Пластичность - Ductility

Испытание на растяжение сплава AlMgSi . Для пластичных металлов характерны локальные перегибы и поверхности излома чашечек и конусов.
Это испытание на растяжение чугуна с шаровидным графитом демонстрирует низкую пластичность.

Пластичность является механическим свойством обычно называют аменабельностью материала для рисования (например , в проволоку). В материаловедении пластичность определяется степенью, в которой материал может выдерживать пластическую деформацию при растягивающем напряжении до разрушения. Пластичность - важный фактор в проектировании и производстве, определяющий пригодность материала для определенных производственных операций (таких как холодная обработка ) и его способность поглощать механическую перегрузку. Материалы, которые обычно называют пластичными, включают золото и медь .

Ковкость , аналогичное механическое свойство, характеризуется способностью материала пластически деформироваться без разрушения под действием сжимающего напряжения. Исторически материалы считались пластичными, если их можно было формовать молотком или прокаткой. Свинец является примером материала, который является относительно пластичным, но не пластичным.

Материаловедение

Золото чрезвычайно пластично. Его можно втянуть в одноатомную проволоку, а затем растянуть еще больше, прежде чем она разорвется.

Пластичность особенно важна в металлообработке , поскольку материалы, которые трескаются, ломаются или раскалываются под воздействием напряжения, нельзя обрабатывать с помощью процессов обработки металлов давлением, таких как ковка , прокатка , волочение или экструзия . Ковкие материалы можно формовать в холодном состоянии с помощью штамповки или прессования , тогда как хрупкие материалы можно отливать или термоформовать .

Высокая пластичность достигается благодаря металлическим связям , которые встречаются преимущественно в металлах; это приводит к распространенному мнению, что металлы в целом пластичны. В металлических связях электроны валентной оболочки делокализованы и распределяются между многими атомами. В делокализованных электронов позволяют атомов металла скользить мимо друг друга , не подвергаясь воздействию сильных сил отталкивания , которые могут вызвать другие материалы , чтобы разрушить.

Пластичность стали варьируется в зависимости от легирующих компонентов. Повышение уровня углерода снижает пластичность. Многие пластмассы и аморфные твердые тела , такие как пластилин пластилин , также являются пластичными. Самый пластичный металл - платина, а самый ковкий - золото . При сильном растяжении такие металлы деформируются за счет образования, переориентации и миграции дислокаций и двойников кристаллов без заметного упрочнения.

Количественная оценка пластичности

Величины, обычно используемые для определения пластичности при испытании на растяжение, представляют собой относительное удлинение (иногда обозначаемое как ) и уменьшение площади (иногда обозначаемое как ) при разрыве. Деформация разрушения - это инженерная деформация, при которой испытуемый образец разрушается во время испытания на одноосное растяжение . Относительное удлинение или инженерная деформация при разрыве можно записать как:

Процент уменьшения площади можно записать как:

где исследуемой областью является площадь поперечного сечения калибра образца.

Согласно «Машиностроительному проектированию Шигли», « значительный» означает удлинение примерно на 5,0%.

Температура перехода между вязким и хрупким состояниями

Схематический вид металлических прутков круглого сечения после испытаний на растяжение.
(а) Хрупкое разрушение
(б) Вязкое разрушение
(в) Полностью вязкое разрушение


Металлы могут подвергаться двум различным типам трещин: хрупкому и вязкому. Распространение разрушения происходит быстрее в хрупких материалах из-за способности пластичных материалов подвергаться пластической деформации. Таким образом, пластичные материалы способны выдерживать большее напряжение из-за их способности поглощать больше энергии до разрушения, чем хрупкие материалы. Пластическая деформация приводит к образованию материала после модификации уравнения Гриффитса, где критическое напряжение разрушения увеличивается из-за пластической работы, необходимой для расширения трещины, добавляя к работе, необходимой для образования трещины, - работе, соответствующей увеличению поверхностной энергии, которая возникает в результате образования на поверхности трещины присоединения. Пластическая деформация пластичных металлов важна, поскольку она может быть признаком потенциального разрушения металла. Тем не менее, точка, в которой материал демонстрирует пластичное поведение по сравнению с хрупким поведением, зависит не только от самого материала, но и от температуры, при которой к материалу прикладывается напряжение. Температура, при которой материал изменяется от хрупкого до пластичного или наоборот, имеет решающее значение для конструкции несущих металлических изделий. Минимальная температура, при которой металл переходит от хрупкого поведения к пластичному или от пластичного к хрупкому, известна как температура перехода из пластичного в хрупкое состояние (DBTT). Ниже DBTT материал не сможет пластически деформироваться, и скорость распространения трещин быстро увеличивается, что приводит к быстрому хрупкому разрушению материала. Кроме того, DBTT важен, поскольку, как только материал охлаждается ниже DBTT, он имеет гораздо большую тенденцию к разрушению при ударе, а не к изгибу или деформации ( низкотемпературное охрупчивание ). Таким образом, DBTT указывает на то, что по мере снижения температуры способность материала пластично деформироваться уменьшается, и поэтому скорость распространения трещин резко увеличивается. Другими словами, твердые тела очень хрупкие при очень низких температурах, а их ударная вязкость становится намного выше при повышенных температурах.

Для более общих применений предпочтительно иметь более низкое значение DBTT, чтобы материал имел более широкий диапазон пластичности. Это гарантирует предотвращение внезапных трещин и предотвращение отказов металлического корпуса. Было определено, что чем больше у материала систем скольжения, тем в более широком диапазоне температур проявляется пластичное поведение. Это происходит из-за систем скольжения, допускающих большее движение дислокаций при приложении к материалу напряжения. Таким образом, в материалах с меньшим количеством систем скольжения дислокации часто закрепляются препятствиями, ведущими к деформационному упрочнению, что увеличивает прочность материалов, что делает материал более хрупким. По этой причине ГЦК-структуры пластичны в широком диапазоне температур, ОЦК-структуры пластичны только при высоких температурах, а ГПУ-структуры часто являются хрупкими в широком диапазоне температур. Это приводит к тому, что каждая из этих структур имеет разные характеристики по мере приближения к разрушению (усталость, перегрузка и растрескивание под напряжением) при различных температурах, и показывает важность DBTT при выборе правильного материала для конкретного применения. Например, замак 3 демонстрирует хорошую пластичность при комнатной температуре, но разрушается при ударе при отрицательных температурах. DBTT - очень важный фактор при выборе материалов, которые подвергаются механическим нагрузкам. Подобное явление, температура стеклования , происходит со стеклами и полимерами, хотя механизм другой в этих аморфных материалах . DBTT также зависит от размера зерен в металле, поскольку обычно меньший размер зерна приводит к увеличению прочности на разрыв, что приводит к увеличению пластичности и снижению DBTT. Это увеличение прочности на растяжение связано с меньшими размерами зерен, что приводит к упрочнению границ зерен внутри материала, когда дислокации требуют большего напряжения для обхода границ зерен и продолжения распространения по всему материалу. Было показано, что, продолжая измельчать зерна феррита для уменьшения их размера с 40 микрон до 1,3 микрон, можно полностью исключить DBTT, так что хрупкое разрушение никогда не произойдет в ферритной стали (поскольку требуемая DBTT будет ниже абсолютного нуля).

В некоторых материалах переход более резкий, чем в других, и обычно требуется механизм деформации, чувствительный к температуре. Например, в материалах с объемно-центрированной кубической (ОЦК) решеткой DBTT легко проявляется, поскольку движение винтовых дислокаций очень чувствительно к температуре, поскольку перестройка ядра дислокации до проскальзывания требует термической активации. Это может быть проблематичным для сталей с высоким содержанием феррита . Это, как известно, привело к серьезным трещинам в корпусах кораблей Liberty в более холодных водах во время Второй мировой войны , что привело к многочисленным затоплениям. На DBTT также могут влиять внешние факторы, такие как нейтронное излучение , которое приводит к увеличению внутренних дефектов решетки и соответствующему снижению пластичности и увеличению DBTT.

Самый точный метод измерения DBTT материала - испытание на излом . Обычно испытание на четырехточечный изгиб при различных температурах проводят на прутках из полированного материала с предварительными трещинами. Для определения DBTT определенных металлов обычно используются два испытания на разрушение: испытание Шарпи с V-образным надрезом и испытание Изода. Испытание по Шарпи с V-образным надрезом определяет способность образца поглощать энергию удара или ударную вязкость путем измерения разницы потенциальной энергии, возникающей в результате столкновения между массой на свободно падающем маятнике и обработанной V-образной надрезом в образце, что приводит к маятник пробивает образец. DBTT определяется путем повторения этого испытания при различных температурах и с учетом того, когда результирующая трещина становится хрупкой, что происходит при резком уменьшении поглощенной энергии. Тест Изода, по сути, такой же, как тест Шарпи, с единственным отличительным фактором, который заключается в размещении образца; В первом случае образец размещается вертикально, а во втором - горизонтально относительно низа основания.

Для экспериментов, проводимых при более высоких температурах, активность дислокаций возрастает. При определенной температуре дислокации экранируют вершину трещины до такой степени, что приложенная скорость деформации недостаточна для того, чтобы интенсивность напряжения в вершине трещины достигла критического значения для разрушения (K iC ). Температура, при которой это происходит, является температурой вязко-хрупкого перехода. Если эксперименты проводятся при более высокой скорости деформации, требуется больше экранирования дислокаций, чтобы предотвратить хрупкое разрушение , и температура перехода повышается.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки