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材料和热加工1.机械学的基本概念功是力乘以该力作用在物体上使物体移动的距离。功用公斤·米来表示。1公斤·米等于1公斤力作用于物体上使物体移动1米的距离。例如，一项工作需要提升一台300公斤重的设备到两米半高的卡车上，那么就需要750公斤·米的功。由于没有一个人能直接举升300公斤重，因此必须使用一种装置去调节所需要的可以控制的作用力。常见的装置是一个斜面——在这个例子中，一个倾斜在地面和卡车之间的承载斜板，如果斜板有10米长，摩擦力忽略，那么就需要75公斤的力将机器滚上斜板。总功仍然是750公斤·米（用75公斤乘以10米），但作用力已经被改变，于是乎其所需的最大外力仅仅是75公斤。使所需的作用力减少，同时这个较小的作用力使所通过的距离增加，这样的装置被称为力放大器。机器装置也可放大速度和距离。扫帚就是一个速度和距离放大器的例子。因为它把在手柄上输入的力和距离在扫帚的尾部转变成较小的力和较长的距离。由于与输入距离的同样时间里扫帚的尾部走过较大的距离，因此其速度也就增加了。机器装置除了放大力和距离之外，也能改变运动的方向。效率和机械效益是用来测定机械装置性能的。效率定义为输出的相对有用的机械功，它以占输入功的百分率来表示。效率总是要比100％小，因为运动零件之间有摩擦损失。像刚才所举的那部机器的例子那样，如果某些人把该机器滚上斜板，他们可能发现那要花84公斤的力。这9公斤的差额就是需去克服滚子和轴承阻力的力。在这种情况下该机器装置将具有89％的效率。如果他们在没有滚子情况下，把冷冻机滑移上斜板，所需的力可能是215公斤或更大，那么效率就小于35％。理想机械效益是忽略摩擦损失并等于输入力移动的距离除以负载移动的有效距离。作为力放大装置，输入的距离要比负载的距离大，而理想的机械效益是比1要大的。在承载斜板例子中，该理想机械效益是4，因为该输入距离是10米，（斜板长度）而有效负载移距是2.5米（该负载移动的垂直距离）。斜面就是一个力放大装置。作为速度放大装置，输入距离是要比负载距离小的，而理想的机械效益亦比1要小。简易改变运动方向的机器装置具有一个等于1的理想机械效益。其实际机械效益包括了摩擦损失并等于实际输出力除以实际输入力。在承载斜板例子中的实际机械效益在有滚子条件下，大约是3.6，无滚子条件下，大约是1.4。2.塑性理论的基本假设在金属成形中应用塑性理论的目的是要探索金属成形的塑性变形机理。这样，调研可提供以下的分析和判断：（a）金属的流动性（速度、应变和应变率），（b）温度和热传导，（c）材料强度的局部变化或流动应力和（d）应力，成形中的负载、压力和能量。这样变形机理就可提供决断：金属如何流动，借助塑性成形可如何去获得所希望的几何形状以及用成形方法生产出的零件具有什么样的机械性能。为了建立金属变形的可控制的数字模型（曲线图形），作出以下几个简化的但是合理的假设：1）忽略弹性变形。然而当必要时，弹性复原（例如，弯曲回弹情况）和加工中的弹性弯曲（例如，成形加工精度非常接近公差）定要考虑；2）作为一种连续体来考虑材料变形（如结晶，而晶间疏松和位错是不加考虑的）；3）单向拉伸或压缩试验与多向变形条件下的流动应力相互有关；4）各向异性和Bauschinger效应忽略不计；5）体积保持恒定；6）用简化法来表示摩擦，如用Coulomb's定律法或用恒剪切应力法。这将在后面进行讨论。在压缩应力状态下的金属特性更加复杂。这可以从一金属圆柱体试样在两个模板之间被压缩时怎样发生变化的分析中可以看得出来。当工件达到金属的屈服应力的应力状态时，塑性变形就开始发生。当试样高度降低时，试样随着横截面的增加而向外扩展。这种塑性变形在克服工件和模板的两端之间的摩擦力中发生。该金属变形状态是受到其复杂应力体系所支配。这应力体系可从单一的、单向的到三维的即三向发生变化。有一个由模板施加的应力和有两个由摩擦反力引起的应力。如果模板与工件间无摩擦，工件就在单向压应力下发生屈服，正像其受到拉伸载荷作用时的情形一样。而且压缩的屈服应力跟拉伸屈服应力极端一致。由于摩擦力的存在而改变了这一状况，故需要更高的应力才能引起屈服。为了找到拉伸屈服应力与三向应力状态下产生屈服时的应力值之间的数量关系，已经做了很多尝试。对于所有的金属在三向载荷作用下的各种情况下，包括各种塑性屈服试验情况中均未发现单一的（应力、应变）关系。已经存在的若干个建议使用的塑性屈服理论，其中每一种理论只能在一定的范围内有效。在考虑使用这些理论之前，研究三向应力体系并创立既利用数量关系又利用图解技术的解题方法，那是必要的。对于三维应力状态，最方便而有效的方法就是利用莫尔圆，当研究塑性屈服的各种复杂情况时，你可以很容易地运算和进行处理。3.有限元优化的应用在结构日益复杂的情况下，当工程师们工作时，他们需要合理的、可靠的、快速而经济的设计工具。过去二十多年里，有限元分析法已经成为判别和解决涉及这些复杂设计课题时的最常用方法。因为工程中的大多数设计任务都是可定量的，所以实践上，为了快速找到一些可供选择的设计方案。计算机令繁琐的重复设计过程发生了深刻的变革。但是，即使是现在，许多工程师仍然使用人工的试凑法。这样一种方法使得即使是很简单的设计任务也变得困难，因为通常它要花更长的时间，需要广泛的人—机交互配合，且偏于用设计组的经验来设计。优化设计是以理论数学的方法为基础，改进那些对于工程师来说过于复杂的设计，使其设计过程自动化。如果在一部台式计算机平台上能实现自动优化设计，那就可以节省大量的时间和金钱。优化设计的目的就是要将对象极大化或极小化，例如，重量或基频，主要受到频响和设计参数方向的约束。尺寸和（或）结构形状决定着优化设计的方法。观察一下作为零件优化设计过程，使它变得更容易理解。第一步，包括预处理分析和后处理分析，正像惯常使用的有限元分析（FEA）和计算机辅助设计（CAD）程序应用。（CAD的特点在于根据设计参数建立了课题的几何图形）。第二步，定义优化目标和响应约束。而最后一步，反复自动调节设计作业。优化设计程序将允许工程师们监督该设计步骤和进度，必要时停止设计，改变设计条件和重新开始。一项优化设计程序的功力取决于有效的预处理和分析能力。二维和三维设计的应用既需要自动进行也需要设计参数的结网性能。因为在优化循环过程中，课题的几何条件和网格会改变，所以优化程序必须包含误差估计和自适应控制。修改、重配网格和重新估算模式以期获取特定设计目标的实现是以输入初始设计数据开始的。接着，是规定合适的公差并形成约束条件以获得最优结果，或最后改进设计，解决问题。为了使产品从简单轮廓图形到三维实体模型系统化、系列化，设计者必须广泛接触设计目标和特性约束条件。为了易于确定而利用下列参数作为约束和目标函数的附加特性条件，也将是需要的：重量、体积、位移、应力，应变，频率，翘曲安全系数、温度、温度梯度和热通量。此外，工程师们应该能够通过多学科的不同类型的优化分析使多种约束条件结合起来。例如设计者为了应力分析，可以进行热力分析和加热以变更温度，也可将多种约束条件，诸如最高温度、最大应力和变形联系在一起进行研究，然后规定一个所希望的基本频率范围。目标函数代表着整体模式或部分模式。甚至更重要的是通过说明重量或者成本因素，就应该能反映该模式的各个部分的重要性。4.金属当有了其他各种材料，特别是有了塑料的今天，人类为什么仍然要使用如此之多的金属材料呢？那是有益的吗？通常使用一种材料，是因为它能提供所需的强度，所需要的其他性能和低廉的费用。外观也是一个重要因素。金属的主要优点是它们所具有的强度和韧性。水泥可能是比较便宜的，并常用于建筑上，但就强度角度来说，即使是水泥仍然是取决于其内里的钢筋。然而，并不是所有金属的强度都高，例如铜和铝都颇为脆弱，但如果将铜、铝混合在一起时，结果称为铜、铝合金即铝青铜，这铜铝合金比起纯铝来强度要高得多。合金化是获得下列所需各种特殊性能的一种重要方法：如强度，韧性，抗磨性，磁性，高电阻率或抗腐蚀性。以不同的方法生产不同的合金，但是几乎所有的金属都是以金属矿的形式（铁矿、铜矿等）被发现的。矿石是一种由金属与某些杂质相混合而组成的矿物质。为了用金属矿石来生产出一种金属，我们必须将杂质从金属矿中分离出去，那就要靠冶炼来实现。提炼、生产和处理金属的种种方法，各个时代都在研究和发展，以满足工程的需要。这就意味着存在大量的各种各样的金属和有用的金属物质可供选择利用。5.金属和非金属材料在材料选择时所遇到的最普通的分类问题，大概是这种材料是金属材料还是非金属材料。最普遍的金属材料是铁，铜，铝，镁，镍，钛，铅，锡和锌以及这些金属的合金，例如：钢，黄铜和青铜。它们具有金属特性：光泽，热传导性和电传导性，有相应的延展性，而某些金属还具有良好磁性。较普遍的非金属有木头，砖，水泥，玻璃，橡胶和塑料。他们性能变化很大，但它们通常几乎没有延展性，脆弱，比金属疏松，而且它们不具有导电性，具有较差的导热性。一种材料对于另一种材料常常借助于其物理性质来加以区别，例如颜色、密度、比热、热膨胀系数，电、热传导性能，磁性和熔点。其中某些性能比如电、热传导性、密度，对于物种的确定的用途来说，在选择材料时，其重要性是摆在首位的。描述一种材料在机械应用中的表现的那些性能，对于工程师在设计中选择材料来说，往往更为重要。这些机械性能关系到该材料在工作中对于各种载荷怎样地起作用。机械性能是材料对所施加的作用力的特性反应（响应）。这些性能主要归结到五大类：强度、硬度、弹性、延展性和韧性。1．强度——是材料抵抗外力作用的能力。升降机的钢丝绳和建筑物的横梁都必须具备这种性能。2．硬度——是材料抵抗穿透和磨损的能力。剪切工具（剪床）必须能抗磨损。轧钢机上的金属轧辊必须能抗穿透。3．弹性——是材料弹回到原有形状位置的能力。所有的弹性材料都应具备这种性质。4．延展性——材料承受永久变形而无裂损的能力。冲压和成形产品必须具备这种性能。5．韧性——是吸收所施力的机械能的能力。强度和延展性决定着材料的韧性。有轨电车、火车车厢、汽车轴、锤子和类似的产品都需要有韧性。6.塑料和其他材料塑料具有特殊的性能。对于某种用途而言，这些性能使得塑料比传统材料更为可取。例如，跟金属相比较，塑料既有优点也有缺点。金属易受到无机酸的腐蚀，如硫酸和盐酸。塑料能抵抗这些酸的腐蚀，但可被溶剂所溶解或引起变形，例如，溶剂四氯化碳与塑料具有同样的碳基。颜色必定只能涂到金属的表面，而它可以跟塑料混合为一体。金属比大多数塑料刚性要好，而塑料则非常之轻，通常塑料密度在0.9～1.8之间。大多数塑料不易传热导电。塑料能缓慢软化，而当其还是在软的状态时，能容易成形。在某一温度下塑料是处于塑性状态的，这就使塑料具备超过许多其他材料的主要优点。它容许大量生产单位成本低廉的模制式器件，例如，各种容器。于此，若用其他材料则需要大量劳力和往往需要很费钱的加工工艺，比如，切割、成形、加工、装配和装饰。塑料器件可能需要与用其他材料，比如与金属或木材制作的类似的器件加以区别，这不仅是由于塑料的性能不同的原因，也是由于制造塑料产品所用的技术不同所致。这些技术包括注塑模制，吹塑模制，压模，挤压和真空成形等。对粉末冶金所下的定义是：粉末冶金是制造金属粉末并将单一的、混合的或合金化的粉末通过成形的方法制成产品的技术。这一制造过程可添加或不添加非金属成份；可通过加压或模压成形；可在压制时同时加热或在制造后再进行加热，能使金属粉末形成一个粘结牢固的整体；加热过程中粉末可不熔化，或只有低熔点成分熔化。首先，必须生产合适的粉末。尽管理论上可以用粉末冶金的方法制造任何晶体材料，但在许多情况下，生产合适的粉末已经带来限制，或者是因难于获得足够纯度的粉末或者是因为经济上的原因。选择和配制好粉末并制造好所要生产产品形状的模具后，就把粉末模压成符合尺寸和形状的产品。应用晶体生长中的热效应而生产出均匀的结晶体来。利用热和压力的各种结合，某些粉末冶金就是在室温和高压下进行。然而在稍低于任一组分的最低熔点的温度下进行粉末冶金，通常紧跟着的就是施于冷压。在模压过程中，可利