上海大學(xué)材料成型技術(shù)

緒論“材料成形技術(shù)基礎(chǔ)”是機(jī)械工程專業(yè)和相關(guān)工程專業(yè)學(xué)生的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程，主要研究機(jī)器零件的常用材料和材料成形方法，即從選擇材料到毛坯或零件成形的綜合性課程。通過本課程的學(xué)習(xí)，可獲得常用工程材料及材料成形工藝的知識，培養(yǎng)學(xué)生工藝分析的能力，了解現(xiàn)代材料成形的先進(jìn)工藝、技術(shù)和發(fā)展趨勢，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)和工作實(shí)踐奠定必要的基礎(chǔ)。材料是科學(xué)與工業(yè)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。先進(jìn)的材料已成為當(dāng)代文明的主要支柱之一。人類文明的發(fā)展史，是一部學(xué)習(xí)利用材料、制造材料、創(chuàng)新材料的歷史。如果查看一下諾貝爾物理、化學(xué)獎(jiǎng)的獲得者，不難發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)的物理學(xué)家和化學(xué)家們曾對材料科學(xué)做過一系列的貢獻(xiàn)。Laue(1914)發(fā)現(xiàn)X光晶體衍射，Guillaume(1920)發(fā)現(xiàn)合金中的反常性質(zhì),Bridgeman(1946)發(fā)現(xiàn)高壓對材料的作用，Schockley、Bardeen、Brattain(1956)三人發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體晶體管，Landau(1962)的物質(zhì)凝聚態(tài)理論，Townes(1964)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致固體激光的出現(xiàn)，Neel(1970)發(fā)現(xiàn)材料的反鐵磁現(xiàn)象，Anderson、Mott、vanVleck(1977)研究了非晶態(tài)中的電子性狀，Wilson(1982)對相變的研究成功，Bednorz、Muller(1987)發(fā)現(xiàn)了30°K的超導(dǎo)氧化物，Smaller、Kroto(1996)發(fā)現(xiàn)C-60，Kilby(2000)發(fā)明第一塊芯片，上述物理領(lǐng)域的諾貝爾獲獎(jiǎng)?wù)叩牟簧俟ぷ魇侵苯俞槍Σ牧系?。至于化學(xué)家們，可以舉出Giauque(1949)研究低溫下的物性，Staudinger(1953)研究高分子聚合物，Pauling(1954)研究化學(xué)鍵，Natta、Ziegler(1963)合成高分子塑料，Barton、Hassel(1969)研究有機(jī)化合物的三維構(gòu)象，Heegler、Mcdermild、白川英樹(2000)三人發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電高分子。近年來，材料科學(xué)的發(fā)展極為迅速。以鋼鐵工業(yè)為例，2003年，我國鋼產(chǎn)量2.2億t,是世界鋼產(chǎn)量9.6億t的23%，從1890年張之洞創(chuàng)辦漢陽鐵廠，直到1949年半個(gè)多世紀(jì)，中國產(chǎn)鋼總量只有760萬t,不足現(xiàn)在一個(gè)大型鋼鐵廠的年產(chǎn)量。1949年，全國產(chǎn)鋼15.8萬t,占世界鋼產(chǎn)量的0.1%，只相當(dāng)于現(xiàn)在全國半天的產(chǎn)量。1996年至今，我國鋼產(chǎn)量年年超過1億t,成為世界第一產(chǎn)鋼大國。從6000萬t增長到1億t鋼，美國經(jīng)過13年，日本經(jīng)過6年，中國為7年。這對于我國立足于工業(yè)化、現(xiàn)代化的世界，意義重大。但是我國又是一個(gè)鋼的消費(fèi)大國，2003年我國鋼消費(fèi)2.67億to我國鋼廠結(jié)構(gòu)不合理，10%以上的鋼是由規(guī)模不到50萬t以下的小型鋼鐵企業(yè)完成的，70%以上的生產(chǎn)能力是由150萬t以下的中小鋼鐵企業(yè)完成的。因此，我國鋼鐵企業(yè)的能耗大，產(chǎn)品品質(zhì)不高，許多高附加值的優(yōu)質(zhì)鋼材仍需進(jìn)口，2003年就進(jìn)口了3717萬t的優(yōu)質(zhì)鋼材。為此，新一代鋼鐵材料的主要目標(biāo)是探索提高鋼材強(qiáng)度和使用壽命。經(jīng)研究證明，純鐵的理論強(qiáng)度應(yīng)能高于8000MPa,而目前碳素鋼為200MPa級，低合金鋼(如16Mn)約400MPa級，合金結(jié)構(gòu)鋼也只有800MPa級。日本擬于2010年將鋼的強(qiáng)度和壽命各提高1倍，2030年再翻一番(即1t鋼可相當(dāng)于現(xiàn)在的4t),這個(gè)計(jì)劃展示了材料挖潛的前景。類比鋼鐵，其他材料也有很大潛力可挖?，F(xiàn)代材料逐步向高比強(qiáng)度、比模量方向發(fā)展。20世紀(jì)上半葉，材料科學(xué)家利用合金化和時(shí)效硬化兩個(gè)手段，把鋁合金的強(qiáng)度提高到700MPa,這樣，鋁的比強(qiáng)度(強(qiáng)度/密度)達(dá)到2.64x106cm，是鋼的比強(qiáng)度(0.64x106cm)的4倍有余。要達(dá)到同樣的強(qiáng)度，鋁合金的用量只有鋼的1/4，這就是鋁合金作為結(jié)構(gòu)材料的極大優(yōu)勢。美國1980年汽車平均質(zhì)量為1500kg,1990年則為1020kg。每臺車的鑄鐵用量由225kg降至112kg，鑄鐵的比例由15%減至11%；而鋁合金由4%增至9%；高分子材料由6%增至9%o汽車重量減輕10%可使燃燒效率提高7%，并減少10%的污染。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，要求整車重量要減輕40%?50%，其中，車體和車架的重量要求減輕50%，動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)必須減輕10%o美國福特公司新車型中使用的主要材料如下圖所示。從圖中可見，黑色金屬用量將大幅減少，而鋁、鎂合金用量將大幅增加。在航天航空工業(yè)上，材料減重獲得的效益更大，衛(wèi)星減重1kg，可減少發(fā)射推力5kg。一枚小型洲際導(dǎo)彈，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量lkg，在有效載荷不變的條件下，可增加射程15km左右，可減輕導(dǎo)彈起飛質(zhì)量約50kg。圖2為航空器飛行速率與效益的關(guān)系。在過去30年，燃?xì)廨啓C(jī)葉片的工作溫度平均每年提高6.67。而工作溫度每提高83°C，就可使推力提高20％。在1960年以前，主要用鍛造鎳基高溫合金，20世紀(jì)60年代初，美國采用在真空下的精密鑄造，并鑄出多冷卻孔，提高工作溫度50C，70年代中期采用單晶合金（PWA1442）,工作溫度又提高50?100C,目前采用第二代單晶（PWA1484）,進(jìn)一步改進(jìn)冷卻技術(shù)，再加上熱障涂層，渦輪進(jìn)口溫度達(dá)到1650C。推重比達(dá)15?20的葉片材料要能承受1930?2220C的高溫，所以渦輪葉片實(shí)際上是材料與制造工藝的結(jié)合，不僅要求高性能的材質(zhì)，而且要求高度精確的成形技術(shù)。材料成形技術(shù)一般包括鑄造成形、鍛壓成形、焊接成形和非金屬材料成形等工藝技術(shù)。材料成形技術(shù)是一門研究如何用熱或常溫成形的方法將材料加工成機(jī)器部件和結(jié)構(gòu)，并研究如何保證、評估、提高這些部件和結(jié)構(gòu)的安全可靠度和壽命的技術(shù)科學(xué)。它屬于機(jī)械制造學(xué)科。材料成形過程與金屬切削過程不同，在大部分成形過程中，材料不僅發(fā)生幾何尺寸的變化，而且會發(fā)生成分、組織結(jié)構(gòu)及性能的變化。因此材料成形學(xué)科的任務(wù)不僅是要研究如何使機(jī)器部件獲得必要的幾何尺寸，而更重要的是要研究如何通過過程控制獲得一定的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和性能，從而保證機(jī)器部件的安全可靠度和壽命。我國已是制造大國，僅次于美、日、德，位居世界第四。20世紀(jì)末和21世紀(jì)初，我國的材料成形技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，如三峽水利建設(shè)中，440t不銹鋼轉(zhuǎn)輪、750t蝸殼和300t的閘門都是世界上最重的鋼鐵結(jié)構(gòu)。最近建成的30萬t超級大型油輪（長333m，寬58m）、1000t級的大型熱壁加氫反應(yīng)器（壁厚280mm）、空間環(huán)境模擬裝置（直徑18m、高22m的大型不銹鋼真空容器）等都是材料及材料成形工藝的重大成就。材料成形加工是制造業(yè)的重要組成部分。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界75%的鋼材經(jīng)塑性加工，45%的金屬結(jié)構(gòu)用焊接得以成形。我國鑄件年產(chǎn)量超過1400萬t，成為世界鑄件生產(chǎn)第一大國。汽車工業(yè)是材料成形技術(shù)應(yīng)用最廣的領(lǐng)域。以汽車生產(chǎn)為例，1953?1992年40年間，我國共生產(chǎn)汽車100萬輛，而2003年一年全國就生產(chǎn)汽車207萬輛，預(yù)計(jì)到2010年，年產(chǎn)量將達(dá)到1000萬輛左右，成為世界汽車生產(chǎn)第二大國。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000年全球汽車用材總重量的65%由鋼材（約45%）、鋁合金（約13%）及鑄鐵（約7%）通過鍛壓、焊接和鑄造成形，并通過熱處理及表面改性獲得最終所需的實(shí)用性能。對國防工業(yè)而言，由于現(xiàn)代武器裝備性能提高很快，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)、材料和成形制造工藝就成為關(guān)鍵。以航空航天工業(yè)為例，中國航空業(yè)40余年來共生產(chǎn)交付了各種類飛機(jī)14000余架，各種類發(fā)動(dòng)機(jī)50000余臺，海防和空-空戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈14000余枚，目前已能成批生產(chǎn)第二代軍用飛機(jī)，正在研制相當(dāng)于國際水平的第三代軍用飛機(jī)，從“九五”開始開展了第四代軍用飛機(jī)的預(yù)研?，F(xiàn)代飛機(jī)要求超音速巡航、非常規(guī)機(jī)動(dòng)性、低環(huán)境污染、低油耗、全壽命成本等性能，很大程度上是依靠發(fā)動(dòng)機(jī)性能的改進(jìn)和提高來實(shí)現(xiàn)的。發(fā)動(dòng)機(jī)性能提高的目標(biāo)是提高推重比、功率重量比、增壓比和渦輪前溫度，國外現(xiàn)役機(jī)推重比7?8，在研機(jī)9?10，預(yù)研機(jī)15?20，我國相應(yīng)為5.5、6.5?7.5、8?10。要實(shí)現(xiàn)上述指標(biāo)，要不斷發(fā)展先進(jìn)渦輪盤材料和這些材料的精密成形和加工技術(shù)。因此，材料精密成形和加工技術(shù)成為關(guān)系國防安全的一種關(guān)鍵技術(shù)。材料成形技術(shù)在21世紀(jì)發(fā)展過程中，逐步形成“精密”、“優(yōu)質(zhì)”、“快速”、“復(fù)合”、“綠色”和“信息化”的特色。精密的材料成形特征隨著材料資源和能源的日益緊缺，材料的少無切削加工已作為制造技術(shù)發(fā)展的重要方向。材料成形加工的精密化，從尺度上看，已進(jìn)入亞微米和納米技術(shù)領(lǐng)域。表現(xiàn)為零件成形的尺寸精度正在從近凈成形（NearNetShapeForming）向凈成形（NetShapeForming）,即近無余量成形方向發(fā)展。毛坯與零件的界線越來越小。采用的主要方法是多種形式的精鑄（如熔模鑄造、陶瓷型鑄造、消失模鑄造、擠壓鑄造、充氧壓鑄、流變鑄造、觸變鑄造等）、精密壓力加工（如精鍛、零件精軋、精沖、粉末冶金溫壓成形、冷溫?cái)D壓、超塑成形、反壓力液壓成形、鑄鍛工藝、同步成形工藝、變壓力壓脹形技術(shù)等）、精密焊接與切割（如等離子弧焊、電子束焊、激光焊、脈沖焊、窄間隙焊、激光和電弧復(fù)合加熱焊、等離子弧切割、激光切割、水射流切割等）等。優(yōu)質(zhì)的成形技術(shù)特征反映成形加工的優(yōu)質(zhì)特征是產(chǎn)品近無缺陷、零缺陷。此缺陷是指不致引起早期失效的臨界缺陷的概念。采取的主要措施有：采用先進(jìn)工藝、凈化熔融金屬、增大合金組織的致密度，為得到健全的鑄件、鍛件奠定基礎(chǔ)；采用模擬技術(shù)、優(yōu)化工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一次成形及試模成功，保證質(zhì)量；加強(qiáng)工藝過程控制及無損檢測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)超標(biāo)零件；通過零件安全可靠性能研究及評估，確定臨界缺陷量值等。美國GM公司采用CAE技術(shù)，每年節(jié)省試制費(fèi)用數(shù)百萬美元?？焖俚某尚渭夹g(shù)特征表現(xiàn)在各種新型高效成形工藝不斷涌現(xiàn)，新型鑄造、鍛壓、焊接方法從不同角度提高生產(chǎn)率。采取的主要措施有，將逆向設(shè)計(jì)（RE）、快速成形（RP）、快速制模（RT）技術(shù)相結(jié)合，建立起快速制造平臺；應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)于鑄、鍛、焊和熱處理等工藝設(shè)計(jì)中，并與物理模擬和專家系統(tǒng)結(jié)合來確定工藝參數(shù)、優(yōu)化工藝方案，預(yù)測加工過程中可能產(chǎn)生的缺陷及防止措施，控制和保證成形工件的質(zhì)量。波音公司采用的現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)，將新產(chǎn)品研制周期從8年縮短到5年，工程返工量減少了50％。日本豐田公司在研制2002年嘉美新車型時(shí)縮短了研發(fā)周期10個(gè)月，減少了試驗(yàn)樣車數(shù)量65%。德國RIVAGE公司以一輛舊保時(shí)捷跑車作基礎(chǔ)，以逆向工程和快速制造為手段，7個(gè)月造出一輛概念新車。復(fù)合的材料成形特征激光、電子束、離子束、等離子束等多種新能源和能源載體的引入，形成多種新型成形方法與改性技術(shù)，其中以各種形式的激光成形技術(shù)發(fā)展最迅速。一批新型復(fù)合工藝的誕生，如超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)、爆炸焊/熱軋復(fù)合成形技術(shù)等造就了一些特殊材料如超硬材料、復(fù)合材料、陶瓷等的應(yīng)用。此外，復(fù)合的特征還表現(xiàn)在冷熱加工之間、加工過程、檢測過程、物流過程、裝配過程之間的界限趨向淡化、消失，而復(fù)合、集成于統(tǒng)一的制造系統(tǒng)之中。綠色的材料成形特征成形加工向清潔生產(chǎn)方向發(fā)展，其主要的技術(shù)意義在于：①高效利用原材料，對環(huán)境清潔；②以最小的環(huán)境代價(jià)和能源消耗來獲取最大的經(jīng)濟(jì)效益；③符合持續(xù)發(fā)展和生態(tài)平衡。美國在展望2020年的制造業(yè)時(shí)，把材料凈成形工藝發(fā)展為“無廢棄物成形加工技術(shù)（Waste-freeProcess）,即加工過程中不產(chǎn)生廢棄物，或產(chǎn)生的廢棄物能被整個(gè)制造過程中作為原料而利用，并在下一個(gè)流程中不再產(chǎn)生廢棄物。由于無廢物加工減少了廢料、污染和能量的消耗，成為今后推廣的重要綠色制造技術(shù)。信息化特征成形工藝逐步向柔性、集成系統(tǒng)發(fā)展，大量應(yīng)用了各種信息和控制技術(shù)，如柔性壓鑄系統(tǒng)，軋、鍛柔性生產(chǎn)線、攪拌摩擦焊機(jī)器人柔性生產(chǎn)線、弧焊/壓焊焊接機(jī)器人生產(chǎn)線等；使用遠(yuǎn)程控制和無人化成形工廠，質(zhì)量控制向控制過程智能化方向發(fā)展等等，都使材料成形技術(shù)注入自動(dòng)化、信息化特征。綜上所述，現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展使材料成形技術(shù)的內(nèi)容遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)的熱加工范圍?，F(xiàn)代材料成形技術(shù)可拓展為：一切用物理、化學(xué)、冶金原理制造機(jī)器部件和結(jié)構(gòu)，或改進(jìn)機(jī)器部件化學(xué)成分、微觀組織及性能，并盡可能采用復(fù)合制造、綠色制造、信息化制造獲得優(yōu)質(zhì)毛坯或零件的現(xiàn)代制造方法。所有的零件加工工藝在成形學(xué)上按對材料的操作方式可歸結(jié)為三類，即受迫成形、去除成形和堆積成形。（1）受迫成形利用材料的流動(dòng)性和塑性在特定外力或邊界的約束下成形的方法。鑄造、鍛壓以及注塑成形工藝都屬于受迫成形。在這種成形方式中，能量的使用體現(xiàn)在使零件發(fā)生形態(tài)變化或塑性形狀變化上；零件的制造信息（幾何信息、工藝信息和控制信息等）經(jīng)預(yù)處理后以形狀信息的形式物化于工具之中，如模具、型腔等。這種信息處理過程與物理制造過程的結(jié)合形式，具有較好的剛性，即制造零件時(shí)重復(fù)性好，但其柔性較差。零件信息的任何改變都將導(dǎo)致工具的重新制造，因而較適用于定型產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)方式或毛坯制造。（2）去除成形運(yùn)用材料的可分離性，把一部分材料（裕量材料）有序地從基體分離出去而成形的方法。傳統(tǒng)的車、銑、刨、磨等機(jī)加工工藝和激光、電火花加工工藝均屬于去除成形。在這種成形方式中，零件制造信息體現(xiàn)在去除材料的順序和每一步材料的去除量上，即信息通過控制刀具（激光、電火花等也可看作去除刀具）與待加工工件的相對運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)材料的有序去除。與受迫成形相比，這種信息過程與物理過程的結(jié)合方式具有較大的柔性，實(shí)際上，可以把刀具與工件的相對運(yùn)動(dòng)看作是一種易于修改、易于編程和易于控制的“動(dòng)態(tài)模具”。但這種零件加工方式由于受到刀具與工件相對運(yùn)動(dòng)的條件限制，難以加工形狀極為復(fù)雜的零件。（3）堆積成形利用材料的可連接性，將材料有序地合并堆積起來而成形的方法?？焖俪尚问嵌逊e成形的典型方法，其次，一些焊接和噴鍍也可視為堆積成形?？焖俪尚蔚奶攸c(diǎn)是從無到有，從小到大有序進(jìn)行，零件的制造信息體現(xiàn)在材料結(jié)合的順序以及每一次材料轉(zhuǎn)變量與深度的控制上，即信息通過控制每個(gè)單元的制造和各個(gè)單元的結(jié)合而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)成形過程的控制。在堆積成形過程中，信息過程與物理過程的結(jié)合達(dá)到比較高級的階段，沒有“模具”、“卡具”和“切削加工”的概念，成形零件不受復(fù)雜程度的限制，它提供了一種直接地并完全自動(dòng)地把三維CAD模型轉(zhuǎn)換為三維物理模型或零件的制造方法。第一章工程材料概述材料是現(xiàn)代文明的三大支柱之一，也是發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)和機(jī)械工業(yè)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)?？茖W(xué)技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了材料工業(yè)的發(fā)展，使新材料不斷涌現(xiàn)。石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)了合成材料的興起和應(yīng)用；20世紀(jì)80年代特種陶瓷材料又有很大進(jìn)展，工程材料隨之?dāng)U展為包括金屬材料、有機(jī)高分子材料（聚合物）和無機(jī)非金屬材料三大系列的全材料范圍。金屬材料的發(fā)展人類早在6000年以前就發(fā)明了金屬冶煉。我國青銅冶煉始于公元前2000年（夏代早期）。古埃及在5000年以前，就用含鎳7.5％的隕石鐵做成鐵球。我國春秋戰(zhàn)國時(shí)期，已經(jīng)大量使用鐵器。鑄鐵的發(fā)展經(jīng)歷了5000年的漫長歲月，只是到了瓦特發(fā)明蒸氣機(jī)以后，由于在鐵軌、鑄鐵管制造中的大量應(yīng)用，才走上工業(yè)生產(chǎn)的道路。15世紀(jì)到18世紀(jì)，從高爐煉鋼到電弧爐煉鋼，奠定了近代鋼鐵工業(yè)的基礎(chǔ)。19世紀(jì)后半葉，歐洲社會生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了鋼鐵工業(yè)的大步發(fā)展，擴(kuò)大了鋼鐵生產(chǎn)規(guī)模，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。從20世紀(jì)50年代到2003年，全世界的鋼產(chǎn)量由2.1億噸增加到9.6億噸。而我國2003年鋼產(chǎn)量達(dá)到2.2億噸，超過20世紀(jì)50年代全球鋼產(chǎn)量，躍居全球鋼產(chǎn)量首位。1.1.3新材料的發(fā)展趨勢隨著社會的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，新材料的研究、制備和加工應(yīng)用層出不窮。每一種重要的新材料的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，都把人類支配自然的能力提高到一個(gè)新的水平。工程材料目前正朝高比強(qiáng)度（單位密度的強(qiáng)度）、高比模量（單位密度的模量）、耐高溫、耐腐蝕的方向發(fā)展。今日先進(jìn)材料強(qiáng)度比早期材料增長50倍。1.1.3新材料的發(fā)展趨勢隨著社會的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，新材料的研究、制備和加工應(yīng)用層出不窮。每一種重要的新材料的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，都把人類支配自然的能力提高到一個(gè)新的水平。工程材料目前正朝高比強(qiáng)度（單位密度的強(qiáng)度）、高比模量（單位密度的模量）、耐高溫、耐腐蝕的方向發(fā)展。今日先進(jìn)材料強(qiáng)度比早期材料增長50倍。1.2固體材料的性能固體材料的主要性能包括力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能、工藝性能等。力學(xué)性能是工程材料最主要的性能，又稱機(jī)械性能，指材料在外力作用下表現(xiàn)出來的性能，包括彈性、強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性、疲勞強(qiáng)度、蠕變和磨損等。外力即載荷，常見的各種外載荷如圖1-2所示。1.強(qiáng)度和塑性材料強(qiáng)度指材料在達(dá)到允許的變形程度或斷裂前所能承受的最大應(yīng)力，如彈性極限、屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度、疲勞極限、蠕變極限等等。按外力作用的方式不同，強(qiáng)度可分為抗拉、抗壓、抗彎、抗剪強(qiáng)度等。工程上最常用的強(qiáng)度指標(biāo)有屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。材料的強(qiáng)度、塑性指標(biāo)可以通過實(shí)驗(yàn)測定。動(dòng)畫為低碳鋼拉伸實(shí)驗(yàn)測得的應(yīng)力-應(yīng)變圖。實(shí)驗(yàn)時(shí)將材料做成如圖標(biāo)準(zhǔn)試樣，試樣在外力作用下，其內(nèi)部產(chǎn)生一種內(nèi)力，其數(shù)值大小與外力相等，方向相反。材料單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力（Pa），以表示。1）彈性和彈性模量試樣加載后應(yīng)力不超過e,若卸載，試樣能恢復(fù)原狀，這種材料不產(chǎn)生永久變形的性能，稱為彈性。e為材料不產(chǎn)生永久變形時(shí)所能承受的最大應(yīng)力，稱為彈性極限。OP的斜率E（E=/￡）稱為材料的彈性模量，即引起單位彈性變形所需要的應(yīng)力。2） 塑性載荷超過彈性極限后，若卸載，試樣的變形不能全部消失，將保留一部分殘余變形。這種不能恢復(fù)的殘余變形，稱為塑性變形，產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的性能稱為塑性。塑性的大小用伸長率6和斷面收縮率屮表示。強(qiáng)度在外力作用下，材料抵抗變形和斷裂的能力稱為強(qiáng)度。按外力作用方式不同，可分為抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度等，以抗拉強(qiáng)度最為常用。當(dāng)材料承受拉力時(shí)，強(qiáng)度主要是指屈服強(qiáng)度z和抗拉強(qiáng)度z。sb屈服強(qiáng)度。在S點(diǎn)(稱屈服點(diǎn))出現(xiàn)橫向震蕩曲線或水平線段，這表示拉力不再增加，S但變形仍在進(jìn)行，此時(shí)若卸載，試樣的變形不能全部消失，產(chǎn)生微量的塑性變形。zs即表示材料在外力作用下開始產(chǎn)生塑性變形時(shí)的最低應(yīng)力，即材料抵抗微量塑性變形的能力。需要指出，大多數(shù)金屬材料在拉伸時(shí)沒有明顯的屈服現(xiàn)象，按GB228-87要求，取規(guī)定非比例伸長與原標(biāo)距長度比為0.2%時(shí)的應(yīng)力，記為zp，作為屈服強(qiáng)度指標(biāo)，稱為條件屈服強(qiáng)度，可0.2用z表示。0.2抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度為動(dòng)畫所示的ob值，是試樣保持最大均勻塑性變形的極限應(yīng)力，即材b料被拉斷前的最大承載能力。當(dāng)載荷達(dá)到Fb時(shí)，試樣的局部截面縮小，產(chǎn)生所謂的“縮頸”現(xiàn)象。b由于試樣局部截面逐漸縮小，故載荷也逐漸減小，當(dāng)達(dá)到拉伸曲線上k點(diǎn)時(shí)，試樣發(fā)生斷裂。o與入的比值稱為屈強(qiáng)比，其值一般在0.65?0.75之間。屈強(qiáng)比愈小，工程構(gòu)件的可靠性愈sb高，萬一超載也不會馬上斷裂；屈強(qiáng)比愈大，材料的強(qiáng)度利用率愈高，但可靠性降低?？估瓘?qiáng)度是零件設(shè)計(jì)時(shí)的重要參數(shù)。合金化、熱處理、冷熱加工對材料的o與ob均有很大的影響。sb沖擊韌度評定材料抵抗大能量沖擊載荷能力的指標(biāo)稱為沖擊韌度a。常用一次擺錘沖擊彎曲試驗(yàn)來k測定金屬材料的沖擊韌度。其測定方法是按GB229-84制成帶U型缺口的標(biāo)準(zhǔn)試樣，將具有質(zhì)量G(N)的擺錘舉至高度為H(m)，使之自由落下，將試樣沖斷后，擺錘升至高度h(m)。如試樣斷口處的截面積為S(cm2)。則沖擊韌性ak的值為：a=G(H-h)/S(J/cm2)k材料的沖擊韌度值主要取決于其塑性，并與溫度有關(guān)。疲勞強(qiáng)度許多機(jī)器零件的彈簧、軸、齒輪等，在工作時(shí)承受交變載荷，當(dāng)交變載荷的值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其屈服強(qiáng)度時(shí)發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。疲勞斷裂與在靜載作用下材料的斷裂不同，不管是脆性材料還是韌性材料，疲勞斷裂都是突然發(fā)生的，事先無明顯的塑性變形，屬于低應(yīng)力脆斷。斷裂韌度一些工程結(jié)構(gòu)件和機(jī)器零件在低于許用應(yīng)力的條件下工作，產(chǎn)生無明顯塑性變形的斷裂，這種斷裂稱為低應(yīng)力脆斷。低應(yīng)力脆斷是由于材料內(nèi)部已存在的宏觀裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展引起的。材料中存在一條長度為2a的裂紋，在與裂紋方向垂直的外加拉應(yīng)力 作用下，裂紋尖端附近的應(yīng)力分布不再均勻，存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，形成裂紋尖端應(yīng)力集中場，其大小可用應(yīng)力強(qiáng)度因子K［來描述。6.金屬的高溫力學(xué)性能金屬材料隨溫度的升高，彈性模量E、屈服強(qiáng)度S、硬度等值降低，而塑性增加的現(xiàn)象稱高溫蠕變。小資料：紐約世界貿(mào)易中心大樓曾是世界第一高樓，它高411米，單個(gè)塔樓的重量約5萬噸；撞擊大樓的波音757飛機(jī)起飛重量104噸，波音767飛機(jī)起飛重量156噸，它們的飛行速度大約是每小時(shí)1000公里。這次撞擊大樓的波音757飛機(jī)大約可載35噸燃油，波音767飛機(jī)可載51噸燃油，由于是從美國東部飛往西部的遠(yuǎn)程航班，所以飛機(jī)上的油箱估計(jì)裝滿了燃油。第一波飛機(jī)撞擊世貿(mào)大樓的北部塔樓接近頂部的位置。大火燃燒了1小時(shí)43分鐘后世貿(mào)大樓北部塔樓才倒塌。第二波飛機(jī)于撞擊世貿(mào)大樓的南部塔樓。撞擊位置較低，上層壓力很大，大火燃燒了1小時(shí)零2分鐘后，后被撞擊的南部塔樓反而率先倒塌。1.3金屬的結(jié)構(gòu)固態(tài)物質(zhì)按原子的聚集狀態(tài)分為晶體和非晶體。固態(tài)金屬基本上都是晶體，非金屬物質(zhì)大部分也是晶體，如金剛石、硅酸鹽、氧化鎂等，而常見的玻璃、松香等，則為非晶體。1.3.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶體和金屬的特性原子在空間呈規(guī)則排列的固體物質(zhì)稱為“晶體”。非晶體的原子則是無規(guī)律、無次序地堆積在一起的。?金屬鍵金屬鍵的特點(diǎn)是沒有飽和性和方向性。自由電子的定向移動(dòng)形成了電流，使金屬表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性；正電荷的熱振動(dòng)阻礙了自由電子的定向移動(dòng)，使金屬具有電阻；同時(shí)金屬具有正的溫度系數(shù)；自由電子能吸收可見光的能量，使金屬具有不透明性；當(dāng)自由電子從高能級回到低能級時(shí)，將吸收的可見光的能量以電磁波的形式輻射出來，使金屬具有光澤；晶體中原子發(fā)生相對移動(dòng)時(shí)，正電荷與自由電子仍能保持金屬鍵結(jié)合，使金屬具有良好的塑性。2.晶格、晶胞和晶格常數(shù)為了便于分析晶體中原子排列規(guī)律及幾何形狀，將每一個(gè)原子假設(shè)成一個(gè)幾何點(diǎn)，忽略其尺寸和重量，再用假想線把這些點(diǎn)連接起來，得到一個(gè)表示金屬內(nèi)部原子排列規(guī)律的抽象的空間格子，稱為“晶格”所示。晶格中各種方位的原子面稱為“晶面”，構(gòu)成晶格的最基本幾何單元稱為“晶胞”。晶胞的大小以其各邊尺寸a、b、c表示，稱為“晶格常數(shù)"，以(埃)為單位(1=1X10-8cm)。晶胞各邊之間的夾角以a、B、Y表示，如動(dòng)畫所示。晶向與晶面立方晶系的晶向指數(shù)在晶體中，任意二個(gè)原子之間的連線稱為原子列，其所指方向稱為晶向。確定立方晶系的晶向指數(shù)方法如下：選定晶胞某一點(diǎn)陣為原點(diǎn)，以晶胞3條棱邊為坐標(biāo)軸，以棱邊的長度為單位長度；過原點(diǎn)作一有向線平行于待定晶向，所有相互平行的晶向有相同的晶向指數(shù)［uvw］,如果方向相反，則它們的晶向指數(shù)的數(shù)值相同，但符號相反；取有向線段上任一點(diǎn)的座標(biāo)值化為最簡整數(shù)，加以方括號，［uvw］即為晶向指數(shù)。例如，當(dāng)座標(biāo)值X=l,Y=2,Z=1/3時(shí)，其晶向指數(shù)為［361］。立方晶系的晶面指數(shù)晶體中各種方位的原子面稱為晶面。立方晶系的晶面指數(shù)通常采用密勒指數(shù)法確定，即晶面指數(shù)是根據(jù)晶面與3個(gè)坐標(biāo)軸的截距來決定。晶面指數(shù)的一般表示形式為(hkl),其確定步驟如下：建立坐標(biāo)：選晶胞中不在所求晶面上的某一晶胞陣點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)(以免出現(xiàn)零截距)，以晶胞3條棱邊為坐標(biāo)軸，以晶格常數(shù)為單位；取晶面的三坐標(biāo)截距值為倒數(shù)，并化為最簡整數(shù)，依次計(jì)入圓括號()內(nèi)，即為該晶面的晶面指數(shù)。與晶向指數(shù)相似，所有相互平行的晶面都有相同的晶面指數(shù)。指數(shù)值相同而符號相反的兩個(gè)晶面，如(100)與()，則平行地分布在原點(diǎn)兩邊。常見的晶格類型根據(jù)晶胞的三條棱邊是否相等、三個(gè)夾角是否相等以及是否為直角關(guān)系，晶體學(xué)將所有晶體分為7個(gè)晶系，14種空間點(diǎn)陣。稱作布喇菲空間點(diǎn)陣。大多數(shù)金屬屬于以下三種晶格類型。1）體心立方晶格其中心的原子周圍有8個(gè)最鄰近原子環(huán)繞，稱其配位數(shù)為8。2）面心立方晶格面心立方晶格的晶胞由八個(gè)原子構(gòu)成一個(gè)立方體，在立方體六個(gè)面的中心各有一個(gè)原子，晶胞角上的原子為相鄰的八個(gè)晶胞所共有，每個(gè)晶胞實(shí)際上只占有1／8個(gè)原子，中心面上的原子為二個(gè)晶胞共有，故晶胞中實(shí)際原子數(shù)為4個(gè)。屬于這類晶格的金屬有：Y-Fe、鋁（Al）、銅（Cu）、銀（Ag）、