从摩天大楼到喷射机翼，每个工程结构都依靠材料刚度安全，有效地性能。 Young的模量（弹性区域的应力与应变之比）是该刚度的普遍度量。通过了解Young的模量，设计师可以准确预测多少梁将弯曲或在负载下弹跳，从而在不建造过度的情况下确保安全性。这篇文章呈现了Young的模量 - 它是什么，如何计算，比较通用材料，工业应用等E值的比较。
扬的模量通常称为弹性模量或拉伸模量，并由e（或者y），量化材料在拉伸或压缩负荷下对弹性变形的抗性（刚性）。从数学上讲，它被定义为在线性弹性区域内应力（每单位面积的力）与应变（每长度的相对变化）的比率（相对变化）应力 - 应变曲线。与“弹性”不同，它仅表示材料能够弹出其原始形状的能力，弹性模量提供了一种精确的数值度量，以衡量变形该材料的变形。 Young的模量是三个基本弹性常数之一，以及剪切模量和散装模量，共同表征了各向同性固体的全部弹性响应。
在拉伸测试中，压力（在Pascals，PA或Megapascals，MPA中）在垂直轴上绘制在水平轴上的应变（无单位）以产生应力 - 应变曲线。直线段至比例的限制，该线性弹性区域定义了Hooke Law and and and young and Young的模量（E）的线性弹性区域。陡峭的斜率意味着较硬的材料。
脆性材料（红色曲线）在非常低的应变下骨折并吸收少量能量，而延性材料（蓝色曲线）会忍受更大的应变，并在失败前吸收更多的能量。超出比例极限（符合屈服点）的塑料（永久性）变形开始，应力 - 应变关系不再是线性的，并且材料不会完全弹出其原始形状。整个曲线下的总面积代表韧性，材料骨折之前可以吸收的能量。
Young的模量E定义为应力与线性弹性区域中的应变之比。由于应变是无量纲的，因此E带有与压力相同的单位：pascals（Pa = n/m²）以Si或平方英寸（PSI = LBF/英寸）为帝国单位。一个PSI大约为6,894.8 pa。下方是计算E和您将在实践中使用的单元的标准方程式。
σ（压力）：内力除以负载的横截面区域（单位：N/m²，PA或LBF/IN²）。
ε（应变）：相对变形 - 长度的变化除以原始长度（无量纲）。
F：施加拉伸力（N或LBF）
一个：原始横截面区域（平方米或英寸）
ΔL：长度变化（m或in）
l₀：原始仪表长度（m或in）
高年轻的模量表示僵硬的材料，该材料抵抗了负载下的弹性变形，并且不容易伸展。低模量是指材料即使在小载荷下也会显着变形，而力量很小。例如，天然橡胶具有非常低的E值 - 某些硅橡胶甚至可以在自己的体重下伸展。以下是一张常见材料表及其参考年轻的模量值：
| 材料 | 杨的模量（GPA） | 杨的模量（MPSI） |
| 碳钢（低/媒介） | 200–210 | 29.0–30.5 |
| 高强度低合金钢（HSLA） | 200–210 | 29.0–30.5 |
| 工具钢（淬火和矫正） | 205–215 | 29.7–31.2 |
| 奥氏体不锈钢（304/316） | 190–200 | 27.6–29.0 |
| 铁素体 /马氏体不锈钢（410/430） | 195–210 | 28.3–30.5 |
| 铸铁（灰色） | 110–170 | 16–25 |
| 延性铁（结节性） | 160–175 | 23.2–25.4 |
| 铝（锻造合金） | 69–71 | 10.0–10.3 |
| 铸造铝（Al-Si） | 68–72 | 9.9–10.4 |
| 镁（AZ / AM合金） | 43–45 | 6.24–6.53 |
| 铸镁 | 40–45 | 5.8–6.5 |
| 铜 | 115–125 | 16.7–18.1 |
| 黄铜（Cu – Zn） | 97–115 | 14.1–16.7 |
| 青铜（CU – SN） | 100–120 | 14.5–17.4 |
| 镍（商业上纯净） | 200–210 | 29.0–30.5 |
| CP钛（2年级） | 100–110 | 14.5–16.0 |
| ti -6al -4V | 110–120 | 16.0–17.4 |
| 锌（铸造/滚动） | 83–108 | 12.0–15.7 |
| 锡 | 40–55 | 5.8–8.0 |
| 带领 | 14–17 | 2.0–2.5 |
| 混凝土（正常重量） | 20–35 | 2.9–5.1 |
| 高强度混凝土 | 30–45 | 4.35–6.53 |
| 环氧树脂（未填充） | 2.5–3.5 | 0.36–0.51 |
| 环氧 /玻璃层压板（FR4，平面内） | 17–24 | 2.5–3.5 |
| GFRP层压板（准异常） | 18-28 | 2.61–4.06 |
| GFRP UD（光纤方向） | 35–50 | 5.08–7.25 |
| CFRP层压板（准异常） | 50–80 | 7.25–11.6 |
| CFRP UD（光纤方向） | 130–200 | 18.9–29.0 |
| 木材（软木，例如松树，沿谷物） | 8–12 | 1.16–1.74 |
| 木材（硬木，例如橡木，沿谷物） | 10–14 | 1.45–2.03 |
| 苏打石玻璃 | 68–72 | 9.9–10.4 |
| 硼硅酸盐玻璃 | 63–67 | 9.1–9.7 |
| 融合二氧化硅 | 72–75 | 10.4–10.9 |
| 氧化铝（95–99％） | 300–380 | 43.5–55.1 |
| 锆石（Y -TZP） | 190–210 | 27.6–30.5 |
| ABS（未填充） | 2.0–2.4 | 0.29–0.35 |
| 聚碳酸酯（PC） | 2.2–2.45 | 0.32–0.36 |
| PMMA（丙烯酸） | 2.4–3.2 | 0.35–0.46 |
| HDPE | 0.6–1.0 | 0.087–0.145 |
| LDPE | 0.10–0.40 | 0.015–0.058 |
| lldpe | 0.20–0.45 | 0.029–0.065 |
| 聚丙烯（PP均聚物） | 1.3–1.7 | 0.19–0.25 |
| PP共聚物（冲击） | 1.1–1.5 | 0.16–0.22 |
| PP GF（20–40％） | 3.0–8.5 | 0.44–1.23 |
| 宠物（未填充） | 2.7–3.2 | 0.39–0.46 |
| PBT（未填充） | 2.2–2.8 | 0.32–0.41 |
| POM（乙酰） | 2.9–3.2 | 0.42–0.46 |
| 尼龙6（干） | 2.5–3.0 | 0.36–0.44 |
| 尼龙66（干） | 2.7–3.3 | 0.39–0.48 |
| PA12（未填充） | 1.4–1.8 | 0.20–0.26 |
| 尼龙6 30％GF（干） | 7.5–8.5 | 1.09–1.23 |
| 尼龙66 30％GF（干） | 7.5–9.0 | 1.09–1.31 |
| PBT 30％GF | 8.0–9.5 | 1.16–1.38 |
| 宠物30％gf | 9.0–12.0 | 1.31–1.74 |
| POM 25–30％GF | 6.5–8.5 | 0.94–1.23 |
| 窥视（未填充） | 3.6–4.0 | 0.52–0.58 |
| 窥视30％gf | 10–12 | 1.45–1.74 |
| PEI（未填充） | 3.0–3.3 | 0.44–0.48 |
| PPS（未填充） | 3.2–3.8 | 0.46–0.55 |
| pps 30％gf | 8–9 | 1.16–1.31 |
| PPS 40％GF | 9–11 | 1.31–1.60 |
| 刚性PVC | 2.4–3.3 | 0.35–0.48 |
| ptfe | 0.40–0.55 | 0.058–0.080 |
| PLA | 3.0–3.6 | 0.44–0.52 |
| 橡胶（天然，小应变） | 0.01–0.05 | 0.0015–0.007 |
| 氯丁橡胶橡胶（小应变） | 0.005–0.02 | 0.0007–0.0029 |
| 聚氨酯泡沫（刚性） | 0.02–0.30 | 0.0029–0.043 |
| 聚氨酯（固体弹性体） | 0.01–0.05 | 0.0015–0.007 |
| 环氧结构粘合剂（固化） | 1.8–2.6 | 0.26–0.38 |
| 钻石（单晶） | 1050–1200 | 152–174 |
该表显示了在标准条件下在室温下测量的参考值，E在现实世界中可能会有所不同。随着温度的升高，E通常会降低，使材料更柔软。微观结构和组成（包括合金元素，晶粒尺寸，热处理史或聚合物中的结晶度）也会影响刚度。许多材料都是各向异性的，具有不同方向的E值（例如，木材，滚动金属和纤维复合材料）。最后，应变率和环境发挥作用：非常高的负载率或暴露于腐蚀性流体可以巧妙地改变测得的模量。
每当工程师需要预测或限制弹性挠度和振动时，Young的模量是首选。以下是一些关键应用程序：
当工程师设计桥梁或梁时，第一个问题之一是“它在负载下弯曲多少？”该弯曲称为偏转，而简单支撑跨度的中点处的最大向下运动用δ表示。用每天的话来说，δ告诉您桥甲板在汽车，风甚至地震上推动时会下垂多远。单个中心负载跨度的标准公式为：
其中F是中跨度的负载（例如车辆的重量），L是跨度的长度，E是Young的模量（材料的刚度），而I是横截面的惯性时刻（其形状依赖于弯曲的形状抗性）。较高的年轻模量直接降低δ，这意味着梁降低。控制δ至关重要：过多的挠度不仅看起来不安全，而且会损害道路表面，关节和支撑。工程师使用此计算来选择材料和横梁尺寸，以使偏转在严格的服务限制指南中（例如，不超过跨度的L/360），因此桥梁保持安全既舒适又舒适。
在典型的混凝土地板或屋顶板中，工程师在混凝土内嵌入钢筋（钢筋）。混凝土本身相当柔软 - 在负载下弯曲更多，而钢非常僵硬，几乎不会弯曲。通过将它们结合起来，板将重载荷而不会下垂或破裂：混凝土采取压缩，钢处理张力并增加刚度。
为了准确预测平板将弯曲多少，工程师使用每种材料的Young模量（混凝土约17 GPA，钢的200 GPA）。它们将钢的刚度“转化”到等效量的混凝土厚度，因此可以将整个平板视为计算中的一种材料。这使他们能够确保在正常的活载荷（人，家具，雪）下，光束只会偏向一小撮（通常不超过其跨度的1/360） - 保持地板无裂纹，舒适地行走和安全。
飞机机翼和机身面板必须非常僵硬，因此它们在飞行中不会弯曲太多。工程师将材料的刚度（Young's Modulus，E-在70 GPA的铝制范围内，钛的105 GPA范围内，碳纤维复合材料的最多150 GPA）中的计算机模拟中，以查看机翼将在升降下的弯曲弹性。这使他们可以选择正确的厚度和内部支撑，因此飞机保持坚固和光线。
相同的刚度要求更严格地适用于每克计数的火箭和卫星。通过使用非常高E（高级复合材料的100多个GPA）的材料，设计人员可以预测并避免在发射或轨道期间将设备隔开的振动。简而言之，知道e告诉他们每个部分的“弹力”如何，并有助于确保在太空中没有任何危险的共鸣。
碳纤维复合材料在体育用品中被认为是因为它们结合了非常高的刚度（Young的模量高达〜120 GPA），重量也异常低。通过将碳纤维定向在特定的“上篮”中，制造商对每个物品的弯曲进行调整 - 因此，滑雪杆在负载下抵抗弯曲，自行车架在踏板下感觉僵硬而吸收了道路振动，并且高尔夫球俱乐部在不搅动太多的情况下供电。
电子外壳和智能手机框架面临着不同的挑战：它们必须保持足够的僵硬，以保护抓地或掉落时的细腻组件，但要稍微弯曲以避免开裂。工程师使用Young的模量预测薄金属或聚合物壳会在日常力量下弯曲多少，从而确保较小的弹性变形不会损坏屏幕或内部电路。
制造商通常会检查Young的模量，以确保材料符合其规格。在批处理验证中，将钢筋，塑料颗粒或复合板的样品在拉伸测试中拉出，以测量它们的僵硬。如果刚度（E）比预期值低约5％，则可能表明合金混合物，塑料固化过程或污染中的问题 - 因此，在制作零件之前，整个批次可能会被拒绝。
为了进行非破坏性评估，公司使用超声波而不是切除样品。传感器通过管道，导轨或锻造发出声波，并测量波速v。
工程师可以当场计算刚度。这种快速的在线检查会尽早发现缺陷，节省了时间并避免了昂贵的失败。
现代工程依靠计算机模型来查看零件或结构在建造之前的表现。在有限元分析中，该软件将设计分解为数千个小块，并利用每种材料的刚度（Young的模量，E）来预测这些碎片如何在真实世界载荷下弯曲，拉伸或振动。准确的E值意味着该模型将显示出逼真的下垂，压力“热点”和自然振动频率 - 助图工程师尽早发现问题并设计更安全的产品。
除了检查强度外，设计人员还使用拓扑优化来塑造零件，以最大程度的重量以最大程度的刚度。计算机以一块材料开始，并以E为指导，可以删除承载负载所需的任何东西。结果通常是一种轻巧，有机的结构，可提供最高的性能，而无需过多的材料。
实际上，Young的模量是一种内在的材料特性，如果您切割，弯曲或重塑金属，塑料或复合材料，则永远不会改变。例如，由与实心杆相同的钢制成的I光束不会具有更高的E值，但是其“ I”形状显着增加了弯曲电阻，因为更多的材料距离中性轴（在横截面内的线路，在弯曲过程中遇到零应力）。这种几何效果来自光束的惯性时刻，而不是杨氏模量的变化。当工程师尺寸尺寸的梁，板或管子时，它们将材料的E（以了解每个平方毫米的刚性）与该部分的惯性矩（知道如何分布刚度）。这些因素在一起，使它们设计出载有重载的结构，而不会过多下垂或弯曲。
正如Young的模量（E）在张力或压缩下测量材料的刚度一样，剪切模量（G）也表达了其对变形（剪切）变形的抵抗力 - 想象扭曲金属杆：您施加的扭矩会产生一个角度的扭曲。同时，批量模量（K）量化了材料如何抵抗均匀的压缩，就像在各个方向挤压橡胶球并测量其体积变化一样。这三个都描述了弹性行为，但以不同的“载荷模式”：轴向（E），扭转或剪切（G）和体积（K）。
由于各向同性材料在所有方向上都可以预见，因此这三个模量通过泊松比（ν）链接在一起，该因素告诉材料时，伸展时材料“凸起”的材料多少。一旦知道E，G，K或ν的任何两个，您就可以计算其他，确保模型始终捕获张力，剪切和压缩：
刚度是材料在负载下弹性变形的少量变形。非常僵硬的材料（高E）在服务载荷下几乎不会弯曲。但是，仅靠刚度并不能告诉您该材料是否可以不破裂而承受高负载，也不会在失败之前吸收多少能量。
强度描述了材料在永久变形（屈服强度）或断裂（UTS最终拉伸强度）之前可以承受的最大应力。强大的材料抵抗了高负载，但突然可能仍然明显变形（如果不是很僵硬）或突然破裂（如果不是很艰难）。
韧性结合了强度和延展性 - 这是每卷A材料在破裂前吸收的总能量（应力 - 应变曲线下的面积）。坚韧的材料可以既有高应力又大变形，而不会造成灾难性的影响。然而，即使是非常艰难的材料，如果其强度适中，也可能相对灵活（低刚度）或无法支撑很大的负载。
| 财产 | 它的衡量 | 如何量化 | 典型的单元 | 与他人的关系 |
| 刚性 | 抵抗弹性变形 | Youngs Modulus，e | GPA（N/m²） | 高刚度≠高强度或韧性 - 仅控制偏转 |
| 力量 | 屈服或骨折之前的最大压力 | 产量强度；终极拉伸强度（UTS） | MPA（N/m²） | 高强度≠高刚度或韧性 - 控制能力 |
| 韧性 | 裂缝前吸收能量 | 应力 - 应变曲线下的区域；冲击测试 | J/m³ | 高韧性需要强度和延展性 - 控制能量吸收 |
了解Young的模量对于选择正确的材料，预测结构行为以及优化行业的设计至关重要。无论您是通过快速的3D打印而进行原型型，还是要扩展到完整的生产，精确的材料刚度知识都确保了性能，安全性和成本效益。 Chiggo提供了广泛的制造能力，包括3D打印，CNC加工以及其他增值服务，满足您的所有原型制作和生产需求。访问我们的网站以了解更多信息或要求免费报价。
从日常的家居用品到高性能的工业组件，塑料制造有助于塑造我们周围的世界。这些组件的各种形状和功能是使用一系列制造工艺制成的，包括注入成型，塑料挤出，3D打印等。这些方法在塑料部分生产中有什么区别，哪种方法（或组合）最适合您的项目？预算，零件设计，塑料材料和生产量只是选择塑料制造方法时出现的一些因素。本文介绍了11种常见的塑料制造方法，解释了它们的工作方式，益处，局限性和典型应用。
聚酰胺是所有包含酰胺键的聚合物的一般项。尼龙最初是杜邦（Dupont）为工业和消费者应用开发的合成聚酰胺PA6和PA66的商标。尽管尼龙是聚酰胺的子集，但两个术语并不完全可互换。在本文中，我们将探讨聚酰胺和尼龙之间的关系，并详细比较其关键特性和性能。 什么是聚酰胺？ 聚酰胺（PA）是一类高分子量的聚合物，其重复单元与酰胺（-co-NH-）键相连。聚酰胺可以是天然的或合成的。天然聚酰胺包括羊毛，丝绸，胶原蛋白和角蛋白。合成聚酰胺可以分为三类： 脂肪族聚酰胺（PA6，PA66，PA11，PA12）：非常适合通用工程。他们平衡力量，韧性，耐磨性和以合理的成本处理易于处理。 芳族聚酰胺（例如Kevlar®和Nomex®）：最适合极端性能。像Kevlar®之类的Para-aramids具有出色的拉伸强度和切割的电阻，而Nomex®之类的元弧菌则以固有的火焰抗性和热稳定性而珍贵。它们很昂贵且不融化，因此零件形状和制造路线更有限。 半芳族聚酰胺（PPA，PA6T，PA6/12T）：针对高温工程。它们在升高的温度下保持刚度和尺寸，并很好地处理许多汽车液。它们可以进行融化处理（注入/挤出），但在较高的熔体温度下运行，需要仔细干燥。成本位于脂肪族PA和芳香虫之间。 它们具有增加的结晶度，良好的热和耐化学性，并且由于分子链之间的氢键而引起的水分吸收趋势，尽管这些特性的程度因类型而变化很大。它们的机械性能（拉伸强度，弹性模量，断裂时伸长）与链刚度和结晶性紧密相关：这些材料越高，材料的更硬且越强，但也越脆。较低的值会导致更柔软，更坚固的材料。 聚酰胺的普通等级 以下是最常见的合成聚酰胺等级，其关键特性和典型应用的摘要。 年级通用名称单体碳计数聚合拉伸强度（MPA）弹性模量（GPA）熔化温度（°C）HDT（°C，干，1.8 MPa）吸收水分（％） @50％RH耐化学性PA6尼龙6（合成）Caprolactam（ε-Caprolactam）6开环聚合60–751.6–2.5220–22565–752.4–3.2（〜9–11％饱和） 良好的油/燃料耐药性；对强酸/碱敏感PA66尼龙6,6六甲基二胺 +脂肪酸6+6缩聚70–852.5–3.0255–26575–852.5–3.5（约8–9％饱和） 与PA6相似，抗溶剂抗性稍好PA11基于生物的聚酰胺11-氨基酸酸11自调50–65 1.2–1.8185–19055–651.5–2.0优异的耐化学性，盐喷雾，耐燃料PA12长链聚酰胺Lauryl lactam12开环聚合45–551.6–1.8178–18050–600.5–1.0类似于PA11；出色的耐化学性PA46高温聚酰胺四甲基二氨酸 +脂肪酸4+6缩聚80–1003.0–3.5〜295160–1702.0–3.0（饱和时较高） 出色的高为高温，油和耐磨性凯夫拉para-aramidp-苯基二胺 + terephathaloyl氯化物 - 缩聚3000-360070–130没有融化；分解> 500°C 保留最大〜300°C的性能；分解> 500°C 3–7（水分恢复 @65％RH） 对大多数化学物质的抵抗力；紫外线敏感 如何识别聚酰胺 您可以通过简单的动手测试来快速筛选聚酰胺 - 开始进行燃烧测试（它们融化，然后用黄色的蓝色火焰燃烧，散发出类似芹菜的气味，并留下坚硬的黑色珠子）或热针测试（它们用相同的气味柔软地柔软地软化）。请注意，PA6/PA66（密度约1.13–1.15 g/cm³）沉入水中，而PA11/PA12（≈1.01–1.03 g/cm³）等长链等级可能会漂浮在水中或稀释酒精。对于确定的实验室ID，请使用FTIR光谱检测特征性N – H伸展（〜3300cm⁻为）和C = O strave（〜1630cm⁻⁻），并使用DSC确认熔点（PA12≈178°C，PA6≈215°C，Pa666 ≈26〜26〜26Y≈2600°C）。 什么是尼龙？ 尼龙是合成聚酰胺最著名的子集。实际上，当人们在塑料或纺织品中说“聚酰胺”时，几乎总是指尼龙型材料。 最广泛的商业广告尼龙 - 像尼龙6，尼龙6/6，尼龙11和尼龙12一样，是脂肪族聚酰胺。他们的半晶微观结构和牢固的氢键结合使它们具有强度，韧性，耐磨损性以及良好的热量和耐化学性能的一般工程。它们可以通过多种传统制造和添加剂技术来处理多功能且可靠，使其成为长期以来的主食工程塑料。 如何识别尼龙 总体而言，用于鉴定尼龙和聚酰胺的方法（在现场和实验室中）基本相同。主要区别在于，尼龙等级需要更精确的标准才能准确区分。在实验室环境中，差异扫描量热法（DSC）通常用于测量熔点并查明特定等级。密度测试提供了一种将长链尼龙（PA11/PA12）与短链尼龙（PA6/PA66）分开的快速方法。当需要进一步确认时，可以应用诸如X射线衍射（XRD）或熔体流速（MFR）分析之类的技术，以更高精度将6系与11/12系列材料区分开。 聚酰胺和尼龙的常见特性 “聚酰胺”和“尼龙”通常可以互换使用，尽管尼龙只是一种类型的聚酰胺。本节详细介绍了他们的共同属性。 组成和结构 聚酰胺的特征是在其主链中重复酰胺（-co-NH-）键，但可以从许多单体中合成。脂肪族聚酰胺是由直链单元（例如ε-丙二酰酰胺，六甲基二胺与脂肪酸或11-氨基酸苯甲酸）建造的，而芳香族芳香族将刚性芳族掺入链中。单体的选择和聚合方法决定了链的柔韧性，结晶度和氢键密度，这反过来影响机械强度，热稳定性以及对油，燃料和许多化学物质的耐药性。 尼龙是由窄单体组制成的脂肪族聚酰胺的子集。常见的尼龙等级包括PA6，由ε-丙二烯酰胺和PA6,6制成的PA6，由用脂肪酸冷凝六甲基二胺产生。它们均匀的链条段和牢固的氢键创建了一个半晶网络，可提供拉伸强度，韧性，耐磨性和适度耐热性的平衡组合。 熔点 聚酰胺（包括尼龙的）熔点由四个主要因素决定：单体化学结构，结晶度，氢键密度和链柔韧性。通常，更多且定期间隔的氢键和更高的结晶度提高了熔化温度。相反，破坏晶体形成的柔性链节降低了熔点。例如，在178–180°C左右融化的长链，低结晶聚酰胺，例如PA6和PA6/6之间的常见尼龙和大约215°C和265°C之间的常见尼龙，以及刚性芳香族聚酰胺（例如Kevlar）在大气压下不融化，而在大气压力下则融化，而不是在高于50000000000000000000000000000000000000000°乐的压力下。 拉伸力量和韧性 通常，尼龙提供了强度和韧性的平衡组合，而其他聚酰胺提供了更广泛的性能调整。在高强度端，诸如Kevlar®之类的芳香芳烃达到了纤维抗拉的强度，高达约3.6 GPa（〜3600 MPa），并在弹道影响下具有excel能量吸收。另一方面，PA11和PA12（PA12）的长链脂肪族聚酰胺一些拉伸强度（〜45-60 MPa）以获得出色的延展性和高影响力。常见的尼龙（PA6和PA6,6）位于中间，提供约60–85 MPa的干抗拉强度和平衡的冲击电阻，使其成为承受负载，耐受耐受耐受性的零件的流行选择。 戴阻力 […]
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 […]
عربي
عربي
中国大陆
简体中文
United Kingdom
English
France
Français
Deutschland
Deutsch
नहीं
नहीं
日本
日本語
Português
Português
España
Español
