[編輯本段]金屬材料的疲勞
許多機械零件和工程部件在交變載荷下工作。在交變載荷的作用下，雖然應力水平低於材料的屈服極限，但經過長時間的反復應力循環後，會發生突然的脆性斷裂，這種現象稱為金屬材料的疲勞。
金屬材料的疲勞斷裂的特征是:
(1)荷載應力是交變的；(2)負載的動作時間長；
(3)斷裂是瞬時的；
(4)塑性和脆性材料在疲勞斷裂區都是脆性的。
因此，疲勞斷裂是工程中最常見也是最危險的斷裂形式。
根據不同的條件，金屬材料的疲勞現象可分為以下幾種類型:
(1)高周疲勞:指在低應力(工作應力低於材料的屈服極限，甚至低於彈性極限)條件下，應力循環在100000以上的疲勞。這是最常見的疲勞失效。高周疲勞壹般被稱為疲勞。
(2)低周疲勞:指在高應力(工作應力接近材料的屈服極限)或高應變條件下，應力循環低於10000~100000的疲勞。因為交變塑性應變在這種疲勞失效中起主要作用，所以也稱為塑性疲勞或應變疲勞。
(3)熱疲勞:指溫度變化引起的熱應力反復作用而產生的疲勞損傷。
(4)腐蝕疲勞:是指機器零件在交變載荷和腐蝕介質(如酸、堿、海水、活性氣體)共同作用下的疲勞損傷。
(5)接觸疲勞:這是指機器零件的接觸表面，在接觸應力的反復作用下，發生點蝕剝落或表面壓潰剝落，導致零件的失效和損壞。
金屬材料的塑性
塑性是指金屬材料在外力作用下產生永久變形(塑性變形)而不被破壞的能力。當壹種金屬材料被拉伸時，它的長度和橫截面積會發生變化。所以金屬的塑性可以用兩個指標來衡量:長度的伸長率(伸長率)和截面的收縮率(截面的收縮率)。
金屬材料的延伸率和面積收縮率越大，材料的塑性越好，即材料能承受更大的塑性變形而不損壞。壹般延伸率大於5%的金屬材料稱為塑性材料(如低碳鋼)，延伸率小於5%的金屬材料稱為脆性材料(如灰鑄鐵)。塑性好的材料可以在較大的宏觀範圍內產生塑性變形，同時通過塑性變形使金屬材料得到強化，從而提高材料的強度，保證零件的安全使用。此外，可塑性好的材料可以在壹些成型工藝中成功加工，如沖壓、冷彎、冷拔和矯直。因此，在選擇金屬材料作為機械零件時，必須滿足壹定的塑性指標。字符串2
金屬材料的硬度
硬度表示材料抵抗硬物壓入其表面的能力。它是金屬材料的重要性能指標之壹。壹般硬度越高，耐磨性越好。常用的硬度指標有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。
1.布氏硬度
將壹定大小(壹般直徑10mm)的硬化鋼球，以壹定的載荷(壹般3000kg)壓入材料表面，並保持壹段時間。卸載後載荷與壓痕面積的比值為布氏硬度值(HB)，單位為千克力/平方毫米(N/mm2)。
2.洛氏硬度(小時)
當HB & gt450或者當樣品太小時，布氏硬度試驗不能使用，可以使用洛氏硬度測量代替。它是利用頂角為120°的金剛石圓錐體或直徑為1.59和3.18mm的鋼球在壹定載荷下壓入被測材料表面，由壓痕深度即可得到材料的硬度。根據試驗材料硬度的不同，有三種不同類型的粘土建築。HRA:是在60kg的載荷下，用金剛石錐壓機測得的硬度。用於硬度極高的材料(如硬質合金)。
HRB:硬度是用載荷為100kg、直徑為1.58mm的硬化鋼球獲得的，用於硬度較低的材料(如退火鋼、鑄鐵)。
HRC:是用150kg的載荷，用金剛石圓錐壓力機測得的硬度。用於硬度較高的材料(如淬火鋼)。
3維氏硬度(HV)
維氏硬度值(HV)是用頂角為136的金剛石方錐壓機，以120kg以內的載荷對材料表面進行壓制，用壓痕坑的表面積除以載荷值得到的。
硬度測試是機械性能測試中最簡單的測試方法。為了用硬度測試代替某些機械性能測試，在生產中需要更準確的硬度與強度的換算關系。
實踐證明，金屬材料的各種硬度值之間，硬度值與強度值之間，存在著近似的對應關系。因為硬度值是由初始塑性變形抗力和持續塑性變形抗力決定的，材料的強度越高，塑性變形抗力越高，硬度值也越高。
[編輯本段]金屬材料的特性
金屬材料的性能決定了應用的範圍和應用的合理性。金屬材料的性能主要分為四個方面，即機械性能、化學性能、物理性能和工藝性能。金屬很硬。
[編輯本段]機械性能
(壹)應力的概念，物體內部單位截面積上所受的力稱為應力。由外力引起的應力稱為工作應力，在沒有外力作用的物體中平衡的應力稱為內應力(如組織應力、熱應力、加工過程後的殘余應力等。).
(2)機械性能，金屬在壹定溫度下，在外力(載荷)作用下抵抗變形和斷裂的能力，稱為金屬材料的機械性能(又稱力學性能)。金屬材料承受的載荷有多種形式，可以是靜載荷，也可以是動載荷，包括拉應力、壓應力、彎曲應力、剪切應力、扭轉應力、摩擦、振動和沖擊等。單獨或同時。因此，衡量金屬材料機械性能的指標主要包括以下幾項:
1.力量
這是代表材料在外力作用下抵抗變形和破壞的最大能力，可分為抗拉強度極限(σb)、抗彎強度極限(σbb)、抗壓強度極限(σbc)等等。由於金屬材料在外力作用下從變形到破壞都有壹定的規律可循，所以通常采用拉伸試驗來進行判定，即將金屬材料制成壹定規格的試樣，在拉伸試驗機上拉伸，直至試樣斷裂。確定的強度指標主要包括:
(1)強度極限:材料在外力作用下能抵抗斷裂的最大應力，壹般指拉力作用下的抗拉強度極限，用σb表示，如拉伸試驗圖中最高點b對應的強度極限，常用兆帕(MPa)，換算關系為:1mpa = 1n/m2 = (9.8)。c到材料斷裂時的最大應力(或樣品能承受的最大載荷)；Fo？c拉伸試樣的原始橫截面積。
(2)屈服強度極限:當金屬材料試樣承受的外力超過材料的彈性極限時，雖然應力不再增加，但試樣仍發生明顯的塑性變形。這種現象稱為屈服，即當材料承受外力到壹定程度時，其變形不再與外力成正比，產生明顯的塑性變形。發生屈服時的應力稱為屈服強度極限，用σs表示，拉伸試驗曲線對應的點S稱為屈服點。對於塑性高的材料，拉伸曲線上會有明顯的屈服點，而塑性低的材料沒有明顯的屈服點，很難根據屈服點的外力找到屈服極限。因此，在拉伸試驗方法中，通常將試樣上的標距長度產生0.2%塑性變形時的應力規定為條件屈服極限，表示為σ0.2。屈服極限指標可作為要求零件在工作時不產生明顯塑性變形的設計依據。但對於壹些重要的零件，也考慮了屈強比(σs/σb)要小壹些，以提高其安全性和可靠性，但此時材料利用率也較低。
(3)彈性極限:材料在外力作用下變形，但在外力撤除後又恢復原狀的能力，稱為彈性。金屬材料能保持彈性變形的最大應力為彈性極限，對應拉伸試驗圖中的E點，用σe表示，單位為兆帕(MPa): σ e = Pe/FO其中Pe為最大外力(或材料處於最大彈性變形時的載荷)。
2.可塑性，
(1)布氏硬度(代號HB)，在規定的載荷P下，將壹定直徑D的硬化鋼球壓入試樣表面，壹定時間後釋放載荷，試樣表面會留下壹個表面積為F的壓痕， 並且試樣的硬度用載荷在試樣單位表面積上的大小來表示:HB = p/f .在實際應用中，通常直接測量凹坑的直徑，根據載荷P和鋼球直徑D從布氏硬度數值表中查得布氏硬度值(顯然，凹坑直徑越大，硬度越低，布氏硬度值越小)。 布氏硬度和材料的抗拉強度有壹定的關系:σb≈KHB，K為系數，例如對於低碳鋼，K≈0.36，對於高碳鋼，K≈0.34，對於調質合金鋼，K≈0.325，…等等。
(2)洛氏硬度(HR)將壹定頂角(如120)的金剛石圓錐壓頭或壹定直徑d的淬硬鋼球在壹定載荷P下壓入試樣表面，經過壹定時間後去掉載荷，在試樣表面留下壹定深度的壓痕。凹坑深度由洛氏硬度機自動測量，以硬度讀數顯示(顯然凹坑越深，硬度越低，洛氏硬度值越小)。根據壓頭和載荷的不同，洛氏硬度可分為HRA、HRB和HRC，其中HRC是最常用的。洛氏硬度HRC與布氏硬度HB之間有如下換算關系:HRC≈0.1HB。除了最常用的洛氏硬度HRC和布氏硬度HB外，還有維氏硬度(HV)、肖氏硬度(HS)、顯微硬度和裏氏硬度(HL)。在這裏，我想解釋壹下裏氏硬度，這是目前最新穎的硬度表征方法。它是用裏氏硬度計測量的。它的檢測原理是:裏氏硬度計的沖擊裝置從固定位置松開沖頭，沖頭快速沖擊試樣表面。通過線圈的電磁感應測量沖頭在距離試樣表面65438±0mm處的沖擊速度和回彈速度(感應為沖擊電壓和回彈電壓)，用沖頭回彈速度和沖擊速度的比值表示裏氏硬度值。1000公式:HL-裏氏硬度值；Vr-打孔反彈速度；Vi-沖頭的沖擊速度(註:實際應用裝置中，沖擊裝置中閉合線圈感應的沖擊電壓和回彈電壓代表沖擊速度和回彈速度)。沖擊裝置的結構主要包括內置彈簧(加載套筒，不同類型的沖擊裝置沖擊能量不同)、導管、釋放按鈕、內置線圈和骨架、支撐環和沖頭。沖頭主要采用金剛石和碳化鎢兩種極硬球體(不同類型的沖擊器沖頭直徑不同)。優點:裏氏硬度計主機接收沖擊裝置得到的信號進行處理和計算，然後直接在屏幕上顯示裏氏硬度值。便攜式裏氏硬度計經裏氏硬度計(HL)測量後可換算成布氏(HB)、洛氏(HRC)、維氏(HV)和肖氏(HS)硬度。或者直接用布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRC)、維氏硬度(HV)、裏氏硬度(HL)和肖氏硬度(HS)根據裏氏硬度原理測量硬度值，同時可以換算出材料的抗拉強度σb，測量結果也可以存儲、直接打印或送入計算機進行進壹步的數據處理。4.韌性
金屬材料在沖擊載荷下抵抗損傷的能力稱為韌性。通常采用沖擊試驗，即壹定尺寸和形狀的金屬試樣在規定型號的沖擊試驗機上承受沖擊載荷而斷裂時，斷口上單位截面積所消耗的沖擊功代表材料的韌性:αk=Ak/F單位J/cm2或Kg？m/cm2，1Kg？M/cm2=9.8J/cm2αk稱為金屬材料的沖擊韌性，Ak為沖擊功，f為斷裂的原始截面積。5.疲勞強度極限在長期重復應力或交變應力(應力壹般小於屈服極限強度σs)作用下，金屬材料發生斷裂而沒有明顯變形的現象稱為疲勞失效或疲勞斷裂。這是因為各種原因，零件表面的應力(應力集中)大於σs，甚至σb，導致該零件產生塑性變形或微裂紋。隨著反復交變應力的增加，裂紋逐漸擴展加深(裂尖應力集中)，導致了這壹點。在實際應用中，試樣在重復或交變應力(拉應力、壓應力、彎曲或扭轉應力等)作用下，在規定的循環次數內(壹般鋼為106~107次，有色金屬為108次)所能承受的不斷裂的最大應力。)壹般視為疲勞強度極限，使用σ-6508。除了上面提到的五個最常用的力學性能指標外，對於壹些要求特別嚴格的材料，如航空航天、核工業、電廠使用的金屬材料，還要求有以下力學性能指標:蠕變極限:在壹定溫度和恒定拉伸載荷下，材料隨時間推移緩慢產生塑性變形的現象稱為蠕變。通常采用高溫拉伸蠕變試驗，即在恒定溫度和恒定拉伸載荷下，試樣在規定時間內的蠕變伸長率(總伸長率或殘余伸長率)或蠕變伸長速度在相對恒定階段不超過規定值時的最大應力，以MPa表示為蠕變極限，其中τ為試驗持續時間，t為溫度，δ為伸長率，σ為應力；或者，v是爬行速度。高溫拉伸持久強度極限:試樣在恒定溫度和恒定拉伸載荷下持續規定時間而不斷裂的最大應力，用MPa表示，其中τ為持續時間，t為溫度，σ為應力。金屬缺口敏感系數:用Kτ表示為缺口試樣與無缺口光滑試樣在相同持續時間(高溫拉伸耐久試驗)下的應力之比:其中τ為試驗持續時間、缺口試樣的應力和光滑試樣的應力。或者表示為:即在相同應力σ下，缺口試樣的持續時間與光滑試樣的持續時間之比。耐熱性:材料在高溫下抵抗機械負荷的能力。
[編輯本段]化學性質
金屬的化學性質稱為金屬的化學性質。在實際應用中，我們主要考慮金屬的耐腐蝕性和抗氧化性(也叫抗氧化性，是指金屬在高溫下對氧化的抵抗力或穩定性)，以及不同金屬之間、金屬與非金屬之間形成的化合物對力學性能的影響。在金屬的化學性能中，尤其是耐腐蝕性對金屬的腐蝕疲勞損傷具有重要意義。
[編輯本段]物理屬性
金屬的物理性質主要考慮如下:
(1)密度(比重):ρ=P/V單位克/立方厘米或噸/立方米，其中P為重量，V為體積。在實際應用中，除了根據密度計算金屬零件的重量外，非常重要的是考慮金屬的比強度(強度σb與密度ρ的比值)來幫助選材，以及與無損檢測相關的聲學檢測中的聲阻抗(密度ρ與聲速c的乘積)和射線檢測中不同密度材料的不同吸收能力。
(2)熔點:金屬由固態變為液態的溫度直接影響金屬材料的熔化和熱加工，與材料的高溫性能有很大關系。(3)熱膨脹隨溫度變化而變化(膨脹或收縮)的現象稱為熱膨脹，常用線膨脹系數來衡量，即溫度變化1℃時材料長度的增加或減少與它在0℃時長度的比值。熱膨脹與材料的比熱有關。在實際應用中，還應考慮比容(單位重量材料體積的增減，即體積與質量的比值)，特別是對於在高溫環境或冷熱交替環境下工作的金屬零件，必須考慮其膨脹性能的影響。
(4)磁性吸引鐵磁物體的性質是磁性，體現在磁導率、磁滯損耗、剩余磁感應強度、矯頑力等參數上。，這樣金屬材料就可以分為順磁性和抗磁性，軟磁和硬磁材料。
(5)電性能主要考慮其導電性，影響其電阻率和電磁無損檢測中的渦流損耗。
[編輯本段]流程績效
金屬對各種加工方法的適應性稱為工藝性能，主要包括以下四個方面:
(1)可加工性:反映金屬材料用切削工具切削的難易程度(如車、銑、刨、磨)。
(2)可鍛性:反映金屬材料在壓力加工過程中成形的難易程度，如材料加熱到壹定溫度時的塑性(以塑性變形抗力為代表)，熱壓力加工的允許溫度範圍，熱脹冷縮特性，與顯微組織和力學性能有關的臨界變形邊界，金屬在熱變形過程中的流動性和導熱性等。
(3)可鑄性:反映金屬材料熔化鑄造成鑄件的難易程度，表現為流動性、吸氣性、氧化性、熔點、鑄件顯微組織的均勻性和致密性、冷縮性。
(4)可焊性:反映金屬材料局部快速加熱，使連接部位快速熔化或半熔化(需要壓力)，使連接部位牢固結合成壹個整體的難易程度，表現在熔點、熔化時的吸雜、氧化、導熱、熱脹冷縮特性、塑性、與連接部位及附近材料的顯微組織的相關性、對力學性能的影響。
快速原型技術的原理、工藝流程和技術特點；
快速成型屬於離散/累積成型。基於成形原理，提出了壹種全新的思維方式尺寸模型，即將計算機上制作的零件三維模型網格化存儲，並進行分層，獲得各層截面的二維輪廓信息。根據這些輪廓信息，自動生成加工路徑。在控制系統的控制下，成型頭有選擇地將成型材料逐層固化或切割，形成各截面的輪廓片，依次逐層疊加成三維毛坯。然後，對毛坯進行後處理以形成零件。
快速原型制作的過程如下:
l)建立產品的三維模型。由於RP系統是由三維CAD模型直接驅動的，所以首先要構建被加工工件的三維CAD模型。三維CAD模型可以通過計算機輔助設計軟件(如Pro/E、I-DEAS、Solid Works、UG等)直接構建。)，或者可以將現有產品的二維圖紙轉換成三維模型，也可以通過激光和ct掃描產品實體，獲得點雲數據，再通過逆向工程構建三維模型。
2)三維模型的近似處理。由於產品往往具有壹些不規則的自由曲面，因此在加工前需要對模型進行近似，以方便後續的數據處理。STL格式文件以其簡單實用的格式成為快速成型領域的準標準接口文件。它使用壹系列小三角形平面來近似原始模型。每個小三角形由三個頂點坐標和壹個法向量描述，三角形的大小可以根據精度要求選擇。STL文件有兩種輸出形式:二進制代碼和ASCll代碼。二進制代碼的輸出形式所占的空間比ASCII代碼的文件輸出形式所占的空間要小得多，但是ASCII代碼的輸出形式是可以讀取和檢查的。典型的CAD軟件都有轉換輸出STL格式文件的功能。
3)對三維模型進行切片。根據被加工模型的特點，選擇合適的加工方向，在成型高度方向上以壹定間隔用壹系列平面切割近似模型，從而提取截面的輪廓信息。間隔壹般為0.05mm~0.5mm，常用0.1mm。間隔越短，成型精度越高，但成型時間越長，效率越低，反之，精度越低但效率越高。
4)成型加工。根據切片的截面輪廓，在計算機的控制下，相應的成型頭(激光頭或噴頭)根據截面輪廓信息做掃描運動，在工作臺上逐層堆積材料，然後將各層粘合在壹起，最終得到原型產品。
5)成型件的後處理。將成型件從成型系統中取出，打磨、拋光、塗層，或放入高溫爐中進行後燒結，進壹步提高強度。
快速成型技術的分類；
快速成型技術按成型方法可分為兩大類:基於激光和其他光源的激光技術，如立體光刻機(SLA)、分層實體制造(LOM)、選擇性激光粉末燒結(SLS)、形狀沈積成型(SDM)等。噴射技術，如熔融沈積成型(FDM)、三維打印(3DP)和多相噴射沈積(MJD)。下面簡單介紹壹下比較成熟的技術。
1、SLA(stereolithography Apparatus)工藝SLA工藝又稱光造型或立體光刻，由美國查爾斯·胡爾於1984年申請專利。1988美國3D系統公司推出商用樣機SLA-I，這是世界上第壹臺快速成型機。SLA成型機占據了RP設備市場的很大份額。
SLA技術是基於液態光敏樹脂的光聚合原理。這種液體材料在壹定波長和強度的紫外光照射下能迅速發生光聚合反應，分子量急劇增加，材料由液態變為固態。
SLA工作原理:液體槽中充滿液體光固化樹脂的激光束，在偏轉鏡的作用下，可以在液體表面進行掃描，掃描軌跡和有無光由計算機控制。光點擊中的地方，液體就會凝固。成型開始時，工作平臺在液面以下壹定深度。聚焦光斑根據計算機的指令在液面上逐點掃描，即逐點固化。當壹層掃描完成後，未照射的區域仍然是液態樹脂。然後升降臺帶動平臺下降壹層，成型的壹層覆蓋壹層樹脂。刮刀將粘度較高的樹脂刮平，然後掃描下壹層，新循環的壹層與上壹層牢固粘合，如此反復，直至整個零件制造完成，得到三維實體模型。
SLA方法是目前快速成型技術領域研究最多的方法，也是技術上最成熟的方法。SLA工藝成形的零件精度高，加工精度壹般可達0.1 mm，原材料利用率近100%。但這種方法也有壹定的局限性，如需要支撐、樹脂收縮導致精度下降、光固化樹脂有毒性等。
2.LOM(層壓對象制造)工藝LOM工藝被稱為層壓實體制造或分層實體制造，是由美國Helisys公司的Michael Feygin於1986年研制成功的。LOM工藝使用薄材料，如紙和塑料薄膜。片材表面預先塗有壹層熱熔膠。在加工過程中，熱壓輥對板材進行熱壓，使其粘附在下面成型的工件上。用CO2激光在新粘接的層上切割零件的截面輪廓和工件的外框，在截面輪廓和外框之間的多余區域切割上下對齊的網格。激光切割完成後，工作臺帶動成型的工件下降並與條狀板材分離。進給機構轉動接收軸和進給軸，帶動料帶移動，將新層移動到加工區。工件接頭上升到加工平面，熱輥熱壓，使工件層數增加壹層，高度增加壹個材料厚度。然後在新圖層上切割輪廓。重復這壹過程，直到零件的所有部分都被粘合和切割。最後，去除切碎的多余部分，得到分層制造的實體零件。
LOM工藝只需要切割板材上零件截面的輪廓，不需要掃描整個截面。所以厚壁零件成型速度更快，容易制造大型零件。過程中沒有材料相變，不容易造成翹曲變形。工件外框和橫截面輪廓之間的多余材料在加工中起支撐作用，因此LOM工藝不需要支撐。缺點是材料浪費嚴重，表面質量差。
3.SLS(選擇性激光燒結)工藝SLS工藝被稱為選擇性激光燒結，是由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的C.R.Dechard於1989年研制成功的。SLS工藝是由粉末材料制成的。將材料粉鋪在成型件的上表面，刮平。用高強度CO2激光掃描新鋪設的新層上的零件截面。材料粉末在高強度激光的照射下燒結在壹起，得到零件的截面，並與下面成型的零件連接。當燒結壹層截面時，新的壹層材料粉末被鋪開，下面的截面被選擇性燒結。
燒結後，去除多余的粉末，然後對零件進行拋光和幹燥。
SLS技術的特點是材料廣泛，不僅可以制造塑料零件，還可以制造陶瓷、蠟等材料的零件，尤其是金屬零件。這使得SLS工藝具有吸引力。SLS工藝不需要支撐，因為沒有燒結粉末起支撐作用。
4.3DP(三維打印)工藝三維打印工藝是由麻省理工學院的E-manual Sachs開發的。它已經被美國的Soligen公司商業化，命名為DSPC(直接型殼生產鑄造),用於制造鑄造用的陶瓷型殼和型芯。
3DP工藝類似於SLS工藝，采用粉末材料，如陶瓷粉末、金屬粉末等。不同的是，材料粉末不是通過燒結連接的，而是零件的橫截面是由噴嘴用粘合劑(比如矽膠)“打印”在材料粉末上的。
用粘合劑粘合的零件強度低，需要後處理。先燒粘結劑，再高溫熔滲金屬，使零件致密化，提高強度。
5.FDM(熔融沈積成型)工藝熔融沈積制造(FDM)是由美國學者Scott Crump於1988研制成功的。FDM的材料壹般是熱塑性材料，如蠟、ABS、尼龍等。以絲狀形式進食。材料在噴嘴中被加熱並熔化。噴嘴沿著零件的橫截面輪廓和填充軌跡移動，同時，熔融材料被擠出，迅速凝固並與周圍材料凝結。
FDM技術描述
FDM技術由Stratasys設計和制造，可用於壹系列系統。這些系統是FDM Maxum、FDM泰坦、Prodigy Plus和Dimension。FDM技術使用ABS，聚碳酸酯(PC)，聚苯碸(PPSF)和其他材料。這些熱塑性材料在半熔融狀態下擠壓成細絲，在逐層堆疊的基礎上，通過沈積直接由3D CAD數據構建原型。這項技術通常用於成型、裝配、功能測試和概念設計。此外，FDM技術可以應用於打樣和快速制造。