חומרים מדע יסודות: הבנת התנהגות חומרית בקונטקסטים בעולם האמיתי

מבוא למדע חומרים: הקרן להנדסה מודרנית

מדע החומרים מייצג משמעת קריטית שמגבשת עקרונות מדעיים בסיסיים עם יישומים הנדסיים מעשיים, בוחנת כיצד חומרים שונים מתנהגים, מבצעים, וניתן לייעל עבור אינספור שימושים בעולם האמיתי.מסמארטפונים בכיסים שלנו לגשרים שאנו חוצים מדי יום, ממטוסים המתפתלים דרך השמיים ועד שתלים רפואיים מצילים חיים, חומרים שבסיסם כמעט כל היבט של הציוויליזציה המודרנית.

הבנת התנהגות חומרית אינה רק פעילות אקדמית - חיוני למהנדסים, מעצבים וחוקרים שצריכים לבחור חומרים מתאימים ליישומים ספציפיים, לחזות כיצד חומרים אלה יבצעו בתנאים שונים, ולחדש חומרים חדשים הדוחקים את גבולות מה שניתן מבחינה טכנולוגית. מהנדסים בכל התחומים חייבים להיות בעלי ידע על חומרים לבחור את המעמד המתאים של חומרים עבור רכיבים מעוצבים שלהם ולהבין את ההשלכות של פגמים חומריים על ייצור.

מדריך מקיף זה חוקר את המושגים הבסיסיים של מדע החומרים, חדור לתוך סיווג חומרי, מבנה אטומי, התנהגות מכנית, שיטות בדיקה, ואת הגורמים הסביבתיים המשפיעים על ביצועים חומריים.אם אתה סטודנט מתחיל את המסע שלך במדע, מהנדס המבקשים להעמיק את ההבנה שלך, או פשוט סקרן לגבי החומרים המעצבים את העולם שלנו, מאמר זה מספק את הידע חיוני כדי להבין איך חומרים מתנהגים בהקשרים אמיתיים.

הבנה של סיווג חומרי: ארבעת הקטגוריות הראשוניות

חומרים סולידריות כבר סווגו באופן קונבנציונלי לסיווגים בסיסיים: מתכות, קרמיקה ופולימרים, עם תרכובות המייצגות קטגוריה מרכזית רביעית.חומרים יכולים להיות מסווגים על בסיס המבנה שלהם, תכונותיהם (כימיקלים, פיזיים ומכניים), או מקורם הגיאולוגי או תפקוד ביולוגי.מערכת סיווג זו מספקת מסגרת להבנת המאפיינים הבסיסיים המגדירים כל רמה חומרית ומדריכים חומריים ליישומים ספציפיים.

מתכת: כוח, התנהגותיות ו Versatility

מתכת הם מאוד טוב מוליך חשמל וחום, אינם שקוף לאור גלוי, משטח מתכת מלוטש יש מראה מעורר תשוקה.נכסים אלה נובעים מהמבנה האלקטרוני הייחודי של חומרים מתכתיים, שבו אלקטרונים אינם קשורים לאטומים בודדים אלא נעים בחופשיות לאורך כל המבנה החומרי.

מתכות טהורות מאופיינות על ידי סידור אטומי אחיד שלהם והם בדרך כלל קניונים כי שכבות אטומיות שלהם יכול בקלות להחליק אחד את השני כאשר כוח מוחל, בעוד ⁇ הם תערובת שבו אטומים בגודל שונה לשבש את הסדר הרגיל הזה, מה שהופך אותם חזקים יותר באופן משמעותי וקשה יותר על ידי שיבוש תנועת שכבת אטומית.זה הבדל יסודי מסביר מדוע ⁇ כגון פלדה, ברונזה, ופליז יש בעיקר מתכות טהורות ביישומים מבניים.

חומרים מתכתיים נפוצים כוללים ברזל, אלומיניום, נחושת, טיטניום, ניקל, כל אחד מציע יתרונות נפרדים. Iron ו ⁇ שלה (steels) לספק כוח יוצא דופן והם בשימוש נרחב בבנייה וייצור. אלומיניום מציע יחס חיובי כוח עד משקל, מה שהופך אותו אידיאלי עבור אווירוקל יישומים רכב. copper מוליכים אותו חיוני במערכות חשמל, בעוד שילוב של טיטן של כוח חיובי, צפיפות נמוכה, והפך את הדחיסות ביולוגית גבוהה.

Ceramics: High-Temperature Performance and Hardness

Ceramics הם בדרך כלל החומרים המתפתלים ביותר עם רלוונטיות תעשייתית, וקרמיקה רבים ומשקפיים להראות קוהנס או ionic-covalent להתחבר עם SiO2 (Slica) כבלוק בנייה יסודי. קרמיקה מסורתית כוללים חומרים כגון כורח, לבנים וזכוכית, אבל קרמיקה מודרנית התרחבה הרבה מעבר יישומים קונבנציונליים אלה.

קרמיקה מודרנית מכילה מגוון רחב בהרבה של רכיבים ויכולה להיות מסווגת כמו תחמוצות קרמיקה (מבוסס על תחמוצות מתכת כגון אלומיניום, zirconia, ו beryllia) או לא קרמיקה (מבוסס על מאגרי מתכת כגון סיליקון carbide ו tungsten carbide, או nitrides כמו סיליקוןtride ו nirontride), וכל אלה הם טמפרטורות קשות, קרמיקה, טמפרטורות גבוהות מאוד.

למרבה הצער, קרמיקה היא גם די מתפתלת, נוטה לפצח או לפרוץ תחת לחצים שיגרמו למתכות להתכופף או לדנט, ולכן אתגר גדול לחומרים מדענים הוא לנצל את התכונות הרצויות של קרמיקה תוך מציאת דרכים להפחית את הבירות שלהם.למרות המגבלה הזאת, קרמיקה מוצאת שימוש נרחב ביישומים הדורשים יציבות, חבות עמידות, וכימיקליות, כולל חיתוך, כלים אלקטרוניים, רכיבים רפואיים, רכיבים.

חומרים קלים וחומרים קלים

פולימרים כוללים את חומרי הפלסטיק והגומי המוכרים, שרבים מהם תרכובות אורגניות המבוססות על פחמן, מימן ואלמנטים לא-מטאלייקים אחרים, ויש להם מבנים מולקולריים גדולים מאוד, לעתים קרובות כמו שרשרת בטבע עם עמוד השדרה של אטומים פחמן.אדריכלות מולקולרית זו מעניקה פולימרים המאפיינים שלהם של גמישות, צפיפות נמוכה וקלות עיבוד.

פולימרים הם חומרים מסווגים לשלוש קטגוריות: פולימרים טבעיים (לדוגמה צלולוז, עמילן, כותנה, משי, גומי טבעי) ופולימרים סינתטיים למחצה (כגון ניילון, PVC ואחרים) את הגמישות של פולימרים הובילה לאימוץ הנרחב שלהם בכל ענף, מאריזות וטקסטיל ועד רכיבי רכב ומכשירים רפואיים.

בשל המאפיינים וההתאמה של פולימרים, הם משמשים בתחומים רבים כולל תרופות ורפואה, ביישומים תעשייתיים כגון פלסטיק, דבקים, טנקים, חומרי אריזה, צינורות, צינורות עץ, ורוחות רוח עבור מטוסים, והם משמשים בתעשיות כגון תעופה, מכוניות, אלקטרוניקה, וכן כאבני בניין.

חומרים Composite: שילוב הטוב ביותר של עולמות מרובים

חומרים Composite הם תערובת של שני חומרים או יותר, עם חומרים מורכבים ביותר המורכבים המורכבים של ממלא נבחר או חומר מחוזק ומכונת שרף תואמים כדי להשיג מאפיינים ספציפיים ונכסים הרצויים, ובדרך כלל הרכיבים אינם מתמוססים אחד את השני, יכול להיות מזוהה פיזית על ידי ממשק בין הרכיבים.

בהתבסס על סוג חומר ממטריקס, מרוכבים מסווגים באופן רחב לתוך מרפלקסים פולימריים (PMCs), מסטרול מתכת (MMCs), ומדפלקסים ממטריקס קרמיקה (CMCs) כל סוג מציע יתרונות ייחודיים עבור יישומים ספציפיים.

החומרים הנפוצים ביותר המיוצרים בחומרים מורכבים בתעשייה הם מרסיסים פולימריים.חומרים אלה משלבים מטבוליות פולימר קל משקל עם סיבים גבוהים כמו פחמן, זכוכית, או aramid, וכתוצאה מכך חומרים המציעים יחסים יוצאי דופן במשקל כוח עד משקל. יישומים נעים בין מוצרי ספורט ופאנלים גוף רכב למבנים מטוסים ו להבים רוח.

Metal Matrix Composites (MMCs) הם חומרים מתקדמים המורכבים מתכת או מתכת סגסוגת ממטריקס התחזק עם סיבים, חלקיקים, או שטיפת חומרים קרמיקה או חומרים אחרים גבוה, ועל ידי שילוב התכונות הרצויות של מתכות עם הנוקשות יוצאת דופן, כוח, ולבוש התנגדות של חיזוקים, MMCs להציג ביצועים מעולים בהשוואה מתכות מסורתיות ⁇ .

מרגרמת צוואר הרחם של Ceramic מציעה עמידות עתירה גבוהה המאפשרת להם לשמור על כוח ויציבות אפילו בחום קיצוני (כלומר, הם משמשים רכיבים אווירוקל כמו להבים טורבינות ומגנים חום), הם קלים (הופך אותם אידיאליים עבור יישומים רגישים משקל כמו מטוסים וחללית), ואת ההתנגדות ללבוש שלהם קורוזיה להפוך אותם אידיאליים עבור רכיבים חשופים לסביבות קשות.

מבנה אטומי ו- Bonding: The Foundation of Materials Properties

הקשר הכימי והסידור האטומי (קריסטולוגרפיה) הם היסוד ללמוד את המאפיינים ואת ההתנהגות של כל חומר, ולקבל הבנה מלאה של המבנה החומרי וכיצד הוא מתייחס לתכונותיו, על מדען החומרים ללמוד כיצד אטומים שונים, ions ומולקולות מסודרים ומקשרים זה לזה.המבנה בקנה מידה אטומי של חומרים קובע כמעט את כל התכונות שלהם מקרוסקופיות.

מבנה קריסטל וחשיבותו

קריסטלוגרפיה היא המדע שבודק את סידור האטומים ב מוצקות גבישי והוא כלי שימושי עבור מדענים חומרים, עם אחד המושגים הבסיסיים להיות תא היחידה, שהוא היחידה הקטנה ביותר של מנוף גבישי שחוזר על עצמו כדי ליצור את המבנה קריסטל מאקרוסקופי.הבנת מבנים גבישיים הוא חיוני כי הם משפיעים ישירות על מכני, חשמלי, תרמי, ותכונות אופטיות.

ב גבישים בודדים, ההשפעות של סידור גבישי של אטומים הוא לעתים קרובות קל לראות מאקרו-קופי כי צורות טבעיות של גבישים משקפים את המבנה האטומי, ותכונות פיזיות נשלטות לעתים קרובות על ידי פגמים גבישיים, מה שהופך את ההבנה של מבנים גבישיים תנאי חשוב להבנת פגמים גבישיים.

דוגמאות של פגמים גבישיים מורכבים מפירוקים כולל הקצוות, ברגים, vacancies, בינתחומיות עצמיים, ועוד שהם ליניאריים, מתכננים, ושלוש סוגים של פגמים. פגמים אלה, בעוד פגמים לכאורה, לעתים קרובות לשחק תפקידים מכריעים בקביעת תכונות חומריות.למשל, התנועה של פירוק דרך מבנה הוא המנגנון העיקרי על ידי מתכות deformally, שליטה ופיזור חומרים הוא חיזוק חומרים מתכתיים.

סוגי אטומי בונדינג

סוג החיבור בין אטומים קובע באופן יסודי תכונות חומריות.חיבור מתכתי, המאופיין על ידי "ים" של אלקטרונים delocalized סביב ions מתכת חיובי, נותן מתכות אופייניות שלהם מוליכות חשמלית, מוליכות תרמית, ו ductility. Ionic אג"ח, מעורב המשיכה אלקטרוסטטית בין חומרים טעונים מנוגדים, מייצרת חומרים שהם בדרך כלל קשים וגלויים עם נקודות נמסות גבוהות, כגון אטומים, אך ורקמות, כאשר הם בעלי קשרים חזקים, אך הם לעתים קרובות, עם קרמיקה, אך ורקמות, כלומר, עם אטומים חזקים, אך ורקמות, עם אטומים, כאשר הם בעלי קשרים מגנטיים, כאשר הם בעלי קשרים חזקים, אך ורקמות, אך ורקמות, עם אטומים חזקים, הם בעלי קשרים עם אטומים, עם אטומים, עם אטומים, אך הם לעתים קרובות, עם קשרים עם קשרים עם קשרים עם קשרים עם קרמיקה, עם קשרים עם קשרים עם קשרים עם קשרים עם קשרים עם אטומים חזקים, אך ורקמות, עם אטומים, אך ורקמות, אך ורקמות, אך הם לעתים קרובות, אך הם לעתים קרובות, הם לעתים קרובות, עם קשרים מגנטיים, הם לעתים קרובות, אך ורקמות, עם קשרים

חומרים רבים מציגים סוגים של חיבור מעורב.לדוגמה, כמה קרמיקה מציגה אופי איטוני וקודיננטלי, בעוד פולימרים מסוימים עשויים להיות בעלי קשרים קוהרנטיים בתוך רשתות מולקולריות וכוחות ואן דר וואלים חלשים בין שרשראות.הבנת מנגנונים אלה הוא חיוני לחיזוי והסבר התנהגות חומרית בתנאים שונים.

מיקרו-מבנה ונכסים חומריים

מבנה חומרי כולל nanostructure, מיקרו-מבנה ומבנה בקנה מידה גדול יותר, בעוד תכונות כוללות כימיקלים, פיזיים, תרמיים, מכניים, אופטיים, חשמליים ומגנטיים.המיקרו-מבנה - סידור של שלבים, דגנים ופגמים ברמה מיקרוסקופית - משמר גשר בין מבנה אטומי ותכונות מקרוסקופיות.

גודל גרלין, למשל, משפיע באופן משמעותי על תכונות מכניות.גדלי דגנים קטנים יותר בדרך כלל מגבירים את העוצמה באמצעות מערכת יחסים המכונה אפקט הול-פטריך, שבו גבולות דגנים מזיזים את תנועת הפירוק.הפצה והמורפולוגיה של השלבים בחומרים רב-phase, כגון מבנה פניניט פלדה או חלוקת חיזוק בתרכובות, השפעה ביקורתית, קשיחות, ונכסים אחרים.

טכניקות עיבוד כגון טיפול חום, עבודה מכנית, והגשמה מהירה יכול לשנות באופן דרמטי מיקרו-מבנה וכתוצאה מכך, תכונות חומריות.מערכת יחסים זו בין עיבוד, מבנה ונכסים מהווה אחת הפרדיגמה המרכזית של מדעי החומרים והנדסה.

תכונות מכניות: הבנת התנהגות חומרית תחת מתח

תכונות מכניות משמשות כדי לעזור לסווג ולזהות חומרים, עם התכונות הנפוצות ביותר שנחשבות כח, דוקטריות, קשיחות, עמידות השפעה וקשידות שבר.נכסים אלה קובעים כיצד חומרים מגיבים לכוחות החלים והם קריטיים לתכנון הנדסי ובחירת חומרים.

מתח ושטרין: מושגי יסוד

מתח הוא הכוח החל חומר, מחולק על ידי האזור חוצה-שטח של החומר, בעוד זן הוא עיוות או עקירת חומר הנובע מלחץ יישומי. שני מושגים בסיסיים אלה מהווים את הבסיס להבנת התנהגות מכנית.

ישנם חמישה סוגים בסיסיים של טעינה: דחיסה, מתח, צריח, צבירה, ובריונות.כל סוג טעינה מייצר מצבי לחץ שונים בתוך חומר, והבנה כיצד חומרים מגיבים לתנאי הטעינה השונים הללו חיוניים לתכנון בטוח ויעיל.

הדרך הנפוצה ביותר לנתח את היחסים בין מתח וזן לחומר מסוים היא עם דיאגרמת הלחץ-האימון, המספקת מידע חשוב על כמה כוח חומר יכול לעמוד לפני עיוות קבוע או כישלון מתרחש. ייצוג גרפי זה משמש טביעת אצבע של התנהגות חומרית, חשיפת תכונות קריטיות ומאפיינים ביצועים.

The Stress-Strain Curve: A Roadmap of Materials

עקומת הלחץ היא הדרך הפשוטה ביותר לתאר את התכונות המכאניות של חומר ויכולה לספק מידע על כוח החומר, קשיחות, קשיחות, קשיחות, נוקשות, נוקשות, צניעות, ועוד.הבנת האזורים השונים והתכונות של עקומה זו היא יסוד לחומרים מדעיים.

השלב הראשון הוא האזור הליניארי אלסטי שבו הלחץ הוא פרופואלי למתח (בהתאם לחוק הוק) והמדרון הוא המודולולווס של יאנג, באזור זה החומר עובר רק עיוות אלסטי, וסוף הבמה הוא נקודת ההתקדשות של עיוות פלסטי. באזור זה אלסטי, עיוות הוא הפיכה - ממיר את העומס ואת החומר חוזר לממדים המקוריים שלו.

חומרים רבים מציגים יחסי מתח פרופואליים בין מתח ומתח עד לנקודה מסוימת המכונה הגבול היחס היחסי, מערכת העיכול של הלחץ הזה ידוע כחוק הוק, ואת המדרונות של עקומת הלחץ באזור זה נקרא "התגובות של גמישות" (המודולולוס של יאנג), שהוא למעשה מדד של נוקשות ואחד של גורמים המשמשים לחישוב חומר תחת השתקפות.

מעבר להיקף היחסי הוא הגבול האלסטי, שבו המעבר החומרי מהתנהגות אלסטית (שם כל עיוות עקב מתח יישומי הוא הפוך כאשר הכוח מוסר) להתנהגות פלסטית (שם עיוותים שנגרמו על ידי מתח נשארים גם לאחר הסרת הלחץ), ועבור חומרים רבים הגבול היחסי והגבול האלסטי הוא זהה או כמעט שווה.

השלב השני הוא אזור הדחק המסובך, שמתחיל כלחץ עובר מעבר לנקודה הניבה, להגיע מקסימום בנקודה הכוח האולטימטיבית, המהווה את הלחץ המקסימלי שניתן להמשיך ולקרא כוח רב-קרקעי האולטימטיבי (UTS) באזור זה, החומר עובר עיוות פלסטי קבוע, והחומר בדרך כלל מתחזק כמו עיוותים - תופעה ידועה כפועל קשה או קשה.

בנקודה שבה העקומה מתחילה ליפול, הגיעה עוצמת הבריונים האולטימטיבית של החומר, המצביעת על הלחץ המקסימלי שניתן ליישם בחומר במתח לפני שכישלון מתרחש.

אסטנסיות, פלסטיות ושחיתות

אם אתה מתח בהיר (deform) אובייקט, זה בדרך כלל לחזור לצורתו המקורית undeformed כאשר העומס הוסר (התנהגות חדשנית), אבל אם הלחץ הוא גבוה מספיק האובייקט יהיה לצמיתות deform (התנהגות פלסטית), ואת הגבול אלסטי על עקומת הלחץ הוא הנקודה שבה ההתנהגות של מתגי החומר מגמישות ועד פלסטיק, עם מתח וחזרה ל- אפס כאשר העומס הוא הסרת הלחץ הוא פחות מאשר הלחץ.

עיוות אלסטיאלי מתרחש באמצעות מתיחה הפוכה של אג"ח אטומי.כאשר הלחץ הוסר, אטומים חוזרים לעמדות שיווי המשקל שלהם ואת החומר מחלים את הצורה המקורית שלו.המודולולוסים האלסטיים, מדד של נוקשות, משתנה באופן נרחב בין חומרים - מ 1 GPa עבור פולימרים רכים ליותר מ -400 GPa ליהלומים.

עיוות פלסטי, לעומת זאת, כרוך בהקצנה קבועה של אטומים באמצעות מנגנונים כגון תנועה של פירוק בחומרים גבישיים או שרשרת ששילמה בפולימרים. ברגע שעיוות פלסטי מתרחש, החומר אינו יכול לחזור לצורתו המקורית פשוט על ידי הסרת העומס.הכוח מניב מסמן את המעבר מלהיות גמיש להתנהגות פלסטית ומייצג פרמטר עיצוב קריטי עבור יישומים נושאי עומס.

Fracture מייצג את מצב הכישלון האולטימטיבי שבו חומר מפריד לשניים או יותר חתיכות. Fracture יכול להיות דוקטרטרי (המוגדר על ידי עיוות פלסטי משמעותי) או מתפתל (התקבל עם מעט או ללא עיוות פלסטי) חומרים ניתן לחלק לשתי קטגוריות רחבות: חומרים דוקטריליים (כולל פלדה מבנית ומתכות רבות אחרות, מאופיין על ידי יכולתם להיכנע בטמפרטורות רגילות) וגלויים.

תכונות מכניות עיקריות Defined

(FLT:0)StrengthigthoverFLT:1: כוח הוא מדד ליכולתו של החומר להתנגד לעיוות ולתחזק את צורתו, והוא יכול להיות מוגדר במונחים של מתח מניב או כוח רביר האולטימטיבי. יישומים שונים עשויים לאשר אמצעי כוח שונים - כוח החל יישומים עבור שבו יש להימנע עיוות קבוע, או כוח מוחלט להבנת יכולת העומס המקסימלית.

(FLT:0) HardnessFLT:1: Hardness הוא מדד ליכולת החומר להתנגד לשיפוץ, לחסן וללבוש.Hardness test מספק שיטה מהירה, לא הרסנית לשליטה איכותית וזיהוי חומרי.

(FLT:0)DuctilityFLT:1: דוקטריות היא מדד ליכולתו של חומר להתפרע לפני הכישלון, וניתן לכמת באמצעות קריאת הערך של זן בנקודה השבירה על עקומת הלחץ או על ידי ביצוע ירידה של אחוזים בחישוב האזור.

(FLT:0)BrittleitiesFLT:1: Brittleness הוא מדד של חוסר יכולת של חומר להתפור לפני הכישלון והוא ההפך של דיקטטורות.

(FLT:0)ToughnessFLT:1: קשיחות חומרית יכולה להיות נחושה על ידי חישוב האזור תחת עקומת הלחץ-האימון ממבחן Tenile, עם יחידות של אנרגיה לנפח (ב-lb/in3), ונוקשות חומרית שווה לקליטה איטית של אנרגיה על ידי החומר.

Anisotropy and Directional Properties

רוב החומרים מבניים הם אנאיזוטרופיים, כלומר תכונות החומר שלהם להשתנות עם אוריינטציה, ואת הריאציות בנכסים יכול להיות עקב כיוון במבנה המיקרו (טקסט) מיצירת או פעולות עבודה קרות, ההיערכות מבוקרת של חיזוק סיבים ומגוון של גורמים אחרים.

Anisotropy בולטת במיוחד בחומרים עם מיקרו-מבנה כיוון.רגלי מתכת רולד לעתים קרובות להציג נקודות שונות בכיוון הגלגול מול הכיוון ההפוך.Sfi-reinforceds להראות תכונות שונות באופן דרמטי לעומת perpendicular to סיבים אוריינטציה עץ, תצוגות מורכבות טבעית, תכונות שונות מאוד לאורך הדגנים בהשוואה לגרגר.

הבנה וחשבונאות עבור anisotropy היא קריטית בעיצוב מהנדסים חייב לשקול כיוונים טעינה ביחס אוריינטציה חומרית ועשויה חומרים אונקטיביים כדי להתאים את הביצועים. במקרים מסוימים, anisotropy הוא הציג בכוונה באמצעות עיבוד כדי להשיג תכונות כיוון הרצוי.

שיטות בדיקה ואפיון

הקשר בין מתח וזן בחומר נקבע על ידי כפוף לדגימה חומרית לבחינת מתח או דחיסה, שבו כוח אקסקלי הולך וגובר מוחל על דגימת מבחן וההדה נמדדת ככל שהעומס גדל.מבחן הפורש הזה מייצג רק אחת משיטות רבות המשמשות לאפיון תכונות חומריות.

בדיקות Tensile

מבחן ה- Tenile הוא אולי המבחן המכאני הבסיסי ביותר בשימוש נרחב.דגימה סטנדרטית (בעיקר כלב בצורת כדי להבטיח שכישלון מתרחש במיקום ידוע) הוא מלוכד בשני הקצוות ונמשך בקצב מבוקר בעוד כוח וחיבור נמדדים כל הזמן.ממבחן יחיד זה, תכונות רבות ניתן לקבוע: מודולים גמישים, כוח נכנע, כוח רב עוצמה עילאי, ניתוק בטווח של הפסקה, והפחתה באזור.

נהלי בדיקות סטנדרטיים (כגון ASTM E8 למתכות) להבטיח התאמה ותאפשר השוואה של תוצאות במעבדות וחומרים שונים. Specimen Geo, קצב טעינה, טמפרטורה, תנאים סביבתיים נשלטים בקפידה כדי להשיג נתונים אמינים, דומים.

בדיקת המרירות

בדיקות הרדיות מודדות התנגדות של חומר לעיוות פלסטיק מקומי על ידי לחיצה על אינטנטנט עמוק לתוך פני השטח החומרי בתנאים מבוקרים. בדיקות קשיחות שונות להשתמש בגיאומטריה מואצת ועומסים. קשיחות רוקוול משתמשת קונוטציה או כדור indenter וצעדים indentation עומק. Brinell hardness משתמשת באמצעי פלדה או carbide קשיחים ובטראז'ר.

בדיקת הרדנס מציעה מספר יתרונות: זה מהיר יחסית, דורש הכנה מינימלית של דגימות, והוא למעשה לא הרסני (לחסוך רק רתיעה קטנה) מערכות יחסים אמפיריות לעתים קרובות לאפשר estimation של חוזק רבילי מערכים קשים, מה שהופך את בדיקות קשות עבור בקרת איכות ובדיקת שדה.

תוצאות בדיקות

בדיקות השפעה מודדות את היכולת של חומר לספוג אנרגיה במהלך שבר תחת שיעורי טעינה גבוהים.הבדיקות Charpy ו Izod הם הנפוצים ביותר, מעורבים פטיש עטורום להכות דגימה לא מכוונת.האנרגיה נספגת בשבר הדגימה מעידה על השפעה קשה.

בדיקות השפעה חשובות במיוחד עבור חומרים המשמשים יישומים שבהם טעינה פתאומית עלולה להתרחש, כגון רכיבי רכב, כלי לחץ, חברים מבניים באקלים קר.חומרים רבים מפגינים מעבר דוקטרילי-לברי בטמפרטורות נמוכות, ובדיקת השפעה יכולה לזהות את טווח הטמפרטורה שבו מתרחש המעבר הזה.

בדיקת עייפות

בדיקות עייפות להעריך התנהגות חומרית תחת טעינה מחזורית. מרכיבים רבים חווים טעינה חוזרת ו unloading במהלך השירות - כנפי כלי רכב מכווץ במהלך הטיסה, רכיבי השעיה לרכב להגיב לא סדירות הכביש, או הפעלת מכונות לחוות מתחים מחזוריים חומרים יכול להיכשל ברמות הלחץ היטב מתחת לחוזק האולטימטיבי שלהם כאשר נתון מיליוני מחזורי טעינה.

בדיקות עייפות בדרך כלל כרוכות ביישום עומסי מחזוריים במגוון רחב של מתחים, וספירת מספר המחזורים לכישלון. עקומת S-N וכתוצאה מכך (מתח מול מספר מחזורים) מאפיין התנהגות עייפות.חומרים מסוימים מציגים גבול עייפות - רמת מתח מתחת לרמה שבה עייפות לא תתרחש ללא קשר ספירת מחזור - בעוד אחרים מראים באופן קבוע עייפות עם ירידה בלחץ.

שיטות בדיקה לא הרסניות

שיטות בדיקה לא הרסניות (NDT) מאפשרות הערכה של חומרים ורכיבים מבלי לגרום נזק.טכניקות אלה הן בלתי מהימנות עבור בקרת איכות, בדיקה בשירות, וניתוח כשל.שיטות NDT נפוצות כוללות בדיקת קולית (באמצעות גלי קול לגילוי פגמים פנימיים), בדיקות רדיוגרפיים (באמצעות קרני רנטגן או gamma למבנה פנימי), בדיקות חלקיקים מגנטיות (משטחי שטח כמעט ליד פגמים מגנטיים בחומרים סדקים), ובדיקת פני השטח).

טכניקות להתאמה מתקדמות מספקות מידע מפורט על מבנה החומרי והרכב.SEM סורק מיקרוסקופיה אלקטרונים (SEM) חושף תכונות מיקרו-מבנה בהגדלת גבוהה. דיפרקציה רנטגן מזהה שלבים גבישיים וצעדים שונים. שיטות ספציפיות של ספקטרום קובעות את ההרכב הכימי.טכניקות מתוחכמות אלה תמיכה בחומרים מחקר, ניתוח כישלונות ואבטחת איכות.

גורמים סביבתיים משפיעים על ביצועים חומריים

חומרים רק לעתים נדירות פועלים בתנאים מעבדה אידיאליים.סביבה בעולם האמיתי כפופים לחומרים קיצוניים בטמפרטורה, אטמוספירה קורוזית, קרינה ותנאים מאתגרים אחרים שיכולים לשנות באופן משמעותי את התכונות החומריות והביצועים.הבנת השפעות סביבתיות אלה חיונית לחיזוי חיי השירות ולסלק חומרים מתאימים ליישומים ספציפיים.

השפעות טמפרטורה על התנהגות חומרית

טמפרטורה משפיעה עמוקות על תכונות החומריות.בדרך כלל, הטמפרטורה הגוברת יורדת כוח ונוקשות תוך הגדלת הדלונות.בטמפרטורות גבוהות, חומרים עשויים לחוות חיץ - עיוות תלוי בזמן תחת לחץ קבוע. Creep הופך משמעותי כאשר הטמפרטורה התפעולית עולה על 40% מהטמפרטורה ההמיסה המוחלטת והוא שיקול קריטי עבור יישומים עתירי טמפרטורה גבוהה כגון מנועים, רכיבי כוח, פרווה וחלקי אנבס.

לעומת זאת, טמפרטורות נמוכות עלולות לגרום לחומרים להיות מתפתלים. מתכות רבות, במיוחד מתכות מעוקבות ממוקדות גוף כמו פלדות פוריות, להציג טמפרטורת מעבר דוקטרילית-לבריונית מתחתיה הם שברו עם עיוות פלסטי מינימלי.תופעה זו גרמה לכשלים קטסטרופליים, כולל שברי הספינה החירות במהלך מלחמת העולם השנייה ותרמו לאסון החלל.

רכיבה על אופניים תרמית - חימום וקירור - יכול לגרום עייפות תרמית בשל התרחבות תרמית שונה, במיוחד רכיבים עם מגבלות גיאומטריות או חומרים דיסימיים.הלם הירומלי, וכתוצאה מכך שינויים מהירים בטמפרטורה, יכול לשבור חומרים כמו קרמיקה ומשקפיים.

קורוזיה וחמצן

קורוזיה מייצגת את אחת הצורות המשמעותיות ביותר מבחינה כלכלית של השפלה חומרית, עלייה של מדינות מתועשות מיליארדי דולרים מדי שנה בעלויות ישירות (החלפת ותחזוקה) ועלויות עקיפות (ייצור אבוד, נזק סביבתי וסיכון בטיחותי). קורוזיון הוא תהליך אלקטרוכימי ביסודו של תהליך שבו מתכות מחמצן, חוזר למצבים תחמוצמיים יותר תרמודינמית יציבים.

קורוזיה אחידה מתרחשת יחסית גם על פני השטח, תוך גרימת אובדן חומרי, הוא בדרך כלל צפוי ולנהל באמצעות בחירה חומרית נאותה ציפויים מגן.יותר מסובסידי הם צורות קורוזיה מקומיות: מחיקת קורוזיה יוצרת עמוק, חללים צרים שיכולים לחדור רכיבים; קורוזיה מתרחשת באזורים מוגנים שבהם פתרון יציב מצטבר; גירוי מצטבר; פצעים גליימים לסביבה גסה; מתחים, כאשר הם מתחים, הם מתחים, הם משלבים, מתחים, מתחים, מתחים, כאשר הם מתחים, מתחים, מתחים, מתחים, מתחים, מתחים, מתחים, מתחים, מתחים, מתחים, מתחים, מתחים, מתחים, מתחים, מתחים, מתחים, מתחים, מתחים, מתחים, מתחים, מתחמיים, מתחים, מתחים, מתחים, כאשר הם מתחים, מתחים, מתחים, מתחים, מתחמיים, מתחמיים, מתחמיים, מתחמיים, מתחמיים, מתחמיים, מתחים, מתחים, מתחמיים, מתחים, כאשר הם מתחים, מתחים, מתחים, מתחים, מתחים, מתחים, מתחים,

חמצון עתירי גבוה משפיע על חומרים חשופים לטמפרטורות גבוהות באטמוספירה חמצון.מדמים חד-חמצני מוגנים יכולים להאט חמצון נוסף, אבל ספיעה בקנה מידה בקנה מידה בינוני (הדה) במהלך רכיבה תרמי חושפת משטח מתכת טרי להמשך ההתקפה.

אסטרטגיות הקטנת קורוזיה כוללות בחירה חומרית (באמצעות חומרים חד-משמעיים מטבעם כמו פלדות אל-חלד או טיטניום), ציפויי מגן (ציורים, משקעים, או ציפויי המרה), הגנה קטוודית (שעושים את המבנה את קטודה בתא אלקטרוכימי), ובקרת סביבתית (הפחתת לחות, שליטה ב- pH, או הסרת מינים קורוזיים).

שמן מכני ו Cyclic Loading

כשל שומני מהווה אחוז משמעותי של כשלים מכניים בשירות.בניגוד לטעינה סטטית כאשר הלחץ עולה על כוח החומרי, כישלונ עייפות יכול להתרחש ברמות מתח גבוה יותר מתחת לחוזק התשואות כאשר טעינה היא מחזורית. סדקים שומניים בדרך כלל להתחיל ריכוזי מתח (עומסים, חורים, שריטות פני השטח) או הפסקות חומרים (ללא הפסקות, נקבוביות), ולאחר מכן להפיץ באופן מצטבר עם כל מחזורי לחץ, עד שלא ניתן להפעיל את הלחץ באופן פתאומי עד שיגרום לפציעה פתאומי.

גורמים המשפיעים על חיי עייפות כוללים מתח מבודד, כלומר מתח, ריכוז מתח, פני השטח, מתחים שאריות, ומצבים סביבתיים. עייפות קורוזיה, שבו טעינה מחזורית מתרחשת בסביבה קורוזית, יכול להפחית באופן דרמטי את חיי העייפות בהשוואה למנגנון בלבד.אסטרטגיות עיצוב כדי לשפר את העייפות כוללות צמצום ריכוזים באמצעות קרינה חלקה ושינויים קלים, שיפור פני השטח, היכרות עם מתחים מועילים עם תכונות דחיסה או הצצה טובה.

השפעות קרינה

חומרים בכורות גרעיניים, יישומי חלל, ומכשירים רפואיים מסוימים חווים חשיפה לקרינה שיכולה לשנות תכונות חומריות. חלקיקים עתירי אנרגיה גבוהים וקרינה אלקטרומגנטית יכולים לנתק אטומים מעמדות הליטקטיות שלהם, יצירת פגמים נקודה, או אלמנטים חמורים באמצעות תגובות גרעיניות.שינויים אלה יכולים לגרום לקרינה קשה (כוח משוחרר אך ירידה בדלונות), נפיחות (עלייה עקב היווצרות של רִיק), וגילוי.

בחירה חומרית לסביבות קרינה דורשת שיקול של התנגדות קרינה לצד דרישות ביצועים אחרות.חומרים מסוימים, כגון פלדות אל-חלד אוסטיים ומתכות השבירה, מראים סובלנות קרינה טובה יותר מאחרים.מחקר מתמשך מתמקד בפיתוח חומרים עמידים לקרינה עבור כורים גרעיניים מתקדמים ומערכות אנרגיה של היתוך.

הומור ואפקטים

Moisture משפיע על כיתות חומרים שונות בדרכים שונות.מתכת רגישים לקורוזיון מוזר, עם שיעורי קורוזיה בדרך כלל גדל עם לחות. פולימרים יכולים לספוג לחות, המוביל לשינויים ממדיים, הפלסטיקה (לעתים קרובות), והשפלה של תכונות מכניות וחשמליות. Hygroscopic פולימרים כמו ניילון יכול לספוג כמה אחוזים של משקל במים, להשפיע באופן משמעותי.

Composites עם מרקם פולימרי להתמודד עם אתגרים מסוימים של לחות.מים יכול לחדד את ממשק הסיבים-מטריקס, צמצום תכונות מכניות. Freeze-thaw רכיבה על מקרמות לחות יכול לגרום נזק פנימי. Ceramics ומשקפיים הם בדרך כלל עמידים לחות אבל יכול לחוות corrosion הלחץ corrosion סדק סביבות לחות תחת לחץ רביר.

ציפוי מחסום סביבתי, מבחר חומרים עמיד לחות, ועיצוב חותם וניקוז מתאים לעזור להפחית את ההשפלה הקשורה לחות ביישומים שבהם חשיפה הלחות היא בלתי נמנעת.

השפעות חומריות והשפעותיהם על ביצועי

שום חומר אינו מושלם.כל החומרים האמיתיים מכילים פגמים החל מפגמים נקודתיים בקנה מידה אטומי לסדקים מאקרוסקופיים וריקנים.הבנת כיצד פגמים אלה משפיעים על התנהגות חומרית חיונית לחיזוי ביצועים, שליטה באיכות, ומניעת כישלונות.

המונחים:

פגמים בנקודת המוצא הם פגמים בקנה מידה אטומי במבנים גבישיים. Vacancies (האטומים המסורים) ו- interstitials (אטומים סטרטרה דחוסים לחללים בין אתרי צמיגים קבועים) הם פגמים מהותיים הקיימים בכל חומרי גביש בטמפרטורות סופיות.הריכוז שלהם גדל באופן אקספוננציאלי עם טמפרטורה. בעוד פגמים ספציפיים יש השפעה מינימלית על תכונות, ההשפעה הקולקטיבית שלהם יכולה להיות משמעותית, המשפיעה על דיסוציאליות, תפקוד חשמלי, תכונות מכניות, תכונות מכניות, התנהגות מכניות, תכונות מכניות, תכונות מכניות, תכונות מכניות, תכונות מכניות, תכונות מכניות, תכונות מכניות, תכונות מכניות, תכונות מכניות, תכונות מכניות.

זיהומים סובטיביים (אטומים זרים מחליפים אטומים מארחים) וזיהומים בין-דתיים (אטומים זרים הכובשים אתרי גומלין) הם פגמים נקודה דרסטיים. אי-ציות ניתן להוסיף בכוונה (כל האלמנטים, דופינטים במוליכים למחצה) או להציג ללא כוונה (אלמנטים סובסידיים מעיבוד).

המונחים: Dislocations

חסרונות הם פגמים קו המייצגים שיבושים בהסכם האטומי הרגיל לאורך קו דרך הקריסטל.הם הם המנגנון העיקרי שבאמצעותו חומרי גבישיים מתפורים באופן מפלסטיק.כאשר מתח מוחל, פירוקים עוברים דרך הקריסטל, ומאפשרים לשכבות של אטומים להחליק זה את זה ברמות לחץ רחוק מתחת לאלה הדרושים כדי לשבור את כל האג"ח על פני מטוס.

שני סוגי פירוק בסיסיים הם פירוק קצה (שם חצי-מטוס נוסף של אטומים מוכנס לתוך קריסטל) ופיזור ברג (שם מטוסים אטומיים ספירלים סביב קו הפירוק). רוב הפיזור בחומרים אמיתיים הם פערים מעורבים עם שניהם קצה ואופי בורג.

חיזוק המנגנונים במכות בדרך כלל עובד על ידי מניעת תנועה של פירוק.פתרון סולידריות מחזקת את השימושים באטומים מתמוססים כדי ליצור מכשולים.קשה על ההנעה של קדם-התחמצה משתמשת חלקיקים בסדרי-הנוחות שפירוק חייב לקצץ או לעקוף.עבוד קשה מגביר את צפיפות ההפחתה עד שפירוק מפריע להצעה של זה. Grain מחזק את הגבולות של דגנים כחסמים לפירוק.

Defects

פגמים Planar הם פגמים דו-ממדיים.גבולות Grain נפרדים גבישים (גרינים) עם אוריינטציה גבישית שונה.הם אזורים של חוסר התאמה אטומי והפרעה, בדרך כלל כמה אטומים סמיבים.גבולות Grain מעכבים את תנועת פירוק (הפחתת החומר), מספקים נתיבי דיפוזיה מהירים, וניתן מעדיף אתרי משקעים וקורוזיון.

גבולות תאומים הם גבולות דגנים מיוחדים שבו המבנה הקריסטל בצד אחד הוא תמונה של השני.T עטור יכול להתרחש במהלך עיוות או טיפול חום המשפיע על תכונות מכניות. Stacking פגמים הם פגמים פלאים שבו רצף ערימה נורמלית של מטוסים אטומיים הוא הפרעה.הם חשובים במיוחד בחומרים עם אנרגיה לקויה של תקלות, המשפיעה על מנגנוני עיוות ונכסים מכניים.

גבולות שלב נפרדים של מבנה גבישי שונה או הרכב בחומרים רב-phase.טבע גבולות שלב - קוהרנטי, חצי-קוהרנטי, או בלתי-מעורר – משפיעים על תכונות מכניות ויציבות שלב.

המונחים:

פגמים בנפח הם שלושה ממדים פגמים. ו pores להפחית את העומס-נושא חצי-סעיף ולפעול כמו ריכוזי מתח, דהורציה מכנית. Porosity הוא נפוץ ליהוק, חלקי מתכת, וכמה קרמיקה. בעוד שבדרך כלל מזיק לנכסים מכניים, נקבוביות מבוקרת היא לפעמים רצויה (לדוגמה, במסננים, בידוד תרמי, או שתלים עצם שבו רקמות הוא הרצוי).

שרידים הם חלקיקים זרים משובצים במריצה החומרית.במתים, הכללות בדרך כלל מורכב תחמוצת, sulfide, או תרכובות אחרות שנוצרו במהלך עיבוד.הם יכולים ליזום סדקים עייפות או שבר דוקטרילי והם נשלטים בקפידה ביישומים ביצועים גבוהים. Precipitates הם חלקיקים דו-phase שנייה שנוצרו בתוך הממטריקס, לעתים קרובות נוצר באמצעות טיפול חום כדי לחזק את החומר.

סדקים מייצגים את פגמים בנפח החמור ביותר, שכן הם יכולים להפיץ תחת לחץ המוביל לכישלון קטסטרופלי. מכניקת Fracture מספקת כלים לניתוח התנהגות סדק והקמת תנאי הפעלה בטוחים עבור רכיבים המכילים סדקים.

חומרים מתקדמים וטכנולוגיות מתפתחות

חומרים מתקדמים משמשים ביישומים טכנולוגיים גבוהים וכוללים מוליכים למחצה, ביו-חומרים, חומרים חכמים, וחומרים ננו-מנועיים.חומרים אלה דוחפים את גבולות הביצועים ומאפשרים לטכנולוגיות שלא יהיו אפשריות עם חומרים קונבנציונליים.

Superalloys for Extreme Environments

למרות שרוב העלולות מבוססות על ניקל, קובלט או ברזל, מתכות אחרות משמשים גם, והוספת כמויות קטנות של מתכות אחרות (אל, Co, Cr, Mo, Nb, Ti, ו- W) תוצאות בסגסוגת שיש לו תכונות גבוהות יותר, עם רוב החלקים הפנימיים של מנועי סילון גז מודרני טורבינות עשוי כעת מעל המבוססים על ניקל (שימוש ב- להבים ו-) או קושחיקה (לא-קופים חזקים), אבל לא היו בשימוש בקונגועים חזקים), אבל לא היו בשימוש על גבי קוגניבה (קופים), אלא גם על בסיס גבוה), אבל הם בעלי קוגניבהבים חזקים), אבל לא היורדורים (קויים), אבל הם בעלי קוגניבהבים חזקים), אבל הם בעלי קוגניבה גבוה), אבל הם בעלי קוגניבה (קויים חזקים), אבל הם בעלי קוגניבה (קויים חזקים), אבל הם בעלי קוגניבה (מדומים (קויים חזקים), אבל לא היורדורים).

Superalloys לשמור על כוחם, התנגדות מצמררת והתנגדות חמצון בטמפרטורות המתקרבות ל-80-90% מנקודת ההמסה שלהם - הרבה מעבר ליכולות של ⁇ קונבנציונליות.זה ביצועים יוצאי דופן בטמפרטורה גבוהה מאפשר למנועי טורבינות גז מודרניים לפעול בטמפרטורות שבו חומרים קונבנציונליים ייכשלו במהירות, בתרגום ישיר לשיפור יעילות הדלק והתפוקה של הכוח.

Alloys משקל אור עבור תחבורה

⁇ אחרים כגון אלומיניום-lithium ו ⁇ המבוססים על טיטניום יש גם יישומים בענף התעופה והחלל, ומכיוון ⁇ אלומיניום-lithium הם קלים, נוקשים יותר, ועמידים יותר לעייפות בטמפרטורות גבוהות מאשר אלומיניום עצמו, הם משמשים בחלקים מנועים ובעורי מתכת המכסים כנפיים וגופים.

תעשיית התחבורה שואפת באופן מתמיד חומרים קלים לשיפור יעילות הדלק ולהפחית את פליטות סגסוגת אלומיניום מתקדמת, ⁇ מגנזיום, ⁇ טיטניום, ותרכובות ממושכות פלדה ביישומים רבים.כל ירידה במשקל במטוס מתורגמת ישירות לחיסכון דלק על פני חיי המכונית, מה שהופך את עלויות החומר הגבוהות יותר מוצדקות מבחינה כלכלית.

ננו-חומרים ו-Nanoטכנולוגיה

עם כניסתם של מיקרוסקופי בדיקה סריקה המאפשרים התבוננות באטומים ומולקולות אינדיבידואליים, זה הפך אפשרי לתפעל ולהזיז אטומים ומולקולות כדי ליצור מבנים חדשים ועיצוב חומרים חדשים שנבנו ממתקנים פשוטים ברמת אטומים (חומרים על ידי עיצוב), ויכולת זו לארגן בזהירות אטומים מספקת הזדמנויות לפתח מכני, חשמל, מגנטי, ונכסים אחרים שאינם אפשריים אחרת.

ננו-חומרים - חומרים עם תכונות מבניות בטווח 1-100 ננומטר - לעתים קרובות מציגים תכונות שונות באופן דרמטי ממקביליהם הגדולים.אפקטים קוונטיים הופכים משמעותיים במימדים ננוקליים, והיחס הגבוה של פני השטח-שטח-שטח-לכול של ננו מבנים משפיע על פעילות כימית, תכונות מכניות ומאפיינים אחרים.

יישומים של ננו-חומרים משתרעים על תחומים מגוונים: צינורות פחמן וגרף מציעים כוח יוצא דופן ו מוליכות חשמלית; חלקיקים משפרים את פעילות הקטליטית ומאפשרים משלוח סמים ממוקד; ציפויים nanostructured לספק עמידות ללבוש מעולה ונכסים מנקה עצמית; ו dots קוונטיים מאפשרים תצוגה מתקדמת וטכנולוגיות רגישות.

חומרים חכמים ותפקודיים

חומרים חכמים מגיבים לגירויים סביבתיים בדרכים שימושיות.צורות זיכרון לזכור ולחזור לצורה שנקבעה מראש כאשר החומרים המטוממים. Piezoelectric לייצר מטען חשמלי כאשר לחוצים מכנית ולהיפך, המאפשר חיישנים ופועלים.חומרים מגנטיים משנים ממדים בתחומים מגנטיים.

חומרים אלה מאפשרים יישומים חדשניים: לעצב ⁇ זיכרון באנטים רפואיים כי פריסת טמפרטורת הגוף, חיישני דגנים אדזואלקטריים ניטור בריאות מבנית, ממריצים מגנטיים המספקים מיקום מדויק, וחלונות אלקטרו-כרומוזומיים שולטים באופן אוטומטי על רווח חום השמש.

biomaterials עבור יישומים רפואיים

biomaterials חייב לתפקד בסביבה מאתגרת של הגוף האנושי תוך שמירה על ביו-זמינות - לא גורם לתגובות ביולוגיות שליליות. biomaterials מתכתlic ( ⁇ טיטניום, פלדות אל-חלד, סגסוגת כרובוט-chromiumum) לספק כוח עבור שתלים נושאי עומס כמו הירך והחלפת ברכיים. Ceramic biomaterials (alumina, zionia, hydroxpatite) יכול להיות גמישים עבור אינטגרציה זמן כדי לספק גמישות עצמית.

חומרים ביולוגיים מתקדמים עוברים מעבר לזמינות פשוטה כדי לתקשר באופן פעיל עם מערכות ביולוגיות.Bioactive משקפיים להתחבר רקמת העצם. תרופות-eluting תרופות כדי למנוע נינוזה. מטבוליזם הנדסי Tissue מספק מבנה זמני בעוד תאים regenerate רקמות.ההתכנסות של חומרים, ביולוגיה, ורפואה ממשיכה לייצר התקדמות יוצאת דופן בתחום הבריאות.

בחירה חומרית: ביצועי Balancing, Cost, and Sustainability

מהנדסים מעסיקים עקומות אימון מתח כדי להעריך ולהשוות את המאפיינים המכניים של חומרים שונים, סיוע בבחירת מועמדים מתאימים עבור יישומים ספציפיים, עם יישומים הדורשים כוח גבוה ונוקשות עדיפות חומרים עם כוח תשואה גבוה ומודולוס גמיש. עם זאת, בחירה חומרית כרוכה הרבה יותר מאשר פשוט בחירת החומר החזק ביותר או נוקשה ביותר.

דרישות ביצועים

בחירת החומרים מתחילה עם דרישות ביצועים ברורים להגדיר בבירור.מה עומסים יהיו חווית הרכיב? אילו תנאים סביבתיים יש להתמודד? אילו סובלנות ממדית וסיומו פני השטח נדרשים?

תכונות מרובות בדרך כלל משנה בו זמנית.חומר עשוי להיות צורך בכוח הולם, התנגדות קורוזיה טובה, מוליכות תרמית מקובלת, ותכונות חשמל מתאימות.מסחר-offs הם בלתי נמנעים - החומר עם הכוח הגבוה ביותר עשוי לא להיות ההתנגדות קורוזיה הטובה ביותר או עשוי להיות קשה לייצר.חומרי בחירה חומריים מסדי נתונים לעזור למהנדסים לנווט בעיות אופטימיזציה רב-אובייקטיביות אלה.

שיקולים בייצור

התאמתו של חומר תלויה לא רק בתכונותיו, אלא גם אם ניתן ליצור אותו מבחינה כלכלית בצורת הרצויה. מתכת ניתן להטיל, מזויפים, מכוונן, או מחוספס, אבל ⁇ שונים יש תכונות עיבוד שונות. פולימרים ניתן להזרקת, לפורץ, או לפגום. Ceramics ניתן ללחוץ, להחליק, או מכונה ב-cated (לא-אש) ניתן להניח תהליכים פגומים, או לפצעים אוטומטיים.

עיבוד משפיע על תכונות. קר עובד מחזק מתכות אבל מפחית את הדוקטרינה.טיפול בבטיחות יכול לשנות באופן דרמטי את התכונות.זריקת תבניות עובש להשפיע על גבישי פולימריות וכיוון מולקולרי.הבנת הקשר בין עיבוד, מבנה ונכסים הוא חיוני עבור בחירה מוצלחת של חומר ויישום.

גורמים כלכליים

שיקולים עולים המשתרעים מעבר למחיר חומרי גלם.עלות כוללת עלות חומרית, עלות עיבוד, עלות סיום ועלויות מחזור חיים (החזקה, צריכת האנרגיה, בסופו של דבר למחזור או למחזור מחדש) חומר יקר יותר עשוי להיות מוצדק מבחינה כלכלית אם הוא מקטין את עלויות העיבוד, מרחיב את חיי השירות, או משפר את יעילות האנרגיה.

אמינות שרשרת האספקה ואמינות החומר, במיוחד עבור יישומים קריטיים.הסתמכות על חומרים עם מקורות מוגבלים או סיכונים אספקת גיאופוליטית עשויה לחייב בחירת חומרים חלופיים גם אם הם נחותים מבחינה טכנית או יקר יותר.

שיקולים סביבתיים וקיימות

קיימות הפכה חשובה יותר ויותר בבחירת החומר.ערכת מחזור החיים (LCA) מעריכה השפעות סביבתיות ממיצוי חומרי גלם באמצעות ייצור, שימוש, וסילוק חיים או מחזור חומרים עם אנרגיה מופחתת, ירידה פליטות במהלך ייצור, חיי שירות ארוכים יותר, וכדאיות טובה יותר טובה יותר טובה יותר ויותר.

שיעורי מחזור משתנים באופן דרמטי בין חומרים. אלומיניום ופלדה ממוחזרים באופן נרחב, לשחזר הרבה מהאנרגיה המגולמת שלהם. פולימרים רבים ניתן למחזר, אם כי לעתים קרובות עם קצת השפלה רכוש. Composites מציג אתגרים מחזוריים בשל האופי הרב-חומרי שלהם.עיצוב עבור מחזור - מעבר להחלמה של סוף החיים במהלך עיצוב ראשוני - מסייע לסגור את החומרים לולאה ולהפחית את ההשפעה הסביבתית.

חומרים חדשים ומבוססים ביולוגית מציעים חלופות לפולימרים בעלי אנרגיה ומכות אנרגיה. סיבים טבעיים מורכבים, פולימרים המבוססים על ביו-, ומוצרי עץ ממונדסים מספקים ביצועים מקובלים עבור יישומים רבים עם טביעת רגל סביבתית מופחתת.

יישומים אמיתיים ברחבי תעשיות

בבנייה, הבנת התנהגות של חומרים כמו פלדה, בטון, ומורכבים היא חיונית לתכנון מבנים בטוחים ועמידות, ואת המאפיינים של הלחץ של בטון מתחזק הם הכרחיים לתכנון מבנים וגשרים שיכולים לעמוד בעומסים שונים ותנאים סביבתיים.

הנדסה אווירית

תעשיית החלל מסתמכת רבות על חומרים שיכולים לסבול תנאים קיצוניים, ואת התנהגות הלחץ של חומרים כמו ⁇ טיטניום ותרכובות פחמן-פיבר הוא קריטי לתכנון רכיבי מטוסים וחללית שהם גם קלים וחזקים.

מנוע סילון מודרני מורכב כיום בעיקר טיטניום ניקל על ידי משקל ולא פלדה, ואת אחוז הברזל בכנפיים ופתיחת הוא נמוך באותה מידה, המציין את המידה שבה חומרים אחרים יש לשתול פלדה.

חומרים Composite יש מהפכה בבניית מטוסים.הבואינג 787 Dreamliner משתמשת בכ-50% מרוכבים על ידי משקל, בעיקר סיבים פחמן מחזקים פולימרים.חומרים אלה מספקים חיסכון במשקל של 20% או יותר בהשוואה לאלומיניום תוך מתן עמידות עייפות גבוהה וחסינות קורוזיה.עם זאת, הם גם מציגים אתגרים בייצור, בדיקה ותיקון שימשיכו להניע חומרים.

תעשיית הרכב

תעשיית הרכב מתמודדת עם דרישות מתחרות: כלי רכב חייבים להיות בטוחים, עמידים, יעילים דלק, סבירים, ולהגדיל את בר קיימא יותר. חומרים בחירה ישירות משפיע על כל הגורמים האלה.פלדות גבוהות-מנועיות מאפשרות מבנים קלים יותר של כלי רכב תוך שמירה על בטיחות התרסקות. לוחות גוף אלומיניום להפחית במשקל.

כלי רכב חשמליים מציגים אתגרים חדשים של חומרים.מערכות סוללות דורשות חומרים עם צפיפות אנרגיה גבוהה, יציבות תרמית ובטיחות.חשמל מוטורס להשתמש בחומרים מגנטיים מיוחדים נחושת גבוהה. משקל האור הופך אפילו יותר קריטי כדי להפחית במשקל הסוללה ואת טווח.

אלקטרוניקה ו Semiconductors

תעשיית האלקטרוניקה תלויה בחומרים עם תכונות חשמליות, תרמיות ומכניות בדיוק.סיליקון נשאר החומר המוליכים למחצה הדומיננטי, אבל מוליכים למחצה מורכבים (gallium arsenide, gium nitride, סיליקון carbide) מאפשרים קידוד גבוה, כוח גבוה, ויישומים אופטיקו-אופטיוטוניים.

האתגרים של ניהול הרחם לגדול כמו קרינת כוח המכשיר להגדיל.חומרים עם מוליכות תרמית גבוהה (כולל, אלומיניום, יהלום, גרפן) לעזור dissipate חום. חומרי ממשק הrmal להבטיח העברת חום יעילה בין רכיבים. as מכשירים מתכווץ ודרישות ביצועים להגדיל, חומרים הופך קריטי יותר ויותר להמשך התקדמות.

מערכות אנרגיה

ייצור אנרגיה, אחסון, שידור כל תלויים ביקורתיות על חומרים.יעילות צמחי כוח משתפרת עם חומרים שעומדים בטמפרטורות גבוהות יותר ולחצים. דחפורים Turbine במפעלי חשמל מתקדמים פועלים בטמפרטורות מעל 1500 מעלות צלזיוס, הדורשים superalloys מתוחכמת וציפוי מחסום תרמי.

מערכות אנרגיה מתחדשת יש דרישות חומרים ספציפיות. Wind blades להשתמש זכוכית וסיבים פחמן מורכב כדי להשיג שילוב הכרחי של כוח, קשיחות, משקל קל. תאים סולאריים דורשים מוליכים למחצה עם להקות מתאימות ויעילות המרה גבוהה. מערכות אחסון אנרגיה - מסוללות ליתיום-יון לזרום לאחסון מימן - תלוי בחומרים עם תכונות אלקטרו-כימיות, מבניות ובטיחות.

רשת החשמל מסתמכת על חומרים לקווי שידור, מסובכים ואלקטרוניקה כוח.חומרים מונעים על אנרגיה, אך דורשים טמפרטורות מבוכות.עלים עתירי טמפרטורה גבוהה הפועלים בטמפרטורות חנקן נוזליות (77 K) הופכים בהדרגה מעשי עבור יישומים מיוחדים, פוטנציאל מהפכה שידור חשמל ומכשירים מגנטיים.

מכשירים ביו-רפואיים

יישומים רפואיים כופים דרישות ייחודיות: חומרים חייבים להיות ביו-תואמים, סטריליציאליים, ולעתים קרובות חייבים לתפקד באופן אמין במשך עשרות שנים בתוך הגוף האנושי.שתלים אורונדטיים משתמשים ⁇ טיטניום עבור תיקון העצם, ⁇ cobalt-chromium עבור משטחים של articulation משותף, ופוליאתילן משקל מולקולרי גבוה עבור משטחים.

מכשירים קרדיווסקולריים משתמשים בחומרים מיוחדים: פלדות אל-חלד וניטנול (ניקל-טינום בצורת זיכרון ⁇ ) עבור סטרנטים, פחמן פיירוליטי לרכיבי שסתום לב, ופולימרים שונים עבור קטאטרים ו-vascular grafts.כל חומר חייב לספק דרישות ביו-תחרותיות מחמירות תוך מתן תכונות מכניות וגמישות.

חומרים ביולוגיים מתפתחים כוללים פולימרים ביו-דידנטיים עבור שתלים זמניים, חומרים ביואקטיביים המקשרים לרקמות, ופסלי הנדסה רקמות התומכים בצמיחה תאים ובהתחדשות רקמות.חומרים מתקדמים אלה מטשטשים את הגבול בין מכשירים רפואיים לרקמות ביולוגיות, פתיחת אפשרויות חדשות לרפואה רגנרטיבית.

כיוונים עתידיים במדעי החומרים

חומרים מדע ממשיך להתפתח במהירות, מונע על ידי קידום כלים אפיון, יכולות חישוביות, וצרכים חברתיים. מגמות רבות מעצבות את עתיד התחום.

חומרים מדעיים

שיטות Computational הופכות מחקר חומרים.דונות פונקציונלית וסימולציות דינמיות מולקולריות לחזות תכונות חומריות מעקרונות הראשונים.אנליזה של רכיב רכיב מודלים התנהגות תחת טעינה מורכבת. למידת מכונה מזהה דפוסים בנתונים חומרים ומזרזת גילוי חומרים.

החומרים Genome Initiative ומאמצים דומים ברחבי העולם שואפים להאיץ את פיתוח החומרים על ידי שילוב כלים חישוביים, אימות ניסיוני ומאגרי מידע. במקום הגישה המסורתית של הניסוי וטרור הדורשת שנים לפתח חומרים חדשים, בדיקות חישוביות יכול לזהות מועמדים מבטיחים לחקירה ניסיונית ממוקדת, פוטנציאל להפחית את זמן הפיתוח מעשרות שנים עד שנים או אפילו חודשים.

ייצור וחומרים

ייצור Additive (3D הדפסה) הוא מהפכה כיצד חומרים מעובדים וכיצד רכיבים מעוצבים.שכבת שכבות מאפשר גיאוגרפיה מורכבת בלתי אפשרית עם ייצור קונבנציונלי.חומרים ממוספרים פונקציונליים עם הרכב שונה מרחבית ונכסים ניתן ליצור. אופטימיזציה טופולוגיה מייצרת מבנים עם הפצה אופטימלית של חומרים עבור תנאי טעינה.

עם זאת, ייצור תוספת מציג אתגרים חומרים.ד.האצה מהירה מייצרת מיקרו-מבנה ייחודי הדורש אופי והבנה. מדגישים סובסידיים ונכסים אנזוטרופיים יש לשלוט.הכשרה חומרית עבור יישומים קריטיים דורשת בדיקות נרחבות.כפי שאתגרים אלה מטופלים, ייצור התוסף יהיה משלים יותר ויותר או להחליף את הייצור הקונבנציונלי עבור יישומים רבים.

חומרים בר קיימא וכלכלה מעגלית

חששות של קיימות הם מניעים חומרים חדשנות כלפי משאבים מתחדשים, השפעה סביבתית מופחתת, עקרונות כלכלה מעגלית שבו החומרים ממוחזרים ללא הרף ולא ממוסיפים.פולימרים המבוססים על ביו-בי-בסיס שמקורם בחומרי צמחי מציעים חלופות לפלסטיקים המבוססים על נפט.

עיצוב לקיימות רואה מחזורי חיים חומריים שלמים.ניתן להפריד בקלות לחומרים עבור מחזור? האם ניתן לבצע מחדש או לתקן רכיבים במקום להחליף אותם?ניתן להחזיר את החומרים בבטחה לסביבה בסוף החיים? שאלות אלה הן יותר ויותר מרכזי לבחירת חומרים ועיצוב המוצר.

חומרים רב-תפקודיים

חומרים מסורתיים בדרך כלל משרתים פונקציות ראשוניות בודדות - חומרי הוראה מספקים תמיכה מכנית, חומרים חשמליים לנהל חומרים נוכחיים, תרמיים לנהל חום. חומרים רב תפקודיים משלבים יכולות מרובות בחומרים או מבנים בודדים. סוללות סטריקטליות לספק תמיכה מכנית לאחסון אנרגיה. חומרים מזהים עצמיים וזיהוי נזק אוטונומי.

גישות רב-תפקודיות אלה יכולות להפחית במשקל, מורכבות, ועלויות תוך שיפור ביצועים.עם זאת, הן מציגות אתגרים עיצוביים - ניצול פונקציות מרובות בו זמנית כרוך לעתים קרובות בהתחלפות מסחר.

מסקנה: התפקיד המרכזי של חומרים מדע בטכנולוגיה וחברה

יסודות מדע החומרים מספקים את הידע החיוני להבנת האופן שבו החומרים מתנהגים בהקשרים בעולם האמיתי.מאיגרות חוב אטומיות הקובעות תכונות בסיסיות להתנהגות המאקרוסקופית תחת עומס מורכב ותנאים סביבתיים, חומרים מדע גשרים בקנה מידה ודיסציפלינות מרובים כדי לאפשר חדשנות טכנולוגית.

ארבעת המעמדות החומריים העיקריים - מטרות, קרמיקה, פולימרים ומורכבים - כל אחד מציע יתרונות ומגבלות ברורים.הבנת התכונות האופייניות שלו, שיטות עיבוד ויישומים מדריך בחירה חומרית לשימושים ספציפיים. תכונות מכניות כולל כוח, קשיחות, דוקטרינות, וקשידות לקבוע כיצד חומרים מגיבים על עומסים יישומיים, בעוד גורמים סביבתיים כגון טמפרטורה, קורוזיה, ומשפיעים על עמידות לטווח ארוך וביצועים.

שיטות בדיקות ואפיון חומריות מספקות את הנתונים הדרושים כדי לחזות התנהגות ולהבטיח איכות.ממבחנים פשוטים למיקרוסקופיות מתוחכמת ו-spectroscopy, כלים אלה חושפים מבנה חומרי ונכסים בקנה מידה רב.הבנת הקשר בין עיבוד, מבנה, תכונות וביצועים - הפרדיגמה המרכזית של חומרים מדע - מהנדסים מסוגלים לבחור חומרים מתאימים וייעל את השימוש שלהם.

חומרים מתקדמים כולל superalloys, ⁇ קל משקל, ננו-חומרים, חומרים חכמים, biomaterials לדחוף גבולות ביצועים ומאפשרים יישומים בלתי אפשריים עם חומרים קונבנציונליים. Computational כלים, ייצור תוספים, ושיקולי קיימות מעצבים את העתיד של פיתוח חומרים ויישום.

ככל שהטכנולוגיה מתקדמת והאתגרים החברתיים מתפתחים, מדע החומרים ימשיך למלא תפקיד מרכזי. שינויי האקלים דורשים חומרים לאנרגיה מתחדשת, אחסון אנרגיה, תחבורה יעילה באנרגיה.בריאות מתקדמת תלויה בביוטכנולוגיה ובמכשירים רפואיים.טכנולוגיית מידע מסתמכת על מוליכים למחצה וחומרים אלקטרוניים.

לסטודנטים, מהנדסים, חוקרים וכל מי שמעוניין כיצד העולם הפיזי פועל, הבנת החומרים מדע בסיסי מספק תובנות חיוניות על החומרים המעצבים את התרבות הטכנולוגית שלנו.אם לבחור חומרים עבור עיצוב חדש, לחקור כישלון, או פיתוח חומרים הדור הבא, העקרונות מכוסים מדריך זה לספק את הבסיס להבנת התנהגות חומרית בהקשרים של עולם אמת.

(ב) חקר נושאים מדעיים חומרים נוספים, ה-FLT:0ASMori InternationalFLT ( 1:1) אתר אינטרנט מציע משאבים נרחבים על הנדסה חומרים, בעוד FLT:2Materials Research SocietyFLT:3 מספק גישה למחקר חדשני וחומרים חינוכיים.