谈谈强度和刚度的问题

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今天看到十年磨刀大侠的帖子 “我们还能做什么？--记犁仿制过程”。几年前我听别人谈到过这个问题，最主要是热处理的问题，当然谈这个问题的不是个专业人员，是个领导，他因为去外边买设备看的多所以知道这个——当然他的钻研和思考的精神是我十分钦佩的——当时我就想为什么好多专门做这些东西的专家都不知道这个问题呢。

他也说过国内仿制过类似的东西，就像十年磨刀大侠所说的犁，拿着国内的材料仿制下来，放到地里才发现如果材料用的和人家一样多，强度根本就不够；加材料提高强度再放到地里发现拖拉机耗油量显著提高，或者拉不动，有的把链接都拉坏了。这个领导买设备的时候有机会参观人家的工厂——都是上亿的大单，一个单子能救活日本的一个厂子有没有。我在这个http://bbs.cmiw.cn/forum.php?mod ... 3&page=1#pid2627797帖子中 的一些照片都是那时候拍的，记得当时说是不允许拍照的——单子大就例外了。这里面倒数那几张照片很关键，一个是冷轧，一个是热处理，还有一个是把产品夹在仪器上做应力应变测试（这些都是自己的理解）。这些其实是在视频上截下来的，视频上更清楚一点，必威APP精装版下载没法上传视频，所以截的图片。所以那个领导通过观察发现人家是经过热处理之后材料的特性发生改变，而这些是国内所缺失的环节。
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所以说作为一个中国的机械设计人员的悲哀就是巧妇难为无米之炊。在以后的工作中也发现同样粗细的轴，日本的就没什么问题，我们的放上去就是变形甚至破坏，寿命很短。有些机构设计的很巧妙，但运行起来某个部件没多久就坏了，把它加强了却发现其它地方的部件又顶不住了，很好的设备就是没办法投产。所以说材料问题是个十分棘手的问题。

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言归正传，一个偶然的机会一个老师让我算下能不能计算出土壤镇压后下降的高度——种子被土覆盖后需要镇压，镇压后种子距土表的深度对种子影响很大。经过查找文献和实验发现这个问题很难——影响因素多，情况也复杂，很多公式都是特定条件下的经验公式。比如说土壤中的水分和土壤粒度，下压面积，甚至下压时间都对最终的结果有影响；实际研究中农业中的土壤和工业建筑的土壤是分为两个学科研究的，而且里面都是特定条件下的经验公式，整的我头都大了。

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但是在实验中我发现土壤受压的时候受力和变形曲线和材料力学中的应力应变曲线有相似之处。然后又把学过的材料力学曲线好好研究了一下。发现材料力学中的公式其实也是经验公式。最基本的公式σ=Eε,就是说应力和应变是呈线性关系的，然后有个极限强度和屈服强度，就是说过了这些节点材料强度E就会降低，材料就容易被破坏。在土壤的下压实验中受压过的土壤也是会出现一个比较线性的受力F和下压距离S关系F=KS，K就是斜率，与前面的下压最大力有直接关系。而在材料力学中钢铁的材料强度是否与所受过的最大力有关呢？我知道钢出来后得冷轧和热轧，而且对钢材过应力后可增强其强度，而且铸铁没有所谓的极限强度，那是因为没有受过压力（我对钢铁不太了解这些只是猜测）。
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一次实验后我把粒径相同的土和成了泥块，过几天泥块干了之后强度显著增加，很硬很硬的那种，我查了一下资料，还没有解释这个原因的资料，肯定不是化学变化，泥土在常温下不会发生大的化学变化；那就应该是物理变化，而泥土在干的过程中只是缺少了水分。那么是不是水分的蒸发促使泥土的强度增大的呢？我就做了一个假设：泥土中的水分在气化脱离泥土的瞬间外部的大气压和内部形成的真空的压力差使周围的土产生形变，最终这个力使得干燥的土块强度明显增大。

7 Q+ D: P  `9 i5 z( F5 k# {随后我利用鼓风干燥机和真空干燥机对泥块做了干燥实验，为了提高干燥速度在实验中我对泥块进行加热，而实际上热空气的实际气压会低于周围的冷空气的，所以鼓风干燥机中的气压要低于常压干燥的温度，而真空干燥机中的气压是最低的。干燥后得结果显示确实常温晾干的土块和鼓风干燥以及真空干燥的强度是依次递减的，而且在内部可以明显看出了孔隙的大小不一样。但是在这个实验中我无法保证温度的一致性，也就是说我无法保证除了气压其它的条件都一样。
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于是我想证明一下在高温高压的条件下土块干燥后会大于常温的强度，但是受到了仪器设备的限制。查了一些资料，其中有一个土壤的三轴实验，内容是土壤在四周均匀受力的情况下应力和应变是呈指数关系增长的，而且在这一过程中土壤是不会被破坏的。

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我通过以上实验得到一些假设：实际上应力和应变是呈指数关系增长的，在平常的受力过程中由于物体不可能均匀受力所以离受力点越近的点受力越大，随着力的扩散，力就会不断减小，所以造成物体内不均匀的形变。而随着力的不断增大应变的差距也会随之增大，直到应变大的地方和应变小的地方产生裂缝从而发生应力积聚，断裂就发生了。而我们通常看到的应力和应变呈线性关系是因为物体内部由能量最小原理发生自组织变形，最后受力面上的力与总的形变呈线性关系，而实际上受力面上的金属应力与应变应该呈指数关系的。

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根据这些就可以找到增加材料强度的方法了，一个是靠外部的压力，古代打铁对烧红的铁不断敲应该就是这个原理，越是表面均匀均布受力效果应该越好，现在的冷轧应该也是这个原理，这个外部强度增加明显，而内部如果压力不够很难影响的到。另一个方法就是像土壤烘干那样，我一直怀疑铁里面加碳不是留在里面的碳增加了钢铁的强度，而是变成气体的碳增加了钢铁的强度，但在钢铁强度分析的文献中，一直强调含碳量，我没真正做过钢铁就是分不懂了；而在铁里面掺杂不同的金属使强度增加的原因是其它金属和铁的热膨胀和冷缩的系数不同，其它金属如果热膨胀大，而冷凝后变小，这样就会在它与铁的空隙之间形成真空，从而形成压力差。

这个可不可以解释古代将打完的铁浸在冷水里的原因呢。如果这个假设成立，我们在炼铁的过程中只要加大周围的压强那么就可以炼出任意强度的铁了。热处理应该也是这个原理吧。

如果上述假设成立的话，在物体的实际受力过程中我们只要不让物体内部不同部位的应变差距增大，物体不是那么容易破坏掉的。比如在理想状态下，我们拉扯一个细铁棒的两端，假设铁棒内每个原子都是受力均匀的，原子之间同时达到断裂的距离，这个拉力应该达到难以想象的级别。所以在设计过程中分析产品的受力变形情况，那么如果能够将受压的地方预先拉伸，将拉伸的地方先压缩一下，等产品实际受力后原子之间的距离是一样的，那么产品的强度自然而然就增强了——据说美国的犁就使用了预变形技术。
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上面这些东西我断断续续整了两年，由于我做的方向和这个不一样，所以只能利用业余时间做，而且我查资料发现高温高压设备我们国家主要靠进口，就是自己做材料也是国外的，且相关研究很少，所以很难进行相关实验，从学校里出来后条件就没有了——现在主要考虑生存和生活问题。所以这个问题从毕业以后就停止了，现在写出来也是想和大家讨论一下，希望能起到个抛砖引玉的作用。

wzdybyqhtt

好深奥。。

海彬meliuhc

据说国内钢的质量很麻烦，不稳定。金相组织很难控制，包括冷却速度和轧制控制。。铁素体和珠光体的含量都不太容易控制，导致硬度没法求解，只能大概表征。很多东西用不住，国外炼钢有些软件化，造出的产品不光测硬度，还可检查金相含量。据说日本的钢切削起来和国内的声音都不同的

Aubergine0372

首先，正如13楼说的，楼主的文字叙述有些地方很难理解，希望能重新整理下。另外你对“古代锻铁浸冷水”的猜想可以百度“过冷度”、“淬火冷速”等来验证或者求解。推荐楼主一篇我最近一直在研究的、和材料有关系的考证，百度“解密传说中的秦剑”。另外楼主如果对热处理有兴趣有时间可以去“热处理必威APP精装版下载”学习，我知道的国内最高水平的材料与热处理必威APP精装版下载。楼主的钻研精神和思维拓展能力真的很佩服。

孙建si

ZEROWING大侠大才。

冰糖葫芦娃

鼓风干燥机中的【气压】要低于常压干燥的【温度】，而真空干燥机中的气压是最低的。
) D5 L, Z6 G5 I0 I2 G9 S9 _貌似是个语病。

pzfs1016

楼主探索的精神值得学习，不过楼主确实应该多深入学习一些基础知识，少一些想当然的类比。

mTomorrow

受教！！！

冷水黄金

好机会。但明显感觉你的基础知识远远不够扎实。
对材料结构根本不了解。
4 p; S1 b# K  L. p  g7 r你的猜测都是从宏观观感出发，根本没深入到材料本质，其实好多东西高中已经学过了

zerowing

通篇看了看，写得挺好。不过个人建议，大侠不妨看看基础方面的书，比如原子分子构成理论，比如晶格结构等等。
另外，分析一个变化过程不是一个单纯的实验过程，实验只是一种检验方式，比如你说的泥干化后的强度硬度问题，实验的前提是你先要弄清楚实验对象，比如所用的泥土的成分有什么，比如内部成分中哪些可能发生化学反应，哪些可能相变等等。这些先导前提决定了你的实验方向和研究方向。
再有，在公式选用时，应注意使用前提。比如你提到的基本公式，这个公式的适用前提是弹性材料，且是弹性材料的弹性变形部分。在这个前提之外的部分使用，那就是自己误导自己。比如你的泥土混合物，恐怕连各相同性都不是，更不要谈弹性变形了。而泥土的受压过程更为复杂，这个跟金属材料有本质的区别。泥土的受压是一种分子间或者更宏观的细微颗粒间的作用，你可以理解为逍兄之前提到的钢球代替液压的那个理论，考量的是颗粒减息和相对摩擦。而金属成型考量的分子间力，原子间力，乃至由此形成的晶格间力。这个本质上是不同的。
" K$ L! X7 f( C- k. |! o9 ]% p呵呵，学有所思很好，应当继续坚持，不过建议多看看基础，这样才不止于跑偏。很多国内某行业内的专家最后载跟头就是载在这上面。8爷总是强调基础，就是强调这个重要性，不然都是瞎玩。

成形极限

楼主的解释有些视角独特，不过液态模锻和半固态成形确实可以在一定程度上提高性能