ばねの種類: 用途と材質を理解する

延性は、物質科学の基本的な概念であり、一部の材料（金属など）がストレスの下で大幅に曲がったり伸ばすことができるのかを説明しますが、他の材料（ガラスなど）が突然スナップします。この記事では、延性とは何か、それがどのように測定され、なぜ重要なのか、どの要因がそれに影響するかを説明します。 延性の定義 延性とは、骨折前に張力で塑性変形を受ける材料の能力です。簡単に言えば、延性材料は、スナップせずに長い道のりを伸ばすことができます。対照的に、ガラスのような脆い材料は、ほとんど変形がほとんどない後、割れたり粉砕する傾向があります。材料科学では、塑性変形は形状の永続的な変化です。これは弾性変形とは異なり、荷重が除去されると回復可能です。延性は可塑性と密接に関連していますが、より具体的です。可塑性は、任意のモード（張力、圧縮、またはせん断）で永続的な変形の一般的な能力ですが、延性は張力の能力を指します。 原子の観点から見ると、多くの金属の高い延性は、非方向性金属結合と、転位を移動できるスリップシステムの利用可能性に由来しています。ストレスが加えられると、転位グライドは金属製の結晶がプラスチックのひずみに対応できるため、金属は骨折ではなく曲がったり伸びたりすることがよくあります。対照的に、セラミックとガラスには方向性のあるイオンまたは共有結合があり、非常に限られたスリップがあるため、緊張の下でかなりのプラスチックの流れの前に割れる傾向があります。ただし、すべての金属が室温で延性しているわけではありません（たとえば、一部のBCC金属、高炭素鋼、金属グラスは比較的脆くなる可能性があります）、およびメタリックスタイルの延性ではないガラス遷移温度を上回る粘性流量によって主に加熱されたガラス曲げが加熱されます。 延性の測定 引張試験は延性を定量化する最も一般的な方法です。標本は骨折に一軸の張力で負荷をかけ、延性は破損時の伸長と面積の減少率として報告されます。 休憩時の伸び率（A％） 破壊時のゲージ長の増加率：A％=（LF -L0）/L0×100％、L0は元のゲージ長、LFは破壊時の最終長さです。 A％が高いほど、引張延性が大きくなることを示します。 面積の減少率（RA％） 破壊位置での断面の割合の減少：RA％=（A0 - AF）/A0×100％。ここで、A0は元の面積であり、AFはブレークの最小面積です。大規模なRA％は、顕著なネッキングと強力なセブキング後延性を反映しています。 （ゲージの長さに敏感ではありません。非常に薄いシートには理想的ではありません。） 両方の測定値は、通常、引張試験の一部として報告されます。たとえば、鋼のサンプルは、たとえば20％の伸びと破損時の面積の60％の減少を持っていると説明される場合があります。これは、延性挙動を示しています。対照的に、脆性セラミックは、伸びが1％しかなく、本質的に0％の面積の減少を示す場合があります（ほぼ薄くなることなく壊れます）。伸びと面積の減少が大きいほど、材料の延性が高くなります。 延性を視覚化する別の方法は、引張試験から得られたグラフであるストレス - ひずみ曲線です。ストレス（単位面積あたりの力）は、ひずみ（相対変形）に対してプロットされます。この曲線のキーポイントには次のものがあります。 ヤングモジュラス（E）：線形弾性領域の勾配。剛性の尺度。 降伏強度（σᵧ）：塑性変形の開始（多くの場合、シャープな降伏点が存在しない場合、0.2％のオフセット法で定義されます）。 究極の引張強度（UTS）：最大のエンジニアリング応力。標本の首を超えて。骨折は、通常、エンジニアリングストレスが低い場合に発生します。 骨折ポイント：標本が最終的に壊れる場所。 延性材料（青）の代表的な応力 - ひずみ曲線（赤） 延性材料の曲線は、生成後に長いプラスチック領域を示し、骨折前に大きなひずみを維持できることを示しています。対照的に、脆性材料の曲線は降伏点の近くで終わり、プラスチック領域はほとんどまたはまったくありません。要約すると、エンジニアリング応力 - 伸縮グラフ（指定されたゲージの長さの場合）では、延性が骨折する総ひずみによって延性が反映されます。これは、乳酸材料の長いもので、脆性材料の略です。ただし、見かけの骨折ひずみは選択したゲージの長さに依存し、ネッキングが開始すると変形が局所化されるため、エンジニアリング曲線は延性後延性の直接的な尺度ではありません。そのため、仕様は通常、面積の割合（RA％）の割合とともに、破損時の伸び（A％）を報告します。 延性と柔軟性の違いは何ですか？ 延性は、壊れずに緊張を伸ばす材料の能力です。引張試験からの面積の伸長率または縮小で定量化します。金属をワイヤーに引き込むことができる場合、延性があります。閉鎖性とは、亀裂なしで圧縮で変形する材料である材料の能力です。曲げ/平坦化/カッピングテスト、またはどれだけの厚さの減少が許容できるかで判断します。 実際には、金、銅、アルミニウムは両方とも非常に延性があり、順応性があります（ワイヤーとシートに最適です）。鉛は非常に順応性がありますが、適度に延性しかありません（シートに転がるのは簡単で、細いワイヤーのように貧弱です）。マグネシウムは室温で順応性が制限されていますが、亜鉛は温めたときに順応性が高くなります。製造用に、描画、深いストレッチ、プル支配的な機能のための延性合金を選択します。圧縮が支配する場所でローリング、スタンピング、および鍛造のために、順応性合金を選択します。温度と結晶構造は両方の特性をシフトします。クイックルール：ダクタリティ=張力/ワイヤー;閉鎖性=圧縮/シート。 なぜ延性が重要なのか 延性は、製造可能性とサービス内の安全性の両方の背後にある静かな主力です。工場では、金属をシートに丸め、ワイヤーに引き込んで、割れずに鍛造できます。フィールドでは、コンポーネントがエネルギーを吸収し、ストレスを再分配し、故障前に警告を提供できるようにします。 製造用の延性材料 一般に、延性が高いということは、材料が実行可能であることを意味します。亀裂なしに、鍛造、巻き、巻き、描画、またはさまざまな形に押し出ることができます。低延性（brittleness）は、材料を変形させるのが難しく、鋳造や機械加工などのプロセスに適していることを意味します（材料が形状を幅広く変化させない場合）。 鍛造とローリング：これらのプロセスは、固体金属を形状に変形させます - ハンマー（鍛造）またはロール間の通過（ローリング）。延性金属は、関与する大きなプラスチック株に耐えます。実際には、鋼のスラブ/ブルームはシート、プレート、およびIビームなどの構造形状にホットロールされ、アルミニウムはコンポーネントに容易に鍛造されます。対照的に、鋳鉄のような脆い合金は、重い変形の下で割れる傾向があるため、通常、ネットの形に鋳造することで形作られます。 押し出しとワイヤー/バーの描画：押し出しは、ダイを通して金属を押して、長く一定の交差セクション製品を作る。ワイヤー/バーの描画は、直径を減らすためにダイを通して固体ストックを引っ張ります。どちらもプラスチックの流れに依存しています。アルミニウム、銅、低炭素鋼などの延性合金は、チューブとプロファイル（窓枠、ヒートシンクセクションなど）に押し出され、細かい電気線に引き込まれます。加工温度で十分な延性のない材料は、ダイをチェックまたは亀裂する傾向があるため、ガラスまたはセラミックが固体状態に押し出されたり描かれたりしないのです。代わりに繊維が溶けて描かれています。 ディープドローイング：深い描画は、パンチでシートをダイに強制することにより、軸対称カップと缶を形成します。フランジは内側に餌を与え、壁はわずかに薄くなります。適切な延性は、分割やしわを防ぎます。アルミニウムの飲料canボディは古典的な例です。 板金の曲げとスタンピング：ボディパネルとエンクロージャーの一般的な曲げとスタンピングは、シートがダイで伸びているときにエッジのひび割れやオレンジピールを避けるために延性を必要とします。鋼鉄とアルミニウムのグレードは、形成性に合わせて調整されているため、複雑な形状（車のフードなど）は故障せずにスタンプすることができます。 メタル3D印刷（AM）：延性は依然として重要です。特にレーザーパウダーベッドフュージョン（LPBF）からのプリント部品は、細かく、テクスチャーの微細構造、残留応力、および多孔性により延性が低下することを示すことができます。ストレス緩和と高温等吸着プレス（股関節）（しばしば軽い熱処理が続き、延性が回復し、亀裂リスクを減らします。 Ti-6AL-4VやAlSi10Mgなどの合金は、有用なインサービス延性をもたらすことができます。 実世界のアプリケーション用の延性材料 延性は単なるラボメトリックではなく、現実世界の構造、車両、および機器のパフォーマンスに直接影響します。エンジニアリングと設計で重要な理由は次のとおりです。 突然の故障を防ぎ、安全性の向上：延性材料は徐々に失敗します。骨折前にエネルギーを生成および吸収し、目に見える警告を提供し、荷重を再分配できるようにします。建物では、これが構造鋼が好まれる理由です。過負荷のビームは、スナップではなく曲がります。鉄筋コンクリートは同じロジックに従います。埋め込まれた鋼鉄鉄筋は延性を加えて、メンバーが割れずに地震需要の下で曲げることができます。 衝撃のエネルギー吸収（地震およびクラッシュアプ​​リケーション）：動的荷重の下で、延性は衝撃エネルギーをプラスチック作業に変えます。鉄骨フレームは、収穫量を介して地震の力を消散させ、自動車は鋼鉄またはアルミニウムの折り畳み帯のゾーンを制御された方法で、キャビンの減速を低下させます。現代の体構造は、強度と延性（DP/トリップ鋼など）とのバランスをとり、航空宇宙AL/TI合金は、鳥のストライキ、加圧、および冷たい耐性のために十分な延性を保持します。 構造の回復力と冗長性：延性システムは、隣接するメンバーにストレスを広めることにより、局所降伏後に負荷を運び続けることができ、進行性崩壊の可能性を減らします。そのため、橋は延性鋼を使用し、パイプラインとケーブルが破裂ではなく地面の動きや過負荷の下で曲がったり、へこみを止めたりするように設計されている理由です。 延性に影響する要因 延性はすべての条件下で固定されていません。これに影響を与える主な要因は次のとおりです。 温度：延性は温度依存性が高くなります。より高い温度が原子の可動性と転位の動きを増加させ、プラスチックの流れを可能にします。低温が動きを制限し、切断型亀裂を促進します。多くのBCC金属（特定の鋼など）は、延性から脆性の遷移温度（DBTT）を持っています。その下では、突然骨折することができます。古典的な例は構造鋼です。周囲温度では曲がる可能性がありますが、非常に低い温度では骨折する可能性があります。したがって、エンジニアはサービス温度をDBTTより上に保持するか、低温グレードを指定します。対照的に、ほとんどのFCC金属（アルミニウム、銅など）は鋭いDBTTを欠いており、寒い場合でも延性があります。 構成と合金：存在する要素とそれらが形成するフェーズは、延性に強く影響します。金、銅、アルミニウムなどの純粋な金属は、通常非常に延性があります。溶質を追加したり、硬い第2フェーズを作成したりすると強度が向上しますが、しばしば転位運動を妨げることで延性を低下させます。炭素鋼では、低炭素グレードは形成可能なままですが、高炭素と工具鋼は和らげない限りはるかに延性が少なくなります。微量不純物も抑制鋼です。硫黄は高温の短さを引き起こす可能性があり、リンは冷たい脆弱性を引き起こす可能性があります。熱処理はバランスを調整します。消光されたマルテンサイトは強いですが、和らげるまで延性が低く、アニーリングは延性を回復します。メタリックメガネは限界を示しています。クリスタルスリップが存在しないため、それらは非常に強いが、通常は脆い。 クリスタル構造とスリップシステム：延性は、脱臼が容易に移動する方法を反映しています。アルミニウム、銅、ニッケル、金などのFCC金属には、多くのアクティブスリップシステムがあり、低温でも延性があり、鋭利な延性から脆性の移行はありません。フェライト鋼、クロム、タングステンなどのBCC金属は、スリップのために熱活性化を必要とし、しばしば延性から脆性への移行を示すため、延性は寒さに低下します。室温でのマグネシウム、亜鉛、チタンなどのHCP金属のスリップシステムは少なくなっています。双子または上昇した温度がなければ、それらは不十分に変形し、亀裂が生じる可能性があります。一般に、利用可能なスリップシステムが多く、固有の延性が高く、低温性能が向上します。 構造の回復力と冗長性：延性システムは、隣接するメンバーにストレスを広めることにより、局所降伏後に負荷を運び続けることができ、進行性崩壊の可能性を減らします。そのため、橋は延性鋼を使用し、パイプラインとケーブルが破裂ではなく地面の動きや過負荷の下で曲がったり、へこみを止めたりするように設計されている理由です。 […]

エンジニアが「ストレス」について話すとき、それらは試験不安や仕事の圧力とは非常に異なるものを意味します。ここで、ストレスは材料内の単位面積あたりの内部力です。輪ゴムを伸ばすか、綱引きでロープを引っ張ると、緊張したストレスが動作しているのが見られます。 この記事では、引張応力が何であるか、圧縮応力や引張強度、重要な式、およびChiggoがこれらの考慮事項を現実世界の製造にどのように考慮するかとはどのように異なるかを説明します。 引張応力とは何ですか？ 引張応力は、材料がそれを引き離そうとするときにどのように反応するかを説明します。それにより、材料が印加された荷重の軸に沿って伸びます。正式には、適用された力fを断面領域で割ったものとして定義され、その力に垂直です。 引張応力と圧縮応力 引張応力は、圧縮応力の反対です。力は、力がオブジェクトを伸ばすか延長するように作用するときに発生しますが、力はそれを絞ったり短くしたりするときに圧縮されます。固体の金属バーを想像してください：両端を引っ張ると、緊張したストレスが発生し、わずかに伸びます。まるでその長さに沿って押しつぶすようにするかのように、両端を押して、バーは圧縮されたストレス、短縮、または膨らみを経験します。 これらのストレスは、構造のさまざまな部分で同時に発生する可能性があります。たとえば、人や機械がコンクリートの床スラブを横切って移動すると、スラブの上面が圧縮に押し込まれ、底面が張力が伸びます。底部の引張応力が高すぎると、亀裂が現れる可能性があります。そのため、エンジニアは緊張に抵抗するために鉄の補強材を置きます。 引張応力と引張強度 引張応力材料は、単位面積あたりの力として表される特定の瞬間に経験されている荷重です。適用された力に応じて上昇し、落ちます。抗張力対照的に、固定された材料特性です。これは、材料が降伏または破損する前に処理できる最大引張応力です。 実際には、エンジニアは2つを常に比較しています。部分の実際の引張応力が引張強度を下回っている場合、部品はわずかに伸びますが、そのままのままです。ストレスが強度を超えると、障害が発生します。そのため、設計には常に安全マージンが含まれており、実世界のストレスが選択された材料の既知の強度をはるかに下回っていることを保証します。 引張応力式 引張応力は、材料が伸びるときに内部力を測定します。単純な式で計算されます。 σ= f / a どこ： σ=引張応力（Pascals、MPA、またはPSI） f =適用力（ニュートンまたはポンド） a =横断面積（mm²またはin²） この方程式は、引っ張り力がどれほど集中しているかを教えてくれます。より高い負荷またはより小さな断面積は、より高い応力を生成します。たとえば、薄いワイヤに吊り下げられた同じ重量は、厚いケーブルよりもはるかに多くのストレスを生成します。これが、エンジニアがケーブル、ロッド、または梁のサイズをサイズして、使用されている材料の安全な制限をはるかに下回るストレスを維持する理由です。 しかし、この式はストレスの数値を与えてくれますが、材料自体がどのように反応するかは明らかにしません。突然スナップしたり、永久に曲げたり、元の形状に戻ったりしますか？それに答えるために、エンジニアはストレスとひずみ曲線に依存しています。 ストレス - ひずみ曲線を理解する 応力 - ひずみ曲線を作成するために、テスト標本（多くの場合、ドッグボーン型）を引張試験機に配置します。マシンは各端をつかみ、徐々にそれらを引き離し、サンプルが壊れるまで伸びます。このプロセス中、適用された応力と結果のひずみ（元の長さに対する長さの変化）の両方が連続的​​に測定されます。 結果は、X軸にひずみとY軸にストレスをかけてプロットされます。この曲線では、いくつかの重要なポイントを特定できます。 弾性領域 最初は、ストレスとひずみは比例します。これは、Hookeの法則が適用される弾性領域（σ=e≤ε）です。この線形セクションの勾配はです弾性率（ヤングモジュラス）、剛性の尺度。この領域では、荷重が削除されると、材料は元の形状に戻ります。 降伏点 負荷が増加すると、曲線は直線から出発します。これは、弾性挙動が終了し、プラスチック（永久）変形が始まる降伏点です。この点を超えて、荷重が削除されていても、材料は元の形状を完全に回復することはありません。 究極の引張強度（UTS） 曲線はプラスチック領域に上方に続き、ピークに達します。この最高点は、究極の引張強度（UTS）です。これは、ネッキング（局所的な薄化）が始まる前に材料が耐えることができる最大応力を表します。 破壊点 UTSの後、曲線は標本の首が下に傾斜し、それほど多くの負荷を運ぶことができなくなります。最終的に、材料は破壊点で壊れます。延性材料の場合、骨折のストレスは通常、ネッキングのためにUTよりも低くなります。脆性材料の場合、骨折は弾性限界近くで突然発生する可能性があり、プラスチックの変形はほとんどまたはまったくありません。 引張応力の実際のアプリケーション 材料が引っ張られたり、ハングしたり、伸びたりする状況では、引張応力が負荷を安全に運ぶことができるか、失敗するかを決定します。いくつかの重要なアプリケーションと例を次に示します。 橋と建設 ゴールデンゲートブリッジのようなサスペンションブリッジを考えてください。塔の間に覆われた巨大なスチールケーブルは、一定の引張応力下にあり、道路と車両の重量を支えています。エンジニアは、これらのケーブルの高張力強度鋼を選択して、重い荷重に加えて風や地震などの余分な力を失敗させることなく処理できます。また、現代の建設は緊張を巧みに利用しています。たとえば、プリストレスのあるコンクリートでは、鋼腱が埋め込まれて伸びているため、ビームが荷重を安全に処理できるようにします。 ケーブル、ロープ、チェーン 多くの日常のシステムは、引張ストレスに直接依存しています。たとえば、エレベーターを取り上げます。そのスチールケーブルは一定の張力であり、車の重量だけでなく、加速または停止するときに余分な力を運びます。クレーンは同じ原則に基づいて動作し、高張力ケーブルを使用して重い荷重を安全に持ち上げて移動させます。ギターのような単純なものでさえ、引張ストレスが機能しています。チューニングペグをよりタイトにするほど、ひもの張力が大きくなります。 機械とボルト 機械工学では、引張応力も同様に重要です。飛行機または車のエンジンのボルトとネジは、わずかに伸びています。結果として生じる引張応力は、部品を保持するクランプ力を作成します。ボルトが過度にストレスをしている場合（締めたときにトルクが大きすぎる、または使用中の過剰な負荷）、それは降伏して失敗する可能性があり、潜在的にマシンがバラバラになります。そのため、ボルトは収量と引張強度を示すグレードによって評価され、重要なボルトが指定された緊張に引き締まる理由です。 引張ストレスをチグゴの製造サービスに統合します 引張ストレスの理論を知ることは1つのことですが、実際の負荷の下で実行される部品の設計も別です。チグゴでは、そのギャップを埋めます。 私たちのチームは、CNCの機械加工、射出成形、シートメタル、3D印刷であなたをサポートし、すべての段階に強度の考慮事項が統合されています。プロトタイプを開発するか、生産に合わせてスケーリングするかにかかわらず、適切な素材とプロセスを選択して、パフォーマンスの要件を満たし、費用のかかる障害を回避します。 材料の選択 障害に対する最初の保護手段は、適切な材料を選択することです。 Chiggoでは、リストされているすべての合金とポリマーには、サプライヤーデータに裏打ちされた引張と降伏強度などの検証済みの機械的特性があり、必要に応じて認定をテストします。 これは、エンジニアがコストや終了だけでなく、負荷の下で実証済みの強度でオプションを比較できることを意味します。たとえば、アルミニウム6061-T6と7075-T6を決定する場合、特にブラケット、ハウジング、またはその他の荷重含有コンポーネントの場合、引張強度は重要なフィルターになります。 CNC加工 […]

溶融堆積モデリング (FDM) は、材料押し出し 3D プリンティング プロセスです。熱可塑性フィラメントを加熱したノズルに送り込むことで機能し、フィラメントが溶けてプログラムされたツールパスに沿って層ごとに堆積され、部品が構築されます。基本的に、FDM プリンタはコンピュータ制御のホットグルーガンと同じように機能し、溶融プラスチックの薄いビーズを押し出し、すぐに固まって 3 次元オブジェクトを形成します。