材料學(xué)畢業(yè)生論文
引導(dǎo)語：金屬是工業(yè)應(yīng)用最廣泛的材料之一。許多金屬元素，由于其自身性能的限制，不適合在高溫下作業(yè)。但是在能源化工，冶金等領(lǐng)域，許多零構(gòu)件又必須在高溫高壓系統(tǒng)中長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)。以下是YJBYS的小編為大家找到的材料學(xué)畢業(yè)生論文。希望對(duì)大家有所幫助！
材料學(xué)畢業(yè)生論文【一】
摘 要：本文通過分析金屬材料的高溫蠕變性能，從蠕變的宏觀規(guī)律談起，引出金屬高溫的幾個(gè)性能指標(biāo)，到分析晶體內(nèi)部的蠕變變形機(jī)制，揭示其蠕變的本質(zhì)，最后提出在實(shí)際生產(chǎn)中提高蠕變抗力的途徑。
關(guān)鍵詞：金屬;蠕變速率;變形機(jī)制
金屬是工業(yè)應(yīng)用最廣泛的材料之一。許多金屬元素，由于其自身性能的限制，不適合在高溫下作業(yè)。但是在能源化工，冶金等領(lǐng)域，許多零構(gòu)件又必須在高溫高壓系統(tǒng)中長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)，例如，高壓鍋爐、反應(yīng)容器、蒸汽輪機(jī)等，這就對(duì)其使用材料提出了更高的要求。而且，我們也不能再用一些常溫性能指標(biāo)來衡量其高溫力學(xué)性能。所以，深入了解金屬材料的高溫力學(xué)性能，正確評(píng)估構(gòu)件的使用壽命和安全性，成為材料科學(xué)研究的重中之重。
周圍生活中，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，燈泡用久了，就很容易壞掉。其中一個(gè)重要原因就是燈絲由于自身的重量產(chǎn)生的應(yīng)力，引起燈絲發(fā)生形變。過多的形變會(huì)使燈絲相互接觸，引起短路，隨之也就廢掉。還有蒸汽渦輪發(fā)電站中，發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期處于高溫高壓系統(tǒng)中，渦輪葉片就會(huì)發(fā)生形變，積累到一定程度就會(huì)接觸到外套，影響正常工作。這些都是金屬材料在高溫的一個(gè)重要力學(xué)現(xiàn)象――蠕變。
所謂蠕變，是指在一定的溫度和較小的恒定外力(拉力、壓力、扭力)作用下，材料的形變隨時(shí)間的增加而逐漸增大的現(xiàn)象。嚴(yán)格來說，蠕變可以發(fā)生在任何溫度，但是只有當(dāng)T/TM大于0.3時(shí)，蠕變現(xiàn)象才會(huì)明顯。這樣說來蠕變的研究對(duì)于金屬材料的高溫使用有著重要的意義，下面我們從以下幾個(gè)方面來簡(jiǎn)單分析一下金屬材料的蠕變。
1、蠕變的宏觀規(guī)律
金屬材料蠕變的宏觀規(guī)律我們可以用蠕變曲線來描述。曲線上任一點(diǎn)的斜率來表示該狀態(tài)的蠕變速率，并按其速率大小可以分為三個(gè)階段：
1.1 減速階段
蠕變的速率隨時(shí)間的延長(zhǎng)而減小。又稱為過渡蠕變階段，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)加工硬化過程。
1.2 恒速階段
蠕變速率幾乎不變，又稱為穩(wěn)態(tài)蠕變階段。其穩(wěn)態(tài)蠕變速率決定了蠕變壽命及總的伸長(zhǎng)量。
1.3 加速蠕變階段
蠕變速率一直增大直到發(fā)生斷裂。
影響蠕變過程的根本原因在于材料自身性質(zhì)。但對(duì)于同種材料來說，蠕變過程的兩個(gè)重要參數(shù)是溫度和應(yīng)力。增大應(yīng)力或是提高溫度時(shí)，蠕變壽命變短，變形速度快，耐高溫性能差。
2、金屬高溫力學(xué)性能指標(biāo)
金屬高溫力學(xué)性能指標(biāo)主要有蠕變極限，持久強(qiáng)度和應(yīng)力松弛的穩(wěn)定性。這些參數(shù)可以用于評(píng)定金屬的蠕變性能。
蠕變極限 蠕變極限是指高溫長(zhǎng)時(shí)間載荷作用下，機(jī)件不致產(chǎn)生過量塑性變形的拉力指標(biāo)。蠕變極限與常溫下機(jī)件設(shè)計(jì)的選用是相似的，材料蠕變極限中所選用的溫度和時(shí)間，一般是由機(jī)件的具體服役條件來決定的。必須確保應(yīng)力在一定的溫度和時(shí)間范圍內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生過量蠕變。因此我們可以把，在給定溫度下，使試樣在第二個(gè)階段產(chǎn)生的規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應(yīng)力表示為蠕變極限。
持久強(qiáng)度是指材料在一定的溫度和規(guī)定的持續(xù)時(shí)間內(nèi)引起斷裂的最大應(yīng)力值。高溫工作的構(gòu)件對(duì)蠕變變形要求不嚴(yán)格，以持續(xù)強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)機(jī)件的主要依據(jù)。若對(duì)蠕變變形要求嚴(yán)格，則需以蠕變極限為其依據(jù)。
應(yīng)力松弛的穩(wěn)定性，是指高溫工作下的緊固螺栓，若維持其恒定形變，緊固應(yīng)力會(huì)隨著時(shí)間延長(zhǎng)而不斷下降的現(xiàn)象。因?yàn)閼?yīng)力松弛現(xiàn)象是在溫度和總應(yīng)變不變的情況下，由彈性變形轉(zhuǎn)化為塑性變形，即逐漸發(fā)生形變，使初始應(yīng)力下降的情況。該性能指標(biāo)可以用來評(píng)價(jià)材料的高溫預(yù)緊應(yīng)力，進(jìn)而來檢測(cè)構(gòu)件的安全性。例如，汽輪機(jī)的緊固件，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，剩余應(yīng)力低于氣缸螺栓的工作應(yīng)力時(shí)，會(huì)發(fā)生泄氣。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮其應(yīng)力松弛，以保證其使用安全。
3、蠕變變形機(jī)制
金屬晶體在常溫下的變形，可以通過位錯(cuò)的滑動(dòng)，產(chǎn)生滑移和孿晶兩種變形方式，但在高溫條件下，原子擴(kuò)散較為顯著，使得蠕變變形機(jī)制也發(fā)生了改變。
位錯(cuò)蠕變機(jī)制。這種機(jī)制適合于溫度低應(yīng)力高，多數(shù)工業(yè)用抗蠕變合金屬此類。材料的塑性變形主要是由位錯(cuò)滑移引起的，但在常溫時(shí)位錯(cuò)容易受阻，變形只能到一定程度。高溫時(shí)位錯(cuò)可以通過攀移，使位錯(cuò)遇到障礙時(shí)做垂直于滑移面的運(yùn)動(dòng)，，從而使位錯(cuò)得以增殖和運(yùn)動(dòng)。
擴(kuò)散蠕變機(jī)制。適合于溫度高應(yīng)力低時(shí)。它是在高溫條件下，原子和空穴發(fā)生熱激擴(kuò)散引起的，外力作用下，原子和空穴因勢(shì)能不同會(huì)發(fā)生由高勢(shì)能向低勢(shì)能的定向擴(kuò)散。垂直于外力的晶界拉伸，平行于外力的晶界壓縮，產(chǎn)生蠕變。
晶界滑動(dòng)蠕變。高溫下晶界的原子容易擴(kuò)散，受力后易產(chǎn)生塑性變形，即蠕變。溫度越高，晶界滑動(dòng)作用越強(qiáng)，同時(shí)還要求與晶內(nèi)變形配合的很好，否則易產(chǎn)生裂紋。
由上述蠕變變形的機(jī)理可知，蠕變是在一定的應(yīng)力條件下，材料熱激活微觀過程的宏觀表現(xiàn)。要降低蠕變速率，提高蠕變極限，就必須控制位錯(cuò)攀移的速率。要提高持久強(qiáng)度，就必須控制晶界的滑動(dòng)。阻礙空位的形成與運(yùn)動(dòng)。也就是說，要提高高溫力學(xué)性能，就要控制晶內(nèi)和晶界原子的擴(kuò)散過程，可以通過以下幾種途徑：
合金化。材料蠕變根本在于其自身的性質(zhì)。實(shí)際生產(chǎn)中，我們選用耐高溫的金屬，實(shí)質(zhì)上是選用熔點(diǎn)高，自擴(kuò)散激活能大，層錯(cuò)能低的元素或合金，因?yàn)檫@些元素?cái)U(kuò)散慢，有利于降低蠕變速率。使得蠕變變形困難。
冶煉工藝。金屬晶體內(nèi)部含有很多夾雜物或是氣體，使得晶內(nèi)有很多缺陷 。高溫合金的使用中，垂直于應(yīng)力方向的橫向晶界上易產(chǎn)生裂紋。定向凝固工藝，使柱狀晶沿受力方向生長(zhǎng)，減小橫向晶界，可大大提高持久強(qiáng)度，輪葉斷裂壽命可提高四到五倍。
在冶金化工等方面，蠕變是我們?cè)u(píng)定在高溫或是高應(yīng)力下長(zhǎng)時(shí)間服役的構(gòu)件的一個(gè)重要力學(xué)性能指標(biāo)，也許大部分蠕變是組成失效模型的一種機(jī)制，但也有部分蠕變是有利于生產(chǎn)的。為此，我們可以引其益處，減其劣點(diǎn)，使其更好的為實(shí)際生產(chǎn)服務(wù)，同時(shí)，我們也需要更深入的研究其機(jī)理，以便得到更廣泛的應(yīng)用。
結(jié)語
為更好的理解金屬的蠕變性能，需要從宏觀規(guī)律與內(nèi)在形變本質(zhì)兩個(gè)方面把握，深入分析蠕變機(jī)制，以便尋找出更好的提高蠕變抗力的途徑。合理的應(yīng)用蠕變抗力，更好的滿足人們的生活需求。
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材料學(xué)畢業(yè)生論文【二】
摘要：材料力學(xué)性能是指材料結(jié)構(gòu)在常溫、靜載等環(huán)境下的作用下從宏觀角度觀察得到的力學(xué)性能，其是確定各種工程設(shè)計(jì)參數(shù)的主要依據(jù)，因此，對(duì)材料力學(xué)性能進(jìn)行分析與研究具有重要的意義。構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度與穩(wěn)定性，不僅與構(gòu)件的形狀、尺寸及所受外力有關(guān)，而且與材料的力學(xué)性能有關(guān)。本文基于筆者多年工作經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)的介紹了材料的結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)分析了材料受牽引和壓縮時(shí)的力學(xué)性能，并且研究了多晶體材料力學(xué)性能的特點(diǎn)和新型材料的力學(xué)性能。
關(guān)鍵詞：多晶體;新型材料;力學(xué)性能
1、材料的結(jié)構(gòu)
材料的結(jié)構(gòu)是指材料的組成單元之間互相排斥、互相吸引的作用達(dá)到平衡時(shí)的空間分布。從宏觀到微觀有三個(gè)不同的層次，分別是宏觀組織結(jié)構(gòu)、顯微組織結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)。其中，宏觀組織結(jié)構(gòu)是指用肉眼或者使用放大鏡觀察到晶粒、相的集合狀態(tài)。顯微組織結(jié)構(gòu)也可稱為亞微觀結(jié)構(gòu)，它是利用電子顯微鏡或者光學(xué)顯微鏡觀察到材料內(nèi)部的微區(qū)結(jié)構(gòu)或者晶粒、相的集合狀態(tài)。微觀結(jié)構(gòu)是比顯微組織結(jié)構(gòu)更細(xì)的一層結(jié)構(gòu)，它包括分子結(jié)構(gòu)、原子結(jié)構(gòu)、分子的排列結(jié)構(gòu)以及原子的排列結(jié)構(gòu)。通常情況下，金屬材料也被看做是由晶體的聚集體組成的。例如，合金可以看做是母相金屬原子的晶體和加入的合金晶體等聚集形成的聚集體;純金屬被看做是微細(xì)晶粒的聚集體。晶粒晶界上的結(jié)合其實(shí)是機(jī)械組合，展開來講就是當(dāng)金屬由高溫熔體凝固析晶時(shí)，彼此嚙合牢固的在一起。晶粒之前的接觸面積越大，結(jié)合力也就越大。晶粒內(nèi)部的結(jié)合力要大于晶粒間的結(jié)合力。軟銅、鋼、鋁、金可以承受較大的變形和塑形是因?yàn)樵诎l(fā)生滑移變形時(shí)，原子間的相互位置依次錯(cuò)開，并形成新的鍵，原子之間的鍵很難斷開。
2、材料的力學(xué)性能理論
2.1 材料受牽伸時(shí)的力學(xué)性能
塑形材料是指在外力作用下，產(chǎn)生巨大變形但不易被破壞的材料。屈服強(qiáng)度是指金屬材料發(fā)生屈服現(xiàn)象時(shí)的屈服極限，也是指抵抗微量塑形變形的應(yīng)力。脆性材料是指在外力作用下，產(chǎn)生極小的變形，如陶瓷、灰口鑄鐵等，不存在縮頸現(xiàn)象和屈服階段。
2.2 材料受壓縮時(shí)的力學(xué)性能
壓縮試驗(yàn)是用來測(cè)定材料受壓時(shí)的力學(xué)性能。在金屬壓縮試驗(yàn)時(shí)，大多采用短粗圓柱形試樣，細(xì)長(zhǎng)試樣在壓縮時(shí)極易失穩(wěn)。相同的是，在屈服以前，拉伸曲線和壓縮曲線基本相同。不同的是，低碳鋼試樣在壓力逐漸增大的情況下，越來越扁。
2.3 材料的力學(xué)性能分析
剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)一種材料和結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的三大要素[3]。剛度是指材料抵抗變形的能力，具體體現(xiàn)在變形分析上。強(qiáng)度是指材料抵抗破壞的能力，具體體現(xiàn)在應(yīng)力分析中。斷裂和疲勞也是強(qiáng)度問題的一部分，斷裂在宏觀中是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)中裂紋的擴(kuò)展，結(jié)構(gòu)中的最大應(yīng)力大于結(jié)構(gòu)材料的破壞極限引起斷裂。在微觀中是由于分子之間或者是原子之間的鍵斷開引起的。疲勞問題主要出現(xiàn)在塑形較高的.材料中。對(duì)于強(qiáng)度更進(jìn)一步的分析是彈塑性極限分析。穩(wěn)定性是指結(jié)構(gòu)抵抗外來擾動(dòng)的能力，尤其是板、梁、殼在壓縮荷載下的穩(wěn)定性問題。穩(wěn)定性問題是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析中非常重要的一個(gè)問題，可以從不同的理論分析穩(wěn)定性問題，一方面是振動(dòng)分析，結(jié)構(gòu)的模態(tài)、動(dòng)力相應(yīng)和固有頻率，對(duì)結(jié)構(gòu)固有頻率進(jìn)行分析目的是為了避免結(jié)構(gòu)的固有頻率和外力頻率接近引起的共振破壞。彈性穩(wěn)定性理論還有初始后屈曲理論、非線性大撓度理論和前屈曲一致理論等。薄殼穩(wěn)定性有塑性穩(wěn)定性理論和彈性穩(wěn)定性理論等。
3、多晶體新型材料力學(xué)性能分析
工程中的金屬材料很大一部分是多晶體材料，由于各晶粒是通過晶界聯(lián)結(jié)在一起，各晶粒的空間取向是不相同的，因此也就決定了多晶體材料塑性變形的特點(diǎn)。各晶粒塑性變形時(shí)的不均勻性和不同時(shí)性，當(dāng)多晶體試樣受到外力作用時(shí)，雖然大部分晶粒還處于彈性變形范圍之中，個(gè)別取向有利的晶粒中和試樣的宏觀切應(yīng)力方向一致的滑移系統(tǒng)中首先達(dá)到了滑移要求的臨界條件，因此塑形變形從這些晶粒開始。隨著應(yīng)力的逐漸增大，參加塑形變形的晶粒逐漸增多。由于這種原因，多晶體材料的塑形變形不會(huì)發(fā)生在不同晶粒中。受此影響，塑性變形和連續(xù)屈服材料的應(yīng)力之間沒有明顯的界限。
同時(shí)，在同一個(gè)晶粒內(nèi)的不同區(qū)域的變形量是不同的。因?yàn)樵谝粋�(gè)晶粒的塑形變形會(huì)受到相鄰不同位向晶粒的限制，加之各晶粒的位向差異，此限制在變形晶粒的不同區(qū)域中是不同的。變形的不均勻性，不僅體現(xiàn)在同一晶粒內(nèi)部，而且也反映在試樣的不同區(qū)域和各晶粒之間。例如多相合金，變形首先發(fā)生在軟相上，組織越不均勻，各相性差異越大，變形的不均勻性越嚴(yán)重，變形的不同時(shí)性越明顯。物體內(nèi)任一點(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài)可用切應(yīng)變分量和正應(yīng)變分量表示，由于各晶粒塑性變形的不均勻性和不同時(shí)性，為了維持試樣的變形連續(xù)性和整體性，滑移必須在更多的滑移系統(tǒng)上配合地進(jìn)行，各晶粒必須相互協(xié)調(diào)。
綜上所述，同時(shí)開動(dòng)滑移系統(tǒng)是多晶體內(nèi)任一晶粒實(shí)現(xiàn)任一變形的必要條件。通過研究發(fā)現(xiàn)，晶體塑性變形是一個(gè)非常復(fù)雜的過程。最初的晶體轉(zhuǎn)動(dòng)或者滑移系統(tǒng)受阻后，沒有啟動(dòng)的滑移系統(tǒng)上的切應(yīng)力升高，當(dāng)達(dá)到臨界切應(yīng)力時(shí)，進(jìn)入滑移狀態(tài)。由此，一個(gè)晶粒中就啟動(dòng)了幾個(gè)滑移系統(tǒng)，從而形成了多系滑移的局面。多系滑移產(chǎn)生的結(jié)果是滑移系的相互切割和交叉，這就是拉伸試樣表面出現(xiàn)的滑移帶交叉的現(xiàn)象。其實(shí)，在塑性變形中，也可能出現(xiàn)孿生機(jī)制�；葡到y(tǒng)足夠多時(shí)，變形 的協(xié)調(diào)性可以得到充足保證，以適應(yīng)宏觀變形的要求。由此可以得出，滑移系統(tǒng)越多越有利于變形協(xié)調(diào)，任意變形的要求也更容易適應(yīng)，材料的塑形越好。在工程的實(shí)際應(yīng)用中，形變強(qiáng)化得到了廣泛應(yīng)用，作為金屬材料的最重要的性質(zhì)之一，變形強(qiáng)化使金屬零件具備了抵抗偶然超載的能力，保證了工程安全。
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