Cosa rende un materiale adatto a una specifica applicazione ingegneristica? La risposta sta nella comprensione delle sue proprietà. Questo articolo tratta 11 proprietà essenziali dei materiali, come la resistenza meccanica, la tenacità all'urto e la conducibilità termica, offrendo approfondimenti sulle loro definizioni, sul significato e sulle implicazioni pratiche. Alla fine, capirete come queste proprietà influenzano le prestazioni dei materiali e il loro ruolo critico nella progettazione e nella produzione.
La mania: La screpolatura è un tipo di difetto che si verifica nel processo di deformazione dei materiali polimerici. Appare come un colore argento a causa della sua bassa densità e dell'elevata riflettività alla luce. La screpolatura si verifica nelle parti deboli o difettose dei materiali polimerici.
Superplasticità: In determinate condizioni, il materiale presenta un allungamento molto elevato (circa 1000%) senza rottura o distacco, che viene definito superplasticità. La proporzione della deformazione generata dallo scorrimento dei confini dei grani, εg, rispetto alla deformazione totale, εt, è tipicamente compresa tra 50% e 70%, indicando che lo scorrimento dei confini dei grani gioca un ruolo importante nella deformazione superplastica.
Frattura fragile: Prima che il materiale si fratturi, non vi sono evidenti deformazioni plastiche macroscopiche, né segnali di pericolo. Questo processo è spesso improvviso e rapido, il che lo rende molto pericoloso.
Frattura duttile: Il processo di frattura che mostra evidenti deformazioni plastiche macroscopiche prima e durante la frattura. Nella frattura duttile, il processo di propagazione della cricca è generalmente lento e consuma una grande quantità di energia di deformazione plastica.
Frattura a scissione: La frattura fragile lungo uno specifico piano cristallino, causata dalla distruzione dei legami di legame tra gli atomi sotto sforzo normale, è chiamata frattura da clivaggio. Il gradino di clivaggio, il modello a fiume e il modello a lingua sono le caratteristiche microscopiche fondamentali della frattura da clivaggio.
Frattura a taglio: La frattura da taglio è la frattura causata dallo scorrimento e dalla separazione del materiale lungo il piano di scorrimento sotto sforzo di taglio. La frattura per aggregazione di micropori è una modalità comune di frattura duttile nei materiali. La superficie di frattura è solitamente di colore grigio scuro e fibrosa, mentre la superficie di microfrattura presenta un caratteristico disegno di molte "fossette" distribuite sulla superficie.
Tipo di sollecitazione, grado di deformazione plastica, presenza o assenza di omen e velocità di propagazione della cricca.
Se il materiale non subisce alcuna deformazione plastica o una deformazione plastica molto ridotta prima della frattura e la frattura fragile si verifica senza necking, allora la tensione critica, σc, è uguale alla tensione di rottura, σb.
Tuttavia, se il necking si verifica prima della frattura, σc e σb non sono uguali.
La formula di Griffith è appropriata solo per i solidi fragili contenenti microfratture, come il vetro, i materiali cristallini inorganici e l'acciaio ad altissima resistenza.
Per molti materiali strutturali ingegneristici, come l'acciaio strutturale e i materiali polimerici, la punta della cricca subisce una significativa deformazione plastica, che consuma una grande quantità di energia di deformazione plastica.
Pertanto, la formula di Griffith deve essere modificata per riflettere accuratamente questo fenomeno.
Il rapporto tra la massima sollecitazione di taglio, τmax, e la massima sollecitazione normale, σmax, è chiamato coefficiente di morbidezza dello stato di sollecitazione, indicato con α.
Più α è grande, più grande diventa la componente massima dello sforzo di taglio, indicando uno stato di sollecitazione più morbido e una maggiore facilità di deformazione plastica del materiale.
Al contrario, più α è piccolo, più lo stato di sollecitazione diventa duro, portando a una frattura più fragile.
Quando un provino presenta un intaglio, la sua tensione di snervamento è superiore a quella di un provino sottoposto a tensione uniassiale a causa della presenza di una sollecitazione triassiale, fenomeno che viene definito "rafforzamento dell'intaglio".
Tuttavia, questo "rafforzamento dell'intaglio" non può essere considerato un metodo di rafforzamento del materiale, in quanto è unicamente il risultato della deformazione plastica del materiale vincolato da sollecitazioni tridimensionali.
In questo caso, il valore di σs proprio del materiale rimane invariato.
Rivisto:
Nella tensione unidirezionale, la componente di sforzo normale è grande mentre la componente di sforzo di taglio è piccola, con conseguente stato di tensione dura.
Questo test è tipicamente applicato a materiali con bassa resistenza alla deformazione plastica e al taglio, noti come materiali plastici.
La compressione unidirezionale ha un coefficiente di morbidezza allo stato di sforzo di a=2 e viene utilizzata principalmente per testare materiali fragili.
Le prove di flessione non subiscono la deformazione del provino che si verifica durante le prove di trazione.
Nella flessione, la distribuzione delle sollecitazioni sulla sezione trasversale raggiunge il massimo in superficie, il che la rende un modo efficace per riflettere i difetti superficiali nei materiali.
Prova di torsione: Il coefficiente di morbidezza dello stato di sollecitazione in torsione è più alto di quello in tensione, il che lo rende un metodo efficace per valutare la resistenza e la plasticità dei materiali che sono fragili sotto tensione.
Nella prova di torsione, la distribuzione delle sollecitazioni sulla sezione del campione è più elevata in superficie, il che la rende altamente sensibile alle caratteristiche del materiale. indurimento superficiale e difetti superficiali.
La prova di torsione determina una sollecitazione normale e una sollecitazione di taglio approssimativamente uguali.
La superficie di frattura nella prova di torsione è perpendicolare all'asse del campione e viene spesso utilizzata per valutare i materiali plastici.
Nella frattura normale, l'angolo tra la superficie di frattura e l'asse del campione è di circa 45 gradi, a causa della sollecitazione normale. I materiali fragili presentano spesso questo tipo di superficie di frattura.
Il principio della prova di durezza Vickers è simile a quello del Durezza Brinell Entrambi i metodi calcolano i valori di durezza in base al carico per unità di superficie dell'indentazione.
La differenza principale tra i due test è il tipo di penetratore utilizzato. Nella prova di durezza Vickers si utilizza un penetratore a piramide di diamante con un angolo di 136 gradi tra i lati opposti. La prova di durezza Brinell, invece, utilizza una sfera d'acciaio temprato o un lega dura palla come penetratore.
Vantaggi della prova di durezza Brinell:
L'ampia area di indentazione della prova di durezza Brinell la rende in grado di riflettere le prestazioni medie di ciascuna fase costitutiva su una vasta area, e i risultati della prova sono stabili e altamente ripetibili.
Di conseguenza, la prova di durezza Brinell è particolarmente adatta per misurare la durezza di materiali come ghisa grigia e leghe per cuscinetti.
Svantaggi della prova di durezza Brinell:
L'ampio diametro di indentazione della prova di durezza Brinell la rende generalmente inadatta all'ispezione diretta dei prodotti finiti.
Inoltre, la necessità di sostituire il diametro del penetratore e il carico per materiali con durezza variabile, nonché la scomodità di misurare il diametro dell'indentazione, sono ulteriori svantaggi del test.
Vantaggi della prova di durezza Rockwell:
Funzionamento facile e veloce;
L'impronta è piccola e il pezzo può essere ispezionato direttamente;
Svantaggi:
Scarsa rappresentazione a causa della piccola rientranza;
I valori di durezza misurati con scale diverse non possono essere né confrontati direttamente né scambiati.
Il test di durezza Vickers presenta numerosi vantaggi:
Misura accurata e affidabile;
È possibile selezionare qualsiasi carico.
Inoltre, la durezza Vickers non presenta il problema dell'impossibilità di unificare la durezza delle diverse scale della durezza Rockwell e lo spessore del pezzo da testare è più sottile di quello della durezza Rockwell.
Svantaggi della prova di durezza Vickers:
Il suo metodo di misurazione è problematico, la sua efficienza di lavoro è bassa, l'area di indentazione è piccola e la sua rappresentatività è scarsa, quindi non è adatto per l'ispezione di routine della produzione di massa.
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Quando la temperatura durante le prove scende al di sotto di una certa temperatura, tk (la temperatura di transizione duttile-fragile), i materiali come i metalli e le leghe a cristalli esagonali bcc o strettamente impacchettati, in particolare gli acciai strutturali a media e bassa resistenza comunemente utilizzati in ingegneria, subiscono una transizione dallo stato duttile a quello fragile, con una conseguente diminuzione significativa dell'energia di assorbimento dell'impatto.
Questa transizione è caratterizzata da un cambiamento nella modalità di frattura dall'aggregazione di micropori alla scissione transgranulare e da un cambiamento nell'aspetto della frattura da fibroso a cristallino, un fenomeno noto come fragilità a bassa temperatura.
A temperature inferiori alla temperatura di transizione duttile-fragile, la resistenza alla frattura è inferiore a quella del resistenza allo snervamentocon conseguente comportamento fragile a basse temperature.
A. Influenza della struttura cristallina: I metalli cubici centrati sul corpo e le loro leghe presentano una fragilità a bassa temperatura, mentre i metalli cubici centrati sulla faccia e le loro leghe generalmente non presentano fragilità a bassa temperatura.
La fragilità a bassa temperatura dei metalli BCC può essere strettamente correlata al fenomeno dello snervamento tardivo.
B. L'influenza della composizione chimica: il contenuto di elementi soluti interstiziali aumenta, l'energia superiore diminuisce e la temperatura di transizione duttile-fragile aumenta.
C. Influenza della microstruttura: La raffinazione della grana e della struttura può aumentare la tenacità dei materiali.
D. Influenza della temperatura: È relativamente complesso e fragile (blue brittle) entro un certo intervallo di temperatura.
E. Effetto del tasso di carico: Aumentare il tasso di carico è come abbassare la temperatura, che aumenta la fragilità del materiale e la temperatura di transizione duttile-fragile.
F. Influenza della forma e delle dimensioni del provino: più piccolo è il raggio di curvatura dell'intaglio, più alto è il tk.
I confini dei grani fungono da resistenza alla propagazione delle cricche.
La riduzione del numero di dislocazioni nell'impacchettamento del limite pre-granulare contribuisce a ridurre la concentrazione delle tensioni.
Un aumento dell'area totale dei confini dei grani riduce la concentrazione di impurità lungo i confini dei grani, riducendo così la probabilità di frattura fragile intergranulare.
Quando la sollecitazione di lavoro di pezzi di grandi dimensioni non è elevata, anche molto al di sotto del limite di snervamento, si verifica spesso la frattura fragile, detta frattura fragile a bassa sollecitazione.
Il KIC (fattore di intensità del campo sforzo-deformazione alla punta della cricca nel corpo della cricca) è una misura della tenacità alla frattura per deformazione piana e rappresenta la capacità di un materiale di resistere alla propagazione instabile della cricca in condizioni di deformazione piana.
JIc (l'energia di deformazione all'estremità della cricca) è nota anche come tenacità alla frattura e rappresenta la capacità di un materiale di resistere all'innesco e alla propagazione della cricca.
GIc rappresenta l'energia consumata per unità di superficie per prevenire la propagazione instabile delle cricche in un materiale.
δC (spostamento di apertura della cricca), noto anche come tenacità alla frattura del materiale, indica la capacità di un materiale di impedire l'inizio dell'espansione della cricca.
KI e KIC sono due concetti distinti.
Il KI è un parametro meccanico che rappresenta la forza del campo di sollecitazione-deformazione in corrispondenza della punta della cricca nel corpo della cricca e dipende dalla sollecitazione applicata, dalle dimensioni del campione e dal tipo di cricca, ma è indipendente dal materiale.
D'altra parte, il CCI è un indice di proprietà meccanica del materiale che dipende da fattori interni come la composizione e la struttura, ma non è influenzato da fattori esterni come le sollecitazioni applicate e le dimensioni del campione.
La relazione tra KI e KIC è simile a quella tra σ e σs, dove KI e σ sono parametri meccanici e KIC e σs sono indici di proprietà meccanica dei materiali.
(1) Questo tipo di cedimento è un cedimento improvviso e inaspettato che si verifica senza una deformazione plastica apprezzabile prima di rottura per fatica ed è caratterizzato da una frattura fragile.
(2) Rottura per fatica è un tipo di frattura ritardata a basso ciclo di sollecitazione.
(3) La fatica è altamente sensibile a difetti come intagli, cricche e difetti strutturali.
(4) Le forme di fatica possono essere classificate in diversi modi.
In base allo stato di sollecitazione, le forme di fatica comprendono la fatica da flessione, la fatica da torsione, la fatica da trazione e compressione, la fatica da contatto e la fatica composita.
In base al livello di sollecitazione e alla durata della frattura, la fatica può essere ulteriormente classificata in fatica ad alto ciclo e fatica a basso ciclo.
Sorgente di fatica, zona di crescita della cricca di fatica e zona di frattura transitoria.
σ-1 (resistenza alla fatica) rappresenta la resistenza alla fatica a vita infinita dei provini lisci, che è adatta alla progettazione e alla verifica della resistenza alla fatica tradizionale;
ΔKth (valore di soglia della crescita della cricca da fatica) rappresenta la prestazione a fatica a vita infinita del campione di cricca, che è adatto per la progettazione e la verifica della resistenza a fatica delle parti criccate.
Usura da adesione, usura da abrasione, usura da corrosione e usura da corrosione per vaiolatura (fatica da contatto).
Usura da adesione: La superficie di usura è caratterizzata da croste di diverse dimensioni sulla superficie dei pezzi.
Usura abrasiva: scanalatura formata da un graffio o da un solco evidente sulla superficie di attrito.
Contatto con la fatica: sulla superficie di contatto sono presenti numerose fosse (pockmarks), alcune delle quali profonde, e sul fondo sono presenti tracce di linee di crescita di cricche da fatica.
Corretto. Perché l'usura è inversamente proporzionale alla durezza.
La tensione residua di compressione dello strato superficiale aumenta mentre la superficie forza e durezza sono aumentati.
Temperatura specifica approssimativa: T/Tm
Creep: si riferisce alla graduale deformazione plastica di un materiale sotto l'influenza di temperatura e carico costanti per un periodo di tempo prolungato.
Resistenza: Questo termine si riferisce alla sollecitazione massima che un materiale può sopportare senza subire fratture da scorrimento, a una temperatura specifica ed entro un determinato periodo di tempo.
Limite di scorrimento: rappresenta la resistenza di un materiale alla deformazione per scorrimento ad alta temperatura.
Stabilità al rilassamento: Il termine utilizzato per descrivere la capacità di un materiale di resistere al rilassamento delle sollecitazioni è chiamato stabilità al rilassamento.
I principali meccanismi di deformazione per scorrimento nei materiali includono lo scorrimento per dislocazione, la diffusione atomica e lo scorrimento ai confini dei grani.
Per i materiali polimerici, anche l'allungamento della catena molecolare sotto l'azione di una forza esterna è un fattore che contribuisce al creep.
La frattura intercristallina è una forma comune di frattura da scorrimento, soprattutto ad alte temperature e a bassi livelli di stress. Questo perché la resistenza dei grani policristallini e dei confini dei grani diminuisce con la temperatura, ma quest'ultima diminuisce più rapidamente, portando a una minore resistenza dei confini dei grani rispetto alla resistenza dei grani alle alte temperature.
Esistono due modelli per spiegare la frattura dei confini dei grani: il modello dello scorrimento dei confini dei grani e della concentrazione delle sollecitazioni e il modello dell'aggregazione dei vuoti.
Il meccanismo di deformazione plastica dei metalli si basa sullo slittamento e sulla geminazione.
Il meccanismo di deformazione per scorrimento dei metalli è guidato principalmente dallo scorrimento per dislocazione, dallo scorrimento per diffusione e dallo scorrimento ai confini dei grani.
Ad alte temperature, la temperatura elevata fornisce l'attivazione termica per gli atomi e i vacuoli, consentendo alle dislocazioni di muoversi e continuare a causare la deformazione per scorrimento.
Sotto l'influenza di una forza esterna, all'interno del cristallo si genera un campo di sollecitazione non uniforme, che porta a differenze di energia potenziale tra gli atomi e i vuoti. Ne consegue una diffusione direzionale da un'alta energia potenziale a una bassa energia potenziale.
Per i materiali solidi, la capacità termica non è influenzata in modo significativo dalla struttura del materiale.
In una transizione di fase del primo ordine, la curva della capacità termica cambia bruscamente e assume un valore infinito.
In una trasformazione di fase del secondo ordine, il cambiamento avviene gradualmente in un intervallo di temperatura specifico e si traduce in una capacità termica massima finita.
I materiali amorfi hanno una bassa conducibilità termica perché la loro struttura ordinata a corto raggio può essere considerata come un cristallo con grani estremamente piccoli.
A causa delle piccole dimensioni dei grani e dei numerosi confini dei grani, i fononi vengono facilmente dispersi, con conseguente riduzione significativa della conduttività termica.
Sotto l'azione del campo magnetico, il movimento orbitale degli elettroni nella materia produce il diamagnetismo.
Determinazione della curva di solubilità massima nel diagramma di fase della lega:
Utilizzando la regola secondo cui le soluzioni solide monofase presentano un paramagnetismo più elevato rispetto alle strutture miste bifase e la relazione lineare tra il paramagnetismo della miscela e la composizione della lega, è possibile determinare la solubilità massima di una lega a una temperatura specifica e la curva di solubilità della lega.
Indagine sulla decomposizione di Leghe di alluminio:
La transizione ordine-disordine, la transizione isomerica e la temperatura di ricristallizzazione sono state studiate per comprendere meglio la decomposizione delle leghe di alluminio.
Affinché un metallo mostri ferromagnetismo, non solo è necessario che i suoi atomi abbiano momenti magnetici di spin non nulli, ma anche che questi momenti si allineino spontaneamente e generino una magnetizzazione spontanea.
I materiali magnetici morbidi hanno un anello di isteresi stretto e sono caratterizzati da un'elevata conduttività magnetica e da un basso Hc. Al contrario, i materiali magnetici duri hanno un anello di isteresi spesso, Hc, Br e (BH)m elevati.
In un metallo, il campo elettrico creato dagli ioni positivi è uniforme e non vi è alcuna interazione tra gli elettroni di valenza e gli ioni. Questo campo è considerato una proprietà dell'intero metallo e consente il libero movimento degli elettroni in tutto il metallo.
Secondo la teoria quantistica degli elettroni liberi, gli elettroni interni di ciascun atomo del metallo mantengono lo stato energetico di un singolo atomo, mentre gli elettroni di valenza hanno stati energetici diversi a causa della quantizzazione e presentano livelli energetici distinti.
La teoria delle bande energetiche riconosce anche che gli elettroni di valenza nei metalli sono condivisi e quantizzati in energia, ma suggerisce che il campo di potenziale creato dagli ioni nei metalli non è uniforme, ma cambia periodicamente.
L'aumento della temperatura intensifica la vibrazione degli ioni e aumenta l'ampiezza della vibrazione termica, determinando un aumento del disordine atomico, una riduzione del movimento degli elettroni e un aumento della probabilità di scattering. Questi fattori determinano un aumento della resistività.
Nei semiconduttori, la conduzione è guidata principalmente da elettroni e buchi. Un aumento della temperatura aumenta l'energia cinetica degli elettroni, determinando un aumento del numero di elettroni liberi e di buchi nel cristallo, e quindi un aumento della conduttività e una diminuzione della resistenza.
(1) Temperatura critica di transizione Tc
(2) Campo magnetico critico Hc
(3) Densità di corrente critica Jc
La variazione della microstruttura di metalli e leghe viene studiata misurando la variazione della resistività.
(1) Misurare la curva di solubilità di una soluzione solida.
(2) Misurare la temperatura di trasformazione della lega a memoria di forma.
Effetto termico, effetto fotosensibile, effetto sensibile alla pressione (sensibile alla tensione e alla pressione), effetto magnetico (effetto Hall e magnetoresistenza), ecc.
Guasto elettrico, guasto termico e guasto chimico.
Proprietà ottiche lineari: Quando la luce di una singola frequenza è incidente su un mezzo trasparente che non assorbe la luce, la sua frequenza non cambia. Quando la luce di diversa frequenza viene fatta cadere contemporaneamente sul mezzo, non c'è interazione tra le onde luminose e non si produce una nuova frequenza.
Quando due fasci di luce si intersecano, se si tratta di luce coerente, si verifica l'interferenza. Se si tratta di luce incoerente, solo l'intensità della luce si combina, secondo il principio della sovrapposizione lineare.
Altre proprietà ottiche sono la rifrazione, la dispersione, la riflessione, l'assorbimento e la dispersione.
Non è pratico utilizzare i metalli per l'ottica della luce visibile perché assorbono fortemente la luce visibile. Questo perché gli elettroni di valenza dei metalli occupano una banda incompleta e, dopo aver assorbito i fotoni, si trovano in uno stato eccitato. Possono trasferire energia attraverso le collisioni e produrre calore, ma non passano alla banda di conduzione.
La luce incidente è forte;
Requisiti di simmetria dei cristalli;
Corrispondenza di fase.
In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.
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