A-level 應用科學/選擇和使用材料/屬性

材料的屬性

剛度

剛度是彈性體對施加力的抵抗能力。* 這是一個粗略的度量，因為它沒有考慮樣品的橫截面積或長度。一個長方體橡膠的剛度會根據你試圖壓縮哪個面而不同。剛度的公式是力除以長度的變化。

應力

應力是物體內部單位面積上的力。* (這是“工程應力”的定義，它沒有考慮材料變形時橫截面積的變化。“真實應力”是考慮面積變化後的單位面積上的力。) 這比單獨的力更能準確地衡量，因為它對力的作用面積進行了校正。剪下應力是沿材料主軸方向的應力 (例如拉繩索)，而正應力是垂直於主軸方向的應力 (例如彎曲繩索)。拉伸應力是沿主軸方向的拉力。壓縮應力是沿主軸方向的壓力。

抗拉強度

材料的抗拉強度是指材料在發生破壞之前所能承受的拉伸應力的最大值。* 破壞的定義根據材料型別和設計方法而有所不同。抗拉強度是指材料在完全斷裂之前所能承受的最大應力。*

應變

應變是由應力作用於物理物體引起的變形。應變透過計算長度的變化 (稱為伸長或絕對應變) 並將其與原始長度進行比較來測量。* 如果材料長度增加 (拉伸)，應變為正，如果材料長度減小 (壓縮)，應變為負。應變沒有單位，但有時用百分比表示。* 透過將應變計算為百分比，我們校正了物體的長度。

楊氏模量

比剛度更好的度量是楊氏模量。這是應力和應變之間的關係

由於應力考慮了樣品的橫截面積，而應變考慮了樣品的長度，因此楊氏模量僅取決於所研究的材料，而與材料的形狀無關。

楊氏模量計算

使用上面的公式完成下表

	楊氏模量 (N m−2)	應力 (N m−2)	應變
鉛		1.38 x 108	0.00862
鋁		4.67 x 108	0.00658
鐵		3.18 x 108	0.00151
銅	1.30 x 1011	1.24 x 108
鎳	2.19 x 1011	8.77 x 108
鋁合金	7.10 x 1010	6.19 x 108
不鏽鋼	2.15 x 1011		0.00963
低碳鋼	2.12 x 1011		0.00770
鎳合金	2.19 x 1011		0.945 %
鋼琴鋼絲	5.00 x 109		0.805 %

彈性和塑性

彈性是物體的一種屬性：它在響應應力時會發生彈性 (而不是塑性) 變形。*

塑性是材料在響應應力時發生不可逆形狀變化的屬性。塑性變形發生在剪下應力下，而脆性斷裂發生在正應力下。粘土和低碳鋼是塑性材料的例子。在工程學中，這被稱為屈服。* 對於許多延展性金屬，施加在樣品上的拉伸載荷會使它表現出彈性行為。每個載荷增量都會伴隨著比例的伸長增量，當載荷移除時，物體完全恢復到其原始尺寸。這是胡克定律。* 然而，一旦載荷超過某個閾值 (屈服強度)，伸長量會比彈性區域增長更快，當載荷移除時，伸長量會保留一部分。下面是一個顯示這種行為的通用圖形。* 延展性材料可以在不發生斷裂的情況下承受大的塑性變形。然而，即使是延展性金屬，當應變足夠大時也會斷裂。*

脆性

如果材料在承受應力時容易斷裂，即在斷裂之前幾乎沒有變形 (或應變) 趨勢，那麼它就是脆性的。* 在材料科學中使用時，它通常應用於由於正應力而不是剪下應力而失效的材料，或者當材料在失效之前幾乎沒有或沒有塑性變形跡象。* 當材料達到其強度極限時，它通常可以選擇變形或斷裂。天然延展性金屬可以透過阻礙塑性變形機制 (減小晶粒尺寸、彌散強化、加工硬化等) 來增強強度，但是如果過度，斷裂會成為更可能的結果，材料可能會變得脆性。因此，提高材料韌性是一個平衡的過程。* 這一原則適用於其他型別的材料。天然脆性材料，如陶瓷 (最著名的玻璃)，很難有效地增韌。大多數這樣的技術涉及兩種機制之一：偏轉擴充套件裂紋的尖端，例如透過引入有限範圍的天然弱點，或者創造精心控制的殘餘應力，以便來自某些可預測來源的裂紋被迫閉合，如鋼化玻璃和預應力混凝土。*

延展性

延展性是指材料在斷裂前能夠承受較大塑性變形的能力（在金屬中，例如被拉成細絲）。其特徵是材料在剪下應力下流動。* 延展性材料是指在剪下應力下屈服的任何材料（與脆性斷裂不同，脆性斷裂在正應力下屈服）。金、銅和鋁是高度延展的金屬。*

導電率

導電率是衡量材料傳導電流能力的指標。當在導體上施加電勢差時，其可移動電荷會流動，從而產生電流。* 導電率是電阻率的倒數（逆數），其 SI 單位為西門子每米 (S m-1)。它通常用希臘字母 σ 表示，但 κ 或 γ 也偶爾使用。*

導熱係數

導熱係數，λ 或 k，是材料的一種特性，它反映了材料傳導熱量的能力。它是由於溫差 ΔT 導致的熱量傳輸 Q 的數量。傳導熱量的樣本具有厚度 L 和橫截面積 A。*

導熱係數 = 熱流速 × 距離 /（面積 × 溫差）

λ = Q × L /（A × ΔT）

熱膨脹率

熱膨脹是指物質在加熱時體積增大的趨勢。對於液體和固體，膨脹量通常會根據材料的熱膨脹係數而變化。*

密度

密度（符號：ρ - 希臘語：rho）是衡量單位體積的質量。物體的密度越高，其單位體積的質量就越高。物體的平均密度等於其總質量除以其總體積。密度較大的物體（如鐵）的體積將小於相同質量的密度較小的物質（如水）。* 密度 SI 單位為千克每立方米 (kg m⁻³)*，但克每立方厘米 (g cm⁻³) 也常被使用，因為數字更方便。

密度計算

材料	密度 (g cm−3)	質量 (g)	體積 (cm3)
聚苯乙烯	1.05	6.08
耐火粘土	2.4	6.63
特氟龍	2.2	15.6
凱夫拉	1.4		1.57
鎳	8.9		6.99
磚	1.92		1.03
聚乙烯		2.85	2.98
鋁		13.7	5.19
不鏽鋼		12.7	1.64

耐化學性

耐化學性是指物質抵抗酸、鹼、溶劑和其他化學物質的能力。

一些材料之所以被選擇，是因為它們可以在含有危險化學物質的環境中使用；或者用於保護脆弱的元件或人員免受危險化學物質的侵害。例如特氟龍，它被開發用於製造閥門，這些閥門能夠處理曼哈頓計劃中高度腐蝕性的化合物 UF₆。

滲透是指化學物質能夠透過保護膜而不會穿過針孔、毛孔或其他可見開口的過程。化學物質的單個分子進入薄膜，並透過穿過保護性化合物或薄膜的分子之間“蠕動”而透過。在許多情況下，滲透的材料在人眼看來可能沒有變化。

用簡單的術語來說，化學滲透可以比作氣球在幾個小時後發生的事情。雖然沒有孔洞或缺陷，氣球也密封良好，但空氣會逐漸透過（滲透）其壁並逸出。這個簡單的例子使用了氣體滲透，但原理與液體或化學物質相同。

降解是指由於與化學物質接觸而導致材料的一種或多種物理特性降低。某些材料可能會變硬、變硬或變脆，或者它們可能會變得更軟、更弱，並膨脹至其原始尺寸的幾倍。如果化學物質對材料的物理特性有重大影響，其滲透抵抗力會迅速下降。

作業

1. 確定具有上述每個機械效能的不同材料示例；
2. 說明每個機械效能的值與材料用途的相關性，並比較給定的每個機械效能的值；

測量物理特性的方法

材料製造商需要了解測量物理特性的方法。這些方法可用於測試新材料或作為工廠的質量控制檢查。

您需要了解簡單的實驗室實驗，以測量物理特性的值。您需要能夠測量以下物理特性，包括金屬、陶瓷、玻璃、聚合物和複合材料

• 一種機械效能；
• 密度；
• 導電率；
• 導熱係數；
• 耐化學性；
• 熱膨脹/收縮。

您需要了解測試材料物理特性的實驗。您應該瞭解的具體實驗包括

• 確定胡克定律，以及如何將材料的相關物理特性（彈性、彈性極限、永久變形、塑性、斷裂點）與材料的分子結構相關聯；
• 使用塞爾實驗計算材料的剛度，以及如何使用以下公式將該剛度與材料的楊氏模量相關聯

您需要能夠使用此公式計算材料的楊氏模量的值。然後，您需要將此值與給定值進行比較，並將此值與材料的特定用途相關聯。

您應該意識到，在商業環境中，這些實驗通常與學校實驗室中的實驗有很大不同，有時規模更大，而且通常更嚴格。

塞爾法測量金屬絲的楊氏模量

塞爾法使用兩根相同材料的金屬絲，其中一根將載入各種重量。

E = ${\frac {Fl}{Ax}}$

要計算楊氏模量，我們需要知道

• 金屬絲的橫截面積 (A)。這可以透過使用千分尺確定金屬絲的半徑，然後使用公式圓面積 = πr² 來測量。半徑必須以米為單位測量，通常為 2 x 10⁻⁴ m。這將得到 1.26 x 10⁻⁷ m² 的面積。
• 金屬絲的長度 (l，以米為單位測量)。
• 力和伸長量。
• 1 kg 質量的重量為 9.81 N。

我們繪製了伸長量 (m，橫軸) 與重量 (N，縱軸) 的關係圖。

該圖的斜率（縱軸變化量 / 橫軸變化量）是 F/x 的比值。如果我們將該比值乘以 l 併除以 A，我們將得到金屬絲的楊氏模量。

測量伸長量

裝置的“業務端”是一個裝置，它使兩根金屬絲平行放置，並允許測量載入金屬絲的伸長量。

您需要標記此圖以顯示

• 連線到參考金屬絲以施加應力的恆定質量。
• 連線到測試金屬絲以施加應力的可變質量。
• 柔性聯結器。
• 一根導線到另一根導線的水平參考。
• 帶刻度的拇指螺絲，用於調整水平參考。
• 導線夾。
• 參考導線。
• 測試導線。

此裝置的優點

• 測試導線的熱膨脹由參考導線的熱膨脹來抵消。
• 長而細的導線允許最大伸長，以最小力實現。

問題

• 難以測量橫截面積。
• 伸長量非常小。
• 測量的是質量，而不是重量。
• 需要高而牢固的安裝點，除非裝置進行調整。

方程

規範中給出了三個你需要了解的方程。在每種情況下，請參閱相關部分以獲取更完整的描述。

導熱係數

導熱係數 = 熱流速 × 距離 /（面積 × 溫差）

λ = Q × L /（A × ΔT）

密度

密度 = 質量 / 體積

ρ = m / V

其中 p=rho----> 給予密度的希臘字母

楊氏模量

彈性楊氏模量 = 應力 / 應變

E = ${\frac {Fl}{Ax}}$

應力 = 力 / 面積 = F / A

應變 = 伸長量 / 長度 = x / l

來源

^ http://www.ansellpro.com/download/Ansell_7thEditionChemicalResistanceGuide.pdf / http://www.polymerweb.com/_misc/chemres.html