Wytrzymałość, sztywność i twardość - jaka jest różnica?

Wytrzymałość

Wytrzymałość jest miarą odporności materiału na trwałe odkształcenia lub całkowite pęknięcie pod wpływem naprężeń. Mocne materiały są w stanie wytrzymać duże uderzenia i są w stanie wchłonąć i rozprowadzać duże ilości energii bez pękania. Elastyczność materiału nie wpływa negatywnie na jego wytrzymałość, ponieważ nawet najbardziej korzystne materiały odporne na pękanie są technicznie bardzo mocne, nie są szczególnie wytrzymałe.

W metalach wytrzymałość można zwiększyć na kilka sposobów. Hartowanie można wykonać w celu dokręcenia i wzmocnienia krystalicznej struktury metalu, a odpuszczanie może być stosowane w celu usunięcia wszelkich napięć osłabiających w metalu. Odpuszczanie jest często stosowane w celu usunięcia naprężeń spowodowanych podczas hartowania. Komponenty, takie jak śruby z głowicą ze stali hartowanej 12,9, są zarówno hartowane, jak i hartowane, aby zapewnić optymalne właściwości mechaniczne.

Wytrzymałość mierzy się na kilka sposobów - dwa z najczęstszych pomiarów to wytrzymałość na rozciąganie i granica plastyczności:

• Wytrzymałość plastyczności - wielkość siły, jaką materiał może wytrzymać podczas ciągnięcia z przeciwnych stron bez trwałego odkształcenia.
• Wytrzymałość na rozciąganie - wielkość siły, jaką materiał może wytrzymać po wyciągnięciu z przeciwnych stron bez całkowitego złamania. Znany również jako ostateczna wytrzymałość na rozciąganie.

Sztywność

Sztywność, zwana również sztywnością, jest miarą elastyczności i reprezentuje odporność materiału na trwałe odkształcenia. Sztywność jest ściśle związana z wytrzymałością, ale różni się tym, że kruche materiały mogą być sztywne, ale nie mocne, a bardziej miękkie metale ciągliwe, takie jak ołów, mogą być mocne, ale nie sztywne. Sztywność to odporność materiału na zginanie, podczas gdy wytrzymałość jest odpornością materiału na pękanie.

Sztywność mierzy się poprzez znalezienie modułu Younga określonego materiału. Moduł Younga mierzy się poprzez podzielenie naprężenia działającego na materiał przez odkształcenie, któremu ulega.

Twardość

Twardość jest odpornością materiału na odkształcenia powierzchni. Twardsze powierzchnie są poddawane większym naprężeniom wewnętrznym i mają tendencję do zwiększania kruchości, często opierając się na nieutwardzonym materiale wewnętrznym ze względu na ich wytrzymałość konstrukcyjną. Ponieważ twardość jest jedynie odpornością na odkształcenia powierzchni, często poprawia się ją tylko na poziomie powierzchni, ponieważ zabiegi, które znacznie zwiększają twardość rdzenia, mogą również powodować kruchość. Twardość często można łatwo zmienić za pomocą obróbki powierzchni, takiej jak utwardzanie lub poszycie.

Twardość jest mierzona na wiele różnych sposobów. Jedną z najczęstszych metod jest wcięcie, które oblicza siłę wymaganą do pozostawienia wciętego znaku na powierzchni materiału. Dostępne są różne typy testerów twardości do pomiaru w różnych skalach twardości:

• Skala Brinella - Pierwszy standaryzowany test twardości. Wykorzystuje stosunkowo duże sferyczne wgłębienie, które może mierzyć nierówne powierzchnie.
• Skala Rockwella - Wykorzystuje wgłębienie stożkowe lub kuliste. Mniej destrukcyjny i szybszy niż skala Brinella.
• Skala Vickersa - wykorzystuje kwadratowe wgłębienie piramidy do odczytu o wysokiej dokładności.
• Skala durometru brzegowego - wykorzystuje szereg kształtów wgłębień dla różnych twardości. Często stosowany do gumy i tworzyw sztucznych.

Związek między wytrzymałością, sztywnością i twardością

Wytrzymałość, sztywność i twardość są ważnymi czynnikami przy wyborze idealnego materiału do zastosowania. Różne zalety każdego atrybutu powinny być starannie przemyślane przy każdym zastosowaniu, ponieważ jedna cecha często wiąże się kosztem drugiej, a materiały, które łamią tę zasadę, takie jak diament, są rzadkie i często są niezwykle cenne właśnie z tego powodu.

Na przykład szczególnie delikatny materiał szkła jest mało prawdopodobnym faworytem w niektórych wysokowydajnych zastosowaniach cięcia. Ogromna twardość powierzchni szkła pozwala na obróbkę go w znacznie ostrzejszym i twardszym punkcie niż metalowe alternatywy, co czyni go korzystnym materiałem w zastosowaniach, w których jego zalety przeważają nad negatywnymi, a wytrzymałość nie jest jedynym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę. Te super ostre punkty, które są typowe dla ekstremalnej twardości powierzchni szkła, są również powodem, dla którego szkło tworzy tak niebezpieczne odłamki po rozbiciu. Twarde (ale bardzo kruche) skalpele ze szkła wulkanicznego są obecnie stosowane w niektórych z najbardziej wymagających zastosowań, takich jak mikrochirurgia, gdzie bardziej miękkie (ale mocniejsze) metalowe narzędzia nie przecinają się tak czysto w tkanki miękkie.

Mam nadzieję, że ten artykuł wzbudził Twoją ciekawość dotyczącą materiałów - jeśli chcesz dowiedzieć się więcej - ten film z Real Engineering oferuje świetny podkład: