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剪切模量，有时称为刚性模量，是一种基本材料特性，可在受剪切力时测量材料的刚性。用日常的话来说，它描述了一种物质在与另一部分平行滑动时塑造变化的耐药性。在本文中，我们将解释什么是剪切模量，计算方式以及与其他弹性模量的比较以及现实世界工程示例的比较。 什么是剪切模量？ 在图中，将块固定在底部，同时平行于顶表面施加力F。该力导致水平位移ΔX，块变形为倾斜的形状。倾斜角θ表示剪切应变（γ），它描述了形状的变形程度。 剪切应力（τ）是施加的力除以表面积A的作用：力的作用： τ= f / a 剪切应变（γ）是水平位移与块高度的比率： γ=ΔX / L（对于小角度，弧度中的θ≈γ） 剪切模量（g）有时用μ或s表示，可以测量材料对这种类型的失真的耐药性。它被定义为剪切应力与剪切应变的比率： g =τ /γ=（f / a） /（Δx / l）=（f·l） /（a·Δx） 在SI系统中，剪切模量的单位是Pascal（PA），它等于每平方米牛顿一个（N/m²）。由于Pascal是一个很小的单元，因此实心材料的剪切模量通常很大。因此，工程师和科学家通常在Gigapascals（GPA）中表达G，其中1 GPA =10⁹PA。 剪切模量值 下表显示了常见材料的典型剪切模量值： 材料剪切模量（GPA）铝26–27黄铜35–41碳钢79–82铜44–48带领5–6不锈钢74–79锡〜18钛（纯）41–45具体的8–12玻璃（苏打石）26–30木材（道格拉斯冷杉）0.6–1.2尼龙（未填充）0.7–1.1聚碳酸酯0.8–0.9聚乙烯0.1–0.3橡皮0.0003–0.001钻石480–520 这些数字显示了刚性有多少材料。金属倾向于在数十千兆内的剪切模量。陶瓷和玻璃的范围相似，而混凝土却低一些。塑料通常大约1 GPA或更少。甚至更柔软的是橡胶和弹性体，仅在巨型范围内具有剪切模量。在最顶部，钻石达到了数百个千斤顶，是最僵硬的材料之一。 具有高剪切模量的材料强烈抵抗变形或扭曲。这就是为什么钢和钛合金在桥梁，建筑物和飞机框架等结构中至关重要的原因。它们的刚度可防止横梁和紧固件在重载下弯曲或剪切。玻璃和陶瓷虽然脆弱，但也受益于相对较高的模量。它可以帮助他们在镜头和半导体晶圆等应用中保持精确的形状。钻石具有很高的剪切模量，即使在大力下，也几乎没有弹性应变。这就是为什么钻石切割工具保持锋利的原因。 另一方面，当灵活性是一个优势时，选择具有低剪切模量的材料。橡胶和其他弹性体用于振动阻尼器，密封件和地震底座隔离器，因为它们的柔软度使它们可以轻松剪切并吸收能量。聚合物（例如聚乙烯或尼龙）在柔韧性和强度之间取得了平衡，这就是为什么它们被广泛用于轻质结构和耐冲击的部分。即使是木材等天然材料也会显示出强烈的方向差异：在整个谷物上，其剪切模量也远低于其沿谷物，并且建筑商需要考虑到这一点，以免在剪切力下裂开。 剪切模量计算 可以使用不同的测试方法来确定剪切模量G，并且选择取决于材料以及您是否需要静态还是动态值。对于金属和其他各向同性固体，一种常见的方法是在杆上或薄壁管上进行静态扭转测试。扭转角与施加扭矩的斜率给出了G。ASTME143指定了结构材料的室温程序。 对于动态测量，可以使用扭转摆：测量样品 - 质量系统的振荡周期，并将其与（复杂的）剪切模量相关联。 ASTM D2236是描述这种塑料方法的旧标准。 对于纤维增强的复合材料，使用V-网状方法（例如ASTM D5379（iosipescu））和ASTM D7078（V-Notched Rail剪切）获得了平面内剪切模量。 ASTM D4255（轨道剪切）也广泛用于聚合物矩阵复合材料。 请注意，ASTM A938是用于评估扭转性能的金属线的扭转测试（例如延性）；它不是确定G的标准方法。 有时G不会直接测量G，而是根据其他数据计算得出的。用于各向同性材料杨的模量e和泊松的比例ν， g = e 2 （（ 1 + […]

当工程师谈论“压力”时，它们的意思与考试焦虑或工作压力截然不同。在这里，压力是材料中每单位区域的内力。伸展橡皮筋或在拔河船上拉绳子，您会看到拉伸压力在作用中，这种压力使材料在负载下伸长。 在本文中，我们解释了什么是拉伸应力，它与压力应力和拉伸强度，关键公式以及chiggo如何将这些考虑因素纳入现实世界制造业的方式有何不同。 什么是拉伸压力？ 拉伸压力描述了当您尝试将其拉开时材料的反应。它导致材料沿施加载荷的轴伸长。正式地，它被定义为施加的力除以垂直于该力的横截面区域。 拉伸应力与压力应力 拉伸应力与压缩应力相反。当力起作用伸展或延长物体时，会发生拉伸应力，而当力挤压或缩短后，会发生压力。想象一下坚固的金属条：两端拉动，并且会遇到拉伸压力，略微拉长。将两端推动，好像试图沿其长度粉碎它，并且棒会遇到压力，缩短或凸起。 这些应力也可以同时在结构的不同部分发生。例如，当人或机器在混凝土地板板上移动时，平板的顶部表面被推入压缩，而底部表面则以张力拉伸。如果底部的拉伸应力太高，则可能会出现裂缝 - 这就是为什么工程师将钢筋放在那里抵抗张力的原因。 拉伸应力与拉伸强度 拉伸应力材料在给定时刻所经历的负载是每单位面积的力。它会根据施加力而升高和下降。抗拉强度相比之下，是固定材料的特性，它是材料在产生或断裂之前可以应付的最大拉伸压力。 实际上，工程师不断比较两者。如果零件中的实际拉伸应力保持在其拉伸强度以下，则该零件将略微伸展但保持完整。如果压力超过强度，则会发生故障。这就是为什么设计始终包括安全余量，确保现实压力远低于所选材料的已知强度的原因。 拉伸应力公式 拉伸时，拉伸应力在其拉伸时测量内力。它以一个简单的公式计算： σ= f / a 在哪里： σ=拉伸应力（在Pascals，MPA或PSI中） F =施加力（纽顿或磅） a =横截面区域（以mm²或英寸为单位） 这个方程告诉我们拉力的集中力量。较高的负载或较小的横截面会产生较高的应力。例如，悬浮在细线上的相同重量会产生比厚电缆上的压力要大得多。这就是为什么工程师大小的电缆，杆或横梁以保持压力远低于所使用材料的安全限制的原因。 但是，尽管这种公式给了我们压力的数值，但并未揭示材料本身将如何响应。它会突然突然折断，永久弯曲还是弹簧回到原始形状？为了回答这一点，工程师依靠压力 - 应变曲线。 了解应力应变曲线 为了创建应力 - 应变曲线，将测试标本（通常是Dogbone形）放置在拉伸测试机中。机器握住各端，并逐渐将它们拉开，将样品拉伸至破裂。在此过程中，连续测量施加的应力和所得应力（相对于原始长度的长度变化）。 将结果用X轴的应变绘制，并在Y轴上的应力。在此曲线上，可以识别几个关键点： 弹性区域 起初，压力和应变是成比例的。这是弹性区域，其中胡克定律适用（σ=e猛）。该线性部分的斜率是弹性模量（Young的模量），一种刚度的度量。在该区域中，一旦卸下负载，材料将返回其原始形状。 产量点 随着加载的增加，曲线从直线偏离。这是产量点，弹性行为结束，塑性（永久）变形开始。除此之外，即使卸下负载，材料也不会完全恢复其原始形状。 终极拉伸强度（UTS） 曲线持续向上进入塑料区域，达到峰值。这个最高点是最终的拉伸强度（UTS），它代表材料在颈部（局部变薄）开始之前承受的最大压力。 断裂点 在UTS之后，曲线随着样品颈的倾斜而向下倾斜，无法再承担那么多的负载。最终，材料在断裂点断裂。对于延性材料，由于颈部，骨折的应力通常低于UTS。对于脆性材料，裂缝可能会突然发生在弹性极限附近，而塑性变形很小。 拉伸压力的实际应用 在材料被拉，悬挂或拉伸的任何情况下，拉伸压力决定了它是否可以安全地承担负载或是否会失败。以下是一些关键应用程序和示例： 桥梁和建筑 想想悬挂桥，例如金门桥 - 悬挂在塔之间的巨大钢电缆处于恒定的拉伸压力下，支撑道路和车辆的重量。工程师为这些电缆选择高强度的钢，以便他们可以处理重负荷以及诸如风或地震等额外的力量而不会失败。现代建筑也巧妙地使用了紧张。例如，在预应力的混凝土中，钢质肌腱被嵌入并拉伸，以便梁可以安全地处理载荷。 电缆，绳索和链条 许多日常系统还直接依赖拉伸压力。以电梯为例：其钢电缆处于恒定的张力，不仅承载汽车的重量，而且还带有加速或停止时的额外力。起重机以相同的原理运行，使用高应答电缆安全地抬起和移动重载。即使在像吉他这样简单的东西中，拉伸压力也会发挥作用 - 越紧手起来钉子，琴弦的张力越大，这会使音高提高，直到推到太远的话，琴弦最终会破裂。 机器和螺栓 在机械工程中，拉伸应力同样重要。通过稍微拉伸飞机或汽车发动机工作中的螺栓和螺钉 - 由此产生的拉伸应力会产生将零件固定在一起的夹紧力。如果螺栓的压力过高（拧紧时扭矩过多或使用过多的负载），它可能会产生和失败，可能导致机器分开。这就是为什么螺栓通过表明其产量和拉伸强度的等级进行评分的原因，以及为什么将临界螺栓拧紧到指定的紧张局势的原因。 […]

想一想金属汤匙。如果您在手柄上轻轻按下，它会弯曲一点，但放手后立即弹回。不过，更努力地推动，勺子会永久弯曲。那时，您已经超越了汤匙的屈服强度。在本文中，我们将探讨屈服强度的含义，与相关思想（如拉伸强度和弹性限制）进行比较，以及为什么在现实世界中它很重要。我们还将研究影响强度和常见材料的典型值的因素。 什么是屈服强度？ 屈服强度是材料开始永久变形的应力水平。简而言之，这是材料停止反弹（弹性行为）并以无法完全逆转的方式弯曲或伸展的点。在屈服强度以下，当您卸下力时，材料恢复为原始形状（就像弹簧可以追溯到其长度）。超过屈服强度，材料永远改变了：它已经屈服了，这意味着它已经经历了塑性变形。 为了更好地理解这一点，让我们分解两个关键术语：压力和压力。应力是将力施加到材料除以其横截面区域的材料，或仅仅是材料内部力的强度。您可以将其视为压力，但压力描述了内部反应而不是外部推动。应变是材料在响应中的变化多少，计算为长度的变化除以原始长度。当我们策划压力抵抗压力时，我们会得到一个应力 - 应变曲线这显示了材料随着负载的增加的表现。 在应力 - 应变曲线的早期，材料的行为表现：压力和应变是成比例的（根据Hooke定律的直线），一旦去除负载，材料就会恢复其原始形状。该区域的末端是弹性限制 - 占地，某些变形仍然是永久性的。屈服强度标志着从弹性行为到塑性行为的转变，并定义了可逆变形和不可逆变形之间的边界。 对于许多延性金属，例如低碳钢，这种过渡是逐渐而不是锋利的。为了始终定义屈服强度，工程师经常使用0.2％的偏移方法：他们绘制一条平行于曲线弹性部分的线，但变为0.2％应变。该线相交曲线的点被视为屈服强度。这提供了一种实用，标准化的方法，即使不存在明显的产量点，也可以测量屈服强度。 屈服强度与拉伸强度 正如我们所定义的那样，屈服强度是材料开始永久变形的压力。拉伸强度（通常称为终极拉伸强度（UTS））是材料破裂之前可以承受的最大压力。一旦达到该点，材料将不再承担额外的负载，并且很快就会裂缝。 两者都描述了材料对压力的反应，但它们代表不同的限制：屈服强度标志着永久变形的开始，而拉伸强度则标志着断裂点。例如，在拉动钢棒时，它首先会弹性伸展。超越屈服强度，并实现永久伸长率。继续前进，直到达到拉伸强度为止，杆最终将抢购。 在实践设计中，工程师更多地专注于产量强度，因为组件必须保持功能，而不会造成持久损坏。拉伸强度仍然很重要，但通常标志着失败条件永远不会在服务中发生。 除拉伸强度外，屈服强度还经常与其他两个概念相混淆： 弹性极限：弹性极限是材料可以承受的最大应力，一旦去除负载，仍将完全返回其原始形状。低于此极限，所有变形都是弹性和可逆的。在许多情况下，弹性极限非常接近屈服强度，因此两者通常被视为相同。尽管弹性极限标志着精确的物理边界，但屈服强度提供了标准化的工程值，可以始终如一地测量并用于安全设计。 比例极限：该术语来自应力 - 应变曲线的线性部分。比例限制是遵循胡克定律的压力和压力直接比例增加的点。它通常发生在弹性极限和屈服强度之前。在这一点之外，曲线开始弯曲 - 尽管材料仍然具有弹性，但这种关系不再是完美的线性。 影响力强度的因素 屈服强度无法保持固定 - 它可以根据几种物质和环境因素而改变。这是一些最常见的： 材料组成（合金元素） 金属的构成对其产量强度产生了重大影响。在金属中，添加合金元素可以使它们变得更坚固。例如，当添加碳，锰或铬等元素时，钢的强度也会增强 - 尽管碳也更脆。铝合金从铜，镁或锌等元素中获得强度。这些添加物在金属内部产生了微小的障碍，从而阻止了位错运动（塑性变形的原子级载体），从而提高了强度。简而言之，金属的“食谱”可以使弯曲更难或更容易。这就是为什么苏打中的铝易于柔软而柔软的，而飞机机翼中的铝（与其他金属混合在一起）具有更高的屈服强度。 晶粒尺寸（微观结构） 通常，较小的晶粒意味着更高的强度，这是霍尔 - 格什关系描述的趋势。原因是晶界充当脱位运动的障碍，因此更细的谷物会产生更多的障碍，并使金属更强壮 - 到达一点点。冶金学家通过控制的固化或热机械处理来完善晶粒尺寸。例如，许多高强度的钢和超合金用非常细的晶粒设计以最大化屈服强度，而晶粒非常大的金属往往更容易产生。 热处理 金属加热和冷却的方式可以改变其结构，从而改变其屈服强度。退火（缓慢加热和冷却）软金属，降低其屈服强度，并通过缓解内部应力来使其更具延展性。淬火（在水或油中快速冷却）将结构锁定到坚硬的，压力的状态，大大提高了屈服强度，但也使金属变脆。为了恢复平衡，淬灭通常是回火，一个适度的加热步骤，可改善韧性。 通过选择正确的热处理，制造商可以根据应用使金属更难或更柔软。例如，对弹簧钢进行处理以达到高屈服强度，因此它可以弯曲而不会变形，而钢丝首先要退火以易于塑形，然后再加强。 制造过程（冷工作） 如何机械处理材料也可以改变其屈服强度。冷工作（在室温下变形金属，例如冷滚动或冷图）通过称为工作硬化的机制提高了强度。当您将金属变形时，您会在其晶体结构中引入错位和纠缠，这使得进一步变形更加困难 - 实际上，金属随着变形而变得更强壮。这就是为什么在热卷（不工作）条件下，冷滚动钢通常比同一钢具有更高的屈服强度。 温度和环境 根据经验，大多数金属在高温下会失去屈服强度。热使金属变软，因此可以用较小的力变形。在非常低的温度下，有些材料变得更加脆弱。它们塑性变形的能力降低了，因此尽管屈服应力在技术意义上可能会增加，但它们比产量更有可能破裂。 诸如腐蚀或辐射等环境因素也会降解材料。腐蚀会产生凹坑或减少横截面区域，从而有效减少结构在屈服之前可以承受的负载。例如，生锈的钢梁在载荷下可能会产生的厚度比未腐蚀的束较低，因为其有效厚度会降低，并且来自锈蚀的微裂缝会浓缩压力。 产量不同材料的强度 应力 - 应变曲线提供了一种简单的方法来比较不同材料对负载的反应方式。在上图中，我们可以看到四个典型的行为。随着压力的增加，每个反应都不同，其屈服强度反映了这些差异。 脆性材料：脆性材料，例如玻璃或陶瓷，几乎没有塑性变形。他们沿着几乎直线直线直至突然断裂。他们的屈服强度非常接近他们的最终力量，因为他们并没有真正“屈服” - 它们中断。 强但不是延性材料：某些材料（例如高强度钢）可以承受高应力，但显示有限的延展性。它们具有很高的屈服强度，这意味着它们可以很好地抵抗永久性变形，但是在破裂之前并没有伸展太多。 […]

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 […]

延展性是材料科学中的一个基本概念，它解释了为什么某些材料（例如金属）会在压力下显着弯曲或伸展，而另一些材料突然突然会弯曲。在本文中，我们将解释什么是延展性，如何测量，为什么重要以及哪些因素影响它。 延展性的定义 延展性是材料在断裂前张力造成塑性变形的能力。简而言之，可以将延性材料拉长很长的路，而无需捕捉 - 考虑将铜拉入电线中。相比之下，像玻璃这样的脆性材料几乎没有变形后倾向于破裂或破碎。在材料科学中，塑性变形是形状的永久变化。这与弹性变形不同，弹性变形是可以恢复的。延展性与可塑性密切相关，但更具体：可塑性是在任何模式（张力，压缩或剪切）下永久变形的一般能力，而延展性则是指张力的能力。 从原子的角度来看，许多金属的高延展性来自非方向金属粘结以及允许脱位移动的滑移系统的可用性。施加压力后，脱位滑行使金属晶体可容纳塑性应变，因此金属通常弯曲或拉伸而不是断裂。相比之下，陶瓷和玻璃具有定向离子或共价键，并且滑动非常有限，因此在张力下，它们在明显的塑料流动之前倾向于破裂。但是，并非所有金属在室温下都是延性的（例如，某些BCC金属，高碳钢和金属玻璃杯可能相对脆），并且加热玻璃弯曲的玻璃弯曲主要是由于其玻璃转换温度以上的粘性流量，而不是金属式耐耐耐高压。 测量延展性 拉伸测试是量化延展性的最常见方法：标本以单轴张力加载到骨折中，延展性据报道是休息时伸长率的百分比和降低面积的百分比。 休息时伸长百分比（a％） 骨折时量规长度的百分比增加：a％=（lf -l0）/l0×100％，其中l0是原始量规长度，而LF是断裂时的最终长度。较高的A％表示拉伸延展性更大。 减少面积百分比（RA％） 裂缝位置的横截面的百分比降低：RA％=（A0 - AF）/A0×100％，其中A0是原始面积，AF是休息时的最小面积。大的RA％反映出明显的颈部和强烈的颈后延展性。 （对量规长度不太敏感；对于非常薄的纸张而言并不理想。） 这两种措施通常是拉伸测试的一部分。例如，可以描述钢样品的伸长率20％，而在休息时降低了60％的面积 - 表明延性行为。相比之下，脆性陶瓷可能仅显示1％的伸长率，而本质上可能显示出0％的面积减少（几乎没有变薄）。伸长率和降低越大，材料的延展性就越大。 可视化延展性的另一种方法是在应力 - 应变曲线上，这是从拉伸测试获得的图。绘制应力（相对变形）的应力（每单位面积）。此曲线上的要点包括： 杨的模量（E）：线性弹性区域的斜率；刚度的度量。 屈服强度（σᵧ）：塑性变形的发作（通常由0.2％偏移方法定义时，当不存在尖锐的屈服点）。 最终的拉伸力量（UTS）：最大工程压力。超越标本的脖子；断裂发生后期，通常处于较低的工程压力下。 断裂点：标本最终破裂的地方。 延性材料（蓝色）与脆性材料（红色）的代表性应力应变曲线 延性材料的曲线在屈服后显示长塑料区域，表明它可以在骨折前保持较大的应变。相比之下，脆性材料的曲线在屈服点附近结束，几乎没有塑料区域。总而言之，在工程应力 - 应变图（对于规定的规格长度）上，延展性反映了裂缝的总应变 - 延性材料的长时间，脆性材料的较短。但是，明显的断裂应变取决于所选的量规长，一旦颈部开始定位，颈部开始定位，因此工程曲线不是颈后延展的直接衡量。因此，规格通常在休息时报告百分比伸长率（a％）以及降低面积百分比（RA％）。 延展性和延展性有什么区别？ 延展性是一种材料在不破裂而伸展张力的能力。我们以拉伸测试的伸长百分比或减少面积来量化它。如果可以将金属吸入电线，则是延展性的。锻造性是一种材料在压缩方面变形的能力（不开裂，可以锤击，滚动或压入纸板）；我们通过弯曲/扁平/拔罐测试或减小厚度可以耐受多少判断。 实际上：黄金，铜和铝都是高度延展且可延展的（非常适合电线和纸板）。铅非常具有延展性，但仅适中延展性（易于滚动成薄片，较差，作为细丝）。镁在室温下的延展性有限，而锌在变暖时会更具延展性。为了制造制造，选择延性合金用于绘画，深度拉伸和下拉的功能；选择可延展的合金滚动，冲压和锻造，在压缩占主导地位的地方。温度和晶体结构移动两个特性。快速规则：延展性=张力/电线；锻造性=压缩/表。 为什么延展性很重要 延展性是制造性和服务安全性安全背后的安静主力。在工厂中，它允许将金属卷成纸板，将其拉入电线并锻造而不会破裂。在现场，它使组件能够吸收能量，重新分配应力并在失败前提供警告。 制造的延性材料 高延展性通常意味着一种材料是可行的：它可以锻造，滚动，绘制或挤出成各种形状而不会破裂。低延展性（脆性）意味着该材料很难变形，并且更适合于铸造或加工等过程（在材料不强迫塑料形状过多地改变形状）之类的过程中。 锻造和滚动：这些过程通过锤击（锻造）或在掷骰（滚动）之间将固体金属变形为形状。延性金属耐受涉及的大塑料菌株。实际上，钢板/开花被热卷成薄板，板和结构形状，例如I光束，铝很容易被伪造成组件 - 金属在压缩载荷下流动。相比之下，像铸铁这样的脆性合金倾向于在沉重的变形下破裂，因此通常通过铸造到近网状形式来形状。 挤出和电线/栏绘图：挤出将金属推动通过模具制作长而恒定的截面产品。电线/条形图将固体库存通过模具降低直径。两者都依靠塑料流。可以将延性合金（例如铝，铜和低碳钢）挤出到试管和轮廓（例如窗框，热水链截面）中，并将其抽入细线。在加工温度下没有足够的延展性的材料倾向于检查或裂缝，这就是为什么玻璃或陶瓷不会以固态挤出/绘制的原因；他们的纤维是融化的。 深图：深色绘图形成轴对称的杯子和罐，并用拳头迫使薄板进入模具；法兰向内进食，而墙壁略微稀薄。足够的延性可防止分裂和皱纹。铝饮料罐头是经典的例子。 薄板金属弯曲和冲压：车身面板和外壳的一般弯曲和冲压需要延展性，以避免边缘裂纹和橙色 - 薄荷伸展时。钢制和铝等级是针对形成性量身定制的，因此可以将复杂的形状（例如，汽车引擎盖）盖章而不会故障。 金属3D打印（AM）：延展性仍然很重要。当然的零件（尤其是来自激光粉床融合（LPBF））可以显示出由于细，质感的微观结构，残留应力和孔隙率而显示出降低的延展性。压力缓解和热等静止压力（髋关节），然后经常进行轻热处理，恢复延展性并降低开裂风险；然后，TI-6AL-4V和ALSI10MG等合金可以提供有用的服务延展性。 现实世界应用的延性材料 延展性不仅是实验室指标，还直接影响现实世界结构，车辆和设备的性能。这就是为什么它在工程和设计中重要的原因： 防止突然失败并提高安全性：延性材料逐渐失效：它们在断裂前产生和吸收能量，提供可见的警告并允许负载重新分配。在建筑物中，这就是为什么结构钢受到青睐的原因 - 超负荷的梁会弯曲而不是捕捉。钢筋混凝土遵循相同的逻辑：嵌入式钢钢筋增加延展性，因此成员可以在地震需求下弯曲而不是分开。 影响（地震和碰撞应用）中的能量吸收：在动态载荷下，延展性将影响能量变成塑料工作。钢框通过屈服来消散地震力，并以钢或铝折叠的汽车碎区域的控制方式以受控的方式降低机舱减速。现代人体结构平衡强度与延展性（例如DP/Trip Steels），并且航空航天Al/Ti合金保留足够的延展性，以造鸟，加压和冷soak耐受性。 […]