【正文】 常有用和精確的數(shù)據(jù)。它們可以告訴工程師應(yīng)該使用的安全系數(shù)和對于給定使用壽命時的可靠性。在設(shè)計過程中，只要能夠獲得這種數(shù)據(jù)，工程師就可以盡可能好地進行工程設(shè)計工作。 如果零件的失效可能會危害人的生命安全，或者零件有足夠大的產(chǎn)量，則在設(shè)計前收集這樣廣泛的數(shù)據(jù)所花費的費用是值得的。例如，汽車和冰箱的零件的產(chǎn)量非常大，可以在生產(chǎn)之前對它們進行大量的試驗，使其具有較高的可靠性。如果把進行這些試驗的費用分?jǐn)偟剿a(chǎn)的零件上的話，則每個零件攤到的費用是非常低的。 你可以對下列四種類型的設(shè)計作出評價： (1)零件的失效可能會危害人的生命安全，或者零件的產(chǎn)量非常大，因此在設(shè)計時安排一個完善的試驗程序會被認為是合理的。 (2)零件的產(chǎn)量足夠大，可以進行適當(dāng)?shù)南盗性囼灐? (3)零件的產(chǎn)量非常小，以至于進行試驗根本不合算；或者要求很快地完成設(shè)計，以至于沒有足夠的時間進行試驗。(4)零件已經(jīng)完成了設(shè)計、制造和試驗，但其結(jié)果不能令人滿意。這時候需要采用分析的方法來弄清楚不能令人滿意的原因和應(yīng)該如何進行改進。 我們將主要對后三種類型進行討論。這就是說，設(shè)計人員通常只能利用那些公開發(fā)表的屈服強度、極限強度和延伸率等數(shù)據(jù)資料。人們期望著工程師在利用這些不是很多的數(shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)上，對靜載荷與動載荷、兩維應(yīng)力狀態(tài)與三維應(yīng)力狀態(tài)、高溫與低溫以及大零件與小零件進行設(shè)計!而設(shè)計中所能利用的數(shù)據(jù)通常是從簡單的拉伸試驗中得到的，其載荷是逐漸加上去的，有充分的時間產(chǎn)生應(yīng)變。到目前為止，還必須利用這些數(shù)據(jù)來設(shè)計每分鐘承受幾千次復(fù)雜的動載荷的作用的零件，因此機械零件有時會失效是不足為奇的。 概括地說，設(shè)計人員所遇到的基本問題是，不論對于哪一種應(yīng)力狀態(tài)或者載荷情況，都能利用通過簡單拉伸試驗所獲得的數(shù)據(jù)并將其與零件的強度聯(lián)系起來。 可能會有兩種具有完全相同的強度和硬度值的金屬，其中的一種由于其本身的延展性而具有很好的承受超載荷的能力。延展性是用材料斷裂時的延伸率來量度的。通常將5％的延伸率定義為延展性與脆性的分界線。斷裂時延伸率小于5％的材料稱為脆性材料，大于5％的稱為延性材料。 材料的伸長量通常是在的計量長度上測量的。因為這并不是對實際應(yīng)變量的測量，所以有時也采用另一種測量延展性的方法。這個方法是在試件斷裂后，測量其斷裂處的橫截面的面積。因此，延展性可以表示為橫截面的收縮率。 延性材料能夠承受較大的超載荷這個特性是設(shè)計中的一個附加的安全因素。延性材料的重要性在于它是材料冷變形性能的衡量尺度。諸如彎曲和拉延這類金屬加工都需要采用延性材料。 在選用抗磨損、抗侵蝕或者抗塑性變形的材料時，硬度通常是最主要的性能。有幾種可供選用的硬度試驗方法，采用哪一種方法取決于最希望測量的材料特性。最常用的四種硬度數(shù)值是布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和努氏硬度。大多數(shù)硬度試驗系統(tǒng)是將一個標(biāo)準(zhǔn)的載荷加在與被試驗材料相接觸的小球或者棱錐上。因此，硬度可以表示為所產(chǎn)生的壓痕尺寸的函數(shù)。這表明由于硬度是非破壞性試驗，而且不需要專門的試件，因而硬度是一個容易測量的性能。通?？梢灾苯釉趯嶋H的機械零件上進行硬度試驗。 熱處理是鍛后一次或多次重新加熱和泠卻操作的熱循環(huán)過程，使鍛件獲得所需的顯微組織和機械性能。 幾乎所有的鍛件都需要進行某種形式的熱處理。沒有經(jīng)過熱處理的鍛件，或者是應(yīng)用場合不太重要的碳含量相對較低的零件，或者是那些需要進一步熱加工后再熱處理的鍛件。鋼的化學(xué)成分、產(chǎn)品的規(guī)格和形狀以及所希望的性質(zhì)是選擇后面提到的生產(chǎn)過程的重要因素。 金屬熱處理的目的是使金屬獲得所需的物理性能，或者是消除那些在材料生產(chǎn)和加工中可能出現(xiàn)的組織結(jié)構(gòu)缺陷。應(yīng)用任何熱處理方法都應(yīng)該知道“以前的歷史”或材料的組織狀態(tài)，這樣才能夠確定一種具體的處理方法并達到預(yù)期的結(jié)果。如果缺乏前面加工的有關(guān)信息，必須對組織結(jié)構(gòu)進行顯微研究以便確定要采用的正確的步驟。 經(jīng)常使用的商業(yè)熱處理是指把材料加熱到某一預(yù)定的溫度，在此溫度下進行均熱，即進行保溫，并按規(guī)定速度在空氣、液體或在保溫介質(zhì)中冷卻。 球化處理是指在略低于臨界溫度的條件下，對鐵基合金持續(xù)長時間加熱，緊接著以較慢的速度在空氣中冷卻。在臨界溫度和略低于臨界溫度的范圍內(nèi)長時間重復(fù)加熱，小型高碳鋼零件可以更迅速地球化。這種熱處理的目的是生成球狀碳化物組織。 正火是指把鐵基合金加熱到臨界溫度以上，緊接著在低于臨界溫度下自然冷卻。其目的是消除金屬的組織結(jié)構(gòu)因某種加工操作產(chǎn)生的全部內(nèi)應(yīng)力、內(nèi)應(yīng)變而恢復(fù)到正常狀態(tài)。 淬火工藝可以增加材料的硬度、抗拉強度，減少其延展性并獲得細微的晶格，方法是把金屬加熱到材料的臨界溫度之上后迅速冷卻。加熱時，鐵和碳之間發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)。而在臨界點或者臨界溫度，鋼可以獲得最理想的特性。當(dāng)鋼被加熱到1400與1600下之間后，如果迅速冷卻，反應(yīng)將有利于生成一種堅硬、強韌的材料。如果慢慢地冷卻，金屬會回變成原來的狀態(tài)。把熱金屬投入到水、油或者鹽水(淬火液)中，金屬理想的特性被保持，變得非常堅硬、強韌，但延展性比原來卻有所降低。 迅速淬火的鋼很脆，應(yīng)用十分有限?；鼗鹂梢越档陀捕群痛嘈裕共牧蠞M足工作條件。隨著這些特性的降低，鋼的抗拉強度同時降低，但延展性和韌性有所提高。回火操作為把淬過火的鋼重新加熱到臨界溫度以下，然后以任意的速度冷卻。雖然這種工藝使鋼變軟了，但與退火不同的是這種工藝本身可以精密控制材料的物理特性，并且大多數(shù)情況下比退火的鋼要硬一些。充分淬火的鋼經(jīng)回火所得的最終結(jié)構(gòu)稱為回火馬氏體。淬過火的鋼的主要成分是馬氏體，由于不太穩(wěn)定，因而可以進行回火處理。低溫回火的溫度從到(到)，硬度降低不多，主要用于釋放內(nèi)應(yīng)力。隨著回火溫度的增加，馬氏體的分解速度越來越快，在大約時迅速變成回火馬氏體。回火操作可以描述為滲碳體的沉淀、積聚或結(jié)合。滲碳體在時充分積聚，使硬度降低。增加溫度使碳素體積聚，使硬度繼續(xù)降低。 退火的主要目的是使硬度較高的鋼變軟，以利于機加工或冷加工。通常的操作是把鋼稍微加熱到臨界溫度以上形成奧氏體并保溫，當(dāng)整個零件的溫度完全均衡后再慢慢地冷卻，以保證零件表面與中心的溫度大致相同。這種工藝稱之為完全退火，因為它消除了所有前面工序遺留的結(jié)構(gòu)缺陷，細化了晶格，使金屬變軟。退火還可以釋放金屬中殘留的內(nèi)應(yīng)力。 當(dāng)淬過火的鋼被重新加熱到l臨界溫度之上時，其成分回變成奧氏體，此時緩慢冷卻可以提供充分的時間把奧氏體完全轉(zhuǎn)換成為較軟的組織。對于低碳鋼(亞共析鋼)，這些組織就是珠光體或鐵素體。 退火時的加熱溫度依賴于鋼的成分，碳素鋼的加熱溫度從鐵碳平衡圖中很容易獲得。加熱的速度應(yīng)該與零件截面的大小一致，以便使零件中心部分的溫度盡可能均衡。當(dāng)加熱到退火溫度時，應(yīng)該保溫使零件徹底熱透。為了盡可能使鋼變軟并獲得最好的延展性，冷卻速度應(yīng)該十分緩慢，例如可以隨加熱爐一起冷卻。碳的含量越高，冷卻速度必須越慢。7