弹簧的类型：了解它们的用途和材料

压力和压力是描述材料对力的反应方式的两个最重要的概念。应力是负载下材料中每单位区域的内力，而应变是由施加力引起的材料形状的变形或变化。 但是，压力与压力之间的关系远远超出了理论 - 这对于合理的工程决策至关重要。通过并排比较它们，我们可以更好地预测材料的性能，可以安全变形的程度以及何时失败。本文探讨了他们的定义，差异，关系和实际应用。 在我们详细了解详细信息之前，您可能会发现此简短的介绍性视频和压力很有帮助： 什么是压力？ 压力是材料产生以抵抗外部负载的每单位面积的内力。从显微镜上讲，施加的载荷会引起反对变形并“固定”结构的原子间力。这种内部阻力是我们衡量的压力。 根据如何施加负载，压力被归类为： 拉伸应力（σt）和压力应力（σc）：这些是垂直于横截面区域的正常应力。 剪切应力（τ）：由与横截面区域平行作用的切向力引起的。 扭转应力（τt）：扭矩或扭曲引起的剪切应力的特定形式。 其中，拉伸压力是工程设计中最根本的压力类型。计算公式是： 在哪里： σ=压力（PA或N/m²；有时PSI） f =施加力（n） a =施加力的原始横截面区域（m²） 如何测量材料的应力 直接测量应力是不可能的，因此，我们必须测量施加的力或结果变形。以下是关键测量技术的简洁概述： 方法 /技术原则测量设备 /工具准确性和精度常见应用通用测试机（UTM）测量力（F），计算应力= f/aUTM具有集成负载电池★★★★★（高精度）基本材料测试：应力 - 应变曲线，机械性能评估应变量表测量应变（ε），通过σ= E·ε计算应力（假设线性弹性） 应变计，数据采集系统★★★★☆（高）组件应力分析；疲劳评估；嵌入式结构监测延伸计衡量规格的变化，计算ε和σ接触或非接触式延伸仪★★★★☆（高）标本的拉伸测试；验证弹性模量和屈服应变数字图像相关（DIC）光学方法，跟踪全场表面变形高速相机系统，DIC软件★★★★☆（全场）全场应变分析；裂纹跟踪；物质不均匀研究超声应力测量在压力下使用材料的波速变化超声波探测器★★★☆☆（中度）残余应力检测；焊接接头和大型结构的应力监测X射线衍射（XRD）测量由内部压力引起的晶格失真XRD衍射仪，专业软件★★★★☆（高精度；位于表面层）薄膜，焊接区域，金属和陶瓷中的表面残留应力光弹性通过光学干扰条目在透明双折射材料中可视化压力偏振光设置和双重聚合物模型★★★☆☆（对半定量定性）教育演示；透明模型中的实验应力分析微/纳米级表征技术 EBSD，微拉曼，纳米凹陷等技术提供微观或纳米级应变/应力映射 电子或基于激光的系统，图像分析软件★★★★☆（高精度；局部微/纳米尺度） 微电子，薄膜，纳米构造，复合界面行为 什么是应变？ 应变是对材料进行外力时材料发生的相对变形的量度。它表示为无单位数量或百分比，代表长度（或其他维度）对原始长度（或尺寸）的变化。 应变的类型对应于施加的应力：拉伸应变，压缩应变或剪切应变。 正常应变的公式是： 在哪里： ϵ =应变（无量纲或以％表示） Δl=长度变化 l0=原始长度 如何测量材料应变 各种方法可用于测量应变。最常用的技术是应变测量值和伸展指标。下表总结了测量材料应变的常见方法： 方法感知原理传感器 /传感器测量场景评论应变量表阻力变化箔型应变量表静态或低频应变；常用广泛用于行业；低成本;需要粘合键和布线连接延伸计位移夹式 /接触式延伸计材料测试；全截面测量高准确性；不适合动态测试或高度局部应变数字图像相关（DIC）光学跟踪相机 +斑点图案全场应变映射；裂纹繁殖；复杂形样品非接触； 2D/3D变形映射；昂贵的系统压电传感器压电效应压电膜或水晶动态应变，压力，冲击，振动高频响应；不适合静电测量纤维bragg光栅（FBG）光学（布拉格反射）FBG光纤传感器长距离的分布式或多路复用测量免疫EMI；适合航空航天，能源和智能结构激光多普勒振动仪（LDV）多普勒效应LDV激光探针动态应变/速度测量和表面振动分析非接触；高分辨率;昂贵的;对表面条件敏感 压力与应变的关键差异 以下是一个简短的表，提供直接概述： 方面压力拉紧公式σ= f / aε=Δl /l₀单位PA（N/m²）或PSI（LBF/in²）无量纲或％原因外力压力引起的变形影响产生内力来抵消外部负载；如果过高改变材料的几何形状；可在弹性极限内回收，永久性超出产量点行为材料必须抵抗的每个区域的内力。根据分配，它可能导致压缩，张力，弯曲或扭转描述了在施加的应力下材料变形的程度。可以是弹性的或塑料的 压力和压力如何相互关系 压力会导致应变。应力 - 应变曲线图可以通过针对施加的应力绘制应变（变形）逐渐增加载荷的变形。让我们回顾一下其要点： 1。弹性区域（点O […]

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 […]

铸铁和钢都是主要由铁原子（在元素周期表中标记为 Fe）组成的黑色金属。元素铁在地球上含量丰富，但通常以氧化形式存在，需要经过深加工（称为熔炼）才能提取。