材料科学课程辅导---了解材料特性和影响

理解材料的不同行为对于设计的成功至关重要。概括材料行为的一组描述被称为材料性质。令人惊讶的是，在非常相似的材料中可能存在很大的差异!例如，5052铝和7075铝，这两种特定的铝合金，至少有87%相同的材料，但7075铝几乎强度是5052铝的三倍!

一、材料密度

密度是一个相当直接的性质，它是单位体积的重量。这意味着所讨论的材料制成的标准尺寸的物体有多重。通常以磅每立方英寸(lb/in3)或磅每立方英尺(lb/ft3)来表示。一个立方英寸是一个正好一英寸一边的立方体所占据的空间(即体积)，类似地，立方英尺是一个一边一英尺的立方体。

大多数人都听过这个谜语："1磅的羽毛和1磅的砖头哪个重?"密度是在这个谜语中被玩弄的关系，因为羽毛比砖头要稀疏得多，因此占用更多的体积(空间)。

从实际角度看，密度及其与重量的关系使得它在重量重要的情况下至关重要。任何需要飞行、浮动、移动或对重量敏感的设计都应将密度作为材料决策过程的一部分。

举个例子，考虑普通钢和6061铝。6061铝的屈服强度和极限强度相似，但密度几乎是3倍，这使得6061铝具有更高的强度重量比。

密度决定了物体是否浮在水上或下沉。如果一个物体比水密度更大，它会像上面玻璃中的钢一样下沉。如果一个物体的密度小于水，它会浮起，就像松木一样。这两个物体大小相同，但密度改变了它们与水的相互作用方式。

二、材料强度

在接下来的部分中，我们将定义不同的材料强度限制。然而，首先需要通用地定义材料强度，作为理解以下部分的基础。材料强度是指结构抵抗负荷的能力。本质上，它是在材料中发生某种破裂的应力水平。应力简单地定义为力与面积(力/面积)，类似于压力。

举个应力的例子，考虑一个气球。如果用裸手施加20磅的力到一个气球上，什么也不会发生。然而，如果甚至是刀子的刀尖施加了一小部分的力到同一个气球上，它就会爆炸。手将力分散到较大的面积上，从而降低了压力。相反，刀子将所有的力集中在一个锐利的点上，使压力大大增加，因为力只施加在一个非常小的区域上。这是应力对世界产生影响的完美示范。

三、疲劳强度

材料疲劳是一个相当复杂的主题。材料疲劳是零件由于多次加载和卸载零件，换句话说，多次对零件施加力并取力的失败。每个循环都会损坏零件，最终零件会失败。

这的经典例子是回形针。如果一根回形针被弯成一根直线，然后反复折叠，最终它会在反复弯曲的地方破裂。这种故障模式就是疲劳。就材料性质而言，疲劳强度是可以忍受一定数量循环的应力水平。循环次数越多，疲劳强度就越低，直到达到无限寿命的疲劳应力值。我们材料页面上列出的疲劳强度是无限寿命循环的。以下是有关2024铝材料详情的示例。

考虑到疲劳强度，需要考虑以下因素：设计需要承受多少个循环?负载是否一致，还是波动到更高或更低的负载水平?负载是否反向方向，还是始终在同一方向上?所有这些因素都有助于确定设计的疲劳寿命。

从实际角度看，如果预计设计将经历少于1,000个加载周期，那么疲劳就不是太大的问题。拉伸强度(屈服)

屈服强度被定义为在没有力增加的情况下的拉长。从实际角度来看，这是当塑性变形开始发生时，或部件的形状发生永久性改变时。考虑之前概述的同一回形针。如果轻轻将它弯曲并放在纸上，它会弹回到最初的形状，这是弹性变形，还没有达到屈服点。将弹性变形视为橡皮筋和它们如何伸展然后回到原来的形状。然而，如果回形针被弯曲得太远，它将永久地采取新的形状，并且不会恢复到原来的形状。这种永久性变形是塑性变形，或称为屈服，与弹性变形相反。

从实际角度来看，屈服通常被认为是零件的失败。大多数设计师寻求避免屈服，因为它往往会削弱零件，并将零件设计成永远不会经历屈服应力水平。

海马课堂专业课程辅导做出以下新改变啦：
⏩试听课全面升级，不满意退50%，
⏩课程辅导产品升级，赠送考前保障呦
⏩辅导不满意可以随心退！
海马课堂，3500+严选硕博学霸师资，针对学生的薄弱科目和学校教学进度，匹配背景相符的导师，根据学生情况进行1V1专属备课，上课时间灵活安排，中英双语详细讲解课程中的考点、 难点问题，并提供多方位的课后辅导，辅助学生掌握全部课程知识，补足短板。