金属强度：详细指南和图表

想象一下，将您最喜欢的咖啡杯放在厨房的地板上 - 它变成锋利的碎片。现在，秋天后，想象一下智能手机屏幕蜘蛛网，或地震期间未增强的混凝土墙破裂。这些日常示例突出了脆性，这是一种物质属性，可以导致突然破裂而不会警告。 Brittlenes对安全性和可靠性至关重要：建筑物，桥梁或产品中的脆性组件如果不考虑灾难性的情况。历史提供了鲜明的提醒 - 最著名的是RMS泰坦尼克号，其钢铁在冰冷的大西洋水域变得脆弱，并在撞击而不是弯曲方面破裂，导致了灾难。工程师和设计师密切关注Brittleness，因为与弯曲或伸展的延性材料不同，脆性易碎的材料往往会在压力下折断。 这篇文章探讨了什么是脆性以及它与硬度和韧性的不同。它还解释了为什么玻璃或铸铁等材料是脆性的，以及我们如何测试和减轻工程设计中的脆性。 什么是脆性？ 材料科学中的脆弱性是指材料事先几乎没有塑性变形的材料倾向的趋势。简而言之，脆性材料不会弯曲或伸展太多 - 它会破裂。如果您尝试弯曲脆性物体，它几乎会立即破裂或捕捉，而不是经历塑性变形。这是相反的延性，在失败之前，材料维持明显的塑性变形（例如，将其吸引到电线或弯曲中）的能力。高度延展的金属（例如铜或金）可以大量弯曲，拉伸或抽出，而在仅弹性菌株后，脆性材料（例如玻璃或陶瓷）骨折。 脆性，韧性，韧性和硬度 比较脆性和延展性归结于材料在骨折前可以变形的材料多少。脆性材料的延展性很低，并在小应变下达到其断裂点。延性的一个可以维持明显的塑性变形。在金属中，一个共同的经验法则是，休息时的伸长率通常称为脆，而考虑〜5％延性（材料和测试依赖性；陶瓷和玻璃通常远低于1％）。实际上，脆性材料几乎没有发出警告 - 在折断之前，它们不会明显弯曲或脖子。在应力 - 应变曲线，延性材料显示出屈服和较长的塑料区域，而脆性材料几乎是线性弹性的，直到突然裂缝具有最小的可塑性。 韧性描述材料在破裂前吸收的能量（思考：应力 - 应变曲线下的区域）。当材料结合高强度和良好的延展性时，通常会增加。这不是严厉的“相反”。橡胶轮胎很艰难，因为它会变形并吸收影响。退火玻璃很脆，因为它不能塑料变形，因此急剧的打击会使它破裂。 硬度是一个不同的概念 - 它抵抗刮擦和局部凹痕。材料可能非常困难但脆弱。例如，钻石抵制刮擦，但缺乏可塑性，可以在急剧的打击下切碎或劈开。相反，相对柔软的东西（例如橡胶）可以抵抗撞击的破裂，因为它会变形。简而言之，硬度涉及对局部变形的抵抗力，而残酷的性质描述了断裂行为。 易碎材料的示例及其失败 许多日常和工业材料表现出脆弱的行为。以下是一些例子，以及它们如何在压力下失败： 玻璃：普通玻璃（例如窗玻璃或水杯）是一种经典的脆性材料。它在压缩方面非常坚固且强烈，但是在拉伸应力或影响下，它不能塑性变形。将玻璃杯放在坚硬的地板上，通常会碎裂大而尖锐的碎片。故障是通过裂纹传播的：一旦一个微小的缺陷或冲击点会引发裂缝，它就会穿过玻璃，几乎没有塑性变形。这种脆性来自其结构：二氧化硅网络是刚性和无定形的，与金属不同，没有移动位错来缓解压力。有趣的是，特殊治疗可以改变玻璃断裂的方式，例如，通过热处理以引入表面压力应力而产生的钢化玻璃，仍然很脆，但往往会分解成小钝骰子样的碎片（因此“安全玻璃”）。层压玻璃，用于挡风玻璃，将两个玻璃杯粘合到塑料层中（通常是PVB），因此，当裂缝形成裂缝时，层中层将碎片将碎片固定在一起。这些治疗方法可以减轻故障模式，但从根本上讲，玻璃通过破裂而不是弯曲而失败。 陶瓷：陶瓷同样脆弱。从架子上敲出陶瓷花瓶，它会碎片或破碎而不是凹痕。从结构上讲，陶瓷是离子和/或共价键合的，通常是多晶（瓷器也包含玻璃相）。例如，在瓷板中，原子晶格是刚性的。当压力时，原子飞机无法轻易滑落。在离子固体中，一个小移位带来了同样的带电离子并排，它们强烈排斥，裂纹引发。由于位错运动是有限的，键是定向的，因此陶瓷具有高硬度和抗压强度，但倾向于在张力或弯曲下折断。当它们失败时，裂缝表面通常会清洁并沿晶体平面（裂解）。陶瓷瓷砖超出其容量超出其容量的裂纹，可以通过身体传播，并用干净的玻璃状断裂破裂，几乎没有可见的屈服。 铸铁（尤其是灰色铸铁）：铸铁是一种金属，但某些成绩却是脆弱的。如果您曾经看过旧的铸铁发动机块或铸铁管道裂缝，则目睹了易碎的断裂。灰色铸铁（以其断裂表面的灰色命名）具有相对较高的碳含量。碳形成石墨片，分布在整个铁基质中。这些薄片的行为就像内部裂缝和强烈的压力集中器，因此金属在破裂之前不会伸展太多。结果，铸铁在压缩方面非常强（均匀支撑时），但在张力或影响不足可能会突然失败。相比之下，延性（结节性）铁是一种改良的铸铁，在该铸铁中诱导石墨形成球形结节（通常是通过镁处理）。它的脆性要小得多，并且会在影响下变形，而不是破碎。我们将在“设计”部分中进一步讨论。 具体的：混凝土看​​起来像是坚固且岩石状的（而且是），但这是脆弱材料的另一个例子。在压缩下，混凝土非常强大，可以承受很大的负载。但是，在张力（拉或弯曲）下，纯混凝土裂缝很容易。水泥糊和硬矿物聚集体的混合物形成了具有非常有限的塑料流能力的刚性基质，因此很小的拉伸菌株开放的微裂纹可以迅速合并。这就是为什么钢筋混凝土如此普遍的原因：钢钢筋嵌入以携带张力并增加延展性（和韧性）。钢可以屈服和伸展，将截面保持在一起并提供警告（裂缝形成并逐渐扩大），而不是突然的脆性崩溃。 其他脆性材料：还有许多其他例子。如果不调和，高碳或高度硬化的工具钢可能会变脆。文件或非常坚硬的刀片可能会在弯曲时捕捉，因为更高的碳和硬度可减少延展性。石墨，就像铅笔“铅”一样脆弱：其分层结构使飞机滑动留下标记，但在适度的力下，棍子很容易折断。有些聚合物也很脆。聚苯乙烯（用于一次性餐具和旧CD案例中的刚性塑料）倾向于捕捉而不是弯曲。 为什么有些材料脆弱？ 要了解脆性，它有助于查看微观和原子尺度上的材料内发生的情况。材料的原子键和微观结构有所不同，这些差异决定了它们对压力的反应。 在结晶金属中，定位的金属键合和移动位错通常会造型流动。当滑动很容易时，应力再分配和裂纹尖端会钝化。如果粘结是高度定向的，或者晶体几乎没有可操作的滑动系统，则可塑性受到限制；应力集中到裂纹成核并繁殖。 然后，微观结构决定裂纹的生长是如何生长的。尖锐的夹杂物，硬第二阶段，毛孔或弱接口充当裂纹的发射地点和途径。温度和应变速率也很重要：较低的温度或更高的应变速率降低了可塑性，将行为推向脆性断裂。环境可以使平衡 - 原子氢加速裂纹，而晶粒结合的降解（例如晶间腐蚀或杂质隔离）可降低沿边界的凝聚力。 简而言之，当塑料适应不足并占主导地位时，勃彩会出现。如果材料无法自由移动脱位或在裂纹尖端下消散能量，则失败是突然的，几乎没有警告。 如何测量或测试脆性？ 由于Brittlense是关于材料在压力下的行为（几乎没有变形），因此没有一个“勃贴”数字，您可以像密度或熔点一样抬头。取而代之的是，工程师使用延展性，断裂韧性和影响能量的测试间接表征它。 衡量脆性行为的标准方法之一是拉伸测试。在记录压力和应变时，拉动狗骨标本，以产生应力 - 应变曲线。脆性反应是几乎线性的突然断裂的弹性途径，几乎没有或没有产量区域。两个快速指示器（突破时的延长和降低面积）是延展性的度量（并成反比）。脆性的材料将显示出低伸长率和最小的面积减少（颈部很少或没有颈部）。对于金属，测试设置和报告遵循ASTM E8。 在Charpy V-Notch撞击测试中，摇摆的摆板击中了一个缺口的杆，并且在焦耳的能量中记录了摆能量的损失（来自秋千高度的变化）（j）。低吸收能表示脆弱的反应。高能量表示韧性。由于结果取决于标本的大小和缺口几何形状，因此最好将夏普能量用于比较和温度研究，而不是基本材料常数。在多个温度下进行测试映射延性到脆性的过渡。工程师还阅读了断裂表面：明亮，刻面/裂解特征表明脆性断裂，而暗淡，纤维状的外观表示延性断裂。 另一个关键措施是平面应变骨折韧性（K我知道了），一种骨折的机电参数，可量化材料对裂纹生长的抗性。它是根据预先裂纹标本的精确测试确定的，代表裂纹开始延伸的临界应力强度因子。脆性材料有低k我知道了因此，缺陷差 - 小裂纹会在相对较低的压力下导致失败，而坚韧的延性材料具有较高的k我知道了并且可以直言不讳或逮捕裂缝。工程师使用裂缝 - 阻力数据来设置允许的缺陷大小，并针对服务突然断裂进行设计。 如何防止设计中的脆弱失败 由于脆弱性会导致突然的灾难性失败，因此工程师已经制定了处理策略 - 通过选择不同的材料或修改材料和设计以使脆弱行为降低危险性。 材料选择和处理 […]

在工业应用中，金属的选择不仅受强度，硬度和密度等机械性能的影响，而且还受热特性的影响。要考虑的最关键的热特性之一是金属的熔点。 例如，如果金属融化，炉件，喷气发动机燃料喷嘴和排气系统可能会灾难性地失败。结果可能会堵塞孔或发动机故障。熔点在制造过程中也至关重要，例如冶炼，焊接和铸件，金属需要以液态形式进行。这需要设计旨在承受熔融金属的极热的工具。即使金属在熔点以下的温度下可能会遭受蠕变引起的裂缝，但设计人员在选择合金时通常会使用熔点作为基准。 金属的熔点是什么？ 熔点是在大气压下固体开始过渡为液体的最低温度。在这种温度下，固体和液相都在平衡中共存。一旦达到熔点，直到金属完全融化，额外的热量就不会增加温度。这是因为在相变期间提供的热量用于克服融合的潜热。 不同的金属具有不同的熔点，这些熔点取决于它们的原子结构和粘结强度。紧密包装原子布置的金属通常具有较高的熔点。例如，钨在3422°C时具有最高之一。金属键的强度会影响克服原子之间的吸引力并导致金属融化所需的能量。例如，与铁和钨等过渡金属相比，铂和黄金等金属的熔点相对较低，因为它们的粘结力较弱。 如何改变金属的熔点？ 金属的熔点通常在正常条件下是稳定的。但是，某些因素可以在特定情况下对其进行修改。一种常见方法是合金 - 将其他元素添加到纯金属上，形成具有不同熔点的新材料。例如，与纯铜相比，将锡与铜混合以产生青铜的熔点。 杂质也可以产生明显的效果。即使是痕量的外国元素也会破坏原子键并转移熔化温度，这取决于物质。 物理形式也很重要。纳米颗粒，薄膜或粉末形式的金属通常在温度较低的情况下融化，因为其高表面积和原子行为改变了它们的散装。 最后，极端压力可以改变原子相互作用的方式，通常通过压缩原子结构来提高熔点。尽管这在日常应用中很少关注，但它成为材料选择和安全性评估的关键考虑因素，例如航空航天，深度钻探和高压物理学研究。 金属和合金熔点图 普通金属和合金的熔点 金属/合金熔点（°C）熔点（°F）铝6601220黄铜（Cu-Zn合金）〜930（组成依赖性）〜1710青铜（Cu-Sn合金）〜913〜1675碳钢1425–15402600–2800铸铁〜1204〜2200铜10841983金子10641947年铁1538年2800带领328622镍14532647银9611762年不锈钢1375–1530（依赖级）2500–2785锡232450钛1670年3038钨〜3400〜6150锌420787 金属熔点的完整列表（高到低） 金属/合金熔点（°C）熔点（°F）钨（W）34006150rhenium（re）31865767osmium（OS）30255477坦塔尔（TA）29805400钼（MO）26204750niobium（NB）24704473虹膜（IR）24464435松（ru）23344233铬（CR）1860年3380钒（V）19103470rh1965年3569钛（TI）1670年3040钴（CO）14952723镍（NI）14532647钯（PD）1555年2831铂（PT）1770年3220thor17503180Hastelloy（合金）1320–13502410–2460inconel（合金）1390–14252540–2600Incoloy（合金）1390–14252540–2600碳钢1371–15402500–2800锻铁1482–15932700–2900不锈钢〜1510〜2750莫内尔（合金）1300–13502370–2460铍（BE）12852345锰（MN）12442271铀（U）11322070杯子1170–12402138–2264延性铁〜1149〜2100铸铁1127–12042060–2200黄金（AU）10641945年铜（CU）10841983银（AG）9611761年红色黄铜990–10251810–1880青铜〜913〜1675黄色黄铜905–9321660–1710金钟黄铜900–9401650–1720硬币银8791614年纯银8931640年锰青铜865–8901590–1630铍铜865–9551587–1750铝青铜600–6551190–1215铝（纯）6601220镁（mg）6501200p pl〜640〜1184锑（SB）6301166镁合金349–649660–1200锌（Zn）420787镉（CD）321610鞭毛（BI）272521巴比特（合金）〜249〜480锡（SN）232450焊料（PB-SN合金）〜215〜419硒（SE）*217423ind157315钠（NA）98208钾（K）63145gall〜30〜86剖记（CS）〜28〜83汞（HG）-39-38 关键要点： 高熔点金属（例如钨，rhenium和tantalum）对于极端热量应用至关重要。这些金属在苛刻的炉子和航空航天环境中保留其结构完整性。钼也可以抵抗熔化，并且对于建造高温熔炉非常有价值。 铁，铜和钢等中等熔点金属将可管理的熔融温度与良好的机械或电气性能结合在一起，使其用于构造，工具和电气系统的多功能。 低熔点金属，例如炮，铯，汞，锡和铅，对于焊料，温度计和低熔合合金等专业应用而言是有价值的。

钣金制造是使用各种制造技术将金属板（通常厚度小于 10 毫米）形成所需形状的过程。完成一个产品通常涉及几个步骤，从切割、成型、到精加工和连接。每个步骤都可以通过不同的制造方法来实现。通常，不同的制造技术可以实现相似的最终结果，但最佳选择取决于成本和特定项目要求等因素。