光固化材料考研
[编辑本段]金属材料的疲劳
许多机械零件和工程部件在交变载荷下工作。在交变载荷的作用下，虽然应力水平低于材料的屈服极限，但经过长时间的反复应力循环后，会发生突然的脆性断裂，这种现象称为金属材料的疲劳。
金属材料的疲劳断裂的特征是:
(1)荷载应力是交变的；(2)负载的动作时间长；
(3)断裂是瞬时的；
(4)塑性和脆性材料在疲劳断裂区都是脆性的。
因此，疲劳断裂是工程中最常见也是最危险的断裂形式。
根据不同的条件，金属材料的疲劳现象可分为以下几种类型:
(1)高周疲劳:指在低应力(工作应力低于材料的屈服极限，甚至低于弹性极限)条件下，应力循环在100000以上的疲劳。这是最常见的疲劳失效。高周疲劳一般被称为疲劳。
(2)低周疲劳:指在高应力(工作应力接近材料的屈服极限)或高应变条件下，应力循环低于10000~100000的疲劳。因为交变塑性应变在这种疲劳失效中起主要作用，所以也称为塑性疲劳或应变疲劳。
(3)热疲劳:指温度变化引起的热应力反复作用而产生的疲劳损伤。
(4)腐蚀疲劳:是指机器零件在交变载荷和腐蚀介质(如酸、碱、海水、活性气体)共同作用下的疲劳损伤。
(5)接触疲劳:这是指机器零件的接触表面，在接触应力的反复作用下，发生点蚀剥落或表面压溃剥落，导致零件的失效和损坏。
金属材料的塑性
塑性是指金属材料在外力作用下产生永久变形(塑性变形)而不被破坏的能力。当一种金属材料被拉伸时，它的长度和横截面积会发生变化。所以金属的塑性可以用两个指标来衡量:长度的伸长率(伸长率)和截面的收缩率(截面的收缩率)。
金属材料的延伸率和面积收缩率越大，材料的塑性越好，即材料能承受更大的塑性变形而不损坏。一般延伸率大于5%的金属材料称为塑性材料(如低碳钢)，延伸率小于5%的金属材料称为脆性材料(如灰铸铁)。塑性好的材料可以在较大的宏观范围内产生塑性变形，同时通过塑性变形使金属材料得到强化，从而提高材料的强度，保证零件的安全使用。此外，可塑性好的材料可以在一些成型工艺中成功加工，如冲压、冷弯、冷拔和矫直。因此，在选择金属材料作为机械零件时，必须满足一定的塑性指标。字符串2
金属材料的硬度
硬度表示材料抵抗硬物压入其表面的能力。它是金属材料的重要性能指标之一。一般硬度越高，耐磨性越好。常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。
1.布氏硬度
将一定大小(一般直径10mm)的硬化钢球，以一定的载荷(一般3000kg)压入材料表面，并保持一段时间。卸载后载荷与压痕面积的比值为布氏硬度值(HB)，单位为千克力/平方毫米(N/mm2)。
2.洛氏硬度(小时)
当HB & gt450或者当样品太小时，布氏硬度试验不能使用，可以使用洛氏硬度测量代替。它是用顶角为120的金刚石圆锥体或直径为1.59和3.18mm的钢球在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕深度计算出材料的硬度。根据试验材料硬度的不同，有三种不同类型的粘土建筑。HRA:是在60kg的载荷下，用金刚石锥压机测得的硬度。用于硬度极高的材料(如硬质合金)。
HRB:硬度是用载荷为100kg、直径为1.58mm的硬化钢球获得的，用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁)。
HRC:是用150kg的载荷，用金刚石圆锥压力机测得的硬度。用于硬度较高的材料(如淬火钢)。
3维氏硬度(HV)
维氏硬度值(HV)是用顶角为136的金刚石方锥压机，以120kg以内的载荷对材料表面进行压制，用压痕坑的表面积除以载荷值得到的。
硬度测试是机械性能测试中最简单的测试方法。为了用硬度测试代替某些机械性能测试，在生产中需要更准确的硬度与强度的换算关系。
实践证明，金属材料的各种硬度值之间，硬度值与强度值之间，存在着近似的对应关系。因为硬度值是由初始塑性变形抗力和持续塑性变形抗力决定的，材料的强度越高，塑性变形抗力越高，硬度值也越高。
[编辑本段]金属材料的特性
金属材料的性能决定了应用的范围和应用的合理性。金属材料的性能主要分为四个方面，即机械性能、化学性能、物理性能和工艺性能。金属很硬。
[编辑本段]机械性能
(一)应力的概念，物体内部单位截面积上所受的力称为应力。由外力引起的应力称为工作应力，在没有外力作用的物体中平衡的应力称为内应力(如组织应力、热应力、加工过程后的残余应力等。).
(2)机械性能，金属在一定温度下，在外力(载荷)作用下抵抗变形和断裂的能力，称为金属材料的机械性能(又称力学性能)。金属材料承受的载荷有多种形式，可以是静载荷，也可以是动载荷，包括拉应力、压应力、弯曲应力、剪切应力、扭转应力、摩擦、振动和冲击等。单独或同时。因此，衡量金属材料机械性能的指标主要包括以下几项:
1.力量
这是代表材料在外力作用下抵抗变形和破坏的最大能力，可分为抗拉强度极限(σb)、抗弯强度极限(σbb)、抗压强度极限(σbc)等等。由于金属材料在外力作用下从变形到破坏都有一定的规律可循，所以通常通过拉伸试验来确定，即将金属材料制成一定规格的试样，在拉伸试验机上拉伸，直至试样断裂。确定的强度指标主要包括:
(1)强度极限:材料在外力作用下能抵抗断裂的最大应力，一般指拉力作用下的抗拉强度极限，用σb表示，如拉伸试验图中最高点b对应的强度极限，常用兆帕(MPa)，换算关系为:1mpa = 1n/m2 = (9.8)。c到材料断裂时的最大应力(或样品能承受的最大载荷)；Fo？c拉伸试样的原始横截面积。
(2)屈服强度极限:当金属材料试样承受的外力超过材料的弹性极限时，虽然应力不再增加，但试样仍发生明显的塑性变形。这种现象称为屈服，即当材料承受外力到一定程度时，其变形不再与外力成正比，产生明显的塑性变形。发生屈服时的应力称为屈服强度极限，用σs表示，拉伸试验曲线对应的点S称为屈服点。对于塑性高的材料，拉伸曲线上会有明显的屈服点，而塑性低的材料没有明显的屈服点，很难根据屈服点的外力找到屈服极限。因此，在拉伸试验方法中，通常将试样上的标距长度产生0.2%塑性变形时的应力规定为条件屈服极限，表示为σ0.2。屈服极限指标可作为要求零件在工作时不产生明显塑性变形的设计依据。但对于一些重要的零件，也考虑了屈强比(σs/σb)要小一些，以提高其安全性和可靠性，但此时材料利用率也较低。
(3)弹性极限:材料在外力作用下变形，但在外力撤除后又恢复原状的能力，称为弹性。金属材料能保持弹性变形的最大应力为弹性极限，对应拉伸试验图中的E点，用σe表示，单位为兆帕(MPa): σ e = Pe/FO其中Pe为最大外力(或材料处于最大弹性变形时的载荷)。
2.可塑性，
(1)布氏硬度(代号HB)，在规定的载荷P下，将一定直径D的硬化钢球压入试样表面，一定时间后释放载荷，试样表面会留下一个表面积为F的压痕， 并且试样的硬度用载荷在试样单位表面积上的大小来表示:HB = p/f .在实际应用中，通常直接测量凹坑的直径，根据载荷P和钢球直径D从布氏硬度数值表中查得布氏硬度值(显然，凹坑直径越大，硬度越低，布氏硬度值越小)。 布氏硬度和材料的抗拉强度有一定的关系:σb≈KHB，K为系数，例如对于低碳钢，K≈0.36，对于高碳钢，K≈0.34，对于调质合金钢，K≈0.325，…等等。
(2)洛氏硬度(HR)将一定顶角(如120)的金刚石圆锥压头或一定直径d的淬硬钢球在一定载荷P下压入试样表面，经过一定时间后去掉载荷，在试样表面留下一定深度的压痕。凹坑深度由洛氏硬度机自动测量，以硬度读数显示(显然凹坑越深，硬度越低，洛氏硬度值越小)。根据压头和载荷的不同，洛氏硬度可分为HRA、HRB和HRC，其中HRC是最常用的。洛氏硬度HRC与布氏硬度HB之间有如下换算关系:HRC≈0.1HB。除了最常用的洛氏硬度HRC和布氏硬度HB外，还有维氏硬度(HV)、肖氏硬度(HS)、显微硬度和里氏硬度(HL)。在这里，我想解释一下里氏硬度，这是目前最新颖的硬度表征方法。它是用里氏硬度计测量的。它的检测原理是:里氏硬度计的冲击装置从固定位置松开冲头，冲头快速冲击试样表面。通过线圈的电磁感应测量冲头在距离试样表面65438±0mm处的冲击速度和回弹速度(感应为冲击电压和回弹电压)，用冲头回弹速度和冲击速度的比值表示里氏硬度值。1000公式:HL-里氏硬度值；Vr-打孔反弹速度；Vi-冲头的冲击速度(注:实际应用装置中，冲击装置中闭合线圈感应的冲击电压和回弹电压代表冲击速度和回弹速度)。冲击装置的结构主要包括内置弹簧(加载套筒，不同类型的冲击装置冲击能量不同)、导管、释放按钮、内置线圈和骨架、支撑环和冲头。冲头主要采用金刚石和碳化钨两种极硬球体(不同类型的冲击器冲头直径不同)。优点:里氏硬度计主机接收冲击装置得到的信号进行处理和计算，然后直接在屏幕上显示里氏硬度值。便携式里氏硬度计经里氏硬度计(HL)测量后可换算成布氏(HB)、洛氏(HRC)、维氏(HV)和肖氏(HS)硬度。或者直接用布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRC)、维氏硬度(HV)、里氏硬度(HL)和肖氏硬度(HS)根据里氏硬度原理测量硬度值，同时可以换算出材料的抗拉强度σb，测量结果也可以存储、直接打印或送入计算机进行进一步的数据处理。4.韧性
金属材料在冲击载荷下抵抗损伤的能力称为韧性。通常采用冲击试验，即一定尺寸和形状的金属试样在规定型号的冲击试验机上承受冲击载荷而断裂时，断口上单位截面积所消耗的冲击功代表材料的韧性:αk=Ak/F单位J/cm2或Kg？m/cm2，1Kg？M/cm2=9.8J/cm2αk称为金属材料的冲击韧性，Ak为冲击功，f为断裂的原始截面积。5.疲劳强度极限在长期重复应力或交变应力(应力一般小于屈服极限强度σs)作用下，金属材料发生断裂而没有明显变形的现象称为疲劳失效或疲劳断裂。这是因为各种原因，零件表面的应力(应力集中)大于σs，甚至σb，导致该零件产生塑性变形或微裂纹。随着反复交变应力的增加，裂纹逐渐扩展加深(裂尖应力集中)，导致了这一点。在实际应用中，试样在重复或交变应力(拉应力、压应力、弯曲或扭转应力等)作用下，在规定的循环次数内(一般钢为106~107次，有色金属为108次)所能承受的不断裂的最大应力。)一般视为疲劳强度极限，使用σ-6508。除了上面提到的五个最常用的力学性能指标外，对于一些要求特别严格的材料，如航空航天、核工业、电厂使用的金属材料，还要求有以下力学性能指标:蠕变极限:在一定温度和恒定拉伸载荷下，材料随时间推移缓慢产生塑性变形的现象称为蠕变。通常采用高温拉伸蠕变试验，即在恒定温度和恒定拉伸载荷下，试样在规定时间内的蠕变伸长率(总伸长率或残余伸长率)或蠕变伸长速度在相对恒定阶段不超过规定值时的最大应力，以MPa表示为蠕变极限，其中τ为试验持续时间，t为温度，δ为伸长率，σ为应力；或者，v是爬行速度。高温拉伸持久强度极限:试样在恒定温度和恒定拉伸载荷下持续规定时间而不断裂的最大应力，用MPa表示，其中τ为持续时间，t为温度，σ为应力。金属缺口敏感系数:用Kτ表示为缺口试样与无缺口光滑试样在相同持续时间(高温拉伸耐久试验)下的应力之比:其中τ为试验持续时间、缺口试样的应力和光滑试样的应力。或者表示为:即在相同应力σ下，缺口试样的持续时间与光滑试样的持续时间之比。耐热性:材料在高温下抵抗机械负荷的能力。
[编辑本段]化学性质
金属的化学性质称为金属的化学性质。在实际应用中，我们主要考虑金属的耐腐蚀性和抗氧化性(也叫抗氧化性，是指金属在高温下对氧化的抵抗力或稳定性)，以及不同金属之间、金属与非金属之间形成的化合物对力学性能的影响。在金属的化学性能中，尤其是耐腐蚀性对金属的腐蚀疲劳损伤具有重要意义。
[编辑本段]物理属性
金属的物理性质主要考虑如下:
(1)密度(比重):ρ=P/V单位克/立方厘米或吨/立方米，其中P为重量，V为体积。在实际应用中，除了根据密度计算金属零件的重量外，非常重要的是考虑金属的比强度(强度σb与密度ρ的比值)来帮助选材，以及与无损检测相关的声学检测中的声阻抗(密度ρ与声速c的乘积)和射线检测中不同密度材料的不同吸收能力。
(2)熔点:金属由固态变为液态的温度直接影响金属材料的熔化和热加工，与材料的高温性能有很大关系。(3)热膨胀随温度变化而变化(膨胀或收缩)的现象称为热膨胀，常用线膨胀系数来衡量，即温度变化1℃时材料长度的增加或减少与它在0℃时长度的比值。热膨胀与材料的比热有关。在实际应用中，还应考虑比容(单位重量材料体积的增减，即体积与质量的比值)，特别是对于在高温环境或冷热交替环境下工作的金属零件，必须考虑其膨胀性能的影响。
(4)磁性吸引铁磁物体的性质是磁性，体现在磁导率、磁滞损耗、剩余磁感应强度、矫顽力等参数上。，这样金属材料就可以分为顺磁性和抗磁性，软磁和硬磁材料。
(5)电性能主要考虑其导电性，影响其电阻率和电磁无损检测中的涡流损耗。
[编辑本段]流程绩效
金属对各种加工方法的适应性称为工艺性能，主要包括以下四个方面:
(1)可加工性:反映金属材料用切削工具切削的难易程度(如车、铣、刨、磨)。
(2)可锻性:反映金属材料在压力加工过程中成形的难易程度，如材料加热到一定温度时的塑性(以塑性变形抗力为代表)，热压力加工的允许温度范围，热胀冷缩特性，与显微组织和力学性能有关的临界变形边界，金属在热变形过程中的流动性和导热性等。
(3)可铸性:反映金属材料熔化铸造成铸件的难易程度，表现为流动性、吸气性、氧化性、熔点、铸件显微组织的均匀性和致密性、冷缩性。
(4)可焊性:反映金属材料局部快速加热，使连接部位快速熔化或半熔化(需要压力)，使连接部位牢固结合成一个整体的难易程度，表现在熔点、熔化时的吸杂、氧化、导热、热胀冷缩特性、塑性、与连接部位及附近材料的显微组织的相关性、对力学性能的影响。
快速原型技术的原理、工艺流程和技术特点；
快速成型属于离散/累积成型。基于成形原理，提出了一种全新的思维方式尺寸模型，即将计算机上制作的零件三维模型网格化存储，并进行分层，获得各层截面的二维轮廓信息。根据这些轮廓信息，自动生成加工路径。在控制系统的控制下，成型头有选择地将成型材料逐层固化或切割，形成各截面的轮廓片，依次逐层叠加成三维毛坯。然后，对毛坯进行后处理以形成零件。
快速原型制作的过程如下:
l)建立产品的三维模型。由于RP系统是由三维CAD模型直接驱动的，所以首先要构建被加工工件的三维CAD模型。三维CAD模型可以通过计算机辅助设计软件(如Pro/E、I-DEAS、Solid Works、UG等)直接构建。)，或者可以将现有产品的二维图纸转换成三维模型，也可以通过激光和ct扫描产品实体，获得点云数据，再通过逆向工程构建三维模型。
2)三维模型的近似处理。由于产品往往具有一些不规则的自由曲面，因此在加工前需要对模型进行近似，以方便后续的数据处理。STL格式文件以其简单实用的格式成为快速成型领域的准标准接口文件。它使用一系列小三角形平面来近似原始模型。每个小三角形由三个顶点坐标和一个法向量描述，三角形的大小可以根据精度要求选择。STL文件有两种输出形式:二进制代码和ASCll代码。二进制代码的输出形式所占的空间比ASCII代码的文件输出形式所占的空间要小得多，但是ASCII代码的输出形式是可以读取和检查的。典型的CAD软件都有转换输出STL格式文件的功能。
3)对三维模型进行切片。根据被加工模型的特点，选择合适的加工方向，在成型高度方向上以一定间隔用一系列平面切割近似模型，从而提取截面的轮廓信息。间隔一般为0.05mm~0.5mm，常用0.1mm。间隔越短，成型精度越高，但成型时间越长，效率越低，反之，精度越低但效率越高。
4)成型加工。根据切片的截面轮廓，在计算机的控制下，相应的成型头(激光头或喷头)根据截面轮廓信息做扫描运动，在工作台上逐层堆积材料，然后将各层粘合在一起，最终得到原型产品。
5)成型件的后处理。将成型件从成型系统中取出，打磨、抛光、涂层，或放入高温炉中进行后烧结，进一步提高强度。
快速成型技术的分类；
快速成型技术按成型方法可分为两大类:基于激光和其他光源的激光技术，如立体光刻机(SLA)、分层实体制造(LOM)、选择性激光粉末烧结(SLS)、形状沉积成型(SDM)等。喷射技术，如熔融沉积成型(FDM)、三维打印(3DP)和多相喷射沉积(MJD)。下面简单介绍一下比较成熟的技术。
1、SLA(stereolithography Apparatus)工艺SLA工艺又称光造型或立体光刻，由美国查尔斯·胡尔于1984年申请专利。1988美国3D系统公司推出商用样机SLA-I，这是世界上第一台快速成型机。SLA成型机占据了RP设备市场的很大份额。
SLA技术是基于液态光敏树脂的光聚合原理。这种液体材料在一定波长和强度的紫外光照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增加，材料由液态变为固态。
SLA工作原理:液体槽中充满液体光固化树脂的激光束，在偏转镜的作用下，可以在液体表面进行扫描，扫描轨迹和有无光由计算机控制。光点击中的地方，液体就会凝固。成型开始时，工作平台在液面以下一定深度。聚焦光斑根据计算机的指令在液面上逐点扫描，即逐点固化。当一层扫描完成后，未照射的区域仍然是液态树脂。然后升降台带动平台下降一层，成型的一层覆盖一层树脂。刮刀将粘度较高的树脂刮平，然后扫描下一层，新循环的一层与上一层牢固粘合，如此反复，直至整个零件制造完成，得到三维实体模型。
SLA方法是目前快速成型技术领域研究最多的方法，也是技术上最成熟的方法。SLA工艺成形的零件精度高，加工精度一般可达0.1 mm，原材料利用率近100%。但这种方法也有一定的局限性，如需要支撑、树脂收缩导致精度下降、光固化树脂有毒性等。
2.LOM(层压对象制造)工艺LOM工艺被称为层压实体制造或分层实体制造，是由美国Helisys公司的Michael Feygin于1986年研制成功的。LOM工艺使用薄材料，如纸和塑料薄膜。片材表面预先涂有一层热熔胶。在加工过程中，热压辊对板材进行热压，使其粘附在下面成型的工件上。用CO2激光在新粘接的层上切割零件的截面轮廓和工件的外框，在截面轮廓和外框之间的多余区域切割上下对齐的网格。激光切割完成后，工作台带动成型的工件下降并与条状板材分离。进给机构转动接收轴和进给轴，带动料带移动，将新层移动到加工区。工件接头上升到加工平面，热辊热压，使工件层数增加一层，高度增加一个材料厚度。然后在新图层上切割轮廓。重复这一过程，直到零件的所有部分都被粘合和切割。最后，去除切碎的多余部分，得到分层制造的实体零件。
LOM工艺只需要切割板材上零件截面的轮廓，不需要扫描整个截面。所以厚壁零件成型速度更快，容易制造大型零件。过程中没有材料相变，不容易造成翘曲变形。工件外框和横截面轮廓之间的多余材料在加工中起支撑作用，因此LOM工艺不需要支撑。缺点是材料浪费严重，表面质量差。
3.SLS(选择性激光烧结)工艺SLS工艺被称为选择性激光烧结，是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功的。SLS工艺是由粉末材料制成的。将材料粉铺在成型件的上表面，刮平。用高强度CO2激光扫描新铺设的新层上的零件截面。材料粉末在高强度激光的照射下烧结在一起，得到零件的截面，并与下面成型的零件连接。当烧结一层截面时，新的一层材料粉末被铺开，下面的截面被选择性烧结。
烧结后，去除多余的粉末，然后对零件进行抛光和干燥。
SLS技术的特点是材料广泛，不仅可以制造塑料零件，还可以制造陶瓷、蜡等材料的零件，尤其是金属零件。这使得SLS工艺具有吸引力。SLS工艺不需要支撑，因为没有烧结粉末起支撑作用。
4.3DP(三维打印)工艺三维打印工艺是由麻省理工学院的E-manual Sachs开发的。它已经被美国的Soligen公司商业化，命名为DSPC(直接型壳生产铸造),用于制造铸造用的陶瓷型壳和型芯。
3DP工艺类似于SLS工艺，采用粉末材料，如陶瓷粉末、金属粉末等。不同的是，材料粉末不是通过烧结连接的，而是零件的横截面是由喷嘴用粘合剂(比如硅胶)“打印”在材料粉末上的。
用粘合剂粘合的零件强度低，需要后处理。先烧粘结剂，再高温熔渗金属，使零件致密化，提高强度。
5.FDM(熔融沉积成型)工艺熔融沉积制造(FDM)是由美国学者Scott Crump于1988研制成功的。FDM的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、尼龙等。以丝状形式进食。材料在喷嘴中被加热并熔化。喷嘴沿着零件的横截面轮廓和填充轨迹移动，同时，熔融材料被挤出，迅速凝固并与周围材料凝结。
FDM技术描述
FDM技术由Stratasys设计和制造，可用于一系列系统。这些系统是FDM Maxum、FDM泰坦、Prodigy Plus和Dimension。FDM技术使用ABS，聚碳酸酯(PC)，聚苯砜(PPSF)和其他材料。这些热塑性材料在半熔融状态下挤压成细丝，在逐层堆叠的基础上，通过沉积直接由3D CAD数据构建原型。这项技术通常用于成型、装配、功能测试和概念设计。此外，FDM技术可以应用于打样和快速制造。