金屬強度：定義、測試和應用
金屬強度：定義、測試和應用
什麼是金屬強度？
金屬強度是指金屬材料抵抗外力而不損壞的能力。它是衡量金屬材料性能的重要指標之一。常見的金屬強度指標有屈服強度、抗拉強度、抗壓強度、疲勞強度等。
金屬本身的化學成分和內部結構都會影響其強度。同時，金屬強度也會受到金屬加工方法、溫度等許多因素的影響。結合不同的產業需求，了解不同金屬的強度 材料在材料選擇和預測材料使用功能方面起著關鍵作用。
金屬強度的基本定義
- 金屬的屈服強度：金屬材料開始發生顯著塑性變形時的應力。
- 金屬的拉伸強度：金屬材料在斷裂前能承受的最大應力。這通常透過金屬抗拉強度圖表來反映。
- 金屬的疲勞強度：材料在循環應力作用下，經過一定次數的循環後，能承受而不損壞的最大應力。
- 金屬硬度圖表：材料抵抗局部塑性變形、壓痕或刮痕的能力。
- 以強度劃分的金屬衝擊韌性：材料在衝擊負荷下吸收能量和抵抗斷裂的能力。
金屬強度圖表
在眾多材料強度圖表中，鋼和鐵因其廣泛的應用而備受關注。為了更清楚地展示鋼鐵在強度性能方面的表現，並方便與其他常見金屬進行比較，我們列出了以下各種金屬的強度測試指標，包括不銹鋼和鐵。透過這些指標，我們可以深入了解鋼、鐵等金屬獨特的機械性能，為材料的合理選擇和有效應用提供可靠的參考。什麼金屬的抗拉強度最高？這是金屬強度圖表：
金屬強度測量金屬 | 鋼鐵 | 鋁合金 | 銅合金 | 鈦合金 | 鎂合金 |
|---|---|---|---|---|---|
弾性極限（兆帕） | 200-2000 | 70-500 | 100-1200 | 700-1200 | 100-200 |
屈服強度（兆帕） | 200-1000 | 50-500 | 150-1000 | 400-1000 | 60-300 |
延伸強度（兆帕） | 300-2000 | 100-600 | 200-1200 | 500-1500 | 150-400 |
斷裂後伸長率（％） | 5-50 | 5-20 | 5-40 | 5-20 | 3-20 |
面積減少百分比（％） | 10-60 | 5-30 | 10-40 | 10-30 | 5-25 |
布氏硬度（HBW） | 100-500 | 30-150 | 50-300 | 150-350 | 30-100 |
疲勞強度（兆帕） | 100-800 | 50-300 | 80-500 | 300-800 | 50-200 |
凱衝韌性（J/cm²） | 20-200 | 10-100 | 15-150 | 10-80 | 5-50 |
影響金屬強度的因素
影響金屬強度的因素主要有以下三個面向：
化學成分對金屬強度的影響
添加鉻、鎳、鉬等合金元素對提高鋼的強度和各種其他性能有很大影響。例如，增加鋼中碳含量的比例將導致其金屬強度的增加。但同時，由於含碳量的增加，其耐力和可塑性也會大大降低。機械性質的這些變化是一個複雜的過程。
機械加工工藝對金屬強度的影響
不同的工藝對材料的金屬強度也有很大的影響。其中，影響加工技術對金屬強度的影響是多方面的。磨削/拋光/切割/研磨等不同的加工方法會在物理層面上改變金屬材料的機械性能和金屬強度。
焊接也影響金屬材料的強度。因為對於完全相同的材料製成的同一零件，無論是透過鑄造、機械加工或焊接生產，都會對金屬強度產生影響。此外，正火/淬火/回火等熱處理方法也會影響金屬強度。主要影響金屬材料的延展性和耐久性。
晶體結構對金屬強度的影響
金屬的具體晶體結構及其相關的機械行為高度依賴元素組成、加工歷史和溫度條件等因素。金屬的具體晶體結構及其相關的機械行為高度依賴元素組成、加工歷史和溫度條件等因素。了解和操縱晶體結構對於為各種工程應用客製化金屬的機械性能至關重要。
金屬強度試驗方法
常見的金屬強度測試方法有拉伸測試/硬度測試/衝擊測試等。
屈服強度
測量方法：透過拉伸試驗，當材料在拉伸過程中應力不再增加但應變繼續增加時測定。相應的應力就是屈服強度。
拉伸強度
測量方法：透過拉伸試驗獲得。材料斷裂時對應的應力值就是抗拉強度。將金屬材質的測試棒兩端固定在測試儀器上，並慢慢向兩端拉伸。測試棒斷裂的瞬間，測試儀器會捕捉拉力的峰值，進而測定金屬材料的抗拉強度。
金屬的疲勞強度
測量方法：採用專用疲勞試驗設備進行多次循環載重測量。透過測試其耐久性，即可確定對應產品的使用壽命。
硬度強度
金屬硬度：布氏硬度（HBW）、洛氏硬度（HRC、HRB等）、維氏硬度（HV）等。
金屬的衝擊韌性強度
測量方法：透過衝擊試驗測量。常用的是夏比衝擊試驗。
高強度金屬材料的應用
在現代工業中，金屬材料的強度至關重要，其研究和應用涉及多個領域和專業知識。探討其在工業生產中的重要性和應用實例，分析其背後的原理，以及如何加大強度和電流，為相關人員提供思考和指導，推動該領域的發展和創新。
在所有行業中，有一些行業對金屬強度的標準和要求特別高。例如，航空航太工業需要具有良好耐熱性的輕質金屬。工程機械產業需要具有更高耐熱性甚至低溫運作的金屬。透過了解不同產業對金屬強度的要求，我們可以更精準地選擇適合自己產業的金屬材料。
航空航天業
- 飛機機身結構件：在高空作業環境下，飛機機身結構件需要極為耐用。基於其承重要求，對硬度的要求也非常高。
- 引擎葉片：高溫工作環境，要求具有耐高溫、抗氧化性能。
汽車行業
- 車架及車身結構：基於其結構的特殊性，車架及車身結構需具有較高的抗拉強度，以確保整體結構的穩定性。
- 引擎零件：如曲軸、連桿等，要求有良好的疲勞強度和耐磨性。
能量場
- 風電葉片：能源設備工作環境的複雜性要求風電葉片必須具有較高的疲勞強度和抗衝擊能力。
- 石油設施和設備：石油設備主要用於鑽井和勘探作業。
機械製造領域
- 模具：要承受高壓和摩擦，要求硬度高、強度高、熱穩定性佳。
- 齒輪和傳動軸：要求有較高的疲勞強度和耐磨性，以確保傳動的精度和可靠性。
金屬強度研究進展
新型合金的研發、先進製造流程的探索以及多學科的研究方法將為提高金屬強度帶來新的機會。在奈米技術領域，有望透過控制金屬的結構來實現更高的強度和優異的性能。同時，金屬強度的理論研究也將持續完善，為實際應用提供更精確的指導。
本文原文來源：Dawang Metals