Что делает материал подходящим для конкретного инженерного применения? Ответ кроется в понимании его свойств. В этой статье рассматриваются 11 важнейших свойств материалов, таких как механическая прочность, ударная вязкость и теплопроводность, предлагаются их определения, значение и практические последствия. К концу статьи вы поймете, как эти свойства влияют на характеристики материала и какова их критическая роль в инженерном проектировании и производстве.
Крейз: Крейз - это вид дефекта, возникающего в процессе деформации полимерных материалов. Он выглядит как серебристый цвет из-за низкой плотности и высокой отражающей способности к свету. Крейз возникает в слабых или дефектных частях полимерных материалов.
Сверхпластичность: При определенных условиях материал демонстрирует очень большое удлинение (около 1000%) без шейки или разрыва, что называется сверхпластичностью. Доля деформации, вызванной зернограничным скольжением, εg, в общей деформации, εt, обычно составляет от 50% до 70%, что указывает на то, что зернограничное скольжение играет основную роль в сверхпластической деформации.
Хрупкое разрушение: Перед разрушением материала не происходит очевидной макроскопической пластической деформации, и нет никаких предупреждающих признаков. Этот процесс часто происходит внезапно и быстро, что делает его очень опасным.
Вязкое разрушение: Процесс разрушения, при котором наблюдается явная макроскопическая пластическая деформация до и во время разрушения. При вязком разрушении процесс распространения трещины обычно происходит медленно и расходует большое количество энергии пластической деформации.
Расщелина: Хрупкое разрушение вдоль определенной кристаллической плоскости, вызванное разрушением соединительных связей между атомами под действием нормального напряжения, называется кливажным разрушением. Ступенька спайности, речной узор и язычок - основные микроскопические характеристики спайного разрушения.
Разрушение на сдвиг: Разрушение при сдвиге - это разрушение, вызванное скольжением и разделением материала вдоль плоскости скольжения под действием напряжения сдвига. Разрушение с образованием микропор является распространенным способом вязкого разрушения материалов. Поверхность излома обычно темно-серая и волокнистая в макро-, а микропоровый излом имеет характерный рисунок из множества "ямок", распределенных по поверхности.
Тип напряжения, степень пластической деформации, наличие или отсутствие примета и скорость распространения трещины.
Если до разрушения материал не испытывает пластической деформации или испытывает очень малую пластическую деформацию, а хрупкое разрушение происходит без шейки, то критическое напряжение σc равно разрушающему напряжению σb.
Однако если шейка происходит до разрушения, то σc и σb не равны.
Формула Гриффита подходит только для хрупких твердых тел, содержащих микротрещины, таких как стекло, неорганические кристаллические материалы и сверхвысокопрочная сталь.
Для многих инженерных конструкционных материалов, таких как конструкционная сталь и полимерные материалы, вершина трещины подвергается значительной пластической деформации, на которую расходуется большое количество энергии пластической деформации.
Поэтому формула Гриффита должна быть изменена, чтобы точно отразить это явление.
Отношение максимального напряжения сдвига, τmax, к максимальному нормальному напряжению, σmax, называется коэффициентом мягкости напряженного состояния, обозначаемым α.
Чем больше α, тем больше максимальная составляющая напряжения сдвига, что свидетельствует о более мягком напряженном состоянии и большей легкости пластической деформации материала.
И наоборот, чем меньше α, тем жестче становится напряженное состояние, что приводит к более хрупкому разрушению.
Когда образец имеет надрез, его предел текучести выше, чем у образца при одноосном растяжении, из-за наличия трехосного напряжения, что называется явлением "усиления надреза".
Однако такое "усиление выемки" нельзя считать методом упрочнения материала, поскольку оно является исключительно результатом пластической деформации материала, сдерживаемой трехмерными напряжениями.
При этом собственное значение σs материала остается неизменным.
Пересмотрено:
При однонаправленном растяжении нормальная составляющая напряжения велика, а составляющая напряжения сдвига мала, что приводит к жесткому напряженному состоянию.
Это испытание обычно применяется к материалам с низким сопротивлением пластической деформации и сопротивлением резанию, известным как пластичные материалы.
Однонаправленное сжатие имеет коэффициент мягкости напряженного состояния a=2 и в основном используется для испытания хрупких материалов.
Испытания на изгиб не подвержены прогибу образца, который возникает при испытаниях на растяжение.
При изгибе распределение напряжений в поперечном сечении достигает максимума на поверхности, что делает его эффективным способом отражения поверхностных дефектов в материалах.
Испытание на кручение: Коэффициент мягкости напряженного состояния при кручении выше, чем при растяжении, что делает его эффективным методом оценки прочности и пластичности материалов, хрупких при растяжении.
При испытании на кручение распределение напряжений на участке образца наиболее высоко на поверхности, что делает его очень чувствительным к характеристикам материала. упрочнение поверхности и дефекты поверхности.
При испытании на скручивание нормальное и сдвиговое напряжение примерно одинаковы.
Поверхность разрушения при испытании на кручение перпендикулярна оси образца и часто используется для оценки пластичных материалов.
При нормальном разрушении угол между поверхностью разрушения и осью образца составляет примерно 45 градусов, что обусловлено нормальным напряжением. Хрупкие материалы часто демонстрируют такой тип поверхности разрушения.
Принцип испытания на твердость по Виккерсу аналогичен принципу испытания на твердость по Виккерсу. Твердость по Бринеллю Так как оба метода рассчитывают значения твердости на основе нагрузки на единицу площади вдавливания.
Основное различие между двумя испытаниями заключается в типе используемого индентора. При испытании на твердость по Виккерсу используется алмазный пирамидальный индентор с углом 136 градусов между противоположными сторонами. В отличие от этого, при испытании на твердость по Бринеллю используется шарик из закаленной стали или твёрдый сплав шарик в качестве индентора.
Преимущества испытания на твердость по Бринеллю:
Большая площадь вдавливания при испытании на твердость по Бринеллю позволяет отразить средние показатели каждой составляющей фазы на большой площади, а результаты испытания стабильны и хорошо воспроизводимы.
Таким образом, тест на твердость по Бринеллю особенно подходит для измерения твердости таких материалов, как серый чугун и подшипниковые сплавы.
Недостатки испытания на твердость по Бринеллю:
Большой диаметр вдавливания при испытании на твердость по Бринеллю делает его непригодным для прямого контроля готовых изделий.
Кроме того, к недостаткам испытания можно отнести необходимость замены диаметра индентора и нагрузки для материалов с различной твердостью, а также неудобство измерения диаметра вдавливания.
Преимущества испытаний на твердость по Роквеллу:
Простое и быстрое управление;
Вмятина получается небольшой, и заготовку можно осматривать напрямую;
Недостатки:
Плохое представление из-за небольшого отступа;
Значения твердости, измеренные по разным шкалам, нельзя ни напрямую сравнивать, ни обменивать.
Испытание на твердость по методу Виккерса имеет множество преимуществ:
Точные и надежные измерения;
Вы можете выбрать любой груз.
Кроме того, твердость по Виккерсу не имеет той проблемы, что твердость различных шкал твердости по Роквеллу не может быть унифицирована, а толщина испытуемого образца тоньше, чем у твердости по Роквеллу.
Недостатки испытаний на твердость по Виккерсу:
Его метод измерения сложен, эффективность работы низкая, площадь вдавливания мала, а репрезентативность низкая, поэтому он не подходит для рутинного контроля массового производства.
Похожие статьи: Твердость металлов: Определенный справочник
Когда температура во время испытаний опускается ниже определенной температуры, tk (температура перехода вязкость-хрупкость), такие материалы, как металлы и сплавы с бислойными или тесно упакованными гексагональными кристаллами, особенно средне- и низкопрочные конструкционные стали, широко используемые в машиностроении, переходят из вязкого состояния в хрупкое, что приводит к значительному снижению энергии поглощения удара.
Этот переход характеризуется изменением режима разрушения от скопления микропор к трансгранулярному расщеплению и изменением внешнего вида излома от волокнистого к кристаллическому - явление, известное как низкотемпературная хрупкость.
При температурах ниже температуры вязко-хрупкого перехода прочность на излом ниже, чем предел текучестичто приводит к хрупкому поведению при низких температурах.
A. Влияние кристаллической структуры: Кубические металлы и их сплавы, центрированные по телу, обладают низкотемпературной хрупкостью, в то время как кубические металлы и их сплавы, центрированные по грани, обычно не обладают низкотемпературной хрупкостью.
Низкотемпературная хрупкость BCC-металлов может быть тесно связана с явлением поздней текучести.
B. Влияние химического состава: содержание интерстициальных твердых элементов увеличивается, высшая энергия уменьшается, а температура вязко-хрупкого перехода повышается.
C. Влияние микроструктуры: Улучшение зернистости и структуры позволяет повысить прочность материалов.
D. Влияние температуры: Он относительно сложен, а хрупкость (синяя хрупкость) возникает в определенном температурном диапазоне.
E. Влияние скорости нагружения: Увеличение скорости нагружения подобно снижению температуры, что увеличивает хрупкость материала и повышает температуру вязко-хрупкого перехода.
F. Влияние формы и размера образца: чем меньше радиус кривизны выемки, тем выше tk.
Границы зерен служат сопротивлением распространению трещин.
Уменьшение количества дислокаций на упаковке до границы зерен способствует снижению концентрации напряжений.
Увеличение общей площади границ зерен снижает концентрацию примесей по границам зерен, тем самым уменьшая вероятность межзеренного хрупкого разрушения.
Когда рабочее напряжение крупных деталей невелико, даже намного ниже предела текучести, часто происходит хрупкое разрушение, которое называется хрупким разрушением при низком напряжении.
KIC (коэффициент интенсивности напряженно-деформированного поля на вершине трещины в теле трещины) является мерой вязкости разрушения при плоской деформации и представляет собой способность материала сопротивляться нестабильному распространению трещины в условиях плоской деформации.
JIc (энергия деформации на кончике трещины) также известна как вязкость разрушения и представляет собой способность материала сопротивляться зарождению и распространению трещин.
GIc представляет собой энергию, затрачиваемую на единицу площади для предотвращения нестабильного распространения трещин в материале.
δC (смещение раскрытия трещины), также известное как вязкость разрушения материала, указывает на способность материала предотвратить начало расширения трещины.
KI и KIC - это два разных понятия.
KI - это механический параметр, который представляет собой силу поля напряжения-деформации на кончике трещины в теле трещины и зависит от приложенного напряжения, размера образца и типа трещины, но не зависит от материала.
С другой стороны, KIC - это показатель механических свойств материала, который зависит от внутренних факторов, таких как состав и структура, но не зависит от внешних факторов, таких как приложенное напряжение и размер образца.
Связь между KI и KIC аналогична связи между σ и σs, где KI и σ - механические параметры, а KIC и σs - показатели механических свойств материалов.
(1) Этот тип разрушения представляет собой внезапное и неожиданное разрушение, которое происходит без заметной пластической деформации до усталостное разрушение и характеризуется хрупким разрушением.
(2) Усталостное разрушение это тип замедленного разрушения с низким напряжением.
(3) Усталость очень чувствительна к дефектам, таким как надрезы, трещины и структурные дефекты.
(4) Формы усталости можно классифицировать несколькими способами.
В соответствии с напряженным состоянием формы усталости включают усталость при изгибе, усталость при кручении, усталость при растяжении и сжатии, контактную усталость и композитную усталость.
Исходя из уровня напряжения и долговечности разрушения, усталость можно разделить на высокоцикловую и малоцикловую усталость.
Источник усталости, зона роста усталостной трещины и зона переходного разрушения.
σ-1 (усталостная прочность) представляет собой усталостную прочность гладких образцов на бесконечный срок службы, что подходит для традиционного расчета и проверки усталостной прочности;
ΔKth (пороговое значение роста усталостной трещины) представляет собой усталостную характеристику образца с трещиной на бесконечный срок службы, которая подходит для проектирования и проверки усталостной прочности деталей с трещинами.
Адгезионный износ, абразивный износ, коррозионный износ и точечный усталостный износ (контактная усталость).
Адгезионный износ: Поверхность износа характеризуется наличием царапин разного размера на поверхности деталей.
Абразивный износ: Канавка, образованная царапиной или явной бороздой на поверхности трения.
Контактная усталость: на поверхности контакта имеется множество ямок (pockmarks), некоторые из которых глубокие, а в нижней части имеются следы линий роста усталостных трещин.
Правильно. Потому что износ обратно пропорционален твердости.
Остаточное сжимающее напряжение в поверхностном слое увеличивается, в то время как поверхность прочность и твердость увеличиваются.
Приблизительная конкретная температура: T/Tm
Ползучесть: это постепенная пластическая деформация материала под воздействием постоянной температуры и нагрузки в течение длительного периода времени.
Прочность при растяжении: Этот термин означает максимальное напряжение, которое материал может выдержать без разрушения при ползучести, при определенной температуре и в течение определенного времени.
Предел ползучести: представляет собой сопротивление материала высокотемпературной деформации ползучести.
Релаксационная стабильность: Термин, используемый для описания способности материала сопротивляться релаксации напряжения, называется релаксационной стабильностью.
Основными механизмами деформации ползучести в материалах являются дислокационное скольжение, атомная диффузия и зернограничное скольжение.
Для полимерных материалов растяжение молекулярной цепи под действием внешней силы также является фактором, способствующим возникновению ползучести.
Межкристаллитное разрушение является распространенной формой разрушения при ползучести, особенно при высоких температурах и низких уровнях напряжений. Это связано с тем, что прочность поликристаллических зерен и границ зерен уменьшается с температурой, но последняя уменьшается быстрее, что приводит к снижению прочности границ зерен по сравнению с прочностью зерен при высоких температурах.
Существуют две модели, объясняющие разрушение границ зерен: модель скольжения и концентрации напряжений на границах зерен и модель агрегации вакансий.
Механизм пластической деформации металлов основан на скольжении и двойниковании.
Механизм деформации ползучести металлов в основном обусловлен дислокационным скольжением, диффузионной ползучестью и скольжением по границам зерен.
При высоких температурах повышенная температура обеспечивает термическую активацию атомов и вакансий, что позволяет дислокациям перемещаться и продолжать вызывать деформацию ползучести.
Под действием внешней силы внутри кристалла возникает неравномерное поле напряжений, приводящее к различиям в потенциальной энергии атомов и вакансий. Это приводит к направленной диффузии от высокой потенциальной энергии к низкой.
Для твердых материалов теплоемкость не сильно зависит от структуры материала.
При фазовом переходе первого порядка кривая теплоемкости изменяется скачкообразно и имеет бесконечное значение.
При фазовом превращении второго порядка изменение происходит постепенно в определенном диапазоне температур и приводит к конечной максимальной теплоемкости.
Аморфные материалы обладают низкой теплопроводностью, поскольку их короткоупорядоченную структуру можно рассматривать как кристалл с очень мелкими зернами.
Из-за малого размера зерна и многочисленных границ раздела фононы легко рассеиваются, что приводит к значительному снижению теплопроводности.
Под действием магнитного поля орбитальное движение электронов в веществе порождает диамагнетизм.
Определение кривой максимальной растворимости на фазовой диаграмме сплава:
Используя правило, согласно которому однофазные твердые растворы обладают большим парамагнетизмом, чем двухфазные смешанные структуры, и линейную зависимость между парамагнетизмом смеси и составом сплава, можно определить максимальную растворимость сплава при определенной температуре и кривую растворимости сплава.
Исследование разложения Алюминиевые сплавы:
Для лучшего понимания процесса разложения алюминиевых сплавов были изучены переход порядок-беспорядок, переход изомерия и температура рекристаллизации.
Чтобы металл проявлял ферромагнетизм, необходимо не только, чтобы его атомы имели ненулевые спиновые магнитные моменты, но и чтобы эти моменты спонтанно выравнивались и создавали спонтанную намагниченность.
Мягкие магнитные материалы имеют узкую петлю гистерезиса и характеризуются высокой магнитной проводимостью и низким Hc. Напротив, магнитотвердые материалы имеют толстую петлю гистерезиса, высокие Hc, Br и (BH)m.
В металле электрическое поле, создаваемое положительными ионами, является однородным, и между валентными электронами и ионами нет никакого взаимодействия. Это поле считается свойством всего металла и обеспечивает свободное движение электронов по всему металлу.
Согласно квантовой теории свободных электронов, внутренние электроны каждого атома в металле сохраняют энергетическое состояние одного атома, в то время как валентные электроны имеют различные энергетические состояния вследствие квантования и обладают отдельными энергетическими уровнями.
Теория энергетических полос также признает, что валентные электроны в металлах являются общими и квантованными по энергии, но она предполагает, что потенциальное поле, создаваемое ионами в металлах, не является однородным, а периодически изменяется.
Повышение температуры усиливает колебания ионов и увеличивает амплитуду тепловых колебаний, что приводит к увеличению беспорядка в атомах, уменьшению подвижности электронов и увеличению вероятности рассеяния. Эти факторы приводят к увеличению удельного сопротивления.
В полупроводниках проводимость обеспечивается в основном электронами и дырками. Повышение температуры увеличивает кинетическую энергию электронов, что приводит к увеличению числа свободных электронов и дырок в кристалле, а значит, к увеличению проводимости и уменьшению сопротивления.
(1) Критическая температура перехода Tc
(2) Критическое магнитное поле Hc
(3) Критическая плотность тока Jc
Изменение микроструктуры металлов и сплавов изучается путем измерения изменения удельного сопротивления.
(1) Измерьте кривую растворимости твердого раствора
(2) Измерьте температуру трансформации в сплаве с памятью формы.
Тепловой эффект, фоточувствительный эффект, чувствительный к давлению эффект (чувствительный к напряжению и чувствительный к давлению), магниточувствительный эффект (эффект Холла и эффект магнитосопротивления) и т.д.
Электрический пробой, тепловой пробой и химический пробой.
Линейные оптические свойства: Когда свет одной частоты падает на прозрачную среду, которая не поглощает свет, его частота не меняется. Когда свет разных частот падает на среду одновременно, между световыми волнами не происходит взаимодействия и не возникает новой частоты.
Когда два луча света пересекаются, если это когерентный свет, происходит интерференция. Если это некогерентный свет, то в соответствии с принципом линейной суперпозиции объединяется только интенсивность света.
Другие оптические свойства включают преломление, дисперсию, отражение, поглощение и рассеяние.
Использование металлов в оптике видимого света нецелесообразно, поскольку они сильно поглощают видимый свет. Это происходит потому, что валентные электроны в металлах занимают неполную полосу и после поглощения фотонов находятся в возбужденном состоянии. Они могут передавать энергию при столкновениях и выделять тепло, но не переходят в полосу проводимости.
Падающий свет очень сильный;
Требования к симметрии кристаллов;
Фазовое согласование.
Как основатель MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.
RU 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
KO