材料学毕业生论文

时间:2018-03-20 13:48:51 材料毕业论文 我要投稿

材料学毕业生论文

  引导语:金属是工业应用最广泛的材料之一。许多金属元素,由于其自身性能的限制,不适合在高温下作业。但是在能源化工,冶金等领域,许多零构件又必须在高温高压系统中长期运转。以下是YJBYS的小编为大家找到的材料学毕业生论文。希望对大家有所帮助!

材料学毕业生论文

  材料学毕业生论文【一】

  摘 要:本文通过分析金属材料的高温蠕变性能,从蠕变的宏观规律谈起,引出金属高温的几个性能指标,到分析晶体内部的蠕变变形机制,揭示其蠕变的本质,最后提出在实际生产中提高蠕变抗力的途径。

  关键词:金属;蠕变速率;变形机制

  金属是工业应用最广泛的材料之一。许多金属元素,由于其自身性能的限制,不适合在高温下作业。但是在能源化工,冶金等领域,许多零构件又必须在高温高压系统中长期运转,例如,高压锅炉、反应容器、蒸汽轮机等,这就对其使用材料提出了更高的要求。而且,我们也不能再用一些常温性能指标来衡量其高温力学性能。所以,深入了解金属材料的高温力学性能,正确评估构件的使用寿命和安全性,成为材料科学研究的重中之重。

  周围生活中,我们会发现,灯泡用久了,就很容易坏掉。其中一个重要原因就是灯丝由于自身的重量产生的应力,引起灯丝发生形变。过多的形变会使灯丝相互接触,引起短路,随之也就废掉。还有蒸汽涡轮发电站中,发动机长期处于高温高压系统中,涡轮叶片就会发生形变,积累到一定程度就会接触到外套,影响正常工作。这些都是金属材料在高温的一个重要力学现象――蠕变。

  所谓蠕变,是指在一定的温度和较小的恒定外力(拉力、压力、扭力)作用下,材料的形变随时间的增加而逐渐增大的现象。严格来说,蠕变可以发生在任何温度,但是只有当T/TM大于0.3时,蠕变现象才会明显。这样说来蠕变的研究对于金属材料的高温使用有着重要的意义,下面我们从以下几个方面来简单分析一下金属材料的蠕变。

  1、蠕变的宏观规律

  金属材料蠕变的宏观规律我们可以用蠕变曲线来描述。曲线上任一点的斜率来表示该状态的蠕变速率,并按其速率大小可以分为三个阶段:

  1.1 减速阶段

  蠕变的速率随时间的延长而减小。又称为过渡蠕变阶段,实质上是一个加工硬化过程。

  1.2 恒速阶段

  蠕变速率几乎不变,又称为稳态蠕变阶段。其稳态蠕变速率决定了蠕变寿命及总的伸长量。

  1.3 加速蠕变阶段

  蠕变速率一直增大直到发生断裂。

  影响蠕变过程的根本原因在于材料自身性质。但对于同种材料来说,蠕变过程的两个重要参数是温度和应力。增大应力或是提高温度时,蠕变寿命变短,变形速度快,耐高温性能差。

  2、金属高温力学性能指标

  金属高温力学性能指标主要有蠕变极限,持久强度和应力松弛的稳定性。这些参数可以用于评定金属的蠕变性能。

  蠕变极限 蠕变极限是指高温长时间载荷作用下,机件不致产生过量塑性变形的拉力指标。蠕变极限与常温下机件设计的选用是相似的,材料蠕变极限中所选用的温度和时间,一般是由机件的具体服役条件来决定的。必须确保应力在一定的温度和时间范围内不会产生过量蠕变。因此我们可以把,在给定温度下,使试样在第二个阶段产生的规定稳态蠕变速率的最大应力表示为蠕变极限。

  持久强度是指材料在一定的温度和规定的持续时间内引起断裂的最大应力值。高温工作的构件对蠕变变形要求不严格,以持续强度作为设计机件的主要依据。若对蠕变变形要求严格,则需以蠕变极限为其依据。

  应力松弛的稳定性,是指高温工作下的紧固螺栓,若维持其恒定形变,紧固应力会随着时间延长而不断下降的现象。因为应力松弛现象是在温度和总应变不变的情况下,由弹性变形转化为塑性变形,即逐渐发生形变,使初始应力下降的情况。该性能指标可以用来评价材料的高温预紧应力,进而来检测构件的安全性。例如,汽轮机的紧固件,随着时间的延长,剩余应力低于气缸螺栓的工作应力时,会发生泄气。设计时,应考虑其应力松弛,以保证其使用安全。

  3、蠕变变形机制

  金属晶体在常温下的变形,可以通过位错的滑动,产生滑移和孪晶两种变形方式,但在高温条件下,原子扩散较为显著,使得蠕变变形机制也发生了改变。

  位错蠕变机制。这种机制适合于温度低应力高,多数工业用抗蠕变合金属此类。材料的塑性变形主要是由位错滑移引起的,但在常温时位错容易受阻,变形只能到一定程度。高温时位错可以通过攀移,使位错遇到障碍时做垂直于滑移面的`运动,,从而使位错得以增殖和运动。

  扩散蠕变机制。适合于温度高应力低时。它是在高温条件下,原子和空穴发生热激扩散引起的,外力作用下,原子和空穴因势能不同会发生由高势能向低势能的定向扩散。垂直于外力的晶界拉伸,平行于外力的晶界压缩,产生蠕变。

  晶界滑动蠕变。高温下晶界的原子容易扩散,受力后易产生塑性变形,即蠕变。温度越高,晶界滑动作用越强,同时还要求与晶内变形配合的很好,否则易产生裂纹。

  由上述蠕变变形的机理可知,蠕变是在一定的应力条件下,材料热激活微观过程的宏观表现。要降低蠕变速率,提高蠕变极限,就必须控制位错攀移的速率。要提高持久强度,就必须控制晶界的滑动。阻碍空位的形成与运动。也就是说,要提高高温力学性能,就要控制晶内和晶界原子的扩散过程,可以通过以下几种途径:

  合金化。材料蠕变根本在于其自身的性质。实际生产中,我们选用耐高温的金属,实质上是选用熔点高,自扩散激活能大,层错能低的元素或合金,因为这些元素扩散慢,有利于降低蠕变速率。使得蠕变变形困难。

  冶炼工艺。金属晶体内部含有很多夹杂物或是气体,使得晶内有很多缺陷 。高温合金的使用中,垂直于应力方向的横向晶界上易产生裂纹。定向凝固工艺,使柱状晶沿受力方向生长,减小横向晶界,可大大提高持久强度,轮叶断裂寿命可提高四到五倍。

  在冶金化工等方面,蠕变是我们评定在高温或是高应力下长时间服役的构件的一个重要力学性能指标,也许大部分蠕变是组成失效模型的一种机制,但也有部分蠕变是有利于生产的。为此,我们可以引其益处,减其劣点,使其更好的为实际生产服务,同时,我们也需要更深入的研究其机理,以便得到更广泛的应用。

  结语

  为更好的理解金属的蠕变性能,需要从宏观规律与内在形变本质两个方面把握,深入分析蠕变机制,以便寻找出更好的提高蠕变抗力的途径。合理的应用蠕变抗力,更好的满足人们的生活需求。

  参考文献

  [1]王从曾.材料性能学[M].北京:北京工业大学出版社,2007:124-133.

  [2]胡赓祥,戎咏华.材料科学基础[M].上海:上海交通大学出版社,2007:214-216.

  [3]何曼君,张红东,陈维孝,董西侠.高分子物理[M].上海:复旦大学出版社,2009:232-239.

  材料学毕业生论文【二】

  摘要:材料力学性能是指材料结构在常温、静载等环境下的作用下从宏观角度观察得到的力学性能,其是确定各种工程设计参数的主要依据,因此,对材料力学性能进行分析与研究具有重要的意义。构件的强度、刚度与稳定性,不仅与构件的形状、尺寸及所受外力有关,而且与材料的力学性能有关。本文基于笔者多年工作经验,详细的介绍了材料的结构,重点分析了材料受牵引和压缩时的力学性能,并且研究了多晶体材料力学性能的特点和新型材料的力学性能。

  关键词:多晶体;新型材料;力学性能

  1、材料的结构

  材料的结构是指材料的组成单元之间互相排斥、互相吸引的作用达到平衡时的空间分布。从宏观到微观有三个不同的层次,分别是宏观组织结构、显微组织结构和微观结构。其中,宏观组织结构是指用肉眼或者使用放大镜观察到晶粒、相的集合状态。显微组织结构也可称为亚微观结构,它是利用电子显微镜或者光学显微镜观察到材料内部的微区结构或者晶粒、相的集合状态。微观结构是比显微组织结构更细的一层结构,它包括分子结构、原子结构、分子的排列结构以及原子的排列结构。通常情况下,金属材料也被看做是由晶体的聚集体组成的。例如,合金可以看做是母相金属原子的晶体和加入的合金晶体等聚集形成的聚集体;纯金属被看做是微细晶粒的聚集体。晶粒晶界上的结合其实是机械组合,展开来讲就是当金属由高温熔体凝固析晶时,彼此啮合牢固的在一起。晶粒之前的接触面积越大,结合力也就越大。晶粒内部的结合力要大于晶粒间的结合力。软铜、钢、铝、金可以承受较大的变形和塑形是因为在发生滑移变形时,原子间的相互位置依次错开,并形成新的键,原子之间的键很难断开。

  2、材料的力学性能理论

  2.1 材料受牵伸时的力学性能

  塑形材料是指在外力作用下,产生巨大变形但不易被破坏的材料。屈服强度是指金属材料发生屈服现象时的屈服极限,也是指抵抗微量塑形变形的应力。脆性材料是指在外力作用下,产生极小的变形,如陶瓷、灰口铸铁等,不存在缩颈现象和屈服阶段。

  2.2 材料受压缩时的力学性能

  压缩试验是用来测定材料受压时的力学性能。在金属压缩试验时,大多采用短粗圆柱形试样,细长试样在压缩时极易失稳。相同的是,在屈服以前,拉伸曲线和压缩曲线基本相同。不同的是,低碳钢试样在压力逐渐增大的情况下,越来越扁。

  2.3 材料的力学性能分析

  刚度、强度和稳定性是评价一种材料和结构力学性能的三大要素[3]。刚度是指材料抵抗变形的能力,具体体现在变形分析上。强度是指材料抵抗破坏的能力,具体体现在应力分析中。断裂和疲劳也是强度问题的一部分,断裂在宏观中是因为结构中裂纹的扩展,结构中的最大应力大于结构材料的破坏极限引起断裂。在微观中是由于分子之间或者是原子之间的键断开引起的。疲劳问题主要出现在塑形较高的材料中。对于强度更进一步的分析是弹塑性极限分析。稳定性是指结构抵抗外来扰动的能力,尤其是板、梁、壳在压缩荷载下的稳定性问题。稳定性问题是结构设计和分析中非常重要的一个问题,可以从不同的理论分析稳定性问题,一方面是振动分析,结构的模态、动力相应和固有频率,对结构固有频率进行分析目的是为了避免结构的固有频率和外力频率接近引起的共振破坏。弹性稳定性理论还有初始后屈曲理论、非线性大挠度理论和前屈曲一致理论等。薄壳稳定性有塑性稳定性理论和弹性稳定性理论等。

  3、多晶体新型材料力学性能分析

  工程中的金属材料很大一部分是多晶体材料,由于各晶粒是通过晶界联结在一起,各晶粒的空间取向是不相同的,因此也就决定了多晶体材料塑性变形的特点。各晶粒塑性变形时的不均匀性和不同时性,当多晶体试样受到外力作用时,虽然大部分晶粒还处于弹性变形范围之中,个别取向有利的晶粒中和试样的宏观切应力方向一致的滑移系统中首先达到了滑移要求的临界条件,因此塑形变形从这些晶粒开始。随着应力的逐渐增大,参加塑形变形的晶粒逐渐增多。由于这种原因,多晶体材料的塑形变形不会发生在不同晶粒中。受此影响,塑性变形和连续屈服材料的应力之间没有明显的界限。

  同时,在同一个晶粒内的不同区域的变形量是不同的。因为在一个晶粒的塑形变形会受到相邻不同位向晶粒的限制,加之各晶粒的位向差异,此限制在变形晶粒的不同区域中是不同的。变形的不均匀性,不仅体现在同一晶粒内部,而且也反映在试样的不同区域和各晶粒之间。例如多相合金,变形首先发生在软相上,组织越不均匀,各相性差异越大,变形的不均匀性越严重,变形的不同时性越明显。物体内任一点的应变状态可用切应变分量和正应变分量表示,由于各晶粒塑性变形的不均匀性和不同时性,为了维持试样的变形连续性和整体性,滑移必须在更多的滑移系统上配合地进行,各晶粒必须相互协调。

  综上所述,同时开动滑移系统是多晶体内任一晶粒实现任一变形的必要条件。通过研究发现,晶体塑性变形是一个非常复杂的过程。最初的晶体转动或者滑移系统受阻后,没有启动的滑移系统上的切应力升高,当达到临界切应力时,进入滑移状态。由此,一个晶粒中就启动了几个滑移系统,从而形成了多系滑移的局面。多系滑移产生的结果是滑移系的相互切割和交叉,这就是拉伸试样表面出现的滑移带交叉的现象。其实,在塑性变形中,也可能出现孪生机制。滑移系统足够多时,变形 的协调性可以得到充足保证,以适应宏观变形的要求。由此可以得出,滑移系统越多越有利于变形协调,任意变形的要求也更容易适应,材料的塑形越好。在工程的实际应用中,形变强化得到了广泛应用,作为金属材料的最重要的性质之一,变形强化使金属零件具备了抵抗偶然超载的能力,保证了工程安全。

  参考文献

  [1]王晓天,李延君,温泳.材料力学综合性、设计性实验的研究与实践[J].科技资讯,2012,23.

  [2]韩祥凤,王海港.材料力学性能测试的实践型学习探讨[J].装备制造技术,2009,05.

  [3]王瑾,李瑞涛.非均质材料的力学性能评价研究[J].科技创新导报,2010,15.

  [4]张晖辉,陈鐾,刘峰.对材料力学中挤压实用计算公式的讨论[J].力学与实践,2012,04.