六个常见的材料强度测试

材料强度在决定材料在不同应力和条件下的表现方面起着关键作用.

无论您是在设计建筑物, 机器零件, 或整个结构, 了解材料在外力作用下的表现至关重要.

不同类型的材料测试用于测量不同种类的强度, 每个测试都有一个独特的目的.

以下是六种常见的材料强度测试, 强调他们的方法论, 关键测量, 和申请.

1. 拉伸测试

拉伸试验是评估材料机械性能最广泛使用的方法之一, 尤其是它们承受拉伸或拉力的能力.

该测试涉及对材料样品施加逐渐增加的拉伸载荷 (通常形状像哑铃) 直到它破裂.

通过记录施加的负载, 弹性模量, 产生强度, 抗拉强度, 延性, 应变硬化特性, 杨的模量, 泊松比可以计算.

测试是使用拉力试验机进行的, 也称为万能试验机 (UTM).

测量的关键参数:

• 产生强度: 材料开始塑性变形的应力点 (永久变形). 例如, 用于低碳钢, 屈服强度通常约为 250 MPA.
• 最终的拉伸强度 (UTS): 材料断裂前能承受的最大应力.
  钢, 例如, 可能有一个UTS范围从 400 MPA到 700 MPA 取决于合金.
• 弹性模量 (杨的模量): 弹性区内应力与应变之比, 指示材料刚度. 对于钢材, 杨氏模量通常为 200 GPA.
• 伸长: 材料断裂前长度增加的百分比. 高伸长率材料, 例如球墨钢, 可以延长超过 10% 失败之前.

拉伸测试对于结构部件所用材料至关重要, 例如金属, 塑料, 和复合材料.
它提供了有关材料在实际应用中在张力下如何表现的宝贵数据, 从桥梁电缆到飞机部件.

2. 压缩测试

压缩测试评估材料承受压缩力（推动或挤压材料的力）的能力.
该测试对于脆性材料特别有用, 比如混凝土, 陶瓷, 还有一些金属.

在本次测试中, 将材料样品放入压缩试验机中, 施加载荷直至材料变形或失效.

测量的关键参数:

• 抗压强度: 材料在发生失效之前可以承受的最大压缩载荷.
  例如, 混凝土的抗压强度通常为 20-40 MPA, 而高强混凝土可以超过 100 MPA.
• 抗碎强度: 脆性材料在压缩下断裂的点.
  这与陶瓷或铸件等材料相关, 与延性材料相比，它可能在相对较低的压缩力下破裂.

压缩测试在建筑和土木工程中尤其重要, 混凝土和钢柱等材料的设计旨在支撑巨大的载荷.

该测试确保材料能够承受重型结构载荷而不会失效.

3. 疲劳测试

疲劳测试对于承受循环或重复载荷的材料至关重要, 例如在机械中发现的, 汽车组件, 和飞机.

材料通常可以承受高水平的应力，但在重复的加载和卸载循环下可能会失效.

在疲劳测试中, 材料会受到重复的应力循环直至最终失效.

该测试模拟真实世界的条件, 随着时间的推移，零件会受到负载波动的影响, 例如汽车发动机零件或飞机发动机涡轮叶片.

测量的关键参数:

• 疲劳强度: 材料在失效前可以承受给定循环次数的最大应力.
  例如, 汽车零部件中的钢部件的疲劳强度可能约为 250 MPA.
• 信噪比曲线 (压力与. 循环次数): 该曲线绘制了所施加的应力与材料在失效前可以承受的循环次数之间的关系.
  钛合金等材料因具有高疲劳强度而闻名, 使它们适合航空航天应用.

疲劳测试对于部件承受周期性应力的行业至关重要, 包括汽车, 航天, 和制造业, 零件需要承受数百万次负载循环而不会出现故障.

4. 扭转测试

扭转测试测量材料承受扭转或旋转力的能力. 材料一端固定, 并在另一端施加扭矩, 导致它扭曲.

该测试可以深入了解材料的剪切强度, 塑性变形特性, 和对旋转应力的响应.

测量的关键参数:

• 剪切力: 材料抵抗剪切力的能力. 例如, 钢的剪切强度通常约为 300 MPA, 而铝等较软的材料可能具有较低的剪切强度.
• 扭转模量: 材料的抗扭曲能力, 这有助于确定轴等旋转部件所用材料的整体刚度.
• 塑性变形: 材料断裂前永久扭曲或变形的程度.
  延展性材料在失效前会经历显着的扭曲, 而脆性材料在发生少量变形后很快就会失效.

扭转测试对于评估轴等部件所用材料至关重要, 螺栓, 以及在机械中承受旋转力的管道, 汽车, 和航空航天应用.

5. 缺口断裂测试

缺口断裂测试是一种专门的冲击测试，主要用于评估焊接接头的强度.

在焊接区域创建一个小凹口, 然后用冲击力撞击样品.

断裂通常发生在焊接接头处，材料断裂的方式可以表明焊接质量.

测量的关键参数:

• 焊缝强度: 这衡量了焊接接头在冲击下抵抗断裂的能力. 坚固的焊缝将表现出最小的断裂和最大的能量吸收.
• 影响韧性: 材料在失效前吸收能量的能力. 高韧性材料即使在恶劣条件下也能抵抗脆性断裂.

该测试对于依赖焊接来保证结构完整性的行业至关重要, 比如造船业, 建造, 和管道制造.

6. 蠕变测试

蠕变测试评估材料在长时间恒定负载下如何变形, 特别是在高温下.

对于长期承受应力的材料, 例如发电厂或航空发动机, 了解蠕变行为至关重要.

在测试期间, 材料在高温下承受恒定的应力, 和变形量 (蠕变) 随着时间的推移而测量.

测量的关键参数:

• 蠕变率: 材料在应力作用下随时间变形的速率. 喷气发动机中使用的超级合金等材料通常具有非常低的蠕变率，以确保高温下的性能.
• 蠕变力量: 材料在高温持续应力下抵抗变形的能力.
• 时间温度转变 (TT) 曲线: 该曲线显示温度和时间如何影响材料的蠕变速率.

蠕变测试在涡轮机等高温应用中尤其重要, 引擎, 和反应堆, 材料必须承受长期的热应力和机械应力而不发生故障.

结论

这六项强度测试——拉伸, 压缩的, 疲劳, 扭转, 缺口, 和蠕变——提供关于材料在不同类型的应力下如何表现的重要见解.

每个测试都有一个独特的目的, 是否评估材料的抗拉能力, 压缩, 循环应力, 扭转力, 或高温变形.

通过这些测试了解材料的优点和缺点, 工程师在为特定应用选择材料时可以做出更明智的决定.

确保安全, 耐用性, 和跨行业的可靠性.

 

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