Прочности специфические представляет собой материал , по прочности (сила на единицу площади при выходе из строя) делится на его плотность . Это также известно как отношение прочности к массе или отношение прочности к массе или отношение прочности к массе . В волокнах или текстильных изделиях обычно измеряется удельная прочность на разрыв. Единица измерения удельной прочности в системе СИ - Па м 3 / кг или Н · м / кг, что по размерам эквивалентно м 2 / с 2 , хотя последняя форма используется редко. Удельная сила имеет те же единицы, что иудельная энергия и связана с максимальной удельной энергией вращения, которую объект может иметь, не разлетаясь из-за центробежной силы .
Другой способ описания удельной прочности - это разрывная длина , также известная как длина самоподдержки : максимальная длина вертикальной колонны материала (при фиксированном поперечном сечении), которая может удерживать собственный вес, когда поддерживается только сверху. Для этого измерения определение веса - это сила тяжести на поверхности Земли ( стандартная сила тяжести , 9,80665 м / с 2 ), действующая на всю длину материала, не уменьшающуюся с высотой. Такое использование чаще встречается с некоторыми специальными волокнами или текстильными изделиями.
Материалы с наивысшей удельной прочностью обычно представляют собой волокна, такие как углеродное волокно , стекловолокно и различные полимеры, которые часто используются для изготовления композиционных материалов (например, углеродного волокна и эпоксидной смолы ). Эти и другие материалы, такие как титан , алюминий , магний и высокопрочные стальные сплавы , широко используются в аэрокосмической и других областях, где снижение веса стоит более высокой стоимости материалов.
Обратите внимание, что сила и жесткость различны. Оба важны при проектировании эффективных и безопасных конструкций.
Расчеты разрывной длины [ править ]
где - длина, - предел прочности, - плотность, - это ускорение свободного падения ( м / с )
Примеры [ править ]
Материал | Прочность на разрыв ( МПа ) | Плотность ( г / см³ ) | Удельная прочность ( кН · м / кг ) | Разрывная длина ( км ) | Источник |
---|---|---|---|---|---|
Конкретный | 2–5 | 2.30 | 5,22 | 0,44 | |
Полиоксиметилен (ПОМ) | 69 | 1,42 | 4,95 | [1] | |
Резинка | 15 | 0,92 | 16,3 | 1,66 | |
Медь | 220 | 8,92 | 24,7 | 2,51 | |
Полипропилен / ПП | 25–40 | 0,90 | 28–44 | 2,8–4,5 | [2] |
(Поли) акрилонитрил-бутадиен-стирол / АБС | 41–45 | 1.05 | 39–43 | [3] | |
Полиэтилентерефталат / полиэстер / ПЭТ | 80 | 1,3–1,4 | 57–62 | [4] | |
Проволока для фортепиано / Сталь ASTM 228 | 1590-3340 | 7,8 | 204-428 | [5] | |
Полимолочная кислота / полилактид / PLA | 53 | 1,24 | 43 год | [6] | |
Низкоуглеродистая сталь (AISI 1010) | 365 | 7,87 | 46,4 | 4,73 | [7] |
Нержавеющая сталь (304) | 505 | 8.00 | 63,1 | 6.4 | [8] |
Латунь | 580 | 8,55 | 67,8 | 6,91 | [9] |
Нейлон | 78 | 1.13 | 69,0 | 7,04 | [10] |
Титана | 344 | 4,51 | 76 | 7,75 | [11] |
CrMo Сталь (4130) | 560–670 | 7,85 | 71–85 | 7,27–8,70 | [12] [13] |
Алюминиевый сплав (6061-Т6) | 310 | 2,70 | 115 | 11,70 | [14] |
дуб | 90 | 0,78–0,69 | 115–130 | 12–13 | [15] |
Инконель (X-750) | 1250 | 8,28 | 151 | 15.4 | [16] |
Магниевый сплав | 275 | 1,74 | 158 | 16.1 | [17] |
Алюминиевый сплав (7075-Т6) | 572 | 2,81 | 204 | 20,8 | [18] |
Pine Wood (американская восточная белая) | 78 | 0,35 | 223 | 22,7 | [19] |
Титановый сплав ( бета C ) | 1250 | 4.81 | 260 | 26,5 | [20] |
Бейнит | 2500 | 7,87 | 321 | 32,4 | [21] |
Бальза | 73 | 0,14 | 521 | 53,2 | [22] |
Углеродно-эпоксидный композит | 1240 | 1,58 | 785 | 80,0 | [23] |
Паучий шелк | 1400 | 1,31 | 1069 | 109 | |
Волокно из карбида кремния | 3440 | 3,16 | 1088 | 110 | [24] |
Пряжа Miralon из углеродных нанотрубок серии C | 1375 | 0,7–0,9 | 1100 | 112 | [25] |
Стекловолокно | 3400 | 2,60 | 1307 | 133 | [26] |
Базальтовое волокно | 4840 | 2,70 | 1790 | 183 | [27] |
Усы железа 1 мкм | 14000 | 7,87 | 1800 | 183 | [21] |
Вектран | 2900 | 1,40 | 2071 | 211 | [26] |
Углеродное волокно (AS4) | 4300 | 1,75 | 2457 | 250 | [26] |
Кевлар | 3620 | 1,44 | 2514 | 256 | [28] |
Dyneema ( СВМПЭ ) | 3600 | 0,97 | 3711 | 378 | [29] |
Зилон | 5800 | 1,54 | 3766 | 384 | [30] |
Углеродное волокно (Toray T1100G) | 7000 | 1,79 | 3911 | 399 | [31] |
Углеродные нанотрубки (см. Примечание ниже) | 62000 | 0,037–1,34 | 46268 – Н / Д | 4716 – Н / Д | [32] [33] |
Колоссальная карбоновая трубка | 6900 | 0,116 | 59483 | 6066 | [34] |
Графен | 130500 | 2,090 | 62453 | 6366 | [35] |
Фундаментальный предел | 9 × 10 13 | 9,2 × 10 12 | [36] |
Данные этой таблицы взяты из лучших случаев и были установлены для получения приблизительных цифр.
- Примечание. Многослойные углеродные нанотрубки обладают наивысшей прочностью на разрыв среди всех материалов, которые когда-либо измерялись, и лаборатории производят их с пределом прочности на разрыв 63 ГПа [32], все еще значительно ниже их теоретического предела в 300 ГПа. Первые жгуты из нанотрубок (длиной 20 мм), предел прочности которых был опубликован (в 2000 г.), имели прочность 3,6 ГПа, что все еще значительно ниже их теоретического предела. [37] Плотность различается в зависимости от способа изготовления, и наименьшее значение составляет 0,037 или 0,55 (твердое тело). [33]
«Юрий» и космические привязи [ править ]
Международный консорциум Космического лифта предложил «Юру» в качестве названия для единиц СИ , описывающей прочность конкретной. Удельная прочность имеет фундаментальное значение при описании материалов кабелей космических лифтов . Единица Юрий задумывается как единица СИ для предела текучести (или напряжения разрушения) на единицу плотности материала при растяжении. Итак, единицы измерения для одного Юрия - Па м 3 / кг . Эта единица эквивалентна одному Н · м / кг , который представляет собой разрывную / предельную силу, приходящуюся на линейную плотность натянутого кабеля. [38] [39] Функциональный земной космический лифт.потребуется трос 30–80 МегаЮри (что соответствует разрывной длине 3100–8200 км). [40]
Фундаментальный предел удельной силы [ править ]
Условие нулевой энергии накладывает фундаментальный предел на удельную прочность любого материала. [36] Удельная прочность не должна превышать c 2 ~9 × 10 13 кН · м / кг , где c - скорость света . Этот предел достигается с помощью силовых линий электрического и магнитного поля, силовых трубок КХД и фундаментальных струн, предполагаемых теорией струн . [ необходима цитата ]
Упорство (прочность ткани) [ править ]
Упорство является обычной мерой прочности в виде волокна или нити . Обычно его определяют как предельную (разрывную) силу волокна (в единицах грамм- сила), деленную на денье . Поскольку денье является мерой линейной плотности, прочность на разрыв оказывается не мерой силы на единицу площади, а скорее квазигабаритной мерой, аналогичной удельной прочности. [41] Упорство соответствует: [ необходима цитата ] В основном упорство, выраженное в отчете как cN / tex.
См. Также [ править ]
- Удельный модуль
- Космический лифт
- Космический трос
Ссылки [ править ]
- ^ https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=762
- ^ http://www.goodfellow.com/E/Polypropylene.html
- ^ http://www.goodfellow.com/E/Polyacrylonitrile-butadiene-styrene.html
- ^ http://www.goodfellow.com/E/Polyethylene-terephthalate.html
- ^ http://www.matweb.com/search/datasheet_print.aspx?matguid=4bcaab41d4eb43b3824d9de31c2c6849
- ^ http://www.goodfellow.com/E/Polylactic-acid-Biopolymer.html
- ^ "Сталь AISI 1010, холоднотянутая" . matweb.com . Проверено 20 октября 2015 .
- ^ "Лист технических данных ASM" . asm.matweb.com . Проверено 20 октября 2015 .
- ^ «Свойства медных сплавов» . roymech.co.uk .
- ^ http://www.goodfellow.com/E/Polyamide-Nylon-6.html
- ^ "Лист технических данных ASM" . asm.matweb.com . Проверено 14 ноября 2016 .
- ^ "Лист технических данных ASM" . asm.matweb.com . Проверено 18 августа 2016 .
- ^ "Лист технических данных ASM" . asm.matweb.com . Проверено 18 августа 2016 .
- ^ "Лист технических данных ASM" . asm.matweb.com . Проверено 18 августа 2016 .
- ^ "Экологические данные: дубовая древесина" . Архивировано 9 октября 2007 года . Проверено 17 апреля 2006 .CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )
- ^ "Лист технических данных ASM" . asm.matweb.com . Проверено 20 октября 2015 .
- ^ «eFunda: Типичные свойства магниевых сплавов» .
- ^ "Лист технических данных ASM" . asm.matweb.com . Проверено 20 октября 2015 .
- ^ "Американская восточная белая сосна" . www.matweb.com . Проверено 8 декабря 2019 .
- ^ "Технические данные материалов AZo" . azom.com . Проверено 14 ноября 2016 .
- ^ a b 52-я лекция в память о Хэтфилде: «Большие куски очень прочной стали» HKDH Bhadeshia 2005. на archive.is
- ^ "MatWeb - информационный ресурс онлайн-материалов" . matweb.com .
- ^ McGraw-Hill ЭНЦИКЛОПЕДИЯ науки и технологии, 8издание, (с) 1997, т. 1 стр. 375
- ^ Specialty Materials, Inc SCS карбид кремниевые волокна
- ^ NanoComp Technologies Inc. "Miralon Yarn" (PDF) .
- ^ a b c "Вектран" . Vectran Fiber, Inc.
- ^ "RWcarbon.com - Источник деталей BMW и Mercedes из углеродного волокна для аэрооборудования" . rwcarbon.com .
- ^ "Сетевая группа композитов в строительстве: Введение в армированные волокном полимерные композиты" . Архивировано 18 января 2006 года . Проверено 17 апреля 2006 .CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )
- ^ "Информационный бюллетень Dyneema" . DSM . 1 января 2008 г.
- ^ Toyobo Co., Ltd. "ザイロン® (ПБО繊維)技術資料(2005)" (PDF) . Архивировано из оригинала (бесплатно скачать PDF) на сайте 2012-04-26.
- ^ Toray Composites Materials America, Co., Ltd. "T1100S, ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ МОДУЛЬНЫЙ УГЛЕРОДНЫЙ ВОЛОКНО" (бесплатно скачать PDF) . CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ а б Ю, Мин-Фэн; Лурье, Олег; Дайер, Марк Дж .; Молони, Катерина; Келли, Томас Ф .; Руофф, Родни С. (28 января 2000 г.). «Прочность и механизм разрушения многослойных углеродных нанотрубок при растягивающей нагрузке» (PDF) . Наука . 287 (5453): 637–640. Bibcode : 2000Sci ... 287..637Y . DOI : 10.1126 / science.287.5453.637 . PMID 10649994 . Архивировано из оригинального (PDF) 4 марта 2011 года.
- ^ а б К.Хата. «От высокоэффективного синтеза УНТ без примесей к лесам DWNT, твердым телам CNT и суперконденсаторам» (PDF) . DOI : 10.1117 / 12.716279 .
- ^ Пэн, H .; Chen, D .; и др., Huang JY; и другие. (2008). «Прочные и пластичные колоссальные углеродные трубки со стенками из прямоугольных макропор». Phys. Rev. Lett . 101 (14): 145501. Bibcode : 2008PhRvL.101n5501P . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.101.145501 . PMID 18851539 .
- ^ "Лауреаты Нобелевской премии по физике 2010 г." (PDF) . nobelprize.org.
- ^ а б Браун, Адам Р. (2012). «Прочность на разрыв и разработка черных дыр». Письма с физическим обзором . 111 (21). arXiv : 1207.3342 . Bibcode : 2013PhRvL.111u1301B . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.111.211301 .
- ^ Ли, Ф .; Cheng, HM; Bai, S .; Вс, Г .; Дрессельхаус, М.С. «Прочность на разрыв однослойных углеродных нанотрубок, измеренная непосредственно с их макроскопических канатов» . Письма по прикладной физике . 77 (20). DOI : 10.1063 / 1.1324984 .
- ^ Strong Tether Challenge 2013
- ^ Суперпользователь. «Терминология» . isec.org . Архивировано из оригинала на 2012-05-27.
- ^ "Удельная сила в Юрис" . keithcu.com .
- ^ Родригес, Фердинанд (1989). Принципы полимерных систем (3-е изд.). Нью-Йорк: Hemisphere Publishing. п. 282 . ISBN 9780891161769. OCLC 19122722 .
Внешние ссылки [ править ]
- Удельная жесткость - График удельной прочности , Кембриджский университет, инженерный факультет