Saturday, October 27, 2012

基礎材料科學 "強度"篇

之前文章提到了"強度"兩個字,今天我們就來探討到底甚麼才是強度
強度這兩個字是很曖昧的,怎麼說?
撞到的時候我們會講強度;
變形時我們也會講強度;
耐不耐用我們也講強度;
表面刮傷我們也說強度...
到底甚麼是強度?

其實我們一般所說的強度範圍太廣了,因為真正在科學試驗上強度有
降伏強度、抗拉強度、耐疲勞度、表面硬度及耐衝擊強度
以上這幾個是比較常見,又會在溜溜球界中遇到的,以下我一一解釋

材料的特性我們可以藉由許多試驗機來得到曲線圖,而下面這張是所謂的應力-應變曲線圖

從最簡單的開始解釋
甚麼是應力? 應力就好比壓力,是指材料單位截面積所承受的力量 F/A 單位是Kg/cm²
應變是指材料在受力之後,單位長度所改變的長度量,好比遠本1m,受力後曾常為1.1m,此應變為10/100 = 0.1

所以上面的應力-應變圖,縱座標是應力,橫座標是應變
代表著在每一次材料變形會需要多少力量

從圖片的最左邊開始,這是材料還沒開始變形,所以應力為零,也就是原點
緊接著有一條直線,這條直線遵守線性變化,也就是大家熟知的虎克定律
意思就是施力與變形量都依照現變化成正比走,沒有複雜的曲線
而這條直線的斜率也稱為"彈性係數"、"楊氏係數",其實也就是在彈簧虎克定律中的K值
(虎克定律在國小就有教了喔,彈簧的實驗,就是掛砝碼的那個啦)

彈性係數 E 
關於彈性係數的知識可以直接上WIKI搜尋了解,因為他並不複雜
這在國小的彈簧實驗中就有提到 http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%BC%B9%E6%80%A7%E7%B3%BB%E6%95%B0

通常很多人會認為彈性係數就是所謂的強度
我們都會認為在施力後材料越不容易變形,材料就越強
但這是錯誤的觀念,這只是代表材料的彈性係數高,也就是不容易變形
真正的講法應該是剛性

所以剛性並不是一個材料強度強,指是他比較不容易因為受力變形而已
但這變得變形都是會再回去的喔,跟彈簧一樣,拉長後並不會永遠都拉長
因為下面還會介紹"永久變形"

降伏強度 Yield Strength
剛才提到的直線一結束後,就會看到一個尖點,這個點稱為降伏強度
甚麼是降伏強度? 從圖面上看起來可以說,過了這一點材料變形的曲線就不再跟力量呈現簡單的線性關係
而是很複雜的曲線,而這個曲線必須藉由不斷的實驗才有辦法測得
以實用的特性來看,指的是只要過了這個強度,材料就會永久變形
甚麼是永久變形? 就是溜溜球敲到後永遠都是凹下去的意思啦~
所以昨天提到的,由於7075的降伏強度較大,所以7075做的溜溜球也比較不容易變形
而且對於溜溜球來說,降伏強度才是最重要的,因為沒有人希望自己的溜溜球永遠變形
倒反而斷裂強度不是那麼重要,因為不是大家都可以把自己的溜溜球玩到整個斷掉

極限強度(抗拉強度) Ultimate Strength
圖裡面最高的地方
是此材料最大的強度,任何施力若超越的這個強度,材料就會馬上損壞
這個數據對溜溜球來說不是那麼重要,雖然越高溜溜球就越不容易斷裂
但對於專業的玩家來說,精密的溜溜球才是他們想要的
意思就是不論如何,溜溜球都不能有永久變形的狀況,必須一直保持著原來設計時的樣子
所以這也是為什麼注意降伏強度比極限強度還要重要

斷裂強度 
在這張圖裡面沒有
但同常材料在斷裂之前會有一個過程叫做"頸縮",在斷裂之前材料的強度會下降
導致斷裂時的強度其實比極限強度還要低
不過應該不會有人故意要把溜溜球玩到斷掉啦,說真的溜溜球在斷掉前的力量也不是甚麼指標
因為在這之前溜溜球早就永久變形,會很晃,根本不能用了
所以斷裂強度在溜溜球中並不是那麼重要


應力的部分介紹完了
現在我們來談談耐疲勞度 Fatigue
耐疲勞度在溜溜球中比較沒那麼常出現,但日常生活裡面也有不少與疲勞有關
疲勞測試是變形量與力量都在降伏強度內進行,不斷的重複對材料施力
最後看材料能夠承受幾個週期的測試
由於材料分子結構,或金屬鍵的特性,導致材料不是那麼完美,無法承受多次的變形
不過當然,疲勞還不指這樣,由於疲勞還有很多變因,如最大的疲勞強度、頻率、變形量
這些都是可以再討論的,不過簡短的介紹就先到這邊

表面硬度 Hardness
表面硬度與材料的其他特性並無直接關係,表面硬度所指的是表面的耐刮能力
鋁合金溜溜球通常做完陽極處理後,都可以有不錯的表面硬度,也就是良好的耐刮能力
像是不鏽鋼有比鋁合金還要強的降伏強度與極限強度,但是不鏽鋼因為不能做陽極處理
所以不鏽鋼的表面也特別容易被刮花

耐衝擊強度 Impact Strength
耐衝擊強度是物體受衝擊力時,所呈現的抵抗強度
它並不是以該材料破裂時的應力來表示,而以破斷時所能承受的總能量或試樣單位斷面積所吸收的破斷能來表示
簡單來說,與其說是承受力量,應該說是承受能量
像是塑膠製的溜溜球,雖然我們都知道,塑膠的降伏強度、抗拉強度完全不如鋁合金
可是由於塑膠具有較好的耐衝擊能力,所以往往塑膠的溜溜球在撞擊地面的時候都不會產生永久變形
而這就好比材料的韌性




經過今天簡單的介紹後,你有更了解"強度"這兩個字嗎?
以上的內容不但是在向你說明所謂的降伏強度、抗拉強度、奈疲勞度、表面硬度及耐衝擊強度

其實裡面還包含了更深的意義

從這次的例子我們就可以知道
在我們的談話中,往往因為使用的字詞定義不明確,導致我們談話根本就是雞同鴨講
與人交談、溝通最重要的目的就是在於交換彼此的資訊
若我們一直不搞清楚這些字詞真正的定義,那我們豈不是永遠都在浪費時間?
你說你的那個,我聽了以為是這個,到最後又是另一個,這樣的談話有意義嗎?
我們做了不少這種雞同鴨講的事情,花了不少花時間,但卻又完全沒有達到效果的事情
是時候該來正視這種問題了,時間很寶貴,我們已經花了畢生1/3以上的時間在睡覺了

當然
若你與人溝通的目的不是為了交換資訊,只是為了殺時間
那你當然可以不用去管這個簡單的人生態度







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