14 ключевых механических свойств материалов: практическое руководство

Что такое свойства материалов?

Свойство материала — интенсивная характеристика, то есть физическое свойство, не зависящее от количества материала. Эти количественные свойства служат метрикой для сравнения материалов, помогая в выборе.

Свойство может быть константой или функцией независимых переменных (температуры). Свойства часто варьируют по направлению измерения в материале — анизотропия.

Свойства, относящиеся к разным физическим явлениям, часто линейны (или примерно) в рабочем диапазоне. Моделирование линейными функциями существенно упрощает дифференциальные конstitutive уравнения, описывающие свойство.

Уравнения свойств материалов часто используются для прогнозирования атрибутов системы.

Свойства измеряют стандартизированными методами. Многие документированы сообществами пользователей и опубликованы в интернете (см. ASTM International).

Список механических свойств материалов

Описание общих механических и физических свойств даст информацию для проектировщиков при выборе материалов.

• Проводимость
• Коррозионная стойкость
• Плотность
• Пластичность/Ковкость
• Эластичность/Жесткость
• Вязкость на разлом
• Твердость
• Пластичность (как качество)
• Прочность, усталостная
• Прочность, сдвиговая
• Прочность, растяжная
• Прочность, предел текучести
• Вязкость (toughness)
• Износостойкость

Расшифровка определений:

1. Проводимость

Теплопроводность — количество тепла, проходящего через материал. Измеряется в градусах на единицу времени, площадь поперечного сечения, длину. Материалы с низкой теплопроводностью — изоляторы, с высокой — радиаторы.

Металлы с высокой теплопроводностью — кандидаты для теплообменников, холодильников. Низкая теплопроводность для высокотемпературных применений, но часто высокотемпературные компоненты требуют высокой теплопроводности — важно понимать среду.

Электропроводность аналогична — количество электричества, проходящего через материал известного сечения и длины.

2. Коррозионная стойкость

Способность материала предотвращать естественную химическую или электрохимическую атаку атмосферы, влаги, других агентов. Коррозия имеет формы: точечная, гальваническая, напряженная, интеркристаллитная и др.

Может выражаться как максимальная глубина в милях, на которую коррозия проникнет за год; линейная экстраполяция проникновения за время испытаний или службы.

Некоторые материалы изначально коррозионно-стойкие, другие выигрывают от покрытий. Многие металлы из стойких семейств не полностью безопасны и подвизают под специфические условия среды.

3. Плотность

Часто в фунтах на кубический дюйм или г/см³ — масса сплава на единицу объема. Плотность определяет вес детали заданного размера.

Важно в авиации и автопроме, где важен вес. Инженеры ищут менее плотные сплавы, но должны учитывать отношение прочность/вес. Высокоплотная сталь может быть выбрана, если дает большую прочность, чем менее плотный материал — деталь можно сделать тоньше, компенсируя высокую плотность меньшим объемом.

4. Пластичность/Ковкость

Пластичность — способность материала пластически деформироваться (растягиваться) без разрыва и сохранять новую форму при снятии нагрузки. Представьте как способность вытянуть металл в проволоку.

Измеряется испытанием на растяжение как % удлинения или % сужения поперечного сечения перед разрушением. Растяжение также дает модуль Юнга (модуль эластичности) — важное отношение напряжение/деформация для расчетов.

Склонность сопротивляться трещинам под нагрузкой делает пластичные материалы подходящими для прокатки, вытяжки. Холодная деформация снижает пластичность.

Ковкость — физическое свойство, описывающее способность металла формироваться без разрыва. Давление (сжатие) прессует или прокаткует материал в более тонкие листы. Высокая ковкость — выдерживание большего давления без разрыва.

5. Эластичность, Жесткость

Эластичность — стремление материала возвращаться к исходным размерам и форме при снятии деформирующей силы. В отличие от пластичности (необратимое изменение формы), эластичный материал возвращается к предыдущей конфигурации.

Жесткость металла часто измеряется модулем Юнга — соотношением напряжения (приложенная сила) к деформации (результирующая деформация). Чем выше модуль — тем большая сила дает пропорционально меньшую деформацию — тем жестче материал.

Стекло — пример жесткого/высокомодульного материала, резина — низкой жесткости/низкого модуля. Важно для применений, требующих жесткости под нагрузкой.

6. Вязкость на разлом (Fracture Toughness)

Ударная вязкость — способность материала выдерживать удар. Эффект удара при столкновении за короткое время обычно больше, чем слабой силы за длинное время.

Учет ударной вязкости нужен при риске ударов. Некоторые металлы нормально работают под статической нагрузкой, но ломаются под динамическими или при столкновении. В лаборатории удар измеряют испытанием Шарпи: взвешенный маятник ударяет образец напротив выточенной V-образной засечки.

7. Твердость

Способность материала сопротивляться постоянному вдавливанию (пластической деформации). Обычно чем тверже материал, тем лучше он устоен к износу или деформации. Термин твердость также относится к локальной поверхностной жесткости или устойчивости к царапанию, абразию, резанью.

Измеряют методами Бринелл, Роквелл, Викерс — глубину и площадь вдавливания твердым индентором (стальной шар, алмаз).

8. Пластичность (как качество)

Пластичность, обратная эластичности, — склонность твердого тела сохранять новую форму под формирующими силами. Качество, позволяющее гнуть или обрабатывать в постоянную новую форму. Материалы переходят от эластичного поведения к пластичному в точке текучести.

9. Прочность — Усталостная

Усталость ведет к разрушению под повторяющимися или пульсирующими напряжениями (погрузка/разгрузка) с максимумом ниже прочности на растяжение. Высокие напряжения ускоряют разрушение, низкие — замедляют — связь между напряжением и циклами до отказа.

Предел усталости — максимальное напряжение, которое металл выдерживает заданное число циклов. Жизнь при усталости — при фиксированной нагрузке число циклов до разрушения. Усталостная прочность важна для компонентов под циклическими нагрузками.

10. Прочность — Сдвиговая

Сдвиговая прочность важна для болтов, балок, где важны направление и величина напряжения. Сдвиг возникает, когда направленные силы заставляют внутреннюю структуру металла скользить относительно себя на зернистом уровне.

11. Прочность — Растяжная

Одна из самых частых мер свойств металла — предел прочности на растяжение. Нагрузка, которую участок металла выдерживает до разрыва. В испытаниях металл удлиняется, но возвращается к форме в области эластической деформации.

При достижении точки пластической деформации (предел текучести) сохраняет удлиненную форму при снятии нагрузки. В точке растяжения нагрузка вызывает окончательный разрыв.

Мера отличает хрупкие материалы от более пластичных. Измеряется в Н/мм² (МПа) или фунтах на кв. дюйм.

12. Прочность — Предел текучести

Похоже на предел прочности. Предел текучести — точка, после которой материал под нагрузкой не возвращается в исходную позицию или форму. Деформация переходит из эластичной в пластичную.

Расчеты включают точку текучести для понимания пределов размерной стабильности под нагрузкой. Как предел прочности, измеряется в МПа или psi.

13. Вязкость (Toughness)

Измеряется испытанием Шарпи на удар, как ударная вязкость. Вязкость — способность материала поглощать удар без разрушения при заданной температуре. Поскольку ударная вязкость часто ниже при низких температурах, материалы становятся хрупче.

Значения Шарпи часто регламентируют для ферристых сплавов, где возможны низкие температуры (морские нефтеплатформы, нефтепроводы) или мгновенные нагрузки (баллистическое сдерживание в военной и авиационной технике).

14. Износостойкость

Способность материала выдерживать эффект трения двух материалов друг о друга. Формы: адгезионный, абразивный износ, царапание, вмятины, зажимание.

При разной твердости мягкий металл показывает эффекты первым, управление этим — часть проектирования. Даже прокатка вызывает абразивный износ из-за чужеродных частиц. Измеряют как потерю массы за заданное число циклов абразии при нагрузке.

Другие механические свойства

• Хрупкость: способность ломаться без значительной деформации под нагрузкой; противоположность пластичности; примеры: стекло, бетон, чугун, керамика
• Модуль объемной сжимаемости (Bulk modulus): отношение давления к объемному сжатию (ГПа)
• Коэффициент восстановления: отношение конечной к начальной относительной скорости двух объектов после столкновения. 0–1, 1 — идеально эластичный удар
• Прочность на сжатие: макс. напряжение до сжатия разрушения (МПа)
• Ползучесть (Creep): медленная постепенная деформация во времени. Если напряжение превышает предел текучести, деформация не исчезает полностью при снятии нагрузки. Пластическая деформация — ползучесть. При высоких температурах деформация от ползучести значительна.
• Долговечность: способность выдерживать износ, давление, повреждения
• Предел усталости: макс. напряжение при повторной нагрузке (МПа)
• Гибкость: способность гнуться или деформироваться под силу; дополняет жесткость
• Модуль на изгиб (Flexural modulus)
• Прочность на изгиб: макс. изгибающее напряжение до разрушения (МПа)
• Коэффициент трения: сила, нормальная к поверхности, преобразующаяся в силу сопротивления относительному движению контактных поверхностей пары материалов
• Массовая диффузивность: способность одного вещества диффундировать через другое
• Коэффициент Пуассона: отношение поперечной деформации к осевой (безразмерно)
• Упругость (Resilience): способность поглощать энергию при упругой деформации (МПа); сочетание прочности и эластичности
• Сдвиг (Slip): склонность частиц материала к пластической деформации из-за движения дилокаций. Типично для кристаллов.
• Удельный модуль: модуль на единицу объема (МПа/м³)
• Удельная прочность: прочность на единицу плотности (Н·м/кг)
• Удельный вес: вес на единицу объема (Н/м³)
• Жесткость: способность сопротивляться деформации под силой; ригидность; дополняет гибкость
• Шероховатость поверхности: отклонения нормали реальной поверхности от идеальной формы
• Прочность на растяжение: макс. растягивающее напряжение до разрушения (МПа)
• Вязкость (жидкости): сопротивление постепенной деформации растяжением или сдвигом; толщина
• Модуль Юнга: отношение линейного напряжения к линейной деформации (МПа)

Акустические свойства

• Акустическое поглощение
• Скорость звука
• Звуковое отражение
• Звуковая передача
• Третий порядок эластичности (акустоупругий эффект)

Атомные свойства

• Атомная масса: для всех элементов. Средняя масса атомов элемента в а.е.м.
• Атомный номер: только для чистых элементов
• Атомный вес: для отдельных изотопов или конкретных смесей изотопов элемента

Химические свойства

• Коррозионная стойкость
• Гигроскопичность
• pH
• Реакционная способность
• Удельная внутренняя площадь поверхности
• Поверхностная энергия
• Поверхностное натяжение

Электрические свойства

• Емкость
• Диэлектрическая постоянная
• Диэлектрическая прочность
• Электрическое сопротивление и проводимость
• Электрическая восприимчивость
• Электрокалорический коэффициент
• Электрострикция
• Магнитоэлектрическая поляризуемость
• Коэффициент Нернста (термоэлектрический эффект)
• Диэлектрическая проницаемость
• Пьезоэлектрические константы
• Пироэлектричество
• Коэффициент Зеебека

Магнитные свойства

• Точка Кюри
• Диамагнетизм
• Коэффициент Холла
• Гистерезис
• Магнитострикция
• Магнитокалорический коэффициент
• Магнитотермоэлектрическая мощность (коэффициент магнито-Зеебека)
• Магнитосопротивление
• Магнитная проницаемость
• Пьезомагнетизм
• Пиромагнитный коэффициент
• Спиновой эффект Холла

Технологические свойства

• Отливность: как легко получить качественную отливку из материала
• Оценка обрабатываемости на станках
• Скорости резания и подачи

Оптические свойства

• Поглощение: как сильно химическое вещество ослабляет свет
• Двойная преломляемость
• Цвет
• Электрооптический эффект
• Светимость
• Оптическая активность
• Фотоэластичность
• Фоточувствительность
• Отражательная способность
• Коэффициент преломления
• Рассеяние
• Пропускание

Радиологические свойства

• Нейтронное сечение
• Удельная активность
• Период полураспада

Тепловые свойства

• Бинарная фазовая диаграмма
• Точка кипения
• Коэффициент теплового расширения
• Критическая температура
• Точка Кюри
• Температура перехода «пластичный-хрупкий»
• Эмиссивность
• Эвтектойдная точка
• Горючесть
• Точка вспышки
• Температура стеклования
• Теплота испарения
• Температура инверсии
• Температура плавления
• Теплопроводность
• Термическая диффузивность
• Тепловое расширение
• Тройная точка
• Давление пара
• Удельная теплоемкость

FAQ

Каковы 7 свойств материалов?

Физические свойства:

• Плотность
• Температура плавления
• Теплопроводность
• Электропроводность (сопротивление)
• Тепловое расширение
• Коррозионная стойкость

Что такое свойства материалов, объясните с примерами?

Физические свойства — наблюдаемые или измеряемые без изменения состава. Примеры: цвет, твердость, запах, точки замерзания, плавления, кипения. Химические свойства открывают при наблюдении химических реакций.

Каковы три свойства материалов?

Четыре свойства: масса, вязкость, твердость, ковкость. Материалы в природе по компактности. Три обычных состояния: твердое, жидкое, газообразное.

Каковы 10 свойств материалов?

Описание общих механических и физических свойств для выбора материалов:

• Проводимость
• Коррозионная стойкость
• Плотность
• Пластичность/Ковкость
• Эластичность/Жесткость
• Вязкость на разлом
• Твердость
• Пластичность

Каковы 4 типа материалов?

Материалы обычно делят на четыре группы: металлы, полимеры, керамика, композиты.

Какое свойство обще для всех материалов?

Распространенные механические свойства: жесткость, вязкость, прочность, пластичность, твердость, ударная вязкость. Механические свойства не постоянны; непрерывно меняются под воздействием условий (тепло, скорость нагрузки).

Каковы два главных свойства материалов?

Важные свойства:

• Физические: блеск, цвет, размер, форма, плотность, эластичность, теплопроводность, точка плавления
• Химические: состав, структура
• Механические

Что такое свойство в терминах материалов?

В науке свойство — все, что описывает материал или вещество. Характеристика материала. Напр., насколько материал тверд, его цвет, форма. Эластичность — свойство резины; резина эластична.

Классифицируйте материалы, напишите два свойства?

Материал — вещество, из которого сделан объект. Широкий термин. Классифицируют по свойствам. Свойства: твердость, прочность, жесткость, теплопроводность, теплоемкость, проницаемость, магнетизм.

Каковы пять свойств металлических материалов?

Металлы блестящие, ковкие, пластичные, хорошие проводники тепла и электричества.

Что такое структурные свойства материалов?

Конструкционные материалы воспринимают нагрузку. Ключевые свойства для несущей способности: модуль эластичности, предел текучести, предел прочности на растяжение, твердость, пластичность, вязкость на разлом, усталость, ползучесть.

Что я знаю о материалах?

Материал — вещество или смесь, составляющая объект. Чистые или примесные, живые или неживые. Классифицируют по физико-химическим свойствам, геологическому происхождению или биологической функции.

Как свойства материалов связаны с их применением?

Разница между объектом и материалом(ами), из которых он сделан. Разные материалы — разные свойства. Свойства определяют пригодность для конкретного применения. Определения ключевых свойств: впитываемость, гибкость.

Каковы свойства для сортировки материалов в группы?

Объекты группируют по блеску, твердости/мягкости, прозрачности, растворимости, плавучести, притяжению к магниту, теплопроводности, электропроводности. Материалы делят на блестящие и неблестящие по блеску.

Каковы пять свойств для классификации материалов?

• Внешний вид
• Твердость и мягкость
• Растворимость
• Прозрачность, полупрозрачность, непрозрачность
• Вес материала на воде

Как классифицировать материалы по свойствам?

Твердые материалы удобно делят на три базовых класса: металлы, керамика, полимеры. Основа — химический состав и атомная структура. Большинство попадают в один класс, есть промежуточные.

Что такое функциональные свойства материалов?

Функциональные материалы обладают желаемыми электронными, магнитными, оптическими и пьезоэлектрическими свойствами для сборки и хранения энергии, памяти и коммуникационных устройств.

Каковы свойства объектов?

Базовые свойства объекта — элементы его четырехчастного имени (имя, тип, экземпляр, версия) а также владелец, статус, платформа, релиз.

Как объяснить материалы ребенку?

Материал — любое вещество с названием. Напр.: мел, бумага, дерево, железо, воздух, вода, глина, пластик, резина, камень, кожа, воск. Все из материалов. Чтобы сделать что-то, нужно выбрать лучший материал для работы.

Что такое материалы, классификация (класс 6)?

Дерево и бумага — неблестящие. Стекло и железо — блестящие. Стекло прозрачно, бумага полупрозрачна, дерево и железо непрозрачны. Дерево и железо — твердые, бумага и стекло — мягкие.

Какое свойство материала дает способность проводить электричество?

Металлы — хорошие проводники, ток течет легко. Материалы, не пропускающие ток — диэлектрики. Большинство неметаллов (пластик, дерево, резина) — изоляторы.

Какая функция материала?

Так же важна, как производство, инженерия и финансы. Снабжение качественными материалами необходимо для стандартных продуктов. Избегание потерь материалов контролирует себестоимость. Управление материалами необходимо любому предприятию.