力量与. 韧性

1. 介绍

在材料科学与工程领域, 在各种条件下直接影响材料性能的两个关键特性是 力量 和 韧性.

这些特性在确定材料在压力下的行为如何起着至关重要的作用, 影响, 或长时间使用.

虽然它们经常互换使用, 力量与. 韧性是指独特的特征
对各种应用中的材料选择和设计具有不同的影响.

设计结构时, 例如高层建筑, 高的 力量 需要承担巨大的负载.

另一方面, 在设计关键零件（例如车辆保险杠或撞车区）时, 韧性 至关重要的是要确保材料吸收影响能量而不会破裂.

在这个博客中, 我们将探索关键定义, 差异, 这些基本材料属性的现实应用.

2. 什么是力量?

力量 是一种基本材料，是指材料在施加压力下抵抗变形或故障的能力.

它可以衡量材料在开始产生之前可以承受多少力 (永久变形), 休息, 或断裂.

本质上, 力量决定了材料忍受外力的能力而不会破裂.

关键力量类型:

• 抗拉强度:

• • 最终的拉伸强度 (UTS): 材料在破裂之前被拉伸或拉动时可以承受的最大压力.
    它代表应力应变曲线上的最高点，并指示材料承受拉伸力的能力.
  • 屈服强度: 材料开始塑料变形的应力水平, 意味着一旦压力消除了，它将不会恢复原始形状.
    这是为负载应用设计材料时的关键特性.

• 抗压强度:
• • 抗压强度是指该材料承受轴向压缩负荷的能力, 材料被压缩而不是拉伸的地方.
    这对于列特别重要, 结构成分, 或像混凝土基础等组件, 哪些体验压缩力.
• 剪切力:

• • 剪切强度是抵抗平行于其表面施加的滑动力的材料的能力.
    它在紧固件和连接结构中使用的材料中尤其重要.
• 弯曲强度 (破裂模量):

• • 破裂的弯曲强度或模量可以测量材料抵抗弯曲力而不会破裂的能力.
    这与光束特别相关, 盘子, 以及在服务期间经历弯曲的其他结构元素.
• 扭转力量:

• • 扭转强度是对材料抗扭曲或旋转力的抗性的量度, 对于机械系统中的轴和齿轮等零件很重要.

影响力量的因素:

• 材料组成: 材料的化学构成, 例如钢中的碳量, 在实力中起主要作用. 较高的碳含量通常会增加强度.
• 微观结构: 内部结构, 包括晶粒尺寸和相分布, 确定材料如何应对外部压力.
  较细的谷物通常有助于更高的强度.
• 热处理: 诸如淬火之类的过程, 回火, 或退火改变材料的微观结构以通过硬化或放松来增强强度.
• 工作硬化: 较低温度下的变形通过引入脱位来增加强度，从而阻碍原子的运动.
• 冷工作: 材料重结晶温度下方的机械变形通过应变硬化提高了强度.

测量: 通常使用机械测试方法来测量强度 拉伸测试, 压缩测试, 和 剪切测试.
这些测试有助于确定材料在不可逆地破裂或变形之前可能承受的最大压力.

力量的重要性:

• 结构完整性: 强度确保材料可以支持所施加的负载而不会破坏或失败.
• 材料选择: 了解材料强度使工程师可以根据负载和性能要求为特定应用程序选择合适的材料.
• 设计注意事项: 强度数据帮助工程师设计符合各种应用所需规范的材料, 确保耐用性和安全性.
• 安全: 高强度材料降低了关键应用中灾难性失败的风险, 有助于结构和组件的安全.

3. 什么是韧性?

韧性 是材料吸收能量并塑性变形而不破裂的能力.
它通常被描述为吸收撞击或冲击负荷并承受裂缝传播的材料能力.

韧性结合了强度和延展性, 这使材料能够在失败前吸收能量.

韧性的关键方面:

• 能量吸收: 韧性可以量化材料在破裂之前可以吸收多少能量.
  这种能量通常由应力 - 应变曲线下的面积表示，直到断裂点, 材料开始失败的地方.
• 强度和延性的结合: 与力量不同, 这与材料抵抗变形的能力有关,
  韧性是依赖两种强度的复合特性 (材料可以承受多少压力) 和延性 (材料在破裂前塑性变形的能力).

韧性类型:

• 断裂韧性:
• • 临界应力强度因子 (k_ic): 这衡量了材料对裂纹繁殖的阻力.
    它表明材料能够抵抗现有裂纹的传播, 处理可能有缺陷或裂缝的材料时的关键特性.
• 影响韧性:

• • 通常使用诸如诸如 夏比 或者 izod 测试, 评估材料从影响中吸收能量的能力.
    摆动的摆板击中了一个缺口样品, 并测量裂缝之前吸收的能量.

影响韧性的因素:

• 材料组成: 材料中的合金元素可能会影响其韧性.
  例如, 将镍添加到钢上可以显着增强其韧性, 特别是在较低温度下.
• 微观结构: 原子的排列, 谷物, 和材料中的阶段会影响韧性.
  美好的, 均匀的谷物通常会增加韧性, 而粗粒或脆性相的存在可以减少.
• 温度: 韧性会随​​温度而变化. 在室温下坚硬的材料在低温下可能会变得脆弱, 减少他们的韧性.
• 应变率: 材料变形的速度也会影响其韧性. 快速变形有时会导致材料变得更脆.
• 热处理: 退火过程可以通过使材料更具延展性来增加韧性, 而淬火过程可能会增加强度，但会降低韧性.
• 包含和杂质: 存在非金属夹杂物, 例如硫化物或氧化物, 可以充当压力集中器, 通过发起裂缝来降低韧性.

测量: 韧性通常是通过 冲击测试, 例如 Charpy V-Notch测试 或者 IZOD冲击测试,
和 断裂韧性测试 喜欢 单边槽弯 (Senb) 或者 紧凑的张力 (CT) 测试.

韧性的重要性:

• 安全: 韧性在材料经历影响或动态负载的应用中至关重要,
  因为它有助于防止灾难性的失败，并确保材料会以受控的方式变形而不是破碎.
• 疲劳性抗性: 坚硬的材料更好地抵抗裂纹的启动和传播, 这可以大大提高材料的使用寿命.
• 冲击阻力: 在汽车或航空航天等行业中, 韧性对于受到突然负载或撞击的零件至关重要, 例如保险杠, 机身, 和崩溃组件.
• 裂缝逮捕: 坚硬的材料可以停止或减慢裂缝的传播, 这对于随着时间的推移保持结构完整性至关重要.

增强韧性:

• 材料选择: 选择以韧性而闻名的材料, 例如某些不锈钢, 铝合金, 或聚合物复合材料.
• 合金设计: 开发具有强度和延展性的平衡组合的合金，以增强这两种特性.
• 热处理: 使用退火或其他过程来增加材料延展性并改善韧性.
• 微观结构工程: 控制晶粒尺寸和相位分布以优化韧性.
• 添加剂: 在钢铁中添加诸如石墨等元素或钢中的镍，以增强韧性而不会损害强度过多.

4. 力量和韧性之间的主要差异

力量和韧性都是至关重要的特性，它们定义了材料对各种压力和应变的反应.

尽管它们密切相关, 它们在测量方式和在材料行为中的作用方面有根本不同.

这是强度与. 韧性:

测量:

• 力量: 通常通过机械测试来测量强度:

• • 拉伸测试: 确定材料在拉伸时可以承受多少力.
  • 压缩测试: 测量材料承受压缩力的能力.
  • 剪切测试: 评估材料抵抗平行于其表面施加的力的能力.

• 韧性: 通过测试材料在裂缝之前吸收能量的能力来衡量韧性, 通常用类似的方法来完成:

• • 冲击测试 (夏比, izod): 如果凹口样品受到摇摆的摆，以测量裂缝期间吸收的能量.
  • 断裂韧性测试: 像 k_ic 测试材料在压力下裂纹传播的电阻.

物质行为:

• 力量: 具有高强度的材料可以承受巨大的负载，但是当它们达到断裂点时，它们很容易突然失败.
  这些材料在破裂前可能不会显着变形, 这意味着它们可能很脆.

• • 例子: 材料 钢 和 钛合金 是高强度材料, 必须抵抗高静态或动态载荷而不会失败的结构或组件的理想选择.

• 韧性: 韧性高的材料可以通过在破裂前进行塑性变形来吸收大量能量.
  这意味着他们可以忍受影响, 振动, 或无灾难性失败的循环负荷, 使它们非常适合需要承受突然力的组件.

• • 例子: 橡皮, 铝合金, 和 延性铸铁 是以韧性而闻名的材料的例子, 通过变形而不是破裂吸收能量.

延性vs. 脆性:

• 力量: 强大的材料可以是 公爵 或者 脆. 延性材料 可以在破裂之前显着伸展或变形, 然而 脆性材料 裂缝很少变形.

• • 延性材料: 铜 和 铝.
  • 脆性材料: 玻璃 和 陶瓷.

• 韧性: 坚硬的材料通常是延性的. 他们在故障之前发生重大变形, 这使他们能够吸收更多的能量并抵抗破裂.
  所以, 韧性通常与 延性.
  具有高韧性的材料可以吸收大量能量而不会破裂或破裂,
  这就是为什么韧性对于将暴露于影响或冲击的材料特别重要.

• • 坚韧的材料: 橡皮, 聚乙烯, 和 坚固的钢.

应力应变曲线:

• 力量: 在应力应变曲线上, 强度由曲线的峰值表示.
  抗拉强度 和 产生强度 是这条曲线的关键点, 指示材料在故障或永久变形之前承受的最大压力.
• 韧性: 韧性由应力 - 应变曲线下的总面积表示，直到断裂点.
  区域越大, 破裂之前材料可以吸收的能量越多.
  这意味着 韧性 考虑到这两个 力量 (抵抗压力) 和 延性 (变形的能力) 材料.

增强力量和韧性:

• 力量: 增加力量, 材料可以接受:

• • 合金: 添加其他元素 (例如。, 碳, 镍, 或铬) 增强力量.
  • 热处理: 过程，例如 淬火, 回火, 和 退火 提高材料的强度.
  • 冷工作: 在较低温度下的机械变形可以通过 应变硬化.

• 韧性: 改善韧性, 工程师可以:

• • 选择坚硬的材料: 材料 钢 或者 铝合金 专为高韧性而设计.
  • 热处理: 退火 软化材料, 增加延展性并改善韧性.
  • 合金设计: 某些合金被制定以平衡强度和韧性, 例如 高强度低合金钢.

力量与韧性之间的权衡:

重要的是要认识到通常有一个 权衡 在力量与力量之间. 韧性.

通过热处理或合金等方法更强大的材料可能会变得更脆弱, 降低其韧性.

反过来, 增加韧性会导致强度降低, 随着材料可能变得更加延展并且容易变形.

所以, 在工程设计中, 仔细平衡力量与. 根据申请的特定要求韧性.

5. 高强度与. 高韧性

在选择工程应用材料时, 了解 力量 和 韧性 至关重要.

这两个特性都很重要, 但是它们的角色因申请的具体要求而有所不同.

高强度材料

高强度的材料旨在抵抗在巨大压力下的变形和故障.

这些材料非常适合必须承受大量负载的应用程序, 压力, 或没有永久变形或断裂的力.

高强度材料的特征:

• 在应力下对变形的高电阻.
• 失败前能够承受大力量的能力.
• 通常较少的延展性, 意味着它们可能突然破裂而没有太多变形.

常见的高强度材料:

• 钛合金:

• • 力量: 钛合金 可以达到拉伸的强度 900 MPA, 在苛刻的环境中提供出色的性能.
  • 应用领域: 广泛用于航空航天组件, 包括飞机框架和发动机零件, 由于它们的实力与权重比,
    高腐蚀性, 以及在升高温度下保持性能的能力.
  • 例子: 商业客机使用钛合金来减轻体重，同时保持结构完整性, 导致提高燃油效率.

• 碳纤维增强聚合物 (CFRP):

• • 力量: CFRP 提供超出拉伸强度 3,500 MPA, 使其成为可用的最强材料之一.
  • 应用领域: 通常用于高性能运动器材, 赛车,
    和航空航天结构, CFRP提供了强度和轻质特性的绝佳组合.
  • 例子: 一级方程式汽车使用CFRP作为底盘和机翼等组件, 优化强度和性能，同时减少体重.

• 工具钢:

• • 力量: 工具钢 可以达到上方的硬度水平 60 HRC, 使其非常适合需要极端硬度和耐磨性的应用.
  • 应用领域: 用于切割工具, 死亡, 以及霉菌由于能够在高压力条件下保持清晰度和耐用性的能力.
  • 例子: 高速钢工具, 通常用于加工操作, 保持长时间的清晰度和耐用性.

• 高强度低合金 (HSLA) 钢:

• • 力量: 这些钢提供的屈服优势从 345 MPA到 550 MPA, 在力量和成本之间提供良好的平衡.
  • 应用领域: 理想的建筑, 汽车, 和基础设施项目必要的力量，但成本效益也很重要.
  • 例子: 用HSLA钢制造的桥梁受益于提高耐用性和降低的维护成本.

高水平材料

高水平材料以其在破裂前吸收大量能量的能力而闻名.

这些材料在成分突然影响的应用中特别有用, 动态加载, 或疲劳.

虽然这些材料可能并不总是像高强度材料一样强, 它们可以承受更明显的变形而不会破裂.

高水平材料的特征:

• 骨折前吸收能量的高能力.
• 可以在不破裂的情况下经历明显的塑性变形.
• 通常更具延展性, 意味着他们可以在破裂之前弯曲或伸展.

常见的高水平材料:

• 橡皮:

• • 韧性: 橡胶可以吸收 50 每平方厘米的能量, 使其在吸收冲击和振动方面非常有效.
  • 应用领域: 用于汽车轮胎, 密封, 和减震器, 橡胶的韧性使其能够承受重复的变形和影响.
  • 例子: 用橡胶制成的汽车轮胎通过吸收道路撞击并提供更好的牵引力，从而增强了安全性和舒适性.

• 铝合金:

• • 韧性: 铝 表现出良好的韧性, 有拉伸强度 90 MPA和伸长率超过 20%.
  • 应用领域: 铝合金用于汽车, 航天, 以及需要轻巧和韧性的包装行业.
  • 例子: 飞机机身经常使用铝合金来减轻重量，同时提供抗冲击力和结构完整性.

• 聚乙烯:

• • 韧性: 聚乙烯可以吸收到 80 j/cm², 使其成为需要高韧性的应用的理想选择.
  • 应用领域: 通常用于防弹背心和防护装备, 聚乙烯的韧性使其能够消散冲击能量.
  • 例子: 由聚乙烯纤维制成的身体装甲可有效防止弹道威胁.

• 延性铁:

• • 韧性: 延性铁提供了强度与. 韧性, 有拉伸力量 600 MPA和伸长率 10%.
  • 应用领域: 用于管道, 汽车组件, 和基础设施由于其出色的韧性和承受重负荷的能力而引起的.
  • 例子: 延性铁管确保可靠的水分分布, 即使在波动的压力下, 通过保持韧性并降低骨折风险.

力量与. 韧性: 权衡

经常有一个 权衡 在力量与力量之间. 韧性. 而高强度的材料在静态或动态载荷下抵抗变形方面表现出色,

在冲击或冲击负载下，高座材材料的性能更好.

• 高强度材料 是变形最小的静态负荷的理想选择, 结构需要抵抗大力, 就像在桥梁或重型机械中一样.
• 高水平材料 对于组件可能会重复影响的应用至关重要,
  疲劳, 或动态加载, 例如安全装备, 汽车保险杠, 或航空航天组件.

物质权衡的示例:

• 陶瓷:

• • 力量: 陶瓷 以其高抗压强度而闻名，但表现出低韧性.
  • 应用领域: 由于他们的脆弱, 陶瓷通常用于非影响应用或保护材料免受动态载荷的位置.
  • 例子: 金属表面上的陶瓷涂料可以增强硬度和耐磨性，但需要仔细处理以防止开裂或碎裂.

• 钢与. 铝:

• • 钢 通常提供的力量高于 铝 但是韧性较低. 钢是需要高电阻变形的应用的理想选择.
  • 铝, 而强度较低, 更适合需要更好韧性的应用, 以及节省重量.
  • 例子: 汽车行业越来越有利于铝制面板的铝, 平衡结构完整性与提高燃油效率.

6. 各个行业的力量和韧性的应用

航空航天和航空:

• 力量: 对于飞行过程中忍受极端力的发动机零件和结构元素等组件至关重要.
• 韧性: 对于必须从影响中吸收能量的机身和翅膀必不可少的, 例如鸟击或振动.

汽车行业:

• 力量: 发动机零件所需, 机壳, 和悬架组件.
• 韧性: 安全组件等安全部门和撞车区所需的必要, 在碰撞过程中必须吸收影响能量.

建造:

• 力量: 对梁至关重要, 列, 和承载结构.
• 韧性: 对于暴露于动态力的抗震建筑物和组件很重要.

医疗设备:

• 力量: 植入物所需, 假肢, 和手术器械.
• 韧性: 经受循环负载的设备所需, 例如关节替换.

7. 如何在材料选择中平衡力量和韧性

在强度和韧性之间实现适当的平衡是任何应用的材料选择的关键方面.

材料选择:

• 合金设计: 选择平衡力量与. 韧性, 例如某些不锈钢或高强度低合金钢.
• 复合材料: 使用复合材料可以结合强大和坚硬的组件, 像碳纤维增强聚合物 (CFRP).

热处理:

• 退火: 软化材料以增加韧性，但可能会降低强度.
• 淬火和回火: 通过淬火恢复韧性，通过淬火来增加强度.

微观结构控制:

• 粒度: 较小的谷物增加强度, 但是需要保持平衡才能保持韧性.

表面处理:

• 射击: 增加疲劳强度与. 通过在材料表面诱导压缩残留应力来韧性.

8. 结论

综上所述, 两个都 力量 和 韧性 是在设计过程中必须同时考虑的重要材料特性.

强度确保材料可以承受强大的力量而不会失败, 虽然韧性使其能够吸收能量并抵抗动态载荷下的破裂.

了解这些属性的差异和应用是为特定应用选择正确材料的关键.

仔细的材料选择, 工程设计, 和处理技术,

可以实现广泛的工业应用所需的力量和韧性的最佳平衡.