间长期运行，不可能停机检查或更换零件，因而要有极高的可靠性和质量保证。不同的工作环境要求航空航天材料具有不同的特性。

高的比强度和比刚度 对飞行器材料的基本要求是：材质轻、强度高、刚度好。减轻飞行器本身的结构重量就意味着增加运载能力，提高机动性能，加大飞行距离或射程，减少燃油或推进剂的消耗。比强度和比刚度是衡量航空航天材料力学性能优劣的重要参数：

比强度＝/

比刚度＝/式中[kg2][kg2]为材料的强度，为材料的弹性模量，为材料的比重。

飞行器除了受静载荷的作用外还要经受由于起飞和降落、发动机振动、转动件的高速旋转、机动飞行和突风等因素产生的交变载荷，因此材料的疲劳性能也受到人们极大的重视。

优良的耐高低温性能 飞行器所经受的高温环境是空气动力加热、发动机燃气以及太空中太阳的辐照造成的。航空器要长时间在空气中飞行，有的飞行速度高达3倍音速,所使用的高温材料要具有良好的高温持久强度、蠕变强度、热疲劳强度，在空气和腐蚀介质中要有高的抗氧化性能和抗热腐蚀性能，并应具有在高温下长期工作的组织结构稳定性。火箭发动机燃气温度可达3000[2oc]以上，喷射速度可达十余个马赫数，而且固体火箭燃气中还夹杂有固体粒子，弹道导弹头部在再入大气层时速度高达20个马赫数以上，温度高达上万摄氏度，有时还会受到粒子云的侵蚀，因此在航天技术领域中所涉及的高温环境往往同时包括高温高速气流和粒子的冲刷。在这种条件下需要利用材料所具有的熔解热、蒸发热、升华热、分解热、化合热以及高温粘性等物理性能来设计高温耐烧蚀材料和发冷却材料以满足高温环境的要求。太阳辐照会造成在外层空间运行的卫星和飞船表面温度的交变，一般采用温控涂层和隔热材料来解决。低温环境的形成来自大自然和低温推进剂。飞机在同温层以亚音速飞行时表面温度会降到-50[2oc]左右,极圈以内各地域的严冬会使机场环境温度下降到-40[2oc]以下。在这种环境下要求金属构件或橡胶轮胎不产生脆化现象。液体火箭使用液氧(沸点为-183[2oc])和液氢(沸点为-253[2oc])作推进剂，这为材料提出了更严峻的环境条件。部分金属材料和绝大多数高分子材料在这种条件下都会变脆。通过发展或选择合适的材料，如纯铝和铝合金、钛合金、低温钢、聚四氟乙烯、聚酰亚胺和全氟聚醚等，才能解决超低温下结构承受载荷的能力和密封等问题。

耐老化和耐腐蚀 各种介质和大气环境对材料的作用表现为腐蚀和老化。航空航天材料接触的介质是飞机用燃料(如汽油、煤油)、火箭用推进剂（如浓硝酸、四氧化二氮、肼类）和各种润滑剂、液压油等。其中多数对金属和非金属材料都有强烈的腐蚀作用或溶胀作用。在大气中受太阳的辐照、风雨的侵蚀、地下潮湿环境中长期贮存时产生的霉菌会加速高分子材料的老化过程。耐腐蚀性能、抗老化性能、抗霉菌性能是航空航天材料应该具备的良好特性。

适应空间环境 空间环境对材料的作用主要表现为高真空(1.33×10[55-1]帕)和宇宙射线辐照的影响。金属材料在高真空下互相接触时，由于表面被高真空环境所净化而加速了分子扩散过程，出现“冷焊”现象；非金属材料在高真空和宇宙射线辐照下会加速挥发和老化，有时这种现象会使光学镜头因挥发物沉积

而被污染，密封结构因老化而失效。航天材料一般是通过地面模拟试验来选择和发展的，以求适应于空间环境。

寿命和安全 为了减轻飞行器的结构重量，选取尽可能小的安全余量而达到绝对可靠的安全寿命，被认为是飞行器设计的奋斗目标。对于导弹或运载火箭等短时间一次使用的飞行器，人们力求把材料性能发挥到极限程度。为了充分利用材料强度并保证安全，对于金属材料已经使用“损伤容限设计原则”。这就要求材料不但具有高的比强度，而且还要有高的断裂韧性。在模拟使用的条件下测定出材料的裂纹起始寿命和裂纹的扩展速率等数据，并计算出允许的裂纹长度和相应的寿命，以此作为设计、生产和使用的重要依据。对于有机非金属材料则要求进行自然老化和人工加速老化试验，确定其寿命的保险期。复合材料的破损模式、寿命和安全也是一项重要的研究课题。