Dalam reka bentuk mekanikal, salah satu punca kekeliruan yang paling biasa—walaupun dalam kalangan jurutera—adalah salah faham atau salah guna istilah kekakuan, kekuatan dan kekerasan. Walaupun kesemuanya menerangkan tindak balas material terhadap daya luaran, sifat ini pada asasnya berbeza dalam maksud, tujuan dan implikasi kejuruteraannya.
Artikel ini memecahkan ketiga-tiga konsep ini, menyediakan contoh kehidupan sebenar, berkongsi panduan pemilihan bahan, dan membincangkan pertimbangan pembuatan praktikal, terutamanya berkaitan untuk prototaip dan pengeluaran volum rendah.
1. Apakah Kekakuan?
Kekakuan merujuk kepada rintangan bahan atau struktur terhadap ubah bentuk anjal di bawah beban. Semakin kaku suatu komponen, semakin kurang ia berubah bentuk apabila dikenakan daya.
Diukur:Mengikut Pekali Kekukuhan (k): N/m. Modulus elastik (Modulus Muda): GPa atau Mpa
Formula Modulus Young (ujian tegangan)
Formula yang paling biasa digunakan untuk mengira modulus keanjalan dalam ujian tegangan adalah seperti berikut:
Modulus Keanjalan (E) = Tekanan (σ) / Terikan (ε), digambarkan di bawah.
Dalam formula ini, tegasan ialah beban yang dikenakan pada spesimen dibahagikan dengan luas keratan rentas asal, dan terikan ialah perubahan panjang spesimen dibahagikan dengan panjang asal.
Formula ini membenarkan penentuan modulus keanjalan untuk bahan yang dimaksudkan, dengan mengambil kira tindak balas keanjalan semasa ujian tegangan.
2. Apakah Kekuatan?
Kekuatan ialah keupayaan bahan untuk menahan daya yang dikenakan tanpa kegagalan, seperti hasil (ubah bentuk kekal) atau patah.
Diukur Oleh: Kekuatan Hasil (MPa): Permulaan ubah bentuk plastik. Kekuatan Tegangan Muktamad (MPa): Tegasan maksimum sebelum pecah
Dalam kemalangan kereta, rangka hadapan mesti menyerap tenaga tinggi tanpa koyak. Bahan dengan tegangan tinggi dan kekuatan hasil digunakan untuk mengelakkan keruntuhan struktur.
Kekuatan Hasil Aloi Aluminium
Kekuatan hasil aloi aluminium merujuk kepada tahap tegasan di mana bahan mula berubah bentuk secara plastis—bermaksud ia tidak akan kembali kepada bentuk asalnya selepas beban dikeluarkan. Ini adalah sifat kritikal dalam reka bentuk kejuruteraan, kerana ia menunjukkan berapa banyak beban yang boleh dikendalikan oleh komponen aluminium sebelum ubah bentuk kekal.
Berikut ialah carta perbandingan kekuatan hasil untuk aloi dan keluli aluminium biasa. Seperti yang ditunjukkan, beberapa keluli berkekuatan tinggi jauh melebihi aluminium dalam kekuatan hasil, manakala aluminium menawarkan alternatif yang lebih ringan.
Kepentingan Dunia Nyata:
Kekuatan menentukan kapasiti pembawa beban. Kritikal dalam komponen seperti bolt, gear, rasuk struktur dan bekas tekanan. Kekakuan tinggi ≠ kekuatan tinggi. Seramik rapuh mungkin kaku tetapi pecah di bawah tegasan sederhana (kekuatan rendah). Keluk ujian tegangan menunjukkan titik hasil, kekuatan muktamad dan titik patah.
3. Apakah Kekerasan?
Kekerasan bahan ialah sifat fizikal yang menerangkan ketahanan bahan terhadap ubah bentuk, terutamanya ubah bentuk permukaan kekal seperti lekukan, calar, pemotongan atau lelasan.
Ia mencerminkan sejauh mana bahan boleh menahan haus mekanikal dan tekanan permukaan tanpa kehilangan bentuk atau integritinya. Tidak seperti kekuatan atau kekakuan, kekerasan memfokuskan secara khusus pada ketahanan permukaan.
5 Cara Mengukur Kekerasan Bahan:
(1). Ujian Kekerasan Brinell (BHN)
Kaedah Brinell sesuai untuk menguji logam dengan struktur kasar, seperti tuangan atau penempaan. Ia menggunakan bola keluli atau tungsten karbida, biasanya berdiameter 10 mm, yang ditekan ke dalam bahan di bawah beban berat (sehingga 3000 kgf). Diameter lekukan yang ditinggalkan pada permukaan kemudian diukur.
(2). Ujian Kekerasan Rockwell (HR)
Salah satu kaedah yang paling popular dan pantas, ujian Rockwell menggunakan indentor bola berlian atau keluli berbentuk kon dan mengukur kedalaman lekukan di bawah beban kecil dan besar. Ia datang dalam skala yang berbeza (cth, HRC, HRB) untuk menampung pelbagai jenis bahan.
(3). Ujian Kekerasan Vickers (VHN)
Ujian Vickers menggunakan indentor piramid berbentuk berlian di bawah beban ringan dan mengukur panjang pepenjuru lekukan kecil. Ujian ini terkenal dengan ketepatan yang tinggi dan biasanya digunakan di makmal.
(4). Skala Kekerasan Mohs
Skala Mohs ialah kaedah kualitatif berdasarkan keupayaan bahan untuk menahan calar oleh bahan lain. Ia meletakkan kedudukan bahan pada skala 1 (talc) hingga 10 (berlian).
(5). Ujian Kekerasan Knoop
Sama seperti Vickers tetapi direka untuk bahan dan salutan yang sangat nipis, kaedah Knoop menggunakan indentor berbentuk berlian yang memanjang dan menggunakan beban yang sangat ringan.
4. Pertimbangan Pengilangan
Untuk Meningkatkan Kekakuan:
● Gunakan bahan modulus Young yang lebih tinggi (cth, keluli dan bukannya plastik)
● Tambahkan tulang rusuk, gusset atau tambah ketebalan dinding
● Pilihgeometri bahagian tertutup(seperti tiub) bukannya plat rata
Untuk Meningkatkan Kekuatan:
● Pilih aloi yang boleh dirawat haba (cth, 7075 Aluminium, 42CrMo)
● Mohonpelindapkejutan + pembajaan or menormalkanproses
● Minimumkan takuk dan bucu tajam yang bertindak sebagai penumpu tekanan
Untuk Meningkatkan Kekerasan:
gunarawatan permukaanseperti:
● Induksi atau pengerasan laser
● Nitriding atau pengkarburan untuk bahagian keluli
● Untuk alatan, pilih bahan dengan kandungan karbon tinggi dan unsur pengaloian
Contoh Dunia Sebenar dalam Prototaip
●Bahagian CNC aluminium untuk dron: Ringan, kaku, tidak rapuh → kekakuan/keseimbangan berat yang baik
●Penutup ABS bercetak 3D : Tidak kaku atau keras tetapi sangat baik untuk pengesahan konsep
● Aci keluli dengan permukaan yang mengeras: Dalaman keras, luar tahan haus
Kesimpulan
Memahami perbezaan antara kekakuan, kekuatan dan kekerasan adalah penting untuk reka bentuk mekanikal pintar, terutamanya dalam peringkat prototaip dan pra-pengeluaran. Memilih bahan yang betul—dan menghasilkannya dengan kaedah yang betul—boleh mengurangkan kegagalan produk dengan ketara, memendekkan kitaran pembangunan dan mengoptimumkan prestasi.
Jika anda sedang mencari arakan kongsi prototaip profesionalyang memahami tingkah laku material dan cara menterjemahkan niat reka bentuk anda kepada realiti berfungsi, pasukan kami menawarkan pemesinan CNC ketepatan,pembuatan kepingan logam, dan pengeluaran volum rendah yang disesuaikan dengan keperluan anda.
Mari hidupkan idea anda—dengan tepat, cepat dan boleh dipercayai.
No.9, Xinye 1st Road, LingangPioneer Park, Beijiao Town, Shunde District, Foshan,Guangdong,China.
Tel: +86 18316818582
e-mel:lynette@gdtwmx.com
Masa siaran: Jun-05-2025