力與材料

刊登日期:2013/10/5
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材料依內部變形和吸收能量的不同機理,譬如硬脆的陶瓷、玻璃、塑鋼材料,有較低的延展性、抗彎折性;高強度的合金材料,大多有較高的韌性(高強度與好的延展性)等,但受到外力的作用,均會在某一平面上產生垂直平面的正應力,與平面平行的剪應力,後者是產生變形的主要應力,其最大值通常是在與施力方向成45度角的平面。最終的材料損傷程度又與所施的力方向是拉伸或壓縮有關。金屬材料有較高承受拉伸應力的能力,用於建材的混凝土和木材等,拉伸強度均較壓縮強度小很多。

好的建材常以複合材料的結構形式存在,譬如木材是木質素和纖維織構的複合材料。而鋼筋混凝土則是鋼鐵材料和混凝土的複合材料,形成耐壓縮、彎折和拉伸的複合強度。金屬材料有較佳的塑性變形能力,是源自於其內部的線缺陷-差排線(前篇提到這是由許多空孔所組成),原子可以隨差排的移動而重新排列,在達到最大強度之前不會發生破損。陶瓷和工程塑膠等則強度較低,耐受剪應力變形能力較低,而高分子材料也不耐紫外線。美國杜邦所發明的克維拉(Kevlar)高分子材料,有很高的強度和低的相對密度(3,620 Mpa;1.44),其強度來自π-π鍵的堆疊結構,常被用於軍警用的防彈衣等耐撞擊裝備。它是利用高回復力(Resilience)的特性,所謂回復力是在彈性變形範圍內,應力-應變曲線下的總面積,即代表了吸收衝擊能量的能力。與同樣有這種能力的鋼質材料比較,它具輕量,但高強度的優點(較高的強度/密度比值),而若運用多層的結構,則可吸收更高穿透能力的子彈。除了材料的電、光、聲、熱等功能性之外,產品的結構件也是決定產品良窳的關鍵因素,它受許多環境因素,例如溫度、酸鹼、紫外線、振動、磨蝕等影響,而會提早劣化,進而影響相關的功能特性,消費性電子產品之材料力學研究,也是產品設計上非常重要的一環。


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