Verschillende soorten materiaal mechanische eigenschappen

Materiaalmechanische eigenschappen zijn een intensief kenmerk van een materiaal, wat betekent dat het een fysiek kenmerk is dat onafhankelijk is van de hoeveelheid van het materiaal. Deze kwantitatieve kenmerken kunnen worden gebruikt als maatstaf om de voordelen van verschillende materialen te vergelijken, wat helpt bij de materiaalkeuze.

Een kenmerk, zoals temperatuur, kan een functie zijn van een of meer onafhankelijke variabelen of het kan een constante zijn. Anisotropie is de term voor de neiging van de eigenschappen van een materiaal om tot op zekere hoogte te fluctueren, afhankelijk van de richting van het materiaal waarin ze worden gemeten. Bij gebruik binnen een bepaald werkbereik gedragen materiaalkwaliteiten die betrekking hebben op verschillende fysieke processen zich vaak lineair (of ongeveer zo). De differentiële constitutieve vergelijkingen die worden gebruikt om de eigenschap te beschrijven, kunnen sterk worden gestroomlijnd door ze te modelleren als lineaire functies.

Voor het voorspellen van de eigenschappen van een systeem worden vaak vergelijkingen gebruikt die belangrijke materiaaleigenschappen definiëren. Met behulp van vastgestelde testprocedures worden de attributen gemeten. Veel van deze technieken zijn geschreven en online gepubliceerd door hun respectievelijke gebruikersgemeenschappen; zie ASTM International.

In dit artikel zullen we kijken naar de verschillende soorten mechanische eigenschappen van het materiaal

Wat zijn de meest voorkomende mechanische eigenschappen van materialen?

Productontwerpers kunnen de informatie uit een beschrijving van enkele typische mechanische en fysieke eigenschappen gebruiken om hen te helpen bij het kiezen van de juiste materialen voor een bepaalde toepassing. Hieronder volgen de mechanische eigenschappen van het materiaal:

• Geleidbaarheid
• Corrosie
• Weerstand
• Dichtheid
• Kneedbaarheid/kneedbaarheid
• Elasticiteit/stijfheid
• Fractuur
• Taaiheid
• Hardheid
• Plasticiteit
• Kracht, Vermoeidheid
• Kracht, schuifsterkte,
• Treksterkte, opbrengst
• Taaiheid
• Slijtvastheid

Geleidbaarheid

De hoeveelheid warmte die door een materiaal gaat, kan worden bepaald door zijn thermische geleidbaarheid. Het wordt uitgedrukt als één graad per eenheid van lengte, dwarsdoorsnede en tijd. Materialen met een hoge thermische geleidbaarheid kunnen worden gebruikt als koellichamen, terwijl materialen met een lage thermische geleidbaarheid als isolatoren kunnen worden gebruikt.

Metalen met een hoge thermische geleidbaarheid zouden geschikt zijn voor gebruik in systemen zoals warmtewisselaars of koeling. Hoewel materialen met een lage thermische geleidbaarheid kunnen worden gebruikt in toepassingen bij hoge temperaturen, hebben componenten voor hoge temperaturen vaak materialen nodig met een hoge thermische geleidbaarheid, daarom is het van cruciaal belang om de omgeving te begrijpen.

Net als bij thermische geleidbaarheid meet elektrische geleidbaarheid de hoeveelheid elektriciteit die door een materiaal gaat met een bekende doorsnede en lengte.

Corrosiebestendigheid

Het vermogen van een materiaal om weerstand te bieden aan een natuurlijke chemische of elektrochemische aanval door lucht, vocht of andere elementen wordt corrosieweerstand genoemd. Er zijn talloze soorten corrosie, waaronder intergranulaire corrosie, afscheiding, galvanische respons en putcorrosie (waarvan er vele zullen worden besproken in andere nieuwsbriefedities).

Op basis van een lineaire extrapolatie van de penetratie die optreedt in de loop van een bepaalde test of dienst, kan corrosieweerstand worden gedefinieerd als de grootste diepte in mils tot waar corrosie in een jaar zou kunnen doordringen. Terwijl bepaalde materialen baat hebben bij de toevoeging van beplating of coatings, zijn andere van nature corrosiebestendig. Veel metalen die lid zijn van families die bestand zijn tegen corrosie, zijn nog steeds kwetsbaar voor de specifieke omgevingsfactoren die aanwezig zijn in de omgevingen waarin ze functioneren.

Dichtheid

De massa van de legering per volume-eenheid wordt de dichtheid genoemd, die vaak wordt uitgedrukt in ponden per kubieke inch, gram per kubieke centimeter, enz. Het gewicht van een onderdeel van een bepaalde grootte hangt af van de dichtheid van de legering.

In industrieën waar gewicht belangrijk is, zoals de lucht- en ruimtevaart of de auto-industrie, is dit onderdeel cruciaal. Minder dichte legeringen zijn misschien gewild bij ingenieurs die lichtere componenten willen, maar ze moeten ook rekening houden met de sterkte-gewichtsverhouding. Als een stof met een hogere dichtheid, zoals staal, meer sterkte biedt dan een stof met een lagere dichtheid, kan voor dat materiaal worden gekozen. Een dunner deel zou kunnen worden gebruikt om de hogere dichtheid te compenseren door minder materiaal te gebruiken.

Kneedbaarheid/vormbaarheid

De taaiheid van een materiaal is het vermogen om plastisch uit te rekken of te buigen zonder te breken en om de nieuwe vorm vast te houden zodra de belasting is verwijderd. Stel je voor dat je een bepaald metaal tot een draad kunt spannen.

Bij een trekproef wordt de ductiliteit vaak berekend als een percentage van de rek, of de vermindering van het oppervlak van de dwarsdoorsnede van het monster voordat het bezwijkt. Young's Modulus, vaak bekend als de elasticiteitsmodulus, is een cruciale spanning/rek-verhouding die wordt gebruikt in tal van ontwerpberekeningen en kan worden verkregen door een trekproef. Kneedbare materialen zijn geschikt voor andere metaalbewerkingsprocessen, zoals walsen of trekken, vanwege hun neiging om barsten of breken onder spanning te weerstaan. Metaal heeft de neiging om minder taai te worden met enkele aanvullende behandelingen, zoals koud werken.

Het vermogen van een metaal om te worden gevormd zonder te breken, wordt kneedbaarheid genoemd, een fysieke kwaliteit. Het materiaal wordt gerold of geperst tot dunnere platen met behulp van druk, ook wel drukspanning genoemd. Materialen met een hoge kneedbaarheid zijn bestand tegen grotere druk zonder te barsten.

Elasticiteit/stijfheid

Wanneer een verstorende kracht wordt verwijderd, wordt het vermogen van een materiaal om zijn vroegere grootte en vorm terug te krijgen, zijn elastische eigenschap genoemd. Elastische materialen keren terug naar hun oorspronkelijke vorm wanneer de spanning wordt opgeheven, in tegenstelling tot materialen die plasticiteit vertonen (waarbij de vormverandering onomkeerbaar is).

De Young's Modulus, die de relatie tussen spanning (de uitgeoefende kracht) en rek contrasteert, wordt vaak gebruikt om de stijfheid van een metaal (de resulterende vervorming) te beoordelen. Hoe hoger de modulus, des te stijver het materiaal is, aangezien een hogere spanning verhoudingsgewijs minder vervorming veroorzaakt. Rubber is een materiaal met een lage stijfheid/lage modulus, terwijl glas een voorbeeld is van een stijf/hoge modulus materiaal. Voor toepassingen waar stijfheid onder belasting nodig is, is dit een cruciaal ontwerpprobleem.

Fractuur/taaiheid

Het vermogen van een materiaal om schokken te weerstaan, wordt bepaald door de slagvastheid. Over het algemeen is het effect van een botsing die snel plaatsvindt groter dan het effect van een geleidelijke toepassing van een kleinere kracht.

Daarom moet rekening worden gehouden met de slagvastheid wanneer de toepassing een hoog stootgevaar met zich meebrengt. Hoewel sommige metalen goed kunnen functioneren onder statische spanningen, zorgen dynamische belastingen of botsingen ervoor dat ze defect raken. In het laboratorium wordt de Charpy-test, waarbij een monster wordt geraakt met een verzwaarde slinger aan de andere kant van een machinaal bewerkte V-inkeping, vaak gebruikt om de impact te meten.

Hardheid

Het vermogen van een materiaal om permanent ingedeukt te worden, wordt de hardheid (dat wil zeggen plastische vervorming) genoemd. Gewoonlijk neemt het vermogen van een materiaal om slijtage of vervorming te weerstaan ​​toe met de hardheid ervan. De term "hardheid" kan dus ook verwijzen naar de lokale oppervlaktestijfheid van een materiaal of de weerstand tegen snijden, krassen of schuren.

De methoden van Brinell, Rockwell en Vicker voor het meten van hardheid meten het gebied en de diepte van de depressie die wordt gemaakt door een harder materiaal, zoals een stalen kogel, diamant of een ander indringlichaam.

Plasticiteit

Het tegenovergestelde van elasticiteit, plasticiteit, verwijst naar de neiging van een materiaal om zijn veranderde vorm te behouden wanneer het wordt blootgesteld aan vormende krachten. Het is de eigenschap die het mogelijk maakt om materialen in een permanent nieuwe vorm te manipuleren. Op het vloeipunt verandert het gedrag van een materiaal van elastisch in plastisch.

Kracht, vermoeidheid

Bij herhaalde of wisselende belastingen (zoals laden of lossen) met een maximale waarde die lager is dan de treksterkte van het materiaal, kan vermoeiing leiden tot breuk. Er is een verband tussen stress en cycli tot falen, waarbij hogere spanningen de tijd tot falen versnellen en vice versa. Daarom verwijst de term "vermoeidheidslimiet" naar de maximale spanning die het metaal (de variabele) kan weerstaan ​​gedurende een bepaald aantal cycli.

De meting van de levensduur van vermoeiing, aan de andere kant, fixeert de belasting en telt het aantal belastingscycli dat een materiaal kan weerstaan ​​voordat het bezwijkt. Bij het ontwerpen van componenten die onderhevig zijn aan terugkerende belasting, is vermoeiingssterkte een cruciale factor om rekening mee te houden.

Kracht – Afschuiving

In toepassingen zoals bouten of balken, waar zowel de richting als de amplitude van de spanning cruciaal zijn, is de afschuifsterkte een factor. Wanneer gerichte krachten ervoor zorgen dat het korrelige niveau van de interne structuur van het metaal tegen zichzelf schuift, treedt afschuiving op.

Sterkte Trek

Treksterkte of ultieme sterkte is een van de meest populaire maatstaven voor metaaleigenschappen. De hoeveelheid belasting die een metalen segment kan weerstaan ​​voordat het breekt, wordt treksterkte genoemd. Door het gebied van elastische vervorming zal het metaal tijdens laboratoriumtests uitrekken voordat het terugkeert naar zijn oorspronkelijke vorm.

Het behoudt de uitgerekte vorm, zelfs nadat de belasting is verwijderd, wanneer deze het punt van permanente of plastische vervorming bereikt (gemeten als opbrengst). De belasting zorgt er uiteindelijk voor dat het metaal op het trekpunt breekt. Deze meting helpt bij het onderscheiden tussen brosse en meer taaie materialen. Mega Pascals (MPa) of ponden per vierkante inch zijn eenheden die worden gebruikt om de trek- of uiterste treksterkte uit te drukken.

Kracht, opbrengst

Opbrengststerkte beschrijft het punt waarop het materiaal onder belasting niet langer terugkeert naar zijn oorspronkelijke positie of vorm. Het is qua concept en meting vergelijkbaar met treksterkte. Plastische vervorming volgt elastische vervorming.

Om de beperkingen van dimensionale integriteit onder spanning te begrijpen, omvatten ontwerpberekeningen het Yield Point. Net als bij treksterkte wordt de vloeigrens uitgedrukt in pond per vierkante inch of Newton per vierkante millimeter (MPa).

Taaiheid

Taaiheid, bepaald door de Charpy-slagtest en vergelijkbaar met slagvastheid, meet het vermogen van een materiaal om impact te weerstaan ​​zonder te breken bij een specifieke temperatuur. Materialen kunnen bij lage temperaturen brosser worden omdat de slagvastheid in deze periode vaak zwakker is.

Waar de mogelijkheid van lage temperaturen bestaat in de toepassing (zoals offshore olieplatforms, oliepijpleidingen, enz.), of waar onmiddellijke belasting een factor is, worden Charpy-waarden vaak verplicht gesteld in ijzerlegeringen (bijv. ballistische insluiting in militaire of vliegtuigtoepassingen) .

Slijtvastheid

Het vermogen van een materiaal om de impact van twee materialen die tegen elkaar wrijven te weerstaan, wordt slijtvastheid genoemd. Deze omvatten hechting, schuren, krassen, gutsen, vreten en andere vormen van scheuren.

Wanneer de materialen verschillende hardheden hebben, kan het zachtere metaal de eerste gevolgen hebben en kunnen ontwerpbeslissingen worden genomen om dit aan te pakken. Door de aanwezigheid van vreemde materialen kan zelfs rollen slijtage veroorzaken. De hoeveelheid massa die verloren gaat voor een specifiek aantal schuurcycli bij een specifieke belasting kan worden gebruikt om de slijtvastheid te kwantificeren.

Andere mechanische eigenschappen van materialen

De volgende zijn enkele andere mechanische eigenschappen van materialen:

• Broosheid
• Bulkmodulus
• Restitutiecoëfficiënt
• Drukkracht
• Griezel
• Duurzaamheid
• Vermoeidheidslimiet
• Flexibiliteit
• Flexurale modulus
• Buigkracht
• Wrijvingscoëfficiënt
• Massa diffusie
• Gifverhouding
• Veerkracht
• Slip
• Specifieke modulus
• Specifieke sterkte
• Ruwheid van het oppervlak
• Treksterkte
• Viscositeit
• Young's modules

Elektrische eigenschappen

• Capaciteit
• Diëlektrische constante
• Diëlektrische sterkte
• Elektrische soortelijke weerstand en geleidbaarheid
• Elektrische gevoeligheid
• Elektrocalorische coëfficiënt
• Elektrostrictie
• Magneto-elektrische polariseerbaarheid
• Nernst-coëfficiënt (thermo-elektrisch effect)
• Permittiviteit
• Piëzo-elektrische constanten
• Pyro-elektriciteit
• Seebeck-coëfficiënt

Magnetische eigenschappen

• Curietemperatuur
• Diamagnetisme
• Zaalcoëfficiënt
• Hysterese
• Magnetostrictie
• Magnetocalorische coëfficiënt
• Magnetothermo-elektrisch vermogen (magneto-Seebeck-effectcoëfficiënt)
• Magnetoweerstand
• Permeabiliteit
• Piëzomagnetisme
• Pyromagnetische coëfficiënt
• Spin Hall-effect

Akoestische eigenschappen

• Akoestische absorptie
• Snelheid van geluid
• Geluidsreflectie
• Geluidsoverdracht
• Derde orde elasticiteit (Acoustoelastic effect)

Thermische eigenschappen

• Binair fasediagram
• Kookpunt
• Thermische uitzettingscoëfficiënt
• Kritische temperatuur
• Curiepunt
• Nodulair-naar-bros overgangstemperatuur
• Emissiviteit
• Eutectisch punt
• Ontvlambaarheid
• Vlampunt
• Glasovergangstemperatuur
• Verdampingswarmte
• Inversietemperatuur
• Smeltpunt
• Thermische geleidbaarheid
• Thermische diffusie
• Thermische uitzetting
• Drievoudig punt
• Dampdruk
• Specifieke warmtecapaciteit

Chemische eigenschappen

• Corrosieweerstand
• Hygroscopie
• pH
• Reactiviteit
• Specifiek intern oppervlak
• Oppervlakte-energie
• Oppervlaktespanning

Atoomeigenschappen

• Atoommassa
• Atoomgetal
• Atoomgewicht

Optische eigenschappen

• Absorptie:hoe sterk een chemische stof licht afzwakt
• Dubbelbreking
• Kleur
• Elektro-optisch effect
• Helderheid
• Optische activiteit
• Foto-elasticiteit
• Lichtgevoeligheid
• Reflectiviteit
• Refractieve index
• Verstrooiing
• Overdracht

Productie-eigenschappen

• Gietbaarheid – kan het materiaal gemakkelijk worden gegoten.
• Bewerkbaarheidsbeoordeling
• Bewerkingssnelheid en invoer

Radiologische eigenschappen

• Neutronendoorsnede
• Specifieke activiteit
• Halfwaardetijd

Samengevat

In elk productieontwerp is het zeer essentieel om rekening te houden met de mechanische eigenschappen van het materiaal. Zoals je kunt zien aan de hand van het bovenstaande, zijn er enorme eigenschappen die kunnen worden verkregen uit materialen. De meest voorkomende eigenschappen worden echter geclassificeerd als fysische, chemische en mechanische eigenschappen.

Dat is alles voor dit artikel, waar de meest voorkomende soorten mechanische eigenschappen van materialen worden besproken. Ik hoop dat je veel van het lezen zult hebben, als dat zo is, deel het dan zo vriendelijk met anderen. Bedankt voor het lezen, tot ziens!