机械工程专业英语(武汉理工大学版)

材料和热加工

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。

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。

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

类合金。铸造温度低于538℃的那些合金，就像锌、锡和铅，是属于低温类合金。

低温类合金具有低生产成本和低的模具维修费用等优点。当铸造温度上升时，需要最佳条件下处理过的合金钢和其他特种钢来抵抗腐蚀及防止模具表面的热裂纹。

高温在模具上的损坏作用已经成为阻碍、延缓高温模铸发展的主要因素。

控制选择合金的另外一个因素就是熔融的金属在相关的机器零件上和模具上的腐蚀或溶解作用。

这种作用随着温度的升高而增加，甚至某些合金比另一些合金更为明显。特别是，铝对黑色金属有一种破坏作用，为此，铝几乎不熔混于机器零件中，而铜基合金是决不能熔混于机器构件中的。

制造中的金属成形工艺

金属成形是基础制造工艺之一。它在冶金、机器制造、电力、汽车、铁路、航空、船舶制造、武器工业、化工、电子、仪器仪表制造和轻工业中起着重要作用。

金属成形加工包括：（a）笨重型成形工艺，例如锻造，挤压，辊轧、拉拔。（b）轻薄型成形加工，例如，压弯成形，深冲（压）和张拉成形加工等。

早先讨论过的一组制造工艺中，对金属成形加工生产制造工业、军工零部件加工工业和消费品加工工业而言是具有重大意义的一套工艺加工方法。

成形加工工艺分类的一般方法是考虑冷成形加工（室温）和热成形加工（再结晶温度以上）。大多数材料在不同的温度条件下其性能是有区别的。

在冷成形加工中，通常金属的屈服应力是随着应变值增加而增大，而热成形加工中，则随着应变率（即变形率）的增加而增大。然而在各种温度条件下，控制成形加工的一般原则基本上是相同的。因此，以材料的初始温度为依据的成形加工工艺，对于了解和改进这些工艺并没有多大的促进作用。事实上，以成形前后的特殊几何形状而言，以所用材料和生产率为依据而不是以温度为依据的分类方法，可以更好地考虑工具设计，设备使用，自动化程度，制品输送及润滑等问题。

设计、分析和成形加工工艺的优化要求需要：（a）关于金属流动、应力和热传导的分析知识以及（b）关于润滑、加热和冷却技术，材料处理、模具设计和制造、成形加工设备的技术资料。关于成形加工的总体情况的了解，文献著作中的大量资料都是有用的。

锻造

锻造是借助于人工或动力锤，压力机或Spiel锻压机所施加的确定压力来进行的金属塑性加工过程，它既可是热锻也可以是冷锻。然而，当其是冷锻的时候，通常就给予该工艺以专门的名称。因此，一般讲的术语“锻造”指的是再结晶温度以上进行的热锻。

现代的锻造是由盔甲制造者和不朽的乡村锻工所实践的古代工艺发展而来的。高动力锻锤和机械压力机代替了强有力的手臂、锤头和砧座。而现代冶炼知识在控制加热和金属运送方面充实了技工的工艺技术。

已经研制出各种类型锻造工艺，这给生产提供了巨大的灵活性。它使得单件的或数以千计的相同零件的批量锻造生产变得经济成为可能。

金属可能是（1）被拉拔，增加其长度而减小其横截面，（2）镦粗，增加其横断面，而减小其长度，（3）在闭式锻模中挤压迫使金属各向流动。与锤锻的快速冲击不同，压力机锻造是用缓慢的挤压作用使塑性金属变形。这挤压作用完全被施加到正在被压锻的零件中心位置上，直至彻底使整个工件得到加工。这些压力机都是立式的，可能是机械操作也可能是液压操作的。机械操作压力机，操作速度比较快，使用最普遍，锻造能力从5000吨到10000吨范围。

对于小型压力锻使用闭式锻模。通常要求锻锤仅一个冲程就完成锻造工艺。在冲程终端产生

最大压力，该冲击压力迫使金属成形。

模具可由各自独立的单元装配而成，即把所有个别模腔都放到一起，组成整体。对于小型锻件使用分模装置更为方便。对于不同的金属在模具设计上有些区别，铜合金锻件比钢件用较小的拔模斜度，因此可生产更加复杂形状的锻件。这些合金在该种模具中流动性好，而且能快速挤压成形。

锻压机比落锤锻，输入到机器里的总能量中有更大部分的能量被传输到金属坯料上。落锤锻的冲击能量被机器和基础吸收得较多（比起压力机来）。金属上的压力衰减较快，因此生产成本比较低。大多数压力锻锻件形状、产生的表面都是对称的，而且表面非常光滑，并比落锤锻件的公差尺寸更加精确。然而落锤锻造可以锻制形状复杂而不规则的锻件，因而较为经济。

锻压机常常用来为其他锻造工艺所生产的锻件进行整形和校正加工用。

在落锤锻中，一块金属坯料，粗糙的即大体像所要求零件形状那样，被放入到具有成品件那样精确形状的模面之间，然后施加压力使模具紧紧结合在一起以锻取模腔形状。这一方法广泛用来制造钢件和黄钢件。大型金属锭现在几乎都是用液压压力机来锻造的，而不用蒸汽锤。因为用压力机锻造，变形更加深透。将来压力机可对付冷金属锭并能加工得到更加精确的尺寸。锻造将在大约与辊轧同样的温度下进行，这种工艺正像轧制那样可改善金属的物理性能。最后火锻时，不使钢太热很重要，因为过热钢冷却后，其机械性能较差。

为锻件加热，温度通常是以肉眼来判断的，但在生产大量相同锻件的场合，要锻造的坯件是在有高温计指示温度的炉子中来加热，并且常常是自动控制的。

锻造的优点和工作原理

锻造——用锻锤或压力机成形制品的技术——无疑是压力加工工艺中最古老的加工方法。它利用了金属最有价值的性能之一的优点——在高温下的塑性，即靠机械加工可使之变形的能力。

热锻是对塑性状态金属的加工。作为靠压力加工成形的金属件，它能获得致密、均匀、流线特性好、强度高，为铸造和焊接成形所无法达到的质量。自由锻质量高，生产各种形状、尺寸锻件的通用性强，它已成为一种最基本的现代加工技术。对金属每施加一次载荷，该金属就承受一次变形。随着施加的外力增加，这种改变就由小变大。如果所施外力消失后金属回复到原有的形状就说明其是弹性的，并且一旦外力作用消失就没有永久性效应。然而如果所施加外力消失，金属保持着形状的改变，则结果已发生了某些塑性变形或称非弹性变形。热加工的主要方法是锤击、施压、辊轧和挤压，自由锻有别于其他锻造工艺在于金属始终没有被完全约束或限制。槽（印）模，闭合模或落锤锻都将金属完全限制在模腔中。所陈述的各种类型的锤击锻机和压力机也都是用于模锻的。

当热锻把坯料转变成所需尺寸和形状时，这是从锻造中仅仅获得一次调质处理。通过热锻铸件的内部构造被打乱并为更精细的晶粒所代替。低密度区，显微缩孔和气隙疏松被固结起来。这样通过消除铸件结构缺陷，提高密度，改善均匀性而使机械性能提高。锻造方法的选择提供了调整晶粒流向以获得最佳的所希望的定向性能的手段。

焊接

焊接技术已经变得如此通用以致今天定义“焊接”都感到困难。以前说焊接是“用熔焊把金属连接起来”，就是靠熔合，但这一定义将不再使用。尽管熔合方法仍然是最普遍的，但它们并不是总在使用。后来又曾定义焊接为“用热把金属连接起来”，但这也不再是正确的定义。不仅金属能焊接，许多塑料也能焊接。而且，几种焊接方法不需要热。每个机械工作者都熟悉无热焊接。冷压焊在某些情况下是一个合适的焊接方法。除压力焊接之外，我们还可用声焊和用著名的激光焊。面对年复一年地发展的焊接方法多样性，这里我们必须采用以下焊接定义：焊接是一种无须用固紧装置而使金属和塑料连接在一起的方法。