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標(biāo)題: 談?wù)剰?qiáng)度和剛度的問題 [打印本頁]

作者: dhf654 時間: 2013-11-16 16:15
標(biāo)題: 談?wù)剰?qiáng)度和剛度的問題

今天看到十年磨刀大俠的帖子 “我們還能做什么？--記犁仿制過程”。幾年前我聽別人談到過這個問題，最主要是熱處理的問題，當(dāng)然談這個問題的不是個專業(yè)人員，是個領(lǐng)導(dǎo)，他因?yàn)槿ネ膺呝I設(shè)備看的多所以知道這個——當(dāng)然他的鉆研和思考的精神是我十分欽佩的——當(dāng)時我就想為什么好多專門做這些東西的專家都不知道這個問題呢。

他也說過國內(nèi)仿制過類似的東西，就像十年磨刀大俠所說的犁，拿著國內(nèi)的材料仿制下來，放到地里才發(fā)現(xiàn)如果材料用的和人家一樣多，強(qiáng)度根本就不夠；加材料提高強(qiáng)度再放到地里發(fā)現(xiàn)拖拉機(jī)耗油量顯著提高，或者拉不動，有的把鏈接都拉壞了。這個領(lǐng)導(dǎo)買設(shè)備的時候有機(jī)會參觀人家的工廠——都是上億的大單，一個單子能救活日本的一個廠子有沒有。我在這個http://bbs.cmiw.cn/forum.php?mod ... 3&page=1#pid2627797帖子中的一些照片都是那時候拍的，記得當(dāng)時說是不允許拍照的——單子大就例外了。這里面倒數(shù)那幾張照片很關(guān)鍵，一個是冷軋，一個是熱處理，還有一個是把產(chǎn)品夾在儀器上做應(yīng)力應(yīng)變測試（這些都是自己的理解）。這些其實(shí)是在視頻上截下來的，視頻上更清楚一點(diǎn)，論壇沒法上傳視頻，所以截的圖片。所以那個領(lǐng)導(dǎo)通過觀察發(fā)現(xiàn)人家是經(jīng)過熱處理之后材料的特性發(fā)生改變，而這些是國內(nèi)所缺失的環(huán)節(jié)。

所以說作為一個中國的機(jī)械設(shè)計人員的悲哀就是巧婦難為無米之炊。在以后的工作中也發(fā)現(xiàn)同樣粗細(xì)的軸，日本的就沒什么問題，我們的放上去就是變形甚至破壞，壽命很短。有些機(jī)構(gòu)設(shè)計的很巧妙，但運(yùn)行起來某個部件沒多久就壞了，把它加強(qiáng)了卻發(fā)現(xiàn)其它地方的部件又頂不住了，很好的設(shè)備就是沒辦法投產(chǎn)。所以說材料問題是個十分棘手的問題。

言歸正傳，一個偶然的機(jī)會一個老師讓我算下能不能計算出土壤鎮(zhèn)壓后下降的高度——種子被土覆蓋后需要鎮(zhèn)壓，鎮(zhèn)壓后種子距土表的深度對種子影響很大。經(jīng)過查找文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這個問題很難——影響因素多，情況也復(fù)雜，很多公式都是特定條件下的經(jīng)驗(yàn)公式。比如說土壤中的水分和土壤粒度，下壓面積，甚至下壓時間都對最終的結(jié)果有影響；實(shí)際研究中農(nóng)業(yè)中的土壤和工業(yè)建筑的土壤是分為兩個學(xué)科研究的，而且里面都是特定條件下的經(jīng)驗(yàn)公式，整的我頭都大了。

但是在實(shí)驗(yàn)中我發(fā)現(xiàn)土壤受壓的時候受力和變形曲線和材料力學(xué)中的應(yīng)力應(yīng)變曲線有相似之處。然后又把學(xué)過的材料力學(xué)曲線好好研究了一下。發(fā)現(xiàn)材料力學(xué)中的公式其實(shí)也是經(jīng)驗(yàn)公式。最基本的公式σ=Eε,就是說應(yīng)力和應(yīng)變是呈線性關(guān)系的，然后有個極限強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，就是說過了這些節(jié)點(diǎn)材料強(qiáng)度E就會降低，材料就容易被破壞。在土壤的下壓實(shí)驗(yàn)中受壓過的土壤也是會出現(xiàn)一個比較線性的受力F和下壓距離S關(guān)系F=KS，K就是斜率，與前面的下壓最大力有直接關(guān)系。而在材料力學(xué)中鋼鐵的材料強(qiáng)度是否與所受過的最大力有關(guān)呢？我知道鋼出來后得冷軋和熱軋，而且對鋼材過應(yīng)力后可增強(qiáng)其強(qiáng)度，而且鑄鐵沒有所謂的極限強(qiáng)度，那是因?yàn)闆]有受過壓力（我對鋼鐵不太了解這些只是猜測）。

一次實(shí)驗(yàn)后我把粒徑相同的土和成了泥塊，過幾天泥塊干了之后強(qiáng)度顯著增加，很硬很硬的那種，我查了一下資料，還沒有解釋這個原因的資料，肯定不是化學(xué)變化，泥土在常溫下不會發(fā)生大的化學(xué)變化；那就應(yīng)該是物理變化，而泥土在干的過程中只是缺少了水分。那么是不是水分的蒸發(fā)促使泥土的強(qiáng)度增大的呢？我就做了一個假設(shè)：泥土中的水分在氣化脫離泥土的瞬間外部的大氣壓和內(nèi)部形成的真空的壓力差使周圍的土產(chǎn)生形變，最終這個力使得干燥的土塊強(qiáng)度明顯增大。

隨后我利用鼓風(fēng)干燥機(jī)和真空干燥機(jī)對泥塊做了干燥實(shí)驗(yàn)，為了提高干燥速度在實(shí)驗(yàn)中我對泥塊進(jìn)行加熱，而實(shí)際上熱空氣的實(shí)際氣壓會低于周圍的冷空氣的，所以鼓風(fēng)干燥機(jī)中的氣壓要低于常壓干燥的溫度，而真空干燥機(jī)中的氣壓是最低的。干燥后得結(jié)果顯示確實(shí)常溫晾干的土塊和鼓風(fēng)干燥以及真空干燥的強(qiáng)度是依次遞減的，而且在內(nèi)部可以明顯看出了孔隙的大小不一樣。但是在這個實(shí)驗(yàn)中我無法保證溫度的一致性，也就是說我無法保證除了氣壓其它的條件都一樣。

于是我想證明一下在高溫高壓的條件下土塊干燥后會大于常溫的強(qiáng)度，但是受到了儀器設(shè)備的限制。查了一些資料，其中有一個土壤的三軸實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容是土壤在四周均勻受力的情況下應(yīng)力和應(yīng)變是呈指數(shù)關(guān)系增長的，而且在這一過程中土壤是不會被破壞的。

我通過以上實(shí)驗(yàn)得到一些假設(shè)：實(shí)際上應(yīng)力和應(yīng)變是呈指數(shù)關(guān)系增長的，在平常的受力過程中由于物體不可能均勻受力所以離受力點(diǎn)越近的點(diǎn)受力越大，隨著力的擴(kuò)散，力就會不斷減小，所以造成物體內(nèi)不均勻的形變。而隨著力的不斷增大應(yīng)變的差距也會隨之增大，直到應(yīng)變大的地方和應(yīng)變小的地方產(chǎn)生裂縫從而發(fā)生應(yīng)力積聚，斷裂就發(fā)生了。而我們通常看到的應(yīng)力和應(yīng)變呈線性關(guān)系是因?yàn)槲矬w內(nèi)部由能量最小原理發(fā)生自組織變形，最后受力面上的力與總的形變呈線性關(guān)系，而實(shí)際上受力面上的金屬應(yīng)力與應(yīng)變應(yīng)該呈指數(shù)關(guān)系的。

根據(jù)這些就可以找到增加材料強(qiáng)度的方法了，一個是靠外部的壓力，古代打鐵對燒紅的鐵不斷敲應(yīng)該就是這個原理，越是表面均勻均布受力效果應(yīng)該越好，現(xiàn)在的冷軋應(yīng)該也是這個原理，這個外部強(qiáng)度增加明顯，而內(nèi)部如果壓力不夠很難影響的到。另一個方法就是像土壤烘干那樣，我一直懷疑鐵里面加碳不是留在里面的碳增加了鋼鐵的強(qiáng)度，而是變成氣體的碳增加了鋼鐵的強(qiáng)度，但在鋼鐵強(qiáng)度分析的文獻(xiàn)中，一直強(qiáng)調(diào)含碳量，我沒真正做過鋼鐵就是分不懂了；而在鐵里面摻雜不同的金屬使強(qiáng)度增加的原因是其它金屬和鐵的熱膨脹和冷縮的系數(shù)不同，其它金屬如果熱膨脹大，而冷凝后變小，這樣就會在它與鐵的空隙之間形成真空，從而形成壓力差。

這個可不可以解釋古代將打完的鐵浸在冷水里的原因呢。如果這個假設(shè)成立，我們在煉鐵的過程中只要加大周圍的壓強(qiáng)那么就可以煉出任意強(qiáng)度的鐵了。熱處理應(yīng)該也是這個原理吧。

如果上述假設(shè)成立的話，在物體的實(shí)際受力過程中我們只要不讓物體內(nèi)部不同部位的應(yīng)變差距增大，物體不是那么容易破壞掉的。比如在理想狀態(tài)下，我們拉扯一個細(xì)鐵棒的兩端，假設(shè)鐵棒內(nèi)每個原子都是受力均勻的，原子之間同時達(dá)到斷裂的距離，這個拉力應(yīng)該達(dá)到難以想象的級別。所以在設(shè)計過程中分析產(chǎn)品的受力變形情況，那么如果能夠?qū)⑹軌旱牡胤筋A(yù)先拉伸，將拉伸的地方先壓縮一下，等產(chǎn)品實(shí)際受力后原子之間的距離是一樣的，那么產(chǎn)品的強(qiáng)度自然而然就增強(qiáng)了——據(jù)說美國的犁就使用了預(yù)變形技術(shù)。

上面這些東西我斷斷續(xù)續(xù)整了兩年，由于我做的方向和這個不一樣，所以只能利用業(yè)余時間做，而且我查資料發(fā)現(xiàn)高溫高壓設(shè)備我們國家主要靠進(jìn)口，就是自己做材料也是國外的，且相關(guān)研究很少，所以很難進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，從學(xué)校里出來后條件就沒有了——現(xiàn)在主要考慮生存和生活問題。所以這個問題從畢業(yè)以后就停止了，現(xiàn)在寫出來也是想和大家討論一下，希望能起到個拋磚引玉的作用。

作者: 上進(jìn)的娃 時間: 2013-11-16 17:13
很不錯的東西，確實(shí)，材料是天朝的痛！

作者: liruiqing888 時間: 2013-11-16 17:15
材料，熱處理還有很長的路要走啊!!

作者: 茉莉素馨 時間: 2013-11-16 18:14
推薦樓主找本《材料科學(xué)基礎(chǔ)》看一下

作者: icegoods 時間: 2013-11-16 18:50
這是普遍現(xiàn)象了。我小時候鄰家的父親在拖來廠做了一輩子材料分析，談到現(xiàn)在設(shè)計制造人員還不如他們那代人嚴(yán)謹(jǐn)，就舉了個例子：某電動工具民營企業(yè)聘他當(dāng)顧問，該企業(yè)山寨為主，齒輪刀具零件質(zhì)量不過關(guān)產(chǎn)品使用出問題，老頭就瞄了一眼拆開的零件，說：熱處理不過關(guān)，熱處理廠該如何如何簡單半小時。事后，問題解決，老板給他2萬紅包。現(xiàn)在的企業(yè)不是做不好事情，迫于市場生存壓力，需方也是壓價格，企業(yè)追求低價成本急功近利為生存迎合需求，一些工藝就簡化，人員簡化，慢慢就不按原來的做法做了，工藝非但不進(jìn)步反而退化，自然出不了好東西。

作者: 肆_。 時間: 2013-11-16 19:15
我上中專那時候有個金屬材料老師說咱中國就的金屬材料都不好就鳥巢的鋼材還是湊合的呢

作者: 成形極限 時間: 2013-11-16 20:28
樓主的解釋有些視角獨(dú)特，不過液態(tài)模鍛和半固態(tài)成形確實(shí)可以在一定程度上提高性能

作者: zerowing 時間: 2013-11-17 01:38
通篇看了看，寫得挺好。不過個人建議，大俠不妨看看基礎(chǔ)方面的書，比如原子分子構(gòu)成理論，比如晶格結(jié)構(gòu)等等。
另外，分析一個變化過程不是一個單純的實(shí)驗(yàn)過程，實(shí)驗(yàn)只是一種檢驗(yàn)方式，比如你說的泥干化后的強(qiáng)度硬度問題，實(shí)驗(yàn)的前提是你先要弄清楚實(shí)驗(yàn)對象，比如所用的泥土的成分有什么，比如內(nèi)部成分中哪些可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，哪些可能相變等等。這些先導(dǎo)前提決定了你的實(shí)驗(yàn)方向和研究方向。
再有，在公式選用時，應(yīng)注意使用前提。比如你提到的基本公式，這個公式的適用前提是彈性材料，且是彈性材料的彈性變形部分。在這個前提之外的部分使用，那就是自己誤導(dǎo)自己。比如你的泥土混合物，恐怕連各相同性都不是，更不要談彈性變形了。而泥土的受壓過程更為復(fù)雜，這個跟金屬材料有本質(zhì)的區(qū)別。泥土的受壓是一種分子間或者更宏觀的細(xì)微顆粒間的作用，你可以理解為逍兄之前提到的鋼球代替液壓的那個理論，考量的是顆粒減息和相對摩擦。而金屬成型考量的分子間力，原子間力，乃至由此形成的晶格間力。這個本質(zhì)上是不同的。
呵呵，學(xué)有所思很好，應(yīng)當(dāng)繼續(xù)堅持，不過建議多看看基礎(chǔ)，這樣才不止于跑偏。很多國內(nèi)某行業(yè)內(nèi)的專家最后載跟頭就是載在這上面。8爺總是強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)，就是強(qiáng)調(diào)這個重要性，不然都是瞎玩。

作者: 冷水黃金 時間: 2013-11-17 08:22
好機(jī)會。但明顯感覺你的基礎(chǔ)知識遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠扎實(shí)。
對材料結(jié)構(gòu)根本不了解。
你的猜測都是從宏觀觀感出發(fā)，根本沒深入到材料本質(zhì)，其實(shí)好多東西高中已經(jīng)學(xué)過了

作者: mTomorrow 時間: 2013-11-17 14:23
受教！！！

作者: pzfs1016 時間: 2013-11-17 19:53
樓主探索的精神值得學(xué)習(xí)，不過樓主確實(shí)應(yīng)該多深入學(xué)習(xí)一些基礎(chǔ)知識，少一些想當(dāng)然的類比。

作者: 冰糖葫蘆娃 時間: 2013-11-18 09:16
鼓風(fēng)干燥機(jī)中的【氣壓】要低于常壓干燥的【溫度】，而真空干燥機(jī)中的氣壓是最低的。
貌似是個語病。

作者: 孫建si 時間: 2013-11-19 11:43
ZEROWING大俠大才。

作者: Aubergine0372 時間: 2013-11-19 17:12
首先，正如13樓說的，樓主的文字?jǐn)⑹鲇行┑胤胶茈y理解，希望能重新整理下。另外你對“古代鍛鐵浸冷水”的猜想可以百度“過冷度”、“淬火冷速”等來驗(yàn)證或者求解。推薦樓主一篇我最近一直在研究的、和材料有關(guān)系的考證，百度“解密傳說中的秦劍”。另外樓主如果對熱處理有興趣有時間可以去“熱處理論壇”學(xué)習(xí)，我知道的國內(nèi)最高水平的材料與熱處理論壇。樓主的鉆研精神和思維拓展能力真的很佩服。

作者: 海彬meliuhc 時間: 2013-11-22 17:39
據(jù)說國內(nèi)鋼的質(zhì)量很麻煩，不穩(wěn)定。金相組織很難控制，包括冷卻速度和軋制控制。。鐵素體和珠光體的含量都不太容易控制，導(dǎo)致硬度沒法求解，只能大概表征。很多東西用不住，國外煉鋼有些軟件化，造出的產(chǎn)品不光測硬度，還可檢查金相含量。據(jù)說日本的鋼切削起來和國內(nèi)的聲音都不同的

作者: wzdybyqhtt 時間: 2013-12-24 21:34
好深奧。。

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