金属力学性能论文

金属力学性能论文

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写一篇关于金属的小论文，并与同学交流

金属材料是指由金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属间化合物和特种金属材料等。

人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显著标志。现代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。我们对金属材料的认识应从以下几方面开始：

一、分类：

金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。

①黑色金属又称钢铁材料，包括含铁90％以上的工业纯铁，含碳 2％～4％的铸铁，含碳小于 2％的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、精密合金等。广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。

②有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。

③特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金，以及金属基复合材料等。

金属材料按生产成型工艺又分为铸造金属、变形金属 、喷射成形金属，以及粉末冶金材料。

铸造金属通过铸造工艺成型，主要有铸钢、铸铁和铸造有色金属及合金。

变形金属通过压力加工如锻造、轧制、冲压等成型，其化学成分与相应的铸造金属略有不同。

喷射成形金属是通过喷射成形工艺制成具有一定形状和组织性能的零件和毛坯。

金属材料的性能可分为工艺性能和使用性能两种。

二、性能

为更合理使用金属材料，充分发挥其作用，必须掌握各种金属材料制成的零、构件在正常工作情况下应具备的性能（使用性能）及其在冷热加工过程中材料应具备的性能（工艺性能）。

材料的使用性能包括物理性能（如比重、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等）、化学性能（耐用腐蚀性、抗氧化性），力学性能也叫机械性能。

材料的工艺性能指材料适应冷、热加工方法的能力。

三、生产工艺：

金属材料生产，一般是先提取和冶炼金属 。

有些金属需进一步精炼并调整到合适的成分，然后加工成各种规格和性能的产品。提炼金属，钢铁通常采用火法冶金工艺，即采用转炉、平炉、电弧炉、感应炉、冲天炉(炼铁)等进行冶炼和熔炼；有色金属兼用火法冶金和湿法冶金工艺 ；高纯金属以及要求特殊性能的金属还采用区域熔炼、真空熔炼和粉末冶金工艺。金属材料通过冶炼并调整成分后，经过铸造成型，或经铸造、粉末冶金成型工艺制成锭、坯，再经塑性加工制成各种形态和规格的产品。对有些金属制品，要求其有特定的内部组织和力学性能，还常采用热处理工艺 。常用的热处理工艺有淬火、正火、退火、时效处理（将淬火后的金属制件置于室温或较高温度下保温适当时间，以提高其强度和硬度）等。

四、发展趋势：

金属材料的发展已从纯金属、纯合金中摆脱出来。随着材料设计、工艺技术及使用性能试验的进步，传统的金属材料得到了迅速发展，新的高性能金属材料不断开发出来。如快速冷凝非晶和微晶材料、高比强和高比模的铝锂合金、有序金属间化合物及机械合金化合金、氧化物弥散强化合金、定向凝固柱晶和单晶合金等高温结构材料、金属基复合材料以及形状记忆合金、钕铁硼永磁合金、贮氢合金等新型功能金属材料，已分别在航空航天、能源、机电等各个领域获得了应用，并产生了巨大的经济效益。

金属材料论文2000左右

在很大程度上，化学很受人喜爱，因为神奇多变的化学反应可以创造新的物质，让我们的生活更为方便舒适。执著于金属研究的卢柯说，作材料研究是如此地令人激动，有那么多的事情等着我们去发现，去研究！

　　“超音速”的科研经历
　　卢柯以常人所不能及的“超音速”，20岁念完大学，25岁拿下博士学位，28岁成为研究员，30岁成为博士生导师，32岁任国家重点实验室主任，35岁担任中科院金属研究所所长，37岁当选中国科学院院士，取得了一系列国际公认的高水平科研成果，在《科学》和《物理评论快报》等顶级国际学术期刊发表了一系列论文。

　　大学时就读于机械制造工程系金属材料及热处理专业的卢柯与金属结下了不解之缘，他最喜欢的课程是《金属学》与《金属材料的热处理》。1985年，卢柯从华东工学院(现为南京理工大学)毕业，来到中科院金属研究所攻读硕士学位。在“纳米浪潮”还没有掀起的时候，他较早地进入了后来很热门的纳米领域。

　　攻读博士学位期间，卢柯对非晶态金属的晶化动力学及其微观机制进行了深入研究，在国际上首次提出了非晶态材料的有序原子集团切变沉积化机制，并解释了一系列用经典理论难以解释的实验结果，为以后研究非晶体转变提供了理论依据；修正了被引用10多年的英国科学家斯考特等人确定的Ni-P非晶合金晶化产物间的位向关系；提出非晶态金属的新晶化机制。

　　在新晶化微观机制的基础上，卢柯于1990年提出制备纳米晶体的新方法——非晶晶化法，具有工艺简单、晶粒度易于控制、界面清洁且不含微孔洞等优点。论文在美国及Scripta .发表后，已被引用数百次。美国《应用物理杂志》审稿人对卢柯的这一成果极为赞赏，指出“非晶晶化法无疑对纳米材料研究具有重要价值”。材料科学家师昌绪认为，这一方法“为纳米材料的发展开辟了一条新途径，有广阔的应用前景”。国际学术刊物s邀请他撰写此领域的专题综述。该制备方法的确定，使我国在纳米晶体研究领域一跃进入国际前列，已成为目前国际上公认的纳米材料3种主要制备方法之一。

　　如何使金属具有超塑性——可承受很大的塑性变形而不断裂，成为各国材料学家面临的一道难题。20年前，葛莱特教授曾预测：如果将构成金属材料的晶粒尺寸减小到纳米量级，材料在室温下应具备很好的塑性变形能力。但多年来，尽管预测得到了计算机模拟结果的肯定，各国材料学家的实验结果却令人失望：孔隙大、密度小、被污染等因素使绝大多数纳米金属在冷轧中易出现裂纹，塑性很差。

　　2000年，卢柯课题组在实验室发现了纳米金属铜在室温下的“奇异”性能——即纳米金属铜具有超塑延展性而没有加工硬化效应，延伸率高达5100%。论文在《科学》上发表后，获得世界同行的普遍好评，纳米材料的“鼻祖”葛莱特教授认为，这项工作是“本领域的一次突破，它第一次向人们展示了无空隙纳米材料是如何变形的”。

　　专家指出，“奇异”性能的发现，缩短了纳米材料和实际应用的距离，意味着和普通金属力学性能完全不同的纳米金属，在精细加工、电子器件和微型机械的制造上具有重要价值。

　　卢柯及其课题组的另一项重要成果是关于晶体过热熔化微观机制方面的，发表在2001年第87卷的《物理评论快报》上。很快，材料科学家、剑桥大学教授就在《自然》杂志上给予了专题评论。

　　2003年12月31日，卢柯在《科学》杂志上发表第二篇论文，将铁表层的晶粒细化到纳米尺度，其氮化温度显著降低，这为氮化处理更多种材料和器件提供了可能。表面氮化是工业中广泛应用的一种材料表面处理技术。在表面氮化过程中，材料或钢铁的表面氮化处理往往需要在较高温度下(高于500℃)进行，处理时间长达十几个小时，不仅能耗高，更重要的是，许多材料和工件在如此高温下长时间退火后会丧失其基体的高强度或出现变形，因此，表面氮化技术的应用受到很大限制。大幅度降低氮化温度是长期以来表面氮化技术应用中必须解决的重要技术瓶颈。

　　2004年1月12日，“我国金属材料表面纳米化技术和全同金属纳米团簇研究”被评为“2003年中国十大科技进展”之一。

　　2004年4月16日出版的第304卷《科学》杂志上，第三次出现了卢柯的名字。他们的研究表明，在纳米孪晶铜中获得超高强度的同时还保持了其良好的导电率；而以往的研究表明，对铜进行强化以后，其导电率是下降的。

　　成功的“奥秘”
　　在别人眼中，卢柯是战无不胜的“百胜将军”，是上天最眷顾的人。只有他和课题组的同志才清楚自己曾经的失败，曾经的气馁。“你们所看到的成绩只是我1%的工作，其余的99%都是失败，都是残酷的现实。在我过去的研究中，经常会走到几乎坚持不下去的时候。”卢柯说。

　　“走不下去的时候，我总是勇敢地承认自己失败了。失败了，再换一个思路接着干。当然，这中间有一个心态调整的过程，但是必须调整到一个好的状态，重新开始。失败其实是科学工作的常态。跳高比赛是以失败而结束的，科学工作则是用一次次的失败来铺路，以成功作为新的起点。当你有了一个灵感，钻进了实验室里，半年，十个月，一年甚至两三年下来才有结果，可结果与你预想的完全不一样，当然沮丧极了。但我们的工作就是这样，你可以沮丧，可以暂时地消沉，但你不可以放弃你的目标。失败了，证明这个思路不对，从某种角度看，它就是你到达终极目标的一个过程。我经常对我的学生说，对自己的思维一定要有极强的信心，Nothing is impossible(没有什么事情是不可能的)！”

　　卢柯成功还有一个奥秘——自从上大学后，他就给自己制定了严格的时间表和工作计划，以非常人的工作节奏始终跑在别人的前头。十几年来，他一丝不苟地走在自己的行程中，不受任何外界的干扰。虽然他现在成了媒体追逐的科学明星，但依然故我。

　　“上天是公平的，它给每个人的时间是一样的，做了这个，就不能做那个。有的人活得很轻松，一天的活儿用两天的时间干，我则希望用半天的时间就能把一天的活儿干完。如果这样算来，我干一天的活儿等于别人干两天的活儿。我在金属所干了18年，等于干了三四十年的活儿，那么，我37岁当院士，这样算起来也并不年轻。”卢柯说。

　　材料学面临最好的机会
　　卢柯在努力工作、享受研究乐趣的同时，也感受到了材料学家的责任感，“现在是中国各个领域发展的最好时期，也给材料学的研究创造了最好的机会”。

　　卢柯说，中国工业化的进程对材料学科提出了许多严峻的、亟待解决的问题。上个世纪90年代，镍的需求量开始上扬，镍的价格不断上涨，2003年，镍的价格已经达到历史最高水平，供需矛盾尖锐，原因就是中国的工业化。镍是用来做不锈钢的，工业化的显著标志是需要大量的不锈钢。其实，现在所有的原材料都在涨价。如果不发展先进的材料，将面临资源减少，价格上涨，中国的工业化成本将是非常巨大的。

金属基复合材料论文？

　　文关键词：金属基复合材料　有效性能　结构拓扑优化

　　论文摘要：金属基复合材料综合了作为基体的金属结构材料和增强物两者的优点，具有高的强度性能和弹性模量、良好的疲劳性能等特点。由于制作工艺相对容易，和价格低廉，颗粒增强金属基复合材料体现出了广泛的商业价值，金属基复合材料首先在航天和航空上得到应用，随着其价格的不断降低，它们在汽车、电子、机械等工业部门的应用也越来越广。为此全球各大公司和研究机构对它的研究和应用开发正多层次大面积地展开。笔者阅读了大量相关文献，进而综述了近些年来国内外学者对金属基复合材料的研究，具有一定的现实意义。

　　一、颗粒随机分布金属基复合材料有效性能研究
　　九十年代中期Povirk, Gusev等人就研究证明了可以用一个有限体积的代表体元来代替整体复合材料，模拟其细观结构，从而建立复合材料的宏观性能同其组分材料性能及细观结构之间的定量关系。
　　随着计算机技术的高速发展，数值分析方法在复合材料力学分析中成为不可缺少的工具，在做计算数值模拟时，建立合适的数学模型，是进行数值模拟计算复合材料等效性能的基础。
　　基于有限元法的多尺度等效性能计算是目前一种行之有效的研究复合材料细观结构与宏观力学行为之间关系的重要方法。采用这种方法的前提是建立复合材料的有限元模型，包括随机颗粒分布区域的几何建模和网格剖分，然后才能进行多尺度计算。
　　对于复合材料等效性能计算的数值方法，国内外已经发展了名目繁多的各种数值方法。一般来说，可以分为反分析法、直接分析法。其中反分析法实质就是根据现场观测结果，来反演复合材料力学参数。反分析法主要依赖于材料程的实测位移、本构模型以及材料参数的假定。由于现场观测资料的获取受客观条件影响和对复合材料认识上的不足，往往造成模型和材料参数假定与实际差异很大，因而该方法在实际应用中遇到了一些困难。为此，人们试图选择另一种途径---直接分析法来预测复合材料的力学参数。由于离散元元方法没有很好解决对复合材料离散后的计算结果的误差，因此基于离散单元法计算宏观力学参数的研究较少目前主要是基于有限元法的数值分析法，其计算过程是首先建立颗粒材料的统计模型，然后模拟出不同尺度的复合材料"试件";这样得到的复合材料"试件"，可以视为由基体和增强颗粒两部分组成，其力学参数可以在实验室分别确定，然后应用有限元方法进行分析，进而得到颗粒统计力学参数即。这一方法计算结果的正确性取决于颗粒统计模型的正确性以及有限元算法的合理性，这一过程虽然有误差，但是误差不会比原位实测更大。该方法的不足之处在于为避免尺寸效应，模拟不同尺度"试件"时，增加了计算成木，并且当计算尺度增大时，"试件"内的颗粒数目明显增加，给有限元的剖分和计算带来了困难。
　　还有学者基于有限元方法，基于等效观点，对颗粒增强复合材料的等效性能进行了研究，即根据一定的等效原则，宏观地考虑颗粒对材料力学特性的影响，将整个颗粒增强复合材料均匀化、连续化，然后用有限元计算得到等效力学特性.按等效方式来分，主要有材料参数等效法、能量等效法等，这些等效方法有其适用的一面，但仍有一定局限性，例如等效体的尺寸效应问题等.关于材料参数的均匀化理论.作为一种研究复合材料宏观性质的新方法，数学家们已进行了大量的研究，例如sson,、等针对小周期结构问题的渐进分析，给出了均匀化材料系数的概念；k等对具有小周期结构的均匀化理论和一阶渐进分析理论进行了深入研究；和陈志明等在此基础上给出了一阶渐进展开有限元的理论估计；崔俊芝等针对小周期结构提出了双尺度祸合算法。针对具有对称性的基本胞体给出了高阶渐进展式和有限元估计，并把此方法运用到工程计算中，从而使的均匀化从理论分析进入了数值计算。阶段和实际应用阶段，使得微观构造十分复杂的非均质材料的宏观力学参数计算成为现实，并且给出了计算周期性编制复合材料的等效力学参数的双尺度方法。
　　在进行等效计算时，首先需建立材料的单胞模型，如二维单胞模型、二维多颗粒单胞模型、三维单胞模型、三维多颗粒单胞模型及代表体单元模型。武汉理工大学的瞿鹏程教授等，根据扫描电镜试样截面细观图，建立了有限元模型，并且成功预测出了SiC颗粒增强Al基复合材料等效弹塑性力学性能特征曲线。Soppa根据体积含量10%Al2O3,增强6061Al基复合材料的实验细观图，构件有限元分析模型，观察残余热应力对PRMMCs变形和破坏的影响。Han等人采用三维多颗粒单胞模型研究PRMMCs的力学性能和裂纹的产生。
　　二、复合材料微结构拓扑优化研究
　　结构拓扑优化是结构形状优化的发展，是布局优化的一个方面。当形状优化逐渐成熟后，结构拓扑优化这一新的概念就开始发展，现在拓扑优化正成为国际结构优化领域一个最新的热点。以Roderick Lakes（1987，1993）提出的具有负泊松比系数的泡沫材料以及对通过不同组分材料的复合可以获得任何单相材料无法比拟的极端材料特性(如零膨胀系数、零剪切性能)新发现的阐述为标志，材料微结构的优化设计被纳入拓扑优化领域。特别是由Sigmund于九十年代中期提出来的，现在己经成为材料研究领域的前沿课题之一。而在2002年的第9届AIAA年会上Kalidindi等人提出了"微结构灵敏设计(MSD-Microstructure Sensitive Design)"概念，进一步完善与发展了微结构构型与组分优化设计的思想与体系。这些开创性的工作为复合材料与结构的拓扑优化设计奠定了坚实的基础，进一步促进了材料微结构的优化设计。
　　复合材料的宏观性能可由微结构单胞使用均匀化技术得到，通过对微结构单胞进行拓扑优化设计可获得具有良好特性的复合材料，例如负的泊松比、负的热膨胀系数、零剪切性能以及良好压电特性的压电材料。对单胞的拓扑优化设计，问题可分为两类:一是满足本构模量等于给定值的最小体积百分含量问题;二是满足一系列体积约束和对称条件的极值材料常数问题。Silva基于均匀化方法展开了具有极端性能的二维和三维压电材料的优化设计;国内袁振、吴长春进行了极端性能的弹性材料优化设计，杨卫等采用优化准则法进行具有特定性能的微结构设计，实现了具有负泊松比的材料设计。基于传热性能的微结构优化设计目前还处于初期阶段，张卫红等基于均匀化方法进行材料的热传导性能预测，在给定材料用量下进行复合材料的设计，得到具有极端热传导性能的复合材料。
　　拓扑优化兼有尺寸优化和形状优化的复杂性，微结构最终拓扑形式是未知的。以最小柔度作为目标函数的微结构拓扑优化而得到的蜂窝状结构，为标准的规则正六边行蜂窝结构。
　　三、小结
　　金属基复合材料是近年来迅速发展起来的一种高技术新型工程材料，以其优越的性能受到国内外的高度重视。SiC颗粒增强铝基复合材料是目前复合材料中最引人注目的体系之一，不论是在理论上还是在实验上均是理想的复合材料研究对象。本文综述了国内外对金属基复合材料的有效性能研究和复合材料微结构拓扑优化，对金属基复合材料研究具有一定的知道意义。