談談強度和剛度的問題

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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，當然談這個問題的不是個專業人員，是個領導，他因為去外邊買設備看的多所以知道這個——當然他的鉆研和思考的精神是我十分欽佩的——當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。
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他也說過國內仿制過類似的東西，就像十年磨刀大俠所說的犁，拿著國內的材料仿制下來，放到地里才發現如果材料用的和人家一樣多，強度根本就不夠；加材料提高強度再放到地里發現拖拉機耗油量顯著提高，或者拉不動，有的把鏈接都拉壞了。這個領導買設備的時候有機會參觀人家的工廠——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，記得當時說是不允許拍照的——單子大就例外了。這里面倒數那幾張照片很關鍵，一個是冷軋，一個是熱處理，還有一個是把產品夾在儀器上做應力應變測試（這些都是自己的理解）。這些其實是在視頻上截下來的，視頻上更清楚一點，論壇沒法上傳視頻，所以截的圖片。所以那個領導通過觀察發現人家是經過熱處理之后材料的特性發生改變，而這些是國內所缺失的環節。
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所以說作為一個中國的機械設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現同樣粗細的軸，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。有些機構設計的很巧妙，但運行起來某個部件沒多久就壞了，把它加強了卻發現其它地方的部件又頂不住了，很好的設備就是沒辦法投產。所以說材料問題是個十分棘手的問題。

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言歸正傳，一個偶然的機會一個老師讓我算下能不能計算出土壤鎮壓后下降的高度——種子被土覆蓋后需要鎮壓，鎮壓后種子距土表的深度對種子影響很大。經過查找文獻和實驗發現這個問題很難——影響因素多，情況也復雜，很多公式都是特定條件下的經驗公式。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果有影響；實際研究中農業中的土壤和工業建筑的土壤是分為兩個學科研究的，而且里面都是特定條件下的經驗公式，整的我頭都大了。

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但是在實驗中我發現土壤受壓的時候受力和變形曲線和材料力學中的應力應變曲線有相似之處。然后又把學過的材料力學曲線好好研究了一下。發現材料力學中的公式其實也是經驗公式。最基本的公式σ=Eε,就是說應力和應變是呈線性關系的，然后有個極限強度和屈服強度，就是說過了這些節點材料強度E就會降低，材料就容易被破壞。在土壤的下壓實驗中受壓過的土壤也是會出現一個比較線性的受力F和下壓距離S關系F=KS，K就是斜率，與前面的下壓最大力有直接關系。而在材料力學中鋼鐵的材料強度是否與所受過的最大力有關呢？我知道鋼出來后得冷軋和熱軋，而且對鋼材過應力后可增強其強度，而且鑄鐵沒有所謂的極限強度，那是因為沒有受過壓力（我對鋼鐵不太了解這些只是猜測）。

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一次實驗后我把粒徑相同的土和成了泥塊，過幾天泥塊干了之后強度顯著增加，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，肯定不是化學變化，泥土在常溫下不會發生大的化學變化；那就應該是物理變化，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促使泥土的強度增大的呢？我就做了一個假設：泥土中的水分在氣化脫離泥土的瞬間外部的大氣壓和內部形成的真空的壓力差使周圍的土產生形變，最終這個力使得干燥的土塊強度明顯增大。

' u/ |6 o, H7 ~7 m隨后我利用鼓風干燥機和真空干燥機對泥塊做了干燥實驗，為了提高干燥速度在實驗中我對泥塊進行加熱，而實際上熱空氣的實際氣壓會低于周圍的冷空氣的，所以鼓風干燥機中的氣壓要低于常壓干燥的溫度，而真空干燥機中的氣壓是最低的。干燥后得結果顯示確實常溫晾干的土塊和鼓風干燥以及真空干燥的強度是依次遞減的，而且在內部可以明顯看出了孔隙的大小不一樣。但是在這個實驗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。

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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度，但是受到了儀器設備的限制。查了一些資料，其中有一個土壤的三軸實驗，內容是土壤在四周均勻受力的情況下應力和應變是呈指數關系增長的，而且在這一過程中土壤是不會被破壞的。
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我通過以上實驗得到一些假設：實際上應力和應變是呈指數關系增長的，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越近的點受力越大，隨著力的擴散，力就會不斷減小，所以造成物體內不均勻的形變。而隨著力的不斷增大應變的差距也會隨之增大，直到應變大的地方和應變小的地方產生裂縫從而發生應力積聚，斷裂就發生了。而我們通常看到的應力和應變呈線性關系是因為物體內部由能量最小原理發生自組織變形，最后受力面上的力與總的形變呈線性關系，而實際上受力面上的金屬應力與應變應該呈指數關系的。
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根據這些就可以找到增加材料強度的方法了，一個是靠外部的壓力，古代打鐵對燒紅的鐵不斷敲應該就是這個原理，越是表面均勻均布受力效果應該越好，現在的冷軋應該也是這個原理，這個外部強度增加明顯，而內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度，而是變成氣體的碳增加了鋼鐵的強度，但在鋼鐵強度分析的文獻中，一直強調含碳量，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度增加的原因是其它金屬和鐵的熱膨脹和冷縮的系數不同，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。
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這個可不可以解釋古代將打完的鐵浸在冷水里的原因呢。如果這個假設成立，我們在煉鐵的過程中只要加大周圍的壓強那么就可以煉出任意強度的鐵了。熱處理應該也是這個原理吧。

如果上述假設成立的話，在物體的實際受力過程中我們只要不讓物體內部不同部位的應變差距增大，物體不是那么容易破壞掉的。比如在理想狀態下，我們拉扯一個細鐵棒的兩端，假設鐵棒內每個原子都是受力均勻的，原子之間同時達到斷裂的距離，這個拉力應該達到難以想象的級別。所以在設計過程中分析產品的受力變形情況，那么如果能夠將受壓的地方預先拉伸，將拉伸的地方先壓縮一下，等產品實際受力后原子之間的距離是一樣的，那么產品的強度自然而然就增強了——據說美國的犁就使用了預變形技術。

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上面這些東西我斷斷續續整了兩年，由于我做的方向和這個不一樣，所以只能利用業余時間做，而且我查資料發現高溫高壓設備我們國家主要靠進口，就是自己做材料也是國外的，且相關研究很少，所以很難進行相關實驗，從學校里出來后條件就沒有了——現在主要考慮生存和生活問題。所以這個問題從畢業以后就停止了，現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。

上進的娃

很不錯的東西，確實，材料是天朝的痛！

liruiqing888

材料，熱處理還有很長的路要走啊!!

茉莉素馨

推薦樓主找本《材料科學基礎》看一下

icegoods

這是普遍現象了。我小時候鄰家的父親在拖來廠做了一輩子材料分析，談到現在設計制造人員還不如他們那代人嚴謹，就舉了個例子：某電動工具民營企業聘他當顧問，該企業山寨為主，齒輪刀具零件質量不過關產品使用出問題，老頭就瞄了一眼拆開的零件，說：熱處理不過關，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。現在的企業不是做不好事情，迫于市場生存壓力，需方也是壓價格，企業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，工藝非但不進步反而退化，自然出不了好東西。

肆_。

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

成形極限

樓主的解釋有些視角獨特，不過液態模鍛和半固態成形確實可以在一定程度上提高性能

zerowing

通篇看了看，寫得挺好。不過個人建議，大俠不妨看看基礎方面的書，比如原子分子構成理論，比如晶格結構等等。
$ y' g8 ~4 |  |. ^* q0 `) L. R另外，分析一個變化過程不是一個單純的實驗過程，實驗只是一種檢驗方式，比如你說的泥干化后的強度硬度問題，實驗的前提是你先要弄清楚實驗對象，比如所用的泥土的成分有什么，比如內部成分中哪些可能發生化學反應，哪些可能相變等等。這些先導前提決定了你的實驗方向和研究方向。
1 _% D& \2 d6 x, A% j" {4 |再有，在公式選用時，應注意使用前提。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雜，這個跟金屬材料有本質的區別。泥土的受壓是一種分子間或者更宏觀的細微顆粒間的作用，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。這個本質上是不同的。
呵呵，學有所思很好，應當繼續堅持，不過建議多看看基礎，這樣才不止于跑偏。很多國內某行業內的專家最后載跟頭就是載在這上面。8爺總是強調基礎，就是強調這個重要性，不然都是瞎玩。

冷水黃金

好機會。但明顯感覺你的基礎知識遠遠不夠扎實。
8 g1 J* C4 ?  e9 w對材料結構根本不了解。
% e! U: Q6 p) I$ t你的猜測都是從宏觀觀感出發，根本沒深入到材料本質，其實好多東西高中已經學過了

mTomorrow

受教！！！