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材料和热加工

1.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。

2.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Coulombs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