Различные типы механических свойств материалов

Механические свойства материала являются интенсивным свойством некоторого материала, то есть физической характеристикой, не зависящей от количества материала. Эти количественные характеристики можно использовать в качестве меры для сравнения преимуществ различных материалов, помогая при выборе материалов.

Характеристика, такая как температура, может быть функцией одной или нескольких независимых переменных или может быть константой. Анизотропия — это термин, обозначающий склонность свойств материала к некоторым колебаниям в зависимости от направления материала, в котором они измеряются. При использовании в определенном рабочем диапазоне свойства материалов, связанные с различными физическими процессами, часто ведут себя линейно (или примерно так). Дифференциальные определяющие уравнения, которые используются для описания свойства, можно значительно упростить, смоделировав их как линейные функции.

Для прогнозирования свойств системы часто используют уравнения, определяющие важные свойства материала. Используя установленные процедуры испытаний, атрибуты измеряются. Многие из этих методов были написаны и опубликованы в Интернете соответствующими сообществами пользователей; см. ASTM International.

В этой статье мы рассмотрим различные типы механических свойств материалов

Каковы наиболее распространенные механические свойства материалов?

Разработчики продуктов могут использовать информацию из описания некоторых типичных механических и физических свойств, чтобы помочь им выбрать правильные материалы для конкретного применения. Ниже приведены типы механических свойств материала:

• Проводимость
• Коррозия
• Сопротивление
• Плотность
• Пластичность/податливость
• Эластичность/жесткость
• Перелом
• Прочность
• Твердость
• Пластичность
• Сила, Усталость
• Прочность, прочность на сдвиг,
• Прочность на растяжение, предел текучести
• Прочность
• Износостойкость

Электропроводность

Количество тепла, которое проходит через материал, можно определить по его теплопроводности. Он выражается как один градус на единицу длины, площади поперечного сечения и времени. Материалы с высокой теплопроводностью можно использовать в качестве теплоотводов, а материалы с низкой теплопроводностью — в качестве изоляторов.

Металлы с высокой теплопроводностью подходят для использования в таких системах, как теплообменники или холодильные установки. Хотя материалы с низкой теплопроводностью могут использоваться в высокотемпературных приложениях, для высокотемпературных компонентов часто требуются материалы с высокой теплопроводностью, поэтому очень важно понимать окружающую среду.

Подобно теплопроводности, электропроводность измеряет количество электричества, которое проходит через материал с известным поперечным сечением и длиной.

Коррозионная стойкость

Способность материала сопротивляться естественному химическому или электрохимическому воздействию воздуха, влаги или других элементов называется коррозионной стойкостью. Существует множество типов коррозии, в том числе межкристаллитная, расслаивающая, гальваническая и точечная (многие из которых будут обсуждаться в других выпусках информационного бюллетеня).

На основе линейной экстраполяции проникновения, происходящего в ходе данного испытания или эксплуатации, коррозионная стойкость может быть определена как наибольшая глубина в милах, на которую может проникнуть коррозия за год. В то время как некоторые материалы выигрывают от добавления гальванического покрытия или покрытия, другие обладают естественной коррозионной стойкостью. Многие металлы, принадлежащие к семействам, устойчивым к коррозии, по-прежнему уязвимы для определенных факторов окружающей среды, присутствующих в средах, в которых они работают.

Плотность

Масса сплава на единицу объема называется плотностью, которая часто выражается в фунтах на кубический дюйм, граммах на кубический сантиметр и т. д. Вес компонента определенного размера зависит от плотности сплава.

В отраслях, где вес имеет значение, таких как аэрокосмическая или автомобильная промышленность, этот компонент имеет решающее значение. Менее плотные сплавы могут быть востребованы инженерами, которым нужны более легкие компоненты, но они также должны учитывать соотношение прочности и веса. Если вещество с более высокой плотностью, такое как сталь, обладает большей прочностью, чем вещество с более низкой плотностью, можно выбрать этот материал. Чтобы компенсировать более высокую плотность, можно использовать более тонкую часть, используя меньше материала.

Пластичность/податливость

Пластичность материала — это его способность пластически растягиваться или изгибаться, не ломаясь, и сохранять новую форму после снятия нагрузки. Представьте, что вы можете растянуть определенный металл в проволоку.

При испытании на растяжение пластичность часто рассчитывают как процент удлинения или уменьшение площади поперечного сечения образца перед разрушением. Модуль Юнга, часто известный как модуль упругости, представляет собой решающее отношение напряжения к деформации, которое используется в многочисленных проектных расчетах и ​​может быть получено при испытании на растяжение. Пластичные материалы подходят для других процессов металлообработки, таких как прокатка или волочение, из-за их склонности сопротивляться растрескиванию или разрушению под нагрузкой. Металл имеет тенденцию становиться менее пластичным при некоторых дополнительных обработках, таких как холодная обработка.

Способность металла принимать форму без разрушения называется ковкостью, физическим качеством. Материал прокатывается или прессуется в более тонкие листы под давлением, также известным как сжимающее напряжение. Материалы с высокой пластичностью могут выдерживать большее давление без образования трещин.

Эластичность/жесткость

При устранении искажающей силы способность материала восстанавливать свой прежний размер и форму называется его упругим свойством. Эластичные материалы вернутся к своей первоначальной форме после снятия напряжения, в отличие от материалов, проявляющих пластичность (где изменение формы необратимо).

Модуль Юнга, который противопоставляет взаимосвязь между напряжением (приложенной силой) и деформацией, часто используется для оценки жесткости металла (результирующая деформация). Чем выше модуль, тем жестче материал, поскольку более высокое напряжение вызывает пропорционально меньшую деформацию. Резина представляет собой материал с низкой жесткостью/низким модулем упругости, тогда как стекло является примером материала с жесткостью/высоким модулем упругости. Для приложений, где необходима жесткость под нагрузкой, это критический вопрос проектирования.

Излом/прочность

Способность материала выдерживать удары определяется его ударопрочностью. Как правило, ударный эффект столкновения, которое происходит быстро, больше, чем воздействие меньшей силы, приложенной постепенно.

Поэтому, когда применение связано с высокой опасностью удара, следует учитывать ударопрочность. Хотя некоторые металлы могут удовлетворительно функционировать при статических нагрузках, динамические нагрузки или столкновения приводят к их разрушению. В лаборатории для измерения удара часто используется тест Шарпи, который включает в себя удары по образцу утяжеленным маятником с другой стороны обработанного V-образного надреза.

Твердость

Способность материала выдерживать постоянные вмятины называется его твердостью (то есть пластической деформацией). Обычно способность материала противостоять износу или деформации увеличивается с увеличением его твердости. Таким образом, термин «твердость» может также относиться к локальной поверхностной жесткости материала или его устойчивости к порезам, царапинам или истиранию.

Методы Бринелля, Роквелла и Викера для измерения твердости измеряют площадь и глубину углубления, сделанного более твердым материалом, таким как стальной шарик, алмаз или другой индентор.

Пластичность

Противоположность эластичности, пластичность, относится к склонности материала сохранять свою измененную форму под воздействием формообразующих сил. Это свойство позволяет манипулировать материалами, придавая им постоянную новую форму. В пределе текучести поведение материала меняется с упругого на пластичное.

Сила, Усталость

При повторяющихся или меняющихся нагрузках (таких как нагрузка или разгрузка) с максимальным значением ниже предела прочности материала на растяжение усталость может привести к разрушению. Существует корреляция между напряжением и циклами до отказа, при этом более высокие напряжения ускоряют время до отказа и наоборот. Следовательно, термин «предел усталости» относится к максимальному напряжению, которое металл (переменная величина) может выдержать в течение заданного количества циклов.

С другой стороны, показатель усталостной долговечности фиксирует нагрузку и подсчитывает количество циклов нагрузки, которые материал может выдержать до разрушения. При проектировании компонентов, которые будут подвергаться повторяющимся нагрузкам, ключевым фактором, который необходимо учитывать, является усталостная прочность.

Сила — сдвиг

В таких приложениях, как болты или балки, где решающее значение имеют как направление, так и амплитуда напряжения, прочность на сдвиг является важным фактором. Когда направленные силы заставляют зернистый уровень внутренней структуры металла скользить относительно самого себя, происходит сдвиг.

Прочность при растяжении

Прочность на растяжение или предел прочности является одним из самых популярных показателей свойств металлов. Величина нагрузки, которую может выдержать металлический сегмент до разрыва, называется пределом прочности. Через область упругой деформации металл будет удлиняться во время лабораторных испытаний, прежде чем вернуться к своей первоначальной форме.

Он остается в растянутой форме даже после снятия нагрузки, когда достигает точки остаточной или пластической деформации (измеряемой как предел текучести). В конечном итоге нагрузка приводит к разрушению металла в точке растяжения. Это измерение помогает отличить хрупкие материалы от более пластичных. МегаПаскали (МПа) или фунты на квадратный дюйм — это единицы, используемые для выражения прочности на растяжение или предельной прочности на растяжение.

Прочность, доходность

Предел текучести описывает точку, в которой материал под нагрузкой больше не будет возвращаться в исходное положение или форму. По концепции и измерению он аналогичен пределу прочности на растяжение. Пластическая деформация следует за упругой деформацией.

Чтобы понять ограничения размерной целостности под нагрузкой, проектные расчеты включают предел текучести. Как и предел прочности при растяжении, предел текучести выражается в фунтах на квадратный дюйм или в ньютонах на квадратный миллиметр (МПа).

Прочность

Прочность, определяемая испытанием на удар по Шарпи и сравнимая с сопротивлением удару, измеряет способность материала выдерживать удар без разрушения при определенной температуре. Материалы могут стать более хрупкими при низких температурах, поскольку ударопрочность в это время часто снижается.

Там, где в приложении существует возможность низких температур (например, на морских нефтяных платформах, нефтепроводах и т. д.) или где фактором является мгновенная нагрузка, значения Шарпи часто обязательны для ферросплавов (например, баллистическая защита в военных или авиационных применениях). .

Износостойкость

Способность материала выдерживать удар двух трущихся друг о друга материалов называется износостойкостью. К ним относятся прилипание, истирание, царапины, выемки, истирание и другие виды разрывов.

Когда материалы имеют разную твердость, более мягкий металл может проявить последствия в первую очередь, и для решения этой проблемы могут быть приняты проектные решения. Из-за наличия посторонних материалов даже прокатка может привести к истиранию. Количество массы, потерянной за определенное количество циклов истирания при определенной нагрузке, можно использовать для количественной оценки износостойкости.

Другие механические свойства материалов

Ниже приведены некоторые другие механические свойства материалов:

• Хрупкость
• Модуль объемного сжатия
• Коэффициент восстановления
• Прочность на сжатие
• Ползучесть
• Долговечность
• Предел усталости
• Гибкость
• Модуль изгиба
• Прочность на изгиб
• Коэффициент трения
• Массовая диффузия
• Коэффициент отравления
• Устойчивость
• Скольжение
• Удельный модуль
• Удельная сила
• Шероховатость поверхности
• Прочность на растяжение
• Вязкость
• Модули Янга

Электрические свойства

• Емкость
• Диэлектрическая проницаемость
• Диэлектрическая прочность
• Удельное электрическое сопротивление и проводимость
• Чувствительность к электричеству
• Электрокалорический коэффициент
• Электрострикция
• Магнитоэлектрическая поляризуемость
• Коэффициент Нернста (термоэлектрический эффект)
• Разрешение
• Пьезоэлектрические константы
• Пироэлектричество
• Коэффициент Зеебека

Магнитные свойства

• Температура Кюри
• Диамагнетизм
• Коэффициент Холла
• Гистерезис
• Магнитострикция
• Магнитокалорический коэффициент
• Магнитотермоэлектрическая мощность (коэффициент магнито-зеебековского эффекта)
• Магнитосопротивление
• Проницаемость
• Пьезомагнетизм
• Пиромагнитный коэффициент
• Эффект спинового зала

Акустические свойства

• Акустическое поглощение
• Скорость звука
• Отражение звука
• Передача звука
• Эластичность третьего порядка (акустоупругий эффект)

Тепловые свойства

• Двоичная фазовая диаграмма
• Точка кипения
• Коэффициент теплового расширения
• Критическая температура
• Кюри точка
• Температура перехода от вязкого к хрупкому
• Излучательная способность
• Эвтектическая точка
• Воспламеняемость
• Точка воспламенения
• Температура стеклования
• Теплота парообразования
• Температура инверсии
• Точка плавления
• Теплопроводность
• Температуропроводность
• Тепловое расширение
• Тройной балл
• Давление пара
• Удельная теплоемкость

Химические свойства

• Коррозионная стойкость
• Гигроскопия
• рН
• Реактивность
• Удельная площадь внутренней поверхности
• Поверхностная энергия
• Поверхностное натяжение

Атомарные свойства

• Атомная масса
• Атомный номер
• Атомный вес

Оптические свойства

• Поглощение:насколько сильно химическое вещество ослабляет свет.
• Двулучепреломление
• Цвет
• Электрооптический эффект
• Яркость
• Оптическая активность
• Фотоупругость
• Светочувствительность
• Отражательная способность
• Показатель преломления
• Рассеивание
• Пропускание

<ч/>

Производственные свойства

• Литье - может ли материал легко подвергаться литью.
• Рейтинг обрабатываемости
• Скорость обработки и подача

Радиологические свойства

• Нейтронное сечение
• Конкретное действие
• Половина жизни

Вкратце

При любом производственном проектировании очень важно учитывать механические свойства материала. Как вы можете из вышеперечисленного, существует огромное количество свойств, которые можно получить из материалов. Однако наиболее распространенные свойства классифицируются как физические, химические и механические свойства.

Это все, что касается этой статьи, в которой обсуждаются общие типы механических свойств материалов. Я надеюсь, что вы получили много от чтения, если да, пожалуйста, поделитесь с другими. Спасибо за прочтение, увидимся!