工程材料中“材料有什麼特性”？

我們做設計其實就是在做選擇 那麼像我們的結構怎麼定 對吧 軸身怎麼選 電機怎麼配 每一步它都是在做選擇 但是在所有的選擇裏面 最基礎的最關鍵的 其實也就是材料 那麼材料選對了 零件的強度夠 壽命長好加工 成本還合理 那麼選錯了的話 你要麼用不了 要麼造不出來 要麼成本炸了 所以今天這節課 我會帶大家把材料的各種特性 全部都過一遍 從列約性能到加工性能 然後再到環境性能 一步講清楚 這節課就是主要講四個東西 第一個的話 就是我們核心的概念 比如說我們的強度 硬度 速性 韌性等等 它們什麼意思 對吧 你不能說光是這個字 你不代表它 你不知道它的意思 對不對 那麼第二的話 就是我們要學會 它的一個性能的變異 對吧 就是我們什麼場景下 我們需要要求它 什麼性能比較突出一點點 比如說 它需要耐磨 對吧 它需要硬度高 它需要抗拉強度比較強一點 它需要抗減強度比較強一點 什麼場景 它需要什麼性能 這個我們需要清楚 然後第三個 就是我們需要知道 這個零件 它的一個加工方面的東西 比如說它切削性能怎麼樣 它的熱數理性能怎麼樣 它的焊接性能怎麼樣 等等 對不對 然後第四個的話 就是我們要建立選行思維了 性能要合理 然後它又要成本低一些 我們要綜合來評估 這是我們這節課的 四個方面的一個內容 那麼我們先來看到 第一個東西 就是它的一個強度的定義 和工程意義 那麼像強度的定義的話 其實它就是 金屬材料在載荷的作用下 抵抗過量塑性變形 或者說斷裂的能力 那麼它是決定零件 承載上限與結構安全 預度的關鍵力學性能 直接關係到產品的可靠性 說白了 就是你這個材料 它的強度不夠的話 是不是 你這裏你放10千克的負載 沒問題 你放20千克的負載 可能沒問題 你放30千克的負載 它直接斷了 那行不行 那不行 是吧 所以說我們要搞清楚 這個強度有什麼用 那麼強度的話 它其實分爲四個方面 第一個就是這裏的抗拉強度 對吧 比如說現在有根軸 我來拉它 如果說我一拉就拉斷了 那麼它這個抗拉強度怎麼樣 那肯定不行 是不是 那麼第二個話 就是我們的抗壓強度 抗壓強度 比如說現在這把椅子 現在我坐的這把椅子 我坐上去沒問題 對不對 它的抗壓強度可以 比如說換一個很胖的人 可能一噸重的人坐上去行不行 那不行 它的抗壓強度就不行 對吧 那個椅子垮了 那抗壓強度就不行 那麼再一個就是抗彎強度 抗彎強度 比如說現在有一根軸 我來把它這邊捏住 這邊我們來轉它 就相當於我們平常去幹嘛 去擰乾毛巾的水分一樣 對不對 我弄一根軸 這麼去擰它 它容不容易形變 這就是抗彎強度 然後再一個就是抗減強度 那麼我拿一把剪刀 我去剪這個缸 它容不容易被我剪開 那麼這是抗減強度 那麼主要的話是這4個強度 來決定它的一個力學性能 那麼我們來拿一個具體的案例 分析一下 比如說齒輪 對不對 那麼齒輪這個東西的話 在我們機械裏面 應該是用的很多的 很多工箱 我們都會用到齒輪 那麼它選什麼材料 選什麼熱處理等等 它都有講究的 比如說第一個輕載工化 那麼我們用什麼 我們用尼龍 用賽鋼 對吧 用這些工程塑料 那麼它的工程化主要是助速成型 它不需要你熱處理 那麼它有什麼優勢呢 運行靜音 沒聲音沒噪音 對不對 低成本容易加工 這玩意兒 但是的話 它適合低速小你去的一個場景 你如果說你拿一個這種尼龍賽鋼的齒輪 去驅動一輛小車去轉 它驅動的了嗎 它驅動不了 它直接斷了 對不對 直接裂了 那肯定不行 是吧 它只能搞一些小設備 小東西 比如說我們辦公設備 機密儀器等等 那麼第二的話 就是我們的中載工況 中載工況的話 那麼比如說我們的一些那種 飛鏢三段話裏面 那些這種齒輪 齒條的一個模組 對吧 比如說我們的負載 有個十幾千克 有幾十千克 這種中載的情況 那麼一般的話 我們選材就選擇45號鋼 或者說440克等合金鋼 那麼它一般的話 需要調製加表面淬火 調製加表面淬火 就是提升它的一個表面的 一個耐磨度硬度 對吧 因爲齒輪的話 它需要涅合 那麼涅合的話 那麼它們就會有摩擦 那麼有摩擦的話 它就需要你耐磨 對吧 如果說你不表面淬火的話 你不耐磨 磨兩下 它就磨損了 那行不行 那肯定不行 對吧 這是中載情況下 那麼像中載情況下 那麼我們就要用這種低碳合金 深碳鋼了 這個220克蒙泰 那麼它需要深碳 然後淬火 然後再低溫回火 它的表面比較硬 但是它內心比較韌 比較韌 它的抗衝鋸能力很強 並且高 並且它具有很高的耐磨性 其實這裏的中載工況 相比於這裏的中載工況 其實它們沒有本質的區別 只不過它的一個強度更大了 這是我們的一個齒輪材料的 一個強度匹配 再來看到我們的強度 較合於反正工具 對吧 你不能說單純的憑你的經驗 當然憑經驗也沒錯 對吧 但是可能有一些比較陌生的 工況 你如果說憑經驗的話 它可能就不行 特別是那些工程機械 那些中載的情況下 如果說你單純的憑經驗的話 它可能有時候會發生事故 那麼我們還是要仿真一下 對吧 那麼反正的話 你可以通過理論的簡易計算 對吧 我們可以通過一些那種公式 比如說計算牢度 計算它的一個形變量 我們可以通過公式 來弄 但是現在我們用這種公式嗎 我們不用 我們用什麼 我們用有序員分析 對吧 第一個有序員仿真 第二個也是我們sudobox的simulation 當然的話 simulation其實 在sw裏面 其實在仿真裏面是比較low的 那麼用最多的還是 還是這個essence 那麼再一個 就是它的一個硬度 硬度這個東西 硬度是衡量材料 軟硬程度的核心指標 那麼表真材料表面抵抗局部 粟性變形 比如說壓痕滑痕的能力 那麼它與材料的耐磨性 屈服強度 以及疲勞性 是密切相關的 也是我們機械世界與材料 子彈解讀中 不可或缺的參考依據 那麼像我們硬度的話 其實是有4種方式來表達 第一個是這種布式硬度 那麼它適用於退火 正火鋼 等軟材質的材料 採用球頭 球形壓頭能反映材料 平均硬度 那麼再一個的話 弱勢硬度 也是我們用的最多的HRC 布式的話是HPW 那麼弱勢的話是HRC 那麼裝爲退火後 高硬度鋼設計的 那麼它的測試效率高 讀數便捷直觀 那麼再一個就是我們的 僞勢硬度 那麼它的一個測量硬度高 對吧 那麼可以測一些那種很薄的零件 比如說表面我剩碳了 剩氮了 對不對 測這種 那麼再一個的話 就是少勢硬度HS 那麼專門爲非金屬材料設計的 那麼廣豐用於橡膠塑料泡沫 等彈性光束軟材質的來 來設計的一個硬度 比如說我們的 比如說現在我們一根軸 對吧 它上面包膠了 那麼包膠的話 它這個包膠用多少 那麼就用少勢硬度來測 那麼我們再來看到 塑性 塑性的話 它就是鍛鍊前的一個變形能力 那麼其實塑性這個東西 你越強的話 它的延展性就越好 那麼它的一個核心定義 就是金屬材料 在載荷的作用下 產生永久變形 而不破其完整性的能力 這是材料從受力到鍛鍊前的 關鍵物理特性 那麼它有幾個關鍵的物理量 第一個伸長率 對吧 那麼適量拉到後 標據段的伸長量 與原始標據的百分比 反映材料均勻變形的能力 像塑性的話 板件的塑性比較不錯 鋁合金的塑性也比較不錯 板件的話 其實就是碳鋼 然後再就是不鏽鋼 它們的塑性都不錯 因爲它們可以當板件 它們可以折彎 對吧 你正常塑性不行的話 你能折彎嗎 你折不了一點 它就是斷面收縮率 斷口面積 減縮量與原始橫截面積的百分比 體現材料局部集中變形的能力 那麼塑性越好的材料的話 它主要是用於充壓 鍛造 渣質等壓力加工工藝的前提 決定了零件的成型質量 那麼像過載石 它也會產生明顯的塑性形變 作爲預警 避免發生突然的脆性斷裂事故 是硬度越高的材料 它可能就越脆 那麼你塑性越強的材料的話 就不可能很硬 這是它們之間的一個關係 比如說我們的易拉罐 對不對 用鋁做的 它的塑性就很好 那麼它就是韌性了 那麼韌性是指材料在充其載而下 吸收能量 並抵抗破壞 抵抗破壞的能力 它是材料強度與塑性的綜合體現 決定了材料抵抗突發 外力衝擊的極限 那麼它的一個衡量指標是什麼 就是衝擊韌性值 單位是什麼 焦耳 也就是能量 那麼通常通過擺錘衝擊測試來測定 那麼AK值越高 代表材料斷裂前吸收能量越多 抗衝擊能力越強 用這個玩意來錘它 對吧 來錘它 那麼韌性材料的一個特質 就是什麼 就是斷裂前 它會產生明顯的塑性變形 斷口呈纖維狀 污染粗糙 例如我們的結構鋼 銅鑼金等等 那麼像錘性材料 它的一個特徵 斷裂時沒有明顯的變形 吸收能量極少 斷口平整且有光澤 例如玻璃 陶瓷 鑄鐵 這種很脆的東西 它的一個斷裂是比較平整的 它不粗糙 那麼像韌性的材料的話 它的斷裂的話就很粗糙了 一摸隔世 錘性材料一摸很光滑 這是韌性的一個東西 那麼像其他比較重要的利弊性 第一個我們的耐磨性 那麼材料抵抗表面磨損的能力 是能量材料在磨砂衝擊功能下 耐用度的關鍵指標 耐磨性 我覺得還是比較重要的 那麼比如說我們的軸承 齒輪 導軌 還有刀具等等 它們都是需要有很強的耐磨性的 如果說你刀具這玩意 你不耐磨 你戳兩下這個材料 你就磨損了 這行不行 這不行 對吧 還有軸承 它的內旋外旋 都要和滾珠來發生磨砂 對不對 如果說這個時候你不耐磨 你轉個幾天你就磨損了 那沒精度了行不行 也不行 對吧 那麼再接着的話 就是抗疲勞性 那麼它的工程意義的話 是指材料在交變引力下 抵抗裂紋萌生和擴展能力 那麼數據表明 超過80%的機械零件失效 源於疲勞斷裂 是結構設計中 需要重點防範的失效形式 比如說現在我有一根鐵絲 對不對 我把它轉過來轉過去 轉過來轉過去 可能掰幾下 它就斷了 對不對 這說明什麼 說明它的抗疲勞性不行 那麼抗疲勞性越差的話 其實也就越容易斷裂的 那麼再一個就是拋光性了 拋光性 那麼它是指材料 經過機械加工 獲得鏡面效果的難易程度 那麼對於住宿模具形象而言 極佳的拋光性 是確保塑料製品的表面光潔 提升產品外觀質感的核心前提 其實像我們做飛車自動化的話 對於這種拋光性 有一個地方 我們是需要注意一下 就是那個直徵的流道 直徵的流道 它的拋光性需要很好 那麼像拋光性很好的材料 我們一般用什麼 SL36不鏽鐵 這個材料的話 它就具有比較完好的拋光性 那麼像直徵的流道 它就需要比較光滑 對吧 那麼我們就可以用這個材料 那麼再一個的話就是剛度了 那麼它的一個核心定義 是指零件 或者說結構在載合的作用下 抵抗彈性變形的能力 它指的是變形大不大的問題 與光柱壞不壞的強度 是兩個截然不同的工程概念 是控制結構形變的基礎 那麼它的一個核心指標 什麼 就是彈性膜量 那麼又稱陽勢膜量 是材料固有屬性 與幾何形狀無關 衣紙越大材料越剛 越難發生形變 它代表材料產生單位彈性 應變所需要的硬力 是選材和結構設計的關鍵參數 就說白了 這個零件它容不容易發生形變 對吧 比如說我們的彈簧 對吧 我一拉 它就發生形變了 對不對 它的彈性膜量就很小 很小 那麼像烏鋼 對吧 它很硬 很硬 對不對 那麼它的彈性膜量的話就很大 它的剛度就越好 那麼它的一個工程價值的話 就是對於我們的機牀牀身 或者說精密儀器 精密儀器框架等高精度 設備至關重要 如果說你這個東西 你容易發生形變的 行不行 那不行 對吧 比如說我們的機牀底座 熱脹冷縮 你就形變了 那不好 那麼像我們的切削 加工性的一個定義與影響 那麼第一個核心定義 那麼指材料被刀具切削 加工的難易程度 是衡量材料工藝性能的關鍵指標 直接決定了加工效率 刀具損耗與最終的製造成本 那麼其實評判這個性能的關鍵維度 有四大指標 第一個的話 就是刀具的使用壽命長短 切削力大小和加工表面 粗糙度的一個優劣 以及切削形態的排除順暢度 是吧 比如說我加工這個材料 它那個切香 對吧 它不容易排出來 那這不好 是不是 還有你這個材料很硬 我車刀或者說洗刀來洗你 洗不了一會就壞了 行不行 也不行 對吧 再一個 你這個材料我加工出來的話 表面很粗糙 它不容易光滑 那行不行 也不行 比如說像我們易加工的塑料 塑鋼 是吧 就很好加工 硬度適中 切削力小 切削成碎塊狀 它容易排出來 那麼刀具磨損比較輕微 那麼像男加工的304不就剛 手段集中 對不對 加工硬化傾向極強 材料韌性大 導致切削力劇增 就不就剛這玩意 因爲它的延展性比較好 對吧 你切削它的話 它就很容易變形 就是你切削它的時候 前面一段的話 它沒斷 它就會慢慢的形變形 然後導致它容易粘刀 而且切削區高溫容易集中 極易產生粘刀和極效流 所以說像不就剛這玩意的話 其實加工是真不好加工的 就是因爲它太韌了 你延展性比較好 那麼像我們一些這種特殊的 加工方法的應用場景 比如說板筋 不就剛剛這玩意 如果說板筋的話 我們加工 我們可以用激光 或者說放電 那麼像我們有一些比較硬的材質 比如說skd61 對吧 這種熱縱模具鋼 冷縱模具鋼 我們切削它切削不了 怎麼辦 你放電 對吧 放電的話 它跟你的硬度無關 靠的是高溫腐蝕 高溫腐蝕 那麼再一個就是焊接性了 像焊接性好的 比如說我們的Q235機焊鋼 焊接性很好焊 那麼中焊接性 比如說我們的45號中焊鋼 那麼像腳叉的焊接性 比如說skh51高速鋼 焊接性越好的話 我們在加工的時候 或者說在比如說我們的機架 對不對 我們一般也都是用的那種 碳鋼來焊接的 那麼加工精度與經濟性 這個加工精度與經濟性 你要兩面都滿足 你不能說又想要它的精度很高 又想要它很便宜 那不可能 那麼像我們的前孔 對吧 精度比較低 那麼我們首選撞孔或者說擴孔 那麼此類工藝設備投入 它比較低 並且加速比較快 那麼像深孔高精度的 那麼我們就推薦腳孔 或者說膛孔了 那麼這個工藝的話 你能夠有效修正孔的行爲誤差 那麼像你比較複雜 或者說硬度比較高的 那怎麼辦 那麼這個時候的話 你只能放電或者限割了 限割還好 那麼放電的話 它很貴的 那麼其實還有一些性能 這些就不是很重要 比如說我們的熱性能 對吧 是材料在高溫環境下 保持原有力學性能 如強度硬度的一個性能 再一個就是化學性能 抵抗酸鹼的一個能力 像不鏽鋼 它可能抵禦酸鹼性能 是比較強一點的 對 304不鏽鋼 那麼像四五鋼碳鋼這種 其實都不太行 當然像鋁合金 鋁合金如果說它氧化之後 其實也還行 比如說我們的6061 所以說今天的話 我們主要是來講解了幾方面 第一個就是力學性能是基礎 對吧 強度硬度速性韌性等等 都是的 那麼第二個加工性能是保障 你要好加工 是吧 你要麼好切削 你要麼好焊接 是吧 你切削焊接 你都不好搞的話 那隻能放電 或者說線割了 那又貴 是不是 再一個環境性是延伸 比如說你耐熱耐時耐老化等等 其實也都是有點用的 那麼再一個的話 就是我們綜合的一個選行思維 那麼材料選擇 並非簡單的一個性能堆砌 而是在技術指標 加工工藝 與經濟成本之間 尋找一個最佳的平衡點 結合實際工況 需要量化分析利弊 做出兼顧可靠性 與精確性的一個科學決策 我們今天的話就到這了 同學們再見