私たちは毎日ナイロンに遭遇します。最初は生地のシルク代替品として使用され、第二次世界大戦中にパラシュート、寿命のコード、さらには防弾チョッキの裏地に登場しました。今日、ナイロンは最も人気のあるものの1つですエンジニアリングプラスチック、その高強度比率、自己潤滑耐摩耗性、化学的および熱安定性、および処理汎用性のおかげです。

ナイロンは、1935年から1937年の間にデュポンによって最初に開発されたポリアミドとして知られる合成ポリマーのファミリーの商品名です。その分子鎖は、–NH – CO-(アミド)結合を繰り返すことで構成され、これらの鎖間の水素結合は結晶化度の増加をもたらします。この構造は、ナイロンに高い融点、優れた耐薬品性、および優れた電気挿入特性を与えます。熱可塑性として、ナイロンは繊維にスピンしたり、フィルムに投げ込まれたり、複雑な形状に噴射したりすることができ、添加物で修正して幅広い特性を実現できます。次のセクションでは、最も一般的なナイロングレードのいくつかと、それらの異なるプロパティがさまざまなアプリケーションにどのように適合するかを調べます。
詳細に飛び込む前に、以下の表は、各ナイロングレードの重要な特性の簡潔な概要を示しています。
| ナイロングレード | 使用されたモノマー | 化学構造(繰り返しユニット) | - (ch₂) - count | 引張強度(MPA) | 休憩時の伸び(%) | 曲げ弾性率(GPA) | 耐衝撃性 | 水分吸収 | 融解温度。 (°C) | 耐薬品性 | 寸法安定性 |
| PA6 | ε-caprolactam | - [nh–(ch₂)₅– co]n | 5 | 80–90 | 50–300 | 〜2.5 | ハイ(非常にタフ) | 〜2.8(飽和時に最大9) | 〜220 | とても良い;強酸/アルカリに攻撃されました | フェア(湿度の膨張) |
| PA6/6 | ヘキサメチレンジアミン +アディピン酸 | - [nh–(ch₂)₆– nh – co–(ch₂)₄– co]n | 6、4 | 85–95 | 20–80 | 〜3.0 | 中程度(より脆い) | 〜2.5(飽和時に最大8) | 255–265 | 優れたオイル/燃料抵抗;低ガス透過性 | フェア(湿度の膨張) |
| PA4/6 | 1,4-ジアミノブタン +アディピン酸 | - [nh–(ch₂)₄– nh – co–(ch₂)₄– co]n | 4、4 | 90–100 | 〜50 | 〜3.2 | ハイ(非常にタフ) | 〜3.8(PA6/6よりも高い) | 〜295 | とても良い; PA6/6に似ています(燃料/オイルに抵抗します) | 公正 - 貧しい(最も湿気を吸収する) |
| PA11 | 11-アミナウンドカノ酸 | - [nh–(ch₂)₁₀– co]n | 10 | 50–60 | 200–300 | 〜0.9 | 中程度(柔軟) | 〜0.25(飽和時に最大2.5) | 〜188 | 素晴らしい;優れた炭化水素と耐薬品性 | 優れた(最小限の腫れ) |
| PA12 | laurolactam(またはhmda + dodecanedio酸) | - [nh–(ch₂)₁₁– co]n | 11 | 50–70 | 200–300 | 〜1.4 | mod – high(非常に延性) | 〜0.25(飽和時に〜1–2まで) | 〜178 | 素晴らしい;燃料、溶剤、天気に非常に耐性があります | 優れた(最も寸法的に安定している) |
| PA6/10 | ヘキサメチレンジアミン +セバチン酸 | - [nh–(ch₂)₆– nh – co–(ch₂)₈– co]n | 6、8 | 60–70 | 〜150 | 〜2.1 | ハイ(寒いのは難しい) | 〜1.5(低) | 220–225 | 優れた化学および塩抵抗 | 良い(低湿気の取り込み) |
| PA6/12 | ヘキサメチレンジアミン +ドデカネディオ酸 | - [nh–(ch₂)₆– nh – co–(ch₂)₁₀– co]n | 6、10 | 60–65 | 〜200 | 〜2.2 | mod – high(タフ) | 〜0.25(非常に低い) | 215–218 | 素晴らしい;燃料、油に非常に耐性があります | 優れた(湿度が非常に安定している) |
注記
引張値と伸長値は、非強化ナイロン(おおよその範囲)の場合です。水分吸収は、〜50%の相対湿度(おおよそ)の平衡状態で与えられ、ほとんどのナイロンでは全水飽和値が高くなっています。 「耐衝撃性」とは、ノッチの衝撃(IZOD/Charpy)を指します。すべてのナイロンは、オイル、グリース、炭化水素に対する良好な耐薬品性を持っています。違いは、重要な場合にのみ注目されます。
ナイロンの名前の数字は、分子ビルディングブロックについて説明します。単一の数(たとえば、ナイロン6、11、または12)は、ラクタムまたはアミノ酸のリングオープン重合から来ています。その数は、モノマーの炭素原子に等しくなります。 2つの数値(たとえば、ナイロン6/6、6/12、4/6、または6/10)は、ジアミン(最初の数=その炭素数)と二酸(2番目の数=炭素数)の間の凝縮反応を指します。
平均-CH –セグメントの長さ(n)は、アミドリンク間の間隔と、単位長さあたり形成できる–NH··オー= C-水素結合の数の両方を制御します。 Nが大きいことを意味し、メチレンセグメントが長くなり、水素結合密度が低下し、通常は結晶化度が低下します。たとえば、PA12(n = 11)は間隔が最も長く、結晶性が最も低いのに対し、PA4/6(n =(4 + 4)/2 = 4)は、最短セグメント、最も高い水素結合密度、および最大の結晶性を持っています。芳香環、コポリマーブロック、フィラー、またはその他の特殊修飾子を導入すると、これらの構造的変化は規則性を破壊し、結晶性をシフトする可能性があるため、特定のデータシートまたはテストデータを必ず参照して効果を理解してください。

ナイロン6(PA6)は、ε-カプロラクタムのリングオープン重合によって生成される半結晶ポリアミドです。その傑出した特徴の1つは、優れた耐衝撃性です。破壊せずに低温でもショックを吸収することができます。 PA6は、高い引張強度、自己潤滑特性、および優れた耐摩耗性も提供します。その結果、PA6は、強度、耐摩耗性、ギア、ベアリングブッシング、自動車摂取量のマニホールドなどの強度、耐摩耗性、靭性のバランスを必要とする汎用エンジニアリングコンポーネントの選択肢です。ファイバーセクターでは、カーペット、テキスタイル、タイヤコードで広く使用されています。融点は220°C前後で、より緩やかな結晶化により、PA6はPA6/6やPA11やPA12などの長鎖ナイロンよりも処理しやすく、低いカビの収縮と滑らかな仕上げを実現します。この成形の容易さにより、PA6はスタジアムシートや銃器のフレームなどの複雑なまたは薄壁の部品に特に適しています。
PA6は一般的なナイロンの間で最も高い水分吸収を持っているため、湿度の変化にさらされる精密な部品には理想的ではないかもしれません。タイトトレランスアプリケーションの場合、シーリングまたは事前乾燥が推奨されます。PA6は、コスト、加工性、パフォーマンスのバランスをとるため、ナイロンファミリーのジェネラリストです。

ナイロン6/6(PA66)はオリジナルのナイロンの1つであり、多くの点でナイロン6に非常に似ていますが、より高度に結晶性ポリマー鎖があります。その結果、ナイロン6よりも高い引張強度と剛性を提供します。また、高負荷または高摩擦アプリケーションに利益をもたらす耐摩耗性が高く、耐摩耗性が高くなります。ナイロン6/6の融点は約260°C(500°F) - ナイロン6よりも高く、軟化する前により高い動作温度に耐えることができ、より厳しい熱環境に適しています。トレードオフは処理可能性です。ナイロン6/6は、成形または押し出しが難しく、より高い溶融とカビの温度が必要であり、ナイロン6よりも大きなカビの収縮を示す傾向があります。
ナイロン6/6は、ナイロン6よりも湿気吸収が少ない傾向もありませんが、依然として吸湿性があるため、耐性のある部分では湿度を考慮する必要があります。一般に、ナイロン6よりも耐衝撃性が低くなります。言い換えれば、ナイロン6は衝撃強度または振動抵抗に適していますが、ナイロン6/6は、より高い降伏強度、剛性、耐熱性が最も重要な場合に好まれます。実際には、ナイロン6/6は、追加のパフォーマンスが必要な場合、ナイロン6と同様の用途でよく使用されます。たとえば、高強度の機械部品、ギア、ハウジング、および高温を見る自動車の下部コンポーネントです。また、産業機械、工具、電気部品でも一般的であり、広い温度範囲にわたって強度を保持し、優れた誘電特性を提供します。

別の短鎖脂肪族ナイロンとして、PA4/6は、機械的および熱プロファイルでPA66に最も近いものと一致します。このポリマーには、対称性とジアミンの長さが短いことを示す非常に結晶構造があります。その結果、PA4/6の融点が高く、引張強度が高くなります。脂肪族ナイロンの中で、より専門的なポリマーファミリーに移動する前に、機械的性能のために事実上上部近くにあります。また、より速く結晶化し、より短い成形サイクルと潜在的に高い疲労抵抗を可能にします。 PA4/6の衝撃靭性は、PA66の靭性を超える可能性があります(特にノッチングされたテストでは)。
マイナス面では、PA4/6はPA66よりも多くの湿気を吸収し、生産(および購入)によりコストがかかります。 PA4/6は、水分の安定性とコストを犠牲にしてナイロンのパフォーマンスでバーを上げると言うかもしれません。

ナイロン11は、11-アミナウンドカノ酸(ヒマシ油から)の自己凝縮によって生成されるバイオベースの長鎖ポリアミドです。その長いメチレンセグメントは、PA6やPA66などの短鎖ナイロンよりもはるかに少ないため、水分はほとんど吸収されません(周囲湿度では約0.2〜0.3%)、寸法安定のままで、湿気のある環境では電気特性を維持します。機械的には硬くて非常に延性があり(伸びがしばしば200〜300%)、低温でも衝撃と疲労抵抗を保持します。実際には、硬いものよりも柔軟なエンジニアリングプラスチックのように振る舞います。
その長鎖構造の裏側は、引張強度/剛性が低く、耐熱性が低い(融点〜185〜190°C;控えめなHDT)。したがって、PA11は、PA66またはPA4/6が通常指定されている高温で重荷のある構造部品に理想的ではありません。 PA11は、液体接触および屋外サービスに適しています:柔軟な燃料および空気圧ブレーキライン、ホース/クイック接続、ケーブルジャケット、シール、および医療または産業用チューブ。また、SLS 3D印刷用の主食粉で、丈夫で耐えられる部品が必要です。 PA12と比較して、PA11はわずかに高い融点を提供し、通常はUV/ホットエアの老化が優れていますが、PA12は柔らかく柔軟なタッチになる傾向があります。

PA12は有名な「長鎖」ナイロンであり、VestamidやGrilamidなどの商品にしばしば関連付けられています。ナイロン12は化学的にナイロン11と非常によく似ており、多くの用途で交換可能と見なされることがよくありますが、微妙な違いがあります。ナイロン12は完全に石油化学的(通常はブタジエンから)ですが、ナイロン11は再生可能キャスターオイルのバイオベースであり、持続可能性が懸念される場合は重要です。 PA11は通常、わずかに高い融点を持ち、温度の上昇で少し優れており、しばしばより良いUV耐性を示します。一方、PA12はわずかに柔軟性が高く(伸長〜300〜400%対PA11の〜200〜300%)、モジュラスがわずかに低いため、少し柔らかく感じます。水分吸収と耐薬品性の場合、それらはほぼ同じです。どちらも素晴らしいです。
注目に値するコスト:PA12は通常、最も高価なナイロンの1つです(Bioベースの原料のためにPA11または少し高くなっています)。そのため、PA12は本当に必要な場合に使用されます。PA6ははるかに安いため、PA6で十分な場合はPA12を選択しません。要約すると、PA12はナイロンファミリーで最良の寸法の安定性と耐薬品性を提供し、凍結状態でも延性があるため、ホース、アザラシ、クイックコネクト、ケーブルジャケット、および濡れた、寒さ、または化学的に攻撃的な環境で失敗してはならない他の部品に最適です。ただし、PA6やPA66ほど強力でも耐熱性ではないため、普遍的な代替品ではなく専門家です。

ナイロン6/10(PA610)は、PA66の湿度の問題に対処するために開発された初期の「低変動」ナイロンの1つでした。単位の長さあたりのアミド基が少ないため、極性が少なく、PA6の水分の約半分(またはそれ以下)を吸収し、より良い寸法安定性を実現します。また、他の長鎖ナイロンのように良好な伸長を示し、寒さの中で靭性を保持しているため、屋外または低温の部品に適しています。 PA6/PA66と比較して、PA610の引張強度と剛性はわずかに低くなっています。全体として、PA610は、水分の安定性と柔軟性を向上させるために、少し強度と剛性を交換するナイロンと考えてください。
その融点(〜220〜225°C)と中程度の収縮により、PA6に近い成形/押し出し条件があります。化学的には、PA610は優れています。ほとんどの油と溶媒に抵抗し、塩化亜鉛などの塩の存在下での環境ストレス亀裂に特に耐性があります(PA66を積極的に攻撃することができます)。その含有量の一部(セバチン酸)は再生可能なソースから来ているため、より持続可能なナイロンオプションとして販売されることがあります。古典的な用途には、毛やフィラメント(例えば、歯ブラシや産業用ブラシの毛、歴史的にデュポン「Tynex」グレード)、モノフィラメント(釣り糸、雑草のトリマーライン)が含まれます。成形部品では、PA610は電気絶縁体/コネクタ、精密成分、ジッパー要素、および一部の自動車燃料システムコンポーネントに使用されます(ただし、PA12とPA11は連続燃料ラインを支配しています)。 PA12と比較して、PA610は安価で少し強いため、要求の少ない役割でPA12を置き換えることができます。要するに、PA610はニッチを中間ナイロンとして埋めます。PA66のピーク強度の一部を獲得して、PA12の水分安定性の多くを獲得します。特に、寒さの中にプロパティを維持する必要がある半湿った環境や部品に便利です。

PA612(「612ナイロン」と呼ばれることもあります)はPA610と非常によく似ています。どちらもPA6/PA66よりも水分の吸収が少なく、はるかに優れた寸法の安定性があり、屋外および低温の状態を維持し、215〜218°C前後の融点を持つため、成形/押出条件はPA6に近いです。どちらも、流体処理コネクタ、精密電気コネクタ、および緊密な寸法を保持しなければならない湿度露出部品に適しています。
PA612の平衡水分吸収は低く、燃料/水蒸気透過は低く、ウェットステートの特性の漂流は小さくなりますが、通常はコストがかかります。経験則として、長期的な寸法および電気的安定性が重要な湿った環境のPA612を選択してください。 PA610を選択して、塩化亜鉛環境でのストレス亀裂に対する極端な低温靭性または耐性がより重要であり、コストの感度が高くなる場合。

各ナイロングレード - ナイロン6および6,6から短鎖脂肪族ナイロン4,6および長鎖ナイロン6,10、6,12、11、および12まで、特性の明確なバランスを奪います。ナイロン6と6,6は、高強度と剛性を持つ汎用の主力であり、多くの負荷をかける部分に適していますが、水分に敏感です。ナイロン4,6は、水耐性が高く、高温の高強度を高め、水分の取り込みとコストを高くしていますが、高強度の高強度を保持します。より長いチェーンに移動すると、ナイロン6,10および6,12は水分吸収を減らし、少しの強度を犠牲にして靭性を改善します。最後に、ナイロン11と12は、最高の湿気と化学の回復力と例外的な靭性の中で提供され、流体接触、屋外、および柔軟なアプリケーションを選択することになります。
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チタンとタングステンはどちらも高性能金属とみなされていますが、エンジニアリングと製造においてはまったく異なる役割を果たします。 チタンとタングステンを比較する場合、エンジニアとバイヤーは、強度、重量、耐熱性、機械加工性、コストなどの重要な要素に注目します。 タングステンは非常に密度が高く、高温環境で優れた性能を発揮しますが、チタンは高い強度重量比と優れた耐食性で知られています。これらの違いにより、各材料は指輪などの宝飾品から厳しい産業環境に至るまで、幅広い用途に適しています。 この記事では、プロジェクトに適切な材料を選択できるように、特性、用途、加工における主な違いを詳しく説明します。 チタンとは何ですか? チタン (Ti) は、銀灰色の外観を持つ遷移金属です。 1791 年にウィリアム グレゴールによって初めて確認され、一時的に「グレゴライト」と呼ばれましたが、その名前は今日ではほとんど使用されません。 自然界では、チタンは純粋な金属としては存在しません。主にイルメナイトやルチルなどの鉱物に存在します。使用可能にするために、これらの鉱石はクロールプロセスを通じて処理され、四塩化チタン (TiCl₄) がマグネシウムで還元されてスポンジチタンが生成されます。このスポンジは次に溶解されてインゴットになり、さらに工業用途に適した形状に精製されます。 チタンは、高い強度重量比と優れた耐食性で知られています。密度は約 4.5 g/cm3 で、鋼よりもはるかに軽量でありながら、特に合金の形態で強力な機械的性能を発揮します。同時に、表面に自然に薄い酸化層を形成し、海水、化学物質、さらには人体などの環境下での腐食から保護します。 エンジニアリングでは、チタンは通常次のように供給されます。 CNC加工用のバー、プレート、ビレット 構造用鍛造部品 DMLSなどの積層造形プロセス用パウダー 多くの等級が存在しますが、実際には次の 2 つの等級が最もよく使用されます。 グレード2(市販純チタン) 2級は耐食性に優れ、成形性も良好なため広く使用されています。これは、化学装置、海洋環境、汎用工業部品などでよく見られます。 グレード 5 (Ti-6Al-4V) グレード 5 は最も広く使用されているチタン合金であり、標準のエンジニアリング グレードのチタンとして扱われることがよくあります。アルミニウムとバナジウムを添加することで、チタンの軽量性を維持しながら、より高い強度を実現します。航空宇宙、医療、高性能機械用途で広く使用されています。 タングステンとは何ですか? チタンとタングステンは両方とも他の元素と合金化できますが、チタンは通常、同じ金属の異なるグレードとして使用されます。対照的に、タングステンは、金属合金や炭化タングステンなど、いくつかの異なる形態で使用されており、エンジニアリング用途ではまったく異なる挙動を示します。 実際には、タングステンは通常、次の 3 つの材料系を指します。 純タングステン(W) 非常に高い融点と剛性で知られる純タングステンは、高温および電気用途に使用されます。ただし、室温では比較的脆く、加工が難しい場合があります。 タングステン重合金 (WHA) これらの合金には通常、90 ~ 97% のタングステンとニッケル、鉄、銅などの元素が含まれています。これらはタングステンの高密度を維持しながら靭性と機械加工性が向上しているため、カウンターウェイト、放射線遮蔽、航空宇宙部品などのコンポーネントに適しています。 超硬合金タングステン(WC-Co) 炭化タングステン粒子をコバルトで結合させた複合材料。非常に硬く耐摩耗性に優れており、切削工具、金型、摩耗部品などに広く使用されています。硬度が高いため、通常は従来の機械加工ではなく、研削加工や放電加工によって加工されます。 実際、エンジニアが「タングステンの機械加工」に言及する場合、多くの場合、タングステン重合金を指しますが、「超硬」は通常、工具に使用される WC-Co を指します。 工学的特性の比較 以下の比較は、抽象的なカテゴリではなく、一般的に使用されるエンジニアリング材料に焦点を当てています。実際には、グレード 2 […]
ストレスとひずみは、材料が力にどのように反応するかを説明するための最も重要な概念の2つです。応力は、負荷下の材料内の単位面積あたりの内部力であり、ひずみは、適用された力から生じる材料の形状の変形または変化です。 ただし、ストレスとひずみの関係は理論をはるかに超えています。これは、健全なエンジニアリングの決定に不可欠です。それらを並べて比較することにより、材料のパフォーマンス、安全性がどれだけ安全に変形できるか、いつ失敗する可能性があるかをよりよく予測できます。この記事では、それらの定義、違い、関係、および実用的なアプリケーションについて説明します。 詳細に入る前に、ストレスと緊張に関するこの短い入門ビデオが役立つことがあります。 ストレスとは ストレスは、外部負荷に抵抗するために材料が発達する単位面積あたりの内部力です。顕微鏡的に、適用された負荷は、変形に反対し、構造を一緒に「保持」する原子間力を誘導します。この内部抵抗は、私たちがストレスとして測定するものです。 負荷の適用方法によっては、ストレスは次のように分類されます。 引張応力(σt)および圧縮応力(σc):これらは、断面領域に垂直に作用する正常な応力です。 せん断応力(τ):断面領域と平行に作用する接線力によって引き起こされます。 ねじれ応力(τt):トルクまたはねじれによって誘発されるせん断応力の特定の形態。 その中で、引張ストレスは、エンジニアリング設計における最も基本的なタイプのストレスです。計算式は次のとおりです。 どこ: σ=ストレス(Paまたはn/m²;時々psi) f =適用力(n) a =力が適用される元の断面領域(m²) 材料のストレスがどのように測定されるか 直接ストレスを測定することは不可能なので、代わりに、適用された力または結果として生じる変形のいずれかを測定する必要があります。以下は、重要な測定技術の簡潔な概要です。 方法 /テクノロジー原理測定デバイス /ツール精度と精度一般的なアプリケーションユニバーサルテストマシン(UTM))測定力(f)、ストレス= f/aを計算します統合されたロードセルを備えたUTM★★★★★(高精度)基本的な材料テスト:ストレス - ひずみ曲線、機械的特性評価ひずみゲージ測定ひずみ(ε)、σ= e・ε(線形弾力性を想定)を介して応力を計算する ひずみゲージ、データ収集システム★★★★☆(高)コンポーネント応力分析;疲労評価;組み込み構造監視拡張計測定値の長さの変化、εとσを計算します接触または非接触拡張メーター★★★★☆(高)標本の引張試験;弾性弾性率と降伏ひずみの検証デジタル画像相関(DIC)光学方法は、フルフィールドの表面変形を追跡します高速カメラシステム、DICソフトウェア★★★★☆(フルフィールド)フルフィールドひずみ分析。クラック追跡;物質的な不均一性研究超音波ストレス測定ストレス下での材料の波速度の変化を使用します超音波プローブとレシーバー★★★☆☆(中程度)残留応力検出;溶接されたジョイントと大きな構造における応力監視X線回折(XRD)内部応力によって引き起こされる格子歪みを測定しますXRD回折計、専門ソフトウェア★★★★☆(高精度、表面層に局在する)薄膜、溶接ゾーン、金属およびセラミックの表面残留応力光弾性透明な複屈折材料の光学干渉フリンジを介してストレスを視覚化します偏光のセットアップと複屈折ポリマーモデル★★★☆☆(半定量的な定性)教育デモ;透明モデルにおける実験的ストレス分析マイクロ/ナノスケールの特性評価技術 EBSD、マイクロラマン、ナノインデンテーションなどのテクニックは、マイクロまたはナノスケールのひずみ/ストレスマッピングを提供します 電子またはレーザーベースのシステム、画像分析ソフトウェア★★★★☆(高精度;ローカライズされたマイクロ/ナノスケール) マイクロエレクトロニクス、薄膜、ナノインデンテーション、複合界面の動作 ひずみとは ひずみは、外力にさらされると材料が受ける相対変形の尺度です。これは、単位のない量またはパーセンテージとして表現され、元の長さ(または寸法)の長さ(またはその他の寸法)の変化を表します。 ひずみのタイプは、適用されるストレスに対応します:引張ひずみ、圧縮ひずみ、またはせん断ひずみ。 通常のひずみの式は次のとおりです。 どこ: ϵ =ひずみ(無次元または%で表されます) ΔL=長さの変化 l0=元の長さ 材料の株が測定される方法 さまざまな方法を使用して、ひずみを測定できます。最も一般的に使用される手法は、ひずみゲージと伸筋です。以下の表は、材料のひずみを測定するための一般的な方法をまとめたものです。 方法センシング原則センサー /トランスデューサー測定シナリオ備考ひずみゲージ抵抗の変化フォイルタイプのひずみゲージ静的または低周波ひずみ;一般的に使用されます業界で広く使用されています。低コスト;接着剤の結合と配線接続が必要です拡張計変位クリップオン /コンタクト拡張計材料テスト;全セクション測定高精度;動的テストや高度に局所的な株に適していませんデジタル画像相関(DIC)光学追跡カメラ +スペックルパターンフルフィールドひずみマッピング。亀裂伝播;複雑な形の標本非接触; 2D/3D変形マッピング。高価なシステム圧電センサー圧電効果圧電フィルムまたはクリスタル動的ひずみ、圧力、衝撃、振動高周波応答;静的ひずみ測定には適さないファイバーブラッググレーティング(FBG)光学(ブラッグリフレクション)FBG光ファイバーセンサー長距離にわたる分布または多重化測定EMIの免疫;航空宇宙、エネルギー、スマート構造に適していますレーザードップラー振動計(LDV)ドップラー効果LDVレーザープローブ動的ひずみ/速度測定と表面振動分析非接触;高解像度;高い;表面条件に敏感です ストレスとひずみの重要な違い 以下は、直接の概要を提供するクイックテーブルです。 側面ストレス歪み式σ= f / aε=Δl /l₀ユニットPA(n/m²)、またはpsi(lbf/in²)無次元または%原因外力ストレスによって引き起こされる変形効果内部力を生成して、外部負荷に対抗します。高すぎる場合、塑性変形、骨折、疲労障害、ストレス腐食亀裂につながる可能性があります材料のジオメトリを変更します。降伏点を超えて永続的に弾性制限で回復可能行動材料が抵抗しなければならない領域ごとの内部力。分布に応じて、圧縮、張力、曲げ、またはねじれを引き起こす可能性があります適用された応力下で材料がどれだけ変形するかを説明します。弾性またはプラスチックにすることができます ストレスと緊張が互いにどのように関連するか ストレスはひずみを引き起こします。応力 - ひずみ曲線は、適用された応力に対してひずみ(変形)をプロットすることにより、材料が徐々に増加する荷重の下でどのように変形するかをグラフ化します。その重要なポイントを確認しましょう。 1。弾性領域(ポイントO – B) […]
お気に入りのコーヒーマグをキッチンの床に落とすことを想像してみてください。ここで、転倒後にスマートフォンの画面がクモの羽ばたき、または地震中の補強されていないコンクリートの壁がひび割れていることを想像してください。これらの日常の例は、警告なしに突然の破損につながる可能性のある物質的な特性であるBrittlenessを強調しています。安全性と信頼性のために重要な状態:建物、橋、または製品の脆い成分は、説明されていないと壊滅的に失敗する可能性があります。歴史は厳しいリマインダーを提供します。最も有名なRMSタイタニックは、極寒の大西洋の水域で脆くなり、曲げよりも衝撃に割れ、災害に貢献しています。エンジニアとデザイナーは、曲がったり引き伸ばされたりする延性材料とは異なり、脆いものがストレスの下でスナップする傾向があるため、脆性に細心の注意を払っています。 この投稿では、Brittlenessとは何か、それが硬度と靭性とどのように異なるかを探ります。また、ガラスや鋳鉄のような材料が脆弱である理由、およびエンジニアリングデザインでの脆性をテストおよび軽減する方法も説明しています。 brittlenessとは何ですか? 材料科学の脆性は、事前にプラスチックの変形をほとんどまたはまったくない材料の骨折する傾向を指します。簡単に言えば、脆い材料は曲がったり、伸びたりすることはありません。壊れます。もろい物体を曲げようとすると、プラスチックの変形を起こすのではなく、すぐにクラックまたはスナップします。これはその反対です延性、故障する前に、重大なプラスチック変形(たとえば、ワイヤーに引き込まれたり曲がったりする)を維持する材料の能力。非常に延性のある金属(銅や金など)は曲がったり、伸ばしたり、かなり引き出したりすることができますが、脆性材料(ガラスやセラミックなど)が小さな弾性ひずみだけの後に骨折します。 骨格と延性、靭性、硬さ 脆弱性と延性を比較すると、骨折前に粗末に材料がどれだけの材料を変形できるかにかかっています。脆性材料は非常に低い延性を持ち、小さなひずみでそのブレークポイントに達します。延性のあるものは、重大な塑性変形を維持できます。金属では、一般的な経験則は、休憩時の伸長〜5%がしばしば呼ばれることです脆い、一方、〜5%が考慮されます延性(材料およびテスト依存性、セラミックとガラスは通常1%をはるかに下回っています)。実際には、脆い材料はほとんど警告を与えません。彼らはスナップする前に目に見えて曲げたり首を曲げたりしません。にストレス - ひずみ曲線、延性材料は、収量と長いプラスチック領域を示しますが、脆性材料は、最小限の可塑性で突然の骨折までほぼ直線的に弾力性があります。 タフネス破壊前に材料が吸収するエネルギーを説明します(ストレス - ひずみ曲線の下の領域)。通常、材料が高強度と良好な延性を組み合わせると増加します。それは、脆性の厳格な「反対」ではありません。ゴム製のタイヤは、変形して衝撃を吸収するため、困難です。アニールされたガラスは、柔軟に変形できないため脆く、鋭い打撃はそれをひび割れさせることができます。 硬度別の概念です。これは、ひっかき傷や局所的なインデンテーションに対する抵抗です。素材は非常に硬いが脆弱な場合があります。たとえば、ダイヤモンドは引っ掻きに抵抗しますが、可塑性の欠如は、鋭い打撃の下でチップまたは切断することができます。逆に、比較的柔らかいもの(ゴムのような)は、変形する可能性があるため、衝撃に対する亀裂に抵抗する可能性があります。要するに、硬度は局所的な変形に対する耐性に関するものですが、脆性は骨折の挙動を説明しています。 脆性材料の例とそれらがどのように失敗するか 多くの日常的および産業材料は、脆い行動を示しています。ここにいくつかの例があり、それらがストレスの下でどのように失敗するかを示します。 ガラス:普通のガラス(窓ガラスや飲料ガラスなど)は、古典的な脆性素材です。圧縮は非常に硬くて強いですが、引張ストレスや衝撃の下では、柔軟に変形することはできません。硬い床にガラスを落とすと、通常は大きな鋭い破片に骨折します。故障は亀裂の伝播によるものです。小さな欠陥または衝撃点が亀裂を開始すると、プラスチックの変形がほとんどなくガラスを通り抜けます。この脆弱性はその構造に由来します。シリカネットワークは硬くてアモルファスであり、金属とは異なり、ストレスを和らげるモバイル脱臼はありません。興味深いことに、特別な治療法は、ガラスの壊れ(たとえば、表面圧縮応力を導入するために熱処理することによって生成される強化ガラス)を変えることができますが、まだ脆弱ですが、小さくて鈍いダイイスのようなピースに壊れる傾向があります(したがって「安全ガラス」)。フロントガラスで使用されるラミネートガラスは、2つのガラスのプライをプラスチックの中間層(通常はPVB)に結合するため、亀裂が形成されると、層状層がピースを一緒に保持します。これらの処理は故障モードを緩和しますが、根本的にガラスは曲げずに割れて失敗します。 セラミック:セラミックも同様に脆いです。セラミックの花瓶を棚からノックすると、へこみではなくチップまたは粉砕されます。構造的には、セラミックはイオン的および/または共有結合されており、しばしば多結晶です(磁器にもガラスの相が含まれています)。たとえば、磁器プレートでは、原子格子は剛性です。ストレスをかけると、原子面は簡単に滑ることができません。イオン固体では、小さなシフトが同様の充電イオンを並べてもたらし、強く反発し、亀裂が開始されます。転位運動は制限されており、結合は方向性があるため、セラミックは硬度と圧縮強度が高くなりますが、緊張や曲げの下でスナップする傾向があります。それらが故障すると、骨折表面は通常きれいになり、結晶面に沿ってファセットされます(切断)。容量を超えて装填されたセラミックタイルは、体を突破し、清潔でガラスのような骨折で壊れる亀裂が発生し、実質的に目に見える収量はありません。 鋳鉄(特に灰色の鋳鉄):鋳鉄は金属ですが、特定のグレードは脆いことがあることで有名です。古い鋳鉄製のエンジンブロックや鋳鉄パイプの亀裂を見たことがあるなら、脆性骨折を目撃したことがあります。灰色の鋳鉄(骨折表面の灰色にちなんで名付けられた)は、比較的高い炭素含有量を持っています。炭素は、鉄マトリックス全体に分布するグラファイトフレークを形成します。これらのフレークは内部亀裂と強いストレス濃縮器のように振る舞うので、金属は壊れる前にあまり伸びることはできません。その結果、鋳鉄は圧縮が非常に強い(均等にサポートされている場合)が、緊張や衝撃の下で突然故障する可能性があります。対照的に、延性(結節性)鉄は、グラファイトが誘導され、球状結節を形成する修正鋳鉄です(通常はマグネシウム処理を介して)。それははるかに脆く、粉砕するのではなく衝撃下で変形します。これについては、デザインセクションでさらに説明します。 コンクリート:コンクリートは固体で岩のように見えるかもしれません(そしてそれはそうです)が、それは脆い材料の別の例です。圧縮下では、コンクリートは非常に強く、非常に大きな負荷を運ぶことができます。ただし、緊張(引っ張ったり曲げたりする)では、単純なコンクリート亀裂が簡単に亀裂があります。セメントペーストとハードミネラル凝集体の混合は、粗末な流れる能力を備えた剛性マトリックスを形成するため、小さな張力株は微小亀裂を開いてすぐに合体します。そのため、鉄筋コンクリートが非常に一般的です。鋼鉄の鉄筋は、張力を運ぶように埋め込まれ、延性(および靭性)を加えるように埋め込まれています。鋼は、セクションを一緒に保持し、突然の脆性崩壊よりも警告を保持し、警告を提供し、徐々に拡大します。 その他の脆い材料:他にも多くの例があります。高炭素または高度に硬化したツール鋼は、和らげないと脆くなる可能性があります。より高い炭素と硬度が延性を低下させるため、曲がったときにファイルまたは非常に硬いナイフブレードがスナップする場合があります。鉛筆の「鉛」のように、グラファイトは脆弱です。その層状構造により、平面がスライドしてマークを残すことができますが、スティックは控えめな力の下で簡単に壊れます。一部のポリマーも脆いです。ポリスチレン(使い捨てのカトラリーや古いCDのケースで使用される剛性プラスチック)は、曲がるのではなくスナップする傾向があります。 なぜいくつかの材料が脆弱なのですか? 脆性を理解するために、マイクロスケールと原子スケールの材料内で何が起こるかを見るのに役立ちます。材料は原子結合と微細構造が異なり、これらの違いはストレスへの反応を決定します。 結晶金属では、非局在化された金属結合とモバイル脱臼は通常、プラスチックの流れを可能にします。スリップが簡単な場合、ストレスの再分配と亀裂のヒントが鈍化します。結合が非常に方向性がある場合、またはクリスタルが動作可能なスリップシステムをほとんど提供していない場合、可塑性は制限されています。亀裂が核形成して伝播するまでストレスが集中します。 次に、微細構造がその亀裂がどのように成長するかを決定します。鋭い包含物、硬い第2フェーズ、毛穴、または弱いインターフェイスは、亀裂の発射サイトと経路として機能します。温度とひずみ速度も重要です。温度の低下またはひずみ速度が高いと、可塑性が削減され、脆性骨折に向かって挙動が押し上げられます。環境はバランスを傾ける可能性があります。原子の水素は亀裂を加速しますが、穀物結合の分解(例えば、顆粒間腐食や不純物の分離など)は境界に沿った凝集を減らします。 簡単に言えば、プラスチックの宿泊施設が希少で亀裂運転部隊が支配しているときに、脆性が現れます。材料が脱臼を自由に動かしたり、亀裂先端でエネルギーを消散させたりできない場合、故障は突然であり、ほとんど警告を与えません。 脆性を測定またはテストする方法は? Brittlenessは、ストレス下での材料の挙動に関するものであるため(変形がほとんどなく破壊)、密度や融点のように調べることができる単一の「Brittleness Number」はありません。代わりに、エンジニアは、延性、骨折の靭性、衝撃エネルギーのテストを使用して間接的に特徴づけています。 脆性挙動を測定する標準的な方法の1つは、引張試験です。ストレスと緊張が記録されている間に犬の骨標本が引っ張られ、ストレス - ひずみ曲線が生成されます。脆性応答は、低い領域では、ほとんどまたはまったく降伏領域を持つ、突然の骨折へのほぼ線形の弾性経路です。 2つのクイックインジケーター - 破損時のエリアと面積の削減 - は、延性の尺度です(そして、brittle性を反比例させます)。脆い材料は、低い伸長と面積の最小限の減少を示します(ネッキングはほとんどまたはまったくありません)。金属の場合、テストのセットアップとレポートはASTM E8に従います。 Charpy V-Notch Impact Testでは、振り子が揺れ動く棒が打たれ、振り子エネルギーの損失(スイング高さの変化による)がジュールの吸収エネルギーとして記録されます(j)。低吸収エネルギーは、脆性反応を示します。高エネルギーは靭性を示します。結果は標本のサイズとノッチのジオメトリに依存するため、シャルピーエネルギーは、基本的な材料定数としてではなく、比較と温度研究に最適です。複数の温度でテストを実行すると、延性から脆性の遷移がマッピングされます。エンジニアは骨折の表面も読みます。明るい、ファセット/切断の特徴は脆性骨折を示唆していますが、鈍い繊維状の外観は延性があることを示します。 もう1つの重要な尺度は、平面鎖骨折の靭性です(kIC)、亀裂の成長に対する材料の抵抗を定量化する骨折 - 機械的パラメーター。これは、事前に砕いた試験片の精度テストから決定され、亀裂が伸び始めた臨界応力強度係数を表します。脆性材料は低いkですICしたがって、欠陥の耐性が低いため、極端な亀裂は比較的低いストレスで故障を引き起こす可能性がありますが、丈夫で延性のある材料はkが高いですIC亀裂を鈍らせたり逮捕したりできます。エンジニアは、骨折データを使用して、許容される欠陥のサイズを設定し、突然の骨折に対して設計します。 デザインの脆性障害を防ぐ方法 脆性性は突然の壊滅的な失敗につながる可能性があるため、エンジニアはそれに対処するための戦略を開発しました - 異なる材料を選択するか、材料と設計を変更して脆性行動を危険にさせることにより。 材料の選択と治療 脆性の故障を避ける最も簡単な方法は、緊張、曲げ、または衝撃の部品に対してより延性のある材料を選択することです。構造設計者は、しばしば、壊れる前に屈服して曲がる鋼またはアルミニウム合金を好みます。高い硬度、高温能力、または特定の電気挙動などの特性が必要な場合(本質的に脆性オプション(技術セラミック、ディスプレイガラスなど)を指定する必要があります。鋼では、消費されている高炭素微細構造は非常に硬いが脆い。強化は、タフネスの大きな利益と少し硬く取引します。鋳鉄は別のケースを提供します。灰色の鉄はフレークグラファイトのために脆い。少量のMgまたはCEを追加すると、紡錘体グラファイトを備えた延性(結節性)鉄が生成され、ストレス濃度が低下し、延性と耐衝撃性が著しく改善されます。 複合材料 脆性マトリックスとより延性のある相を組み合わせると、靭性が高まります。鉄筋コンクリートのペアコンクリート(脆性)で鋼鉄鉄筋(延性)を備えているため、セクションが緊張を運び、突然の崩壊を避けることができます。同様に、繊維強化ポリマーとセラミックマトリックスコンポジット埋め込みガラス、炭素、またはアラミド繊維を埋め込む亀裂、偏向、引き抜き、亀裂の成長に必要なエネルギーを増加させます(骨折の靭性が高くなります)。 ジオメトリと安全因子を設計します 鋭い角とノッチを避けることにより、ストレス濃縮器を減らします。寛大なフィレットを使用してください。荷重が最も高い厚さまたはrib骨を追加します。薄いガラスシートは、厚いペインよりもはるかに簡単に壊れます。セラミックとガラスの場合、表面圧縮を誘導する(たとえば、焼き戻し)は、亀裂を開始するためにより高い引張応力を必要とすることにより、明らかな靭性を高めます。脆性部品はほとんど警告を与えないため、設計者はより高い安全因子を使用し、定期的な検査をスケジュールします。たとえば、航空宇宙では、脆弱な方法で動作できるコンポーネントは、X線または超音波で内部亀裂をチェックします。 環境制御 温度と環境は、材料がどのように変形し、骨折するかを変えます。低温で合金が脆くなった場合は、最小サービス温度を設定するか、寒冷気候のために延性から脆性への移行温度が低いグレードを選択します。同様に、水素のピックアップがリスク(高強度鋼の水素包含)である場合、充電を最小限に抑える予防コーティングとプロセスを使用し、吸収された水素を追い出すためにベイクアウト(熱排除)を実行します。 […]
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