Прочность

Способность материала поглощать энергию и пластически деформироваться без разрушения

В материаловедении и металлургии , ударная вязкость — это способность материала поглощать энергию и пластически деформироваться без разрушения. ^[1] Ударная вязкость — это прочность, с которой материал противостоит разрыву. Одно из определений ударной вязкости материала — это количество энергии на единицу объема, которое материал может поглотить до разрыва . Эта мера ударной вязкости отличается от той, которая используется для ударной вязкости , которая описывает способность материалов противостоять разрушению. ^[2] Ударная вязкость требует баланса прочности и пластичности . ^[1]

Прочность и сила

Прочность связана с площадью под кривой напряжение-деформация . Чтобы быть прочным, материал должен быть как прочным, так и пластичным. Например, хрупкие материалы (например, керамика), которые прочны, но имеют ограниченную пластичность, не являются прочными; наоборот, очень пластичные материалы с низкой прочностью также не являются прочными. Чтобы быть прочным, материал должен выдерживать как высокие напряжения, так и высокие деформации. В общем, прочность показывает, какую силу может выдержать материал, в то время как прочность показывает, какую энергию материал может поглотить до разрыва.

Математическое определение

Прочность можно определить путем интегрирования кривой напряжения-деформации. ^[1] Это энергия механической деформации на единицу объема до разрушения. Явное математическое описание: ^[3]

${\tfrac {\mbox{энергия}}{\mbox{объем}}}=\int _{0}^{\varepsilon _{f}}\sigma \,d\varepsilon$

где

$\varepsilon$ это напряжение
$\varepsilon _ {f}$ это напряжение при отказе
$\сигма$ это стресс

Если верхний предел интегрирования до предела текучести ограничен, то энергия, поглощенная на единицу объема, известна как модуль упругости . Математически модуль упругости может быть выражен как произведение квадрата предела текучести, деленного на два модуля упругости Юнга. То есть,

Модуль упругости = ⁠Предел текучести ²2 (модуль Юнга)⁠

Испытания на прочность

Прочность материала можно измерить с помощью небольшого образца этого материала. Типичная испытательная машина использует маятник для деформации надрезанного образца определенного поперечного сечения. Высота, с которой упал маятник, за вычетом высоты, на которую он поднялся после деформации образца, умноженная на вес маятника, является мерой энергии, поглощенной образцом, когда он деформировался во время удара маятником . Испытания на ударную вязкость по Шарпи и Изоду с надрезом являются типичными испытаниями ASTM , используемыми для определения вязкости.

Единица прочности

Прочность на растяжение (или энергия деформации , U _T ) измеряется в джоулях на кубический метр (Дж·м ⁻³ ) или, что эквивалентно, в ньютон-метрах на кубический метр (Н·м·м ⁻³ ) в системе СИ и в дюйм- фунт-силах на кубический дюйм (дюйм·фунт-сила·дюйм ⁻³ ) в общепринятых единицах США :

1,00 Н·мм ⁻³ ≃ 0,000 145 дюйм·фунт-сила·дюйм ⁻³
1,00 дюйм·фунт-сила·дюйм ⁻³ ≃ 6,89 кН·мм ⁻³ .

В системе СИ единицу прочности на растяжение можно легко рассчитать, используя площадь под кривой напряжение-деформация ( σ – ε ), которая дает значение прочности на растяжение, как указано ниже: ^[4]

U _T = Площадь под кривой напряжение-деформация ( σ – ε ) = σ × ε
U _T [=] F/A × ΔL/L = (Н·м ⁻² )·(безразмерная величина)
U _T [=] Н·м·м ⁻³
U _T [=] Дж·м ⁻³

Самый прочный материал

Сплав, состоящий из почти равных количеств хрома , кобальта и никеля (CrCoNi), является самым прочным материалом, обнаруженным на сегодняшний день. ^[5] Он устойчив к растрескиванию даже при невероятно низких температурах, близких к абсолютному нулю. Он рассматривается как материал, используемый в строительстве космических кораблей. ^[6]

Смотрите также

Ссылки

^ abc "Toughness", Центр ресурсов образования NDT, Брайан Ларсон, редактор, 2001–2011, Сотрудничество в области образования NDT, Университет штата Айова
^ Аскеланд, Дональд Р. (январь 2015 г.). Наука и инженерия материалов. Райт, Венделин Дж. (Седьмое изд.). Бостон, Массачусетс. п. 208. ИСБН 978-1-305-07676-1. OCLC 903959750.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
^ Soboyejo, WO (2003). "12.3 Зона вязкости и процесса разрушения". Механические свойства конструкционных материалов. Марсель Деккер. ISBN 0-8247-8900-8. OCLC 300921090.
^ Балкан, О.; Демирер, Х. (2010). «Механические свойства композитов на основе изотактического полипропилена, наполненных стеклянными шариками и волластонитом, модифицированных термопластичными эластомерами». Полимерные композиты . 31 (7): 1285– 1308. doi :10.1002/pc.20953. ISSN 1548-0569.
^ Ковнер, Алия (8 декабря 2022 г.). «Поздоровайтесь с самым прочным материалом на Земле». Новости из Berkeley Lab . Berkeley Lab . Получено 4 сентября 2024 г.
^ Sparkes, Matthew (14 декабря 2022 г.). «Самый прочный материал — это сплав хрома, кобальта и никеля». New Scientist . Получено 18 марта 2023 г.

[NDT-1] "Toughness", Центр ресурсов образования NDT, Брайан Ларсон, редактор, 2001–2011, Сотрудничество в области образования NDT, Университет штата Айова

[2] Аскеланд, Дональд Р. (январь 2015 г.). Наука и инженерия материалов. Райт, Венделин Дж. (Седьмое изд.). Бостон, Массачусетс. п. 208. ИСБН 978-1-305-07676-1. OCLC 903959750.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )

[3] Soboyejo, WO (2003). "12.3 Зона вязкости и процесса разрушения". Механические свойства конструкционных материалов. Марсель Деккер. ISBN 0-8247-8900-8. OCLC 300921090.

[4] Балкан, О.; Демирер, Х. (2010). «Механические свойства композитов на основе изотактического полипропилена, наполненных стеклянными шариками и волластонитом, модифицированных термопластичными эластомерами». Полимерные композиты . 31 (7): 1285– 1308. doi :10.1002/pc.20953. ISSN 1548-0569.

[5] Ковнер, Алия (8 декабря 2022 г.). «Поздоровайтесь с самым прочным материалом на Земле». Новости из Berkeley Lab . Berkeley Lab . Получено 4 сентября 2024 г.

[6] Sparkes, Matthew (14 декабря 2022 г.). «Самый прочный материал — это сплав хрома, кобальта и никеля». New Scientist . Получено 18 марта 2023 г.