Eigenschappen van technische materialen:algemeen, fysiek en mechanisch

In dit artikel bespreken we:1. Algemene eigenschappen van technische materialen 2. Fysische eigenschappen van technische materialen 3. Mechanische eigenschappen.

Algemeen Eigenschappen van technische materialen:

De economen die zich voornamelijk bezighouden met de industrieën die technische materialen vervaardigen, zijn geïnteresseerd in het vinden van manieren waarop de technische materialen op de beste economische manier kunnen worden gebruikt of toegepast. De econoom moet praktische kennis hebben van eigenschappen en productieprocessen van verschillende technische materialen.

De diensten van zo'n econoom kunnen van groot nut zijn bij het maken van de keuze van technische materialen onder specifieke omstandigheden of bij het bepalen van de productielijn van technische materialen uit de beschikbare lokale grondstoffen.

De toepassingsgebieden van een bepaald technisch materiaal worden bepaald door de kenmerken en verschillende eigenschappen van dat technische materiaal.

Dergelijke eigenschappen kunnen als volgt in verschillende categorieën worden ingedeeld:

(1) Chemische eigenschappen:

De chemische eigenschappen van het materiaal suggereren de neiging van het materiaal om te combineren met andere stoffen, de reactiviteit, oplosbaarheid en effecten zoals corrosie, chemische samenstelling, zuurgraad, alkaliteit, enz. Corrosie is een van de ernstige problemen waarmee ingenieurs worden geconfronteerd bij het selecteren van technische materialen, veroorzaakt door de chemische eigenschappen van metaal.

In metalen zijn valentie-elektronen losjes aan hun atomen gebonden en kunnen ze gemakkelijk worden verwijderd tijdens chemische reacties. Dus wanneer metalen in de atmosfeer worden blootgesteld en in contact komen met gassen zoals zuurstof, chloor enz., Vinden de chemische reacties plaats. Wanneer ijzer reageert met zuurstof, wordt ijzeroxide gevormd dat rood van kleur is en ijzermetaal wordt ermee bedekt. Dit wordt corrosie genoemd.

(2) Elektrische eigenschappen:

Deze eigenschappen duiden op het vermogen van het materiaal om de stroom van een elektrische stroom te weerstaan ​​en ze omvatten geleidbaarheid, diëlektrische sterkte en soortelijke weerstand.

(3) Magnetische eigenschappen:

De studie van magnetische eigenschappen van het materiaal zoals permeabiliteit, hysterese en dwangkracht is vereist wanneer het wordt gebruikt voor generatoren, transformatoren, enz.

(4) Mechanische eigenschappen:

De kenmerken die het gedrag van materiaal bepalen wanneer externe krachten worden uitgeoefend, zijn opgenomen in deze eigenschappen. Enkele van de belangrijke mechanische eigenschappen zijn elasticiteit, hardheid, plasticiteit, sterkte, enz.

(5) Optische eigenschappen:

Als het materiaal wordt gebruikt voor het optische werk, is kennis van de optische eigenschappen zoals kleur, lichttransmissie, brekingsindex, reflectiviteit, enz. noodzakelijk. Wanneer licht op een materiaal valt, interageert het met zijn atomen en veroorzaakt het verschillende soorten effecten. Het licht kan worden gereflecteerd, gebroken, verstrooid of geabsorbeerd. De studie van licht in materialen en hoe dit gedrag te gebruiken om de verschillende lichteffecten te beheersen, wordt optica genoemd.

(6) Fysieke eigenschappen:

Deze zijn nodig om de toestand van het materiaal te beoordelen zonder dat er enige externe kracht op inwerkt en ze omvatten bulkdichtheid, duurzaamheid, porositeit, enz.

(7) Thermische eigenschappen:

De kennis van thermische eigenschappen van het materiaal, zoals soortelijke warmte, thermische uitzetting en geleidbaarheid, is nuttig om de reactie van het materiaal op de thermische veranderingen te kennen. Zo kunnen geschikte materialen worden gekozen om fluctuerende en hoge temperaturen te weerstaan.

(8) Technologische eigenschappen:

De eigenschappen van metalen en legeringen die van invloed zijn op hun verwerking of toepassing worden technologische eigenschappen genoemd. Gietbaarheid, bewerkbaarheid, lasbaarheid en verwerkbaarheid zijn enkele van de belangrijke technologische eigenschappen van metalen en legeringen.

Van al deze eigenschappen zijn vooral de fysieke en mechanische eigenschappen erg belangrijk voor een bouwkundig ingenieur.

Fysieke eigenschappen van technische materialen:

De volgende termen in verband met de fysieke eigenschappen van technische materialen worden gedefinieerd en uitgelegd:

(1) Bulkdichtheid

(2) Chemische bestendigheid

(3) Verzachtingscoëfficiënt

(4) Dichtheid

(5) Dichtheidsindex

(6) Duurzaamheid

(7) Brandwerendheid

(8) Vorstbestendigheid

(9) Hygroscopiciteit

(10) Porositeit

(11) Vuurvastheid

(12) Weerstand tegen afsplinteren

(13) Specifieke warmte

(14) Thermische capaciteit

(15) Thermische geleidbaarheid

(16) Wateropname

(17) Waterdoorlatendheid

(18) Weerstand.

(1) Bulkdichtheid:

De term bulkdichtheid wordt gebruikt om de massa aan te duiden van een eenheidsvolume materiaal in zijn natuurlijke staat, d.w.z. inclusief poriën en holtes. Het wordt verkregen door de verhouding van de massa van het monster tot het volume van het monster in zijn natuurlijke staat te bepalen.

De technische eigenschappen van het materiaal, zoals sterkte, warmte, geleidbaarheid, enz. worden sterk beïnvloed door de bulkdichtheid en daarom zal de prestatie-efficiëntie van een materiaal afhangen van de bulkdichtheid.

Voor de meeste materialen is de bulkdichtheid lager dan de dichtheid, behalve voor dichte materialen, vloeistoffen en materialen die zijn verkregen uit de gesmolten massa.

Tabel 1-1 toont de bulkdichtheden van enkele van de belangrijke bouwmaterialen.

(2) Chemische resistentie:

Het vermogen van materiaal om de werking van zuren, alkaliën, gassen en zoutoplossingen te weerstaan, staat bekend als de chemische weerstand.

Deze eigenschap wordt zorgvuldig onderzocht bij het selecteren van materiaal voor rioolbuizen, waterbouwkundige installaties, sanitaire voorzieningen, enz.

(3) Verzachtingscoëfficiënt:

De verhouding van de druksterkte van materiaal verzadigd met water tot dat in droge toestand staat bekend als de verwekingscoëfficiënt. De materialen zoals glas en metaal worden niet beïnvloed door de aanwezigheid van water en hun verwekingscoëfficiënt is één. Aan de andere kant verliezen de materialen zoals klei gemakkelijk hun sterkte wanneer ze in water worden geweekt en daarom is hun verwekingscoëfficiënt nul.

De materialen met een verwekingscoëfficiënt gelijk aan 0,8 of meer worden de waterbestendige materialen genoemd. Het is raadzaam om het gebruik van materialen met een verwekingscoëfficiënt van minder dan 0,8 te vermijden voor situaties die waarschijnlijk permanent aan de inwerking van vocht worden blootgesteld.

(4) Dichtheid:

De term dichtheid van een materiaal wordt gedefinieerd als de massa van een eenheidsvolume van homogeen materiaal. Het wordt verkregen door de verhouding van de massa van het materiaal tot het volume van het materiaal in homogene staat uit te werken. De fysieke eigenschappen van een materiaal worden sterk beïnvloed door de dichtheid.

(5) Dichtheidsindex:

De verhouding van bulkdichtheid van een materiaal tot zijn dichtheid staat bekend als de dichtheidsindex en geeft dus de mate aan waarin het volume is opgevuld met vaste materie.

Omdat er in de natuur praktisch geen dichte stoffen zijn, is de dichtheidsindex van de meeste bouwmaterialen minder dan één.

(6) Duurzaamheid:

De eigenschap van een materiaal om de gecombineerde werking van atmosferische en andere factoren te weerstaan, staat bekend als zijn duurzaamheid.

De exploitatie- of onderhoudskosten van een gebouw hangen natuurlijk af van de duurzaamheid van de materialen waaruit het is samengesteld.

(7) Brandwerendheid:

De term brandwerendheid wordt gebruikt om het vermogen van een materiaal aan te duiden om de werking van hoge temperaturen te weerstaan ​​zonder zijn draagvermogen te verliezen, d.w.z. zonder aanzienlijk verlies van sterkte of vormvervorming.

Deze eigenschap van een materiaal is van groot belang in geval van brand en aangezien de werking van brandbestrijding meestal gepaard gaat met water, wordt deze eigenschap van een materiaal getest door de gecombineerde acties van hoge temperatuur en water. Het materiaal moet voldoende brandveilig zijn om bij brand veiligheid en stabiliteit te bieden.

(8) Vorstbestendigheid:

Het vermogen van een met water verzadigd materiaal om herhaaldelijk invriezen en ontdooien te weerstaan ​​zonder aanzienlijke afname van de mechanische sterkte of zichtbare tekenen van falen, staat bekend als de vorstbestendigheid. De vorstbestendigheid van een materiaal hangt af van de dichtheid van het materiaal en de mate van verzadiging met water.

Over het algemeen zijn de dichte materialen vorstbestendig. De poreuze materialen waarvan de poriën voor minder dan 90% van hun volume zijn gesloten of met water zijn gevuld, zijn vorstbestendig.

(9) Hygroscopiciteit:

De eigenschap van een materiaal om waterdamp uit de lucht te absorberen, staat bekend als de hygroscopiciteit en wordt bepaald door de aard van de betrokken stof, het aantal poriën, de luchttemperatuur, de relatieve vochtigheid, enz. Het water -vasthoudende of hydrofiele stoffen lossen gemakkelijk op in water.

(10) Porositeit:

De term porositeit wordt gebruikt om de mate aan te geven waarin het volume van een materiaal wordt ingenomen door poriën. Het wordt uitgedrukt als een verhouding van het poriënvolume tot dat van het monster. De porositeit van een materiaal is indicatief voor zijn verschillende eigenschappen, zoals sterkte, bulkdichtheid, waterabsorptie, thermische geleidbaarheid, duurzaamheid, enz., en daarom moet het zorgvuldig worden bestudeerd en geanalyseerd.

(11) Vuurvastheid:

Het vermogen van een materiaal om langdurige inwerking van hoge temperaturen te weerstaan ​​zonder te smelten of vorm te verliezen, staat bekend als zijn vuurvastheid.

(12) Weerstand tegen spalling:

Het vermogen van een materiaal om een ​​bepaald aantal cycli van scherpe temperatuurschommelingen te doorstaan ​​zonder te falen, staat bekend als de weerstand tegen afsplinteren en hangt voornamelijk af van de lineaire uitzettingscoëfficiënten van de bestanddelen.

(13) Soortelijke warmte:

De term soortelijke warmte wordt gedefinieerd als de hoeveelheid warmte, uitgedrukt in kilocalorieën, die nodig is om 1 N materiaal met 1°C te verwarmen. Bij warmteaccumulatie moet rekening worden gehouden met de soortelijke warmte van een materiaal.

De soortelijke warmte van staal, steen en hout is als volgt:

Staal – 0,046 x 10 ³ J/N °C

Steen – 0,075 tot 0,09 x 10 ³ J/N °C

Hout – 0,239 tot 0,27 x 10 ³ J/N °C.

(14) Thermische capaciteit:

De eigenschap van een materiaal om warmte te absorberen staat bekend als zijn thermische capaciteit en wordt berekend door de volgende vergelijking –

T =H / M (T₂ – T₁ )

Waar, T =thermische capaciteit in J/N °C

H =Hoeveelheid warmte die nodig is om de temperatuur van het materiaal te verhogen van T₁ naar T₂ in J M =Materiaalmassa in N

T₁ =Temperatuur van materiaal voor verwarming in °C

T₂ =Materiaaltemperatuur na verwarming in °C.

(15) Thermische geleidbaarheid:

De thermische geleidbaarheid van een materiaal is de hoeveelheid warmte in kilocalorieën die door de oppervlakte-eenheid van het materiaal zal stromen met de eenheidsdikte in tijdseenheid wanneer het temperatuurverschil op de vlakken ook één is. De eenheid van thermische geleidbaarheid is J per m uur °C en wordt gewoonlijk aangeduid met K. De thermische geleidbaarheid van een materiaal hangt af van de dichtheid, porositeit, vochtgehalte en temperatuur.

De term thermische weerstand van een materiaal wordt gebruikt om het omgekeerde van zijn thermische geleidbaarheid aan te duiden. De thermische weerstand van een materiaal is gelijk aan de thermische weerstand vermenigvuldigd met de dikte.

(16) Wateropname:

Het vermogen van een materiaal om water te absorberen en vast te houden, staat bekend als de waterabsorptie. Het droge materiaal wordt volledig ondergedompeld in water en vervolgens wordt de wateropname berekend als percentage van het gewicht of als percentage van het volume van het droge materiaal. Het hangt vooral af van het volume, de grootte en de vorm van de poriën die in het materiaal aanwezig zijn.

(17) Waterdoorlatendheid:

Het vermogen van een materiaal om water onder druk door het materiaal te laten gaan, staat bekend als de waterdoorlatendheid en wordt beschreven als de hoeveelheid water die in één uur bij constante druk door het materiaal gaat. , waarbij de dwarsdoorsnede van het monster 1 cm is. De dichte materialen zoals glas, staal, enz. zijn waterdicht of ondoordringbaar voor het water.

(18) Weerstand:

De term weersbestendigheid wordt gebruikt om het vermogen van een materiaal uit te drukken om afwisselend natte en droge omstandigheden te weerstaan ​​zonder de vorm en mechanische sterkte ernstig aan te tasten. Het geeft dus het gedrag van materialen aan wanneer ze worden blootgesteld aan veranderende vochtigheidsomstandigheden.

Mechanische eigenschappen van technische materialen:

De mechanische eigenschappen van materialen zoals hun stijfheid, vervormbaarheid en sterkte zijn van vitaal belang bij het bepalen van hun fabricage en mogelijke praktische toepassingen.

De bouwmaterialen vertonen een breed scala aan mechanische eigenschappen, variërend van de hardheid van diamant tot de vervormbaarheid van puur koper en het verbazingwekkende elastische gedrag van rubber. Op een vergelijkbare manier gedragen veel materialen zich heel anders wanneer ze op verschillende manieren worden belast. Gietijzer, cement en bakstenen zijn bijvoorbeeld veel sterker onder druk, terwijl hout en staal sterker zijn onder spanning.

De volgende termen in verband met de algemene mechanische eigenschappen van bouwmaterialen worden gedefinieerd en uitgelegd:

(1) Slijtage

(2) Griep

(3) Elasticiteit

(4) Vermoeidheid

(5) Hardheid

(6) Slagvastheid

(7) Plasticiteit en broosheid

(8) Kracht

(9) Draag.

(5) Hardheid

(1) Slijtage:

De weerstand van een materiaal tegen slijtage wordt bepaald door het verschil in gewicht van monsters voor en na het schuren te delen door het oppervlak van de slijtage.

(2) Griezel:

In veel toepassingen moeten de bouwmaterialen gedurende lange perioden een constante belasting kunnen weerstaan. Onder dergelijke omstandigheden kan het materiaal blijven vervormen totdat de bruikbaarheid ervan ernstig wordt verminderd. Dergelijke tijdsafhankelijke vervormingen van een constructie kunnen groot worden en zelfs resulteren in een uiteindelijke breuk zonder enige toename van de belasting. Als de vervorming doorgaat, zelfs als de belasting constant is, staat een dergelijke extra vervorming bekend als de kruip.

De meeste bouwmaterialen kruipen tot op zekere hoogte bij alle temperaturen. De technische metalen zoals staal, aluminium en koper kruipen echter heel weinig bij kamertemperatuur. De hoge temperaturen leiden tot snelle kruip die vaak gepaard gaat met microstructurele veranderingen. Het fenomeen kruip is belangrijk in polymeren bij kamertemperatuur, in legeringen van aluminium bij 100°C en in staal boven 300°C.

(3) Elasticiteit:

Als een materiaal wordt belast, verandert de vorm en afmeting ervan. De term elasticiteit wordt gebruikt om het vermogen van een materiaal aan te geven om zijn oorspronkelijke vorm en afmetingen te herstellen nadat de belasting is verwijderd.

Het verschil tussen de volgende twee termen moet worden opgemerkt:

(i) Elastische vervorming:

Er wordt gezegd dat een vervorming elastisch is wanneer de vaste stof vervormt wanneer deze wordt geladen, maar terugkeert naar zijn oorspronkelijke positie wanneer deze wordt ontladen. Een verandering in druk of een toepassing van belasting resulteert in de elastische vervorming. De term ideale vervorming wordt gebruikt om de vervorming aan te duiden die onmiddellijk plaatsvindt bij het uitoefenen van kracht en volledig verdwijnt bij het wegnemen van de kracht.

Dergelijke vervormingen voldoen aan de wet van Hooke en de elastische spanning van het metaal is recht evenredig met de uitgeoefende kracht. De ideale vervorming vindt plaats met relatief kleinere vervormingskrachten die de werkspanningen binnen de elastische limiet kunnen houden.

(ii) Plastische vervorming:

Er wordt gezegd dat een vervorming plastisch is wanneer de vaste stof de vormverandering volledig of gedeeltelijk behoudt nadat de belasting is verwijderd. De plastische vervorming wordt waargenomen wanneer de spanning de elastische limiet overschrijdt en de snelheid wordt geregeld door de reksnelheid, toegepaste spanning en temperatuur. Het kan optreden onder trek-, druk- en torsiespanningen. Het wordt opzettelijk uitgevoerd in processen zoals walsen, smeden, enz. om bruikbare producten te maken.

(4) Vermoeidheid:

Als de materialen worden blootgesteld aan herhaalde of fluctuerende spanningen, zullen ze bezwijken bij een spanning die veel lager is dan die welke nodig is om bij constante belasting breuk te veroorzaken.

Dit gedrag wordt vermoeidheid genoemd en onderscheidt zich door de volgende drie kenmerken:

(i) Verhoogde onzekerheid in sterkte en levensduur;

(ii) verlies van ductiliteit; en

(iii) Krachtverlies.

Hier volgen de redenen voor de vermoeidheidsstoringen:

(i) Corroderende omgevingen die resulteren in een vermindering van de vermoeiingssterkte;

(ii) Stressconcentratiepunten;

(iii) Oppervlakte-onvolkomenheden zoals bewerkingssporen en oppervlakte-onregelmatigheden; en

(iv) Temperatuur, waarbij de vermoeiingssterkte hoog is bij lage temperaturen en geleidelijk afneemt naarmate de temperatuur stijgt.

(5) Hardheid:

Het vermogen van een materiaal om penetratie door een harder lichaam te weerstaan, staat bekend als zijn hardheid. Het is een belangrijke factor bij het bepalen van de verwerkbaarheid en het gebruik van een materiaal voor vloeren en wegdek. De hardheid is geen fundamentele eigenschap. Maar het is een gecombineerd effect van samendrukkende, elastische en plastische eigenschappen met betrekking tot de wijze van penetratie, vorm van penetrator, enz.

De hardheid staat in een vrij constante relatie tot de treksterkte van een bepaald materiaal. Het kan daarom worden gebruikt als een praktische niet-destructieve test om ruwweg een idee te krijgen van de treksterkte van het materiaal en de toestand van het metaal nabij het oppervlak.

De hardheid van steenmaterialen kan worden bepaald met behulp van de hardheidsschaal van Mohs. Het is een lijst van tien materialen gerangschikt in volgorde van toenemende hardheid. De hardheid van een materiaal ligt tussen de hardheid van twee materialen in, namelijk het ene dat krast en het andere dat wordt bekrast door het te testen materiaal.

Tabel 1-2 toont de hardheidsschaal van Mohs.

(6) Impactsterkte:

De slagvastheid van een materiaal is de hoeveelheid werk die nodig is om het defect te veroorzaken per volume-eenheid. Het geeft dus de taaiheid van een materiaal aan en de materialen worden getest in een impacttestmachine om hun impactsterkte te bepalen.

De slagvastheid is een complexe eigenschap die rekening houdt met zowel de taaiheid als de sterkte van een materiaal.

Het hangt af van de volgende factoren:

(i) Als de afmetingen van het monster worden vergroot, neemt ook de slagvastheid toe.

(ii) Als de scherpte van de inkeping toeneemt, neemt de slagvastheid af die nodig is om breuk te veroorzaken.

(iii) De hoek van de inkeping verbetert ook de slagvastheid na bepaalde waarden.

(iv) De slagsterkte wordt tot op zekere hoogte ook beïnvloed door de slagsnelheid.

(v) De temperatuur van het te testen monster geeft een indicatie van het type breuk dat waarschijnlijk zal optreden, d.w.z. de overgang van ductiel, bros of ductiel naar bros.

(7) Plasticiteit en broosheid:

De term plasticiteit van een materiaal wordt gedefinieerd als het vermogen om onder belasting van vorm te veranderen zonder te barsten en om zijn vorm te behouden na het verwijderen van de belasting.

De materialen kunnen grofweg in twee groepen worden verdeeld, namelijk plastic materialen en brosse materialen. Het staal, koper, hete bitumen, enz. zijn plastic materialen. De brosse materialen bezwijken plotseling onder druk zonder merkbare vervorming voorafgaand aan het bezwijken. De steenmaterialen, keramische materialen, glas, gietijzer, beton en enkele andere materialen zijn bros en bieden een slechte weerstand tegen buigen, stoten en spanning.

(8) Sterkte:

Het vermogen van een materiaal om weerstand te bieden tegen bezwijken onder invloed van spanningen veroorzaakt door een belasting, staat bekend als zijn sterkte. De belastingen waaraan een materiaal gewoonlijk wordt blootgesteld, zijn druk, spanning en buiging. De overeenkomstige sterkte wordt verkregen door de uiteindelijke belasting te delen door de dwarsdoorsnede van het monster.

De spanningen in de bouwmaterialen mogen een bepaald percentage van hun uiteindelijke sterkte niet overschrijden. Er wordt dus een veiligheidsmarge verschaft en de term veiligheidsfactor wordt gebruikt om de verhouding tussen ultieme spanning en veilige spanning aan te duiden. Als de veiligheidsfactor bijvoorbeeld twee is, zou de spanning die voor ontwerpdoeleinden moet worden gebruikt, de helft van de uiteindelijke spanning zijn.

De waarden van veiligheidsfactoren worden gespecificeerd door ontwerpnormen en worden bepaald door rekening te houden met verschillende factoren, zoals de aard van het werk, kwaliteit van het materiaal, servicevoorwaarden, economische overwegingen, enz. lettertype>

(9) Draag:

Het bezwijken van een materiaal onder de gecombineerde werking van schuren en stoten staat bekend als slijtage. De slijtvastheid wordt meestal uitgedrukt als percentage van het gewichtsverlies en is van groot belang bij het bepalen van de geschiktheid van een materiaal voor gebruik van wegdek, spoorwegballast, etc.