Пластичность является механическим свойством обычно называют аменабельностью материала для рисования (например , в проволоку). [1] В материаловедении пластичность определяется степенью, в которой материал может выдерживать пластическую деформацию при растягивающем напряжении до разрушения. [2] [3] Пластичность является важным фактором в проектировании и производстве, определяя пригодность материала для определенных производственных операций (таких как холодная обработка ) и его способность поглощать механическую перегрузку. [4] Материалы, которые обычно называют пластичными, включают золото и медь . [5]
Ковкость , аналогичное механическое свойство, характеризуется способностью материала пластически деформироваться без разрушения под действием сжимающего напряжения. [6] [7] Исторически материалы считались пластичными, если их можно было формовать молотком или прокаткой. [1] Свинец является примером материала, который относительно податлив, но не пластичен. [5] [8]
Материаловедение
Пластичность особенно важна в металлообработке , так как 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 . [10] [11] При сильном растяжении такие металлы деформируются за счет образования, переориентации и миграции дислокаций и двойников кристаллов без заметного упрочнения. [12]
Количественная оценка пластичности
Величины, обычно используемые для определения пластичности при испытании на растяжение, представляют собой относительное удлинение в процентах (иногда обозначаемое как ) и уменьшение площади (иногда обозначается как ) при переломе. [13] Деформация разрушения - это инженерная деформация, при которой образец для испытаний разрушается во время испытания на одноосное растяжение . Относительное удлинение, или инженерная деформация при разрыве, можно записать как [14] [15] [16]
Процент уменьшения площади можно записать как [14] [15] [16]
где исследуемой областью является площадь поперечного сечения калибра образца.
Согласно Shigley's Mechanical Engineering Design [17] значительный означает удлинение примерно на 5,0%.
Температура перехода между вязким и хрупким состояниями
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 могут 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. [18] 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 прилагается 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 состояния 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, когда материал охлаждается ниже DBTT, он имеет гораздо большую тенденцию к разрушению при ударе, а не на изгиб или деформацию ( низкотемпературное охрупчивание ). Таким образом, DBTT указывает на то, что по мере снижения температуры способность материала пластично деформироваться уменьшается, и, таким образом, скорость распространения трещин резко увеличивается. Другими словами, твердые тела очень хрупкие при очень низких температурах, а их 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 предела прочности на разрыв происходит из-за меньшего размера 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). [19]
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, потому что перестройка ядра дислокации перед проскальзыванием 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 множеству затоплений. 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 с V-образным надрезом по Шарпи 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. [20]
Для экспериментов, проводимых при более высоких температурах, активность дислокаций [ требуется уточнение ] увеличивается. При определенной температуре дислокации экранируют [ необходимо разъяснение ] 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. [ необходима цитата ]
Смотрите также
- Деформация
- Деформационное упрочнение , улучшающее пластичность при одноосном растяжении за счет отсрочки наступления нестабильности.
- Сопротивление материалов
Рекомендации
- ^ a b Бранде, Уильям Томас (1853). Словарь науки, литературы и искусства: содержит историю, описание и научные принципы каждой отрасли человеческого знания: с выводом и определением всех терминов общего пользования . Харпер и братья. п. 369.
- ^ Калпакчян, Серопе, 1928- (1984). Процессы производства инженерных материалов . Ридинг, Массачусетс: Эддисон-Уэсли. п. 30. ISBN 0-201-11690-1. OCLC 9783323 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ «Пластичность - что такое пластичный материал» . Атомная энергетика . Проверено 14 ноября 2020 .
- ^ Будинас, Ричард Г. (2015). Машиностроительный дизайн Шигли - 10-е изд . Макгроу Хилл. п. 233. ISBN. 978-0-07-339820-4..
- ^ а б Чендлер Робертс-Остин, Уильям (1894). Введение в изучение металлургии . Лондон: К. Гриффин. п. 16.
- ^ «Ковкость - Тягкие материалы» . Атомная энергетика . Архивировано 25 сентября 2020 года . Проверено 14 ноября 2020 .
- ^ DOE FUNDAMENTALS СПРАВОЧНИК ПО МАТЕРИАЛАМ . Том 1, Модуль 2 - Свойства металлов. Министерство энергетики США. Январь 1993. с. 25.
|volume=
есть дополнительный текст ( справка ) - ^ Рич, Джек С. (1988). Материалы и методы скульптуры . Courier Dover Publications. п. 129 . ISBN 978-0-486-25742-6..
- ^ Масуда, Хидеки (2016). «Комбинированная просвечивающая электронная микроскопия - наблюдение на месте процесса формирования и измерение физических свойств металлических проводов с одиночными атомными размерами». В Янечеке, Милош; Крал, Роберт (ред.). Современная электронная микроскопия в физике и науках о жизни . InTech. DOI : 10,5772 / 62288 . ISBN 978-953-51-2252-4.
- ^ Ваккаро, Джон (2002) Справочник по материалам, Справочники Мак-Гроу-Хилла, 15-е изд.
- ^ Шварц, М. (2002) CRC энциклопедия материалов, деталей и отделки , 2-е изд.
- ^ Ла, Че; Акмал, Нурул; Тригуэрос, Соня (2019). «Синтез и моделирование механических свойств нанопроволок Ag, Au и Cu» . Sci. Technol. Adv. Матер . 20 (1): 225–261. Bibcode : 2019STAdM..20..225L . DOI : 10.1080 / 14686996.2019.1585145 . PMC 6442207 . PMID 30956731 .
- Перейти ↑ Dieter, G. (1986) Mechanical Metallurgy , McGraw-Hill, ISBN 978-0-07-016893-0
- ^ а б «Обзор пластичности - Механика прочности материалов - Инженерный край» . www.engineersedge.com . Проверено 14 июля 2020 .
- ^ а б Аскеланд, Дональд Р. (2016). «6-4 свойств, полученных в результате испытания на растяжение». Материаловедение и инженерия материалов . Райт, Венделин Дж. (Седьмое изд.). Бостон, Массачусетс. п. 195. ISBN 978-1-305-07676-1. OCLC 903959750 .
- ^ а б Каллистер, Уильям Д. младший (2010). «6.6 Свойства при растяжении». Материаловедение и инженерия: введение . Ретвиш, Дэвид Г. (8-е изд.). Хобокен, штат Нью-Джерси. п. 166. ISBN. 978-0-470-41997-7. OCLC 401168960 .
- ^ Будинас, Ричард Г. (2015). Машиностроительный дизайн Шигли - 10-е изд . Макгроу Хилл. п. 233. ISBN. 978-0-07-339820-4..
- ^ https://www.usna.edu/NAOE/_files/documents/Courses/EN380/Course_Notes/Ch11_Fracture.pdf
- ^ https://www.jstage.jst.go.jp/article/isijinternational/54/8/54_1958/_html/-char/en
- ^ https://yenaengineering.nl/ductile-brittle-transition-tempera-and-impact-energy-tests/
Внешние ссылки
- Определение пластичности на сайте engineeringsedge.com
- Пакет обучения и обучения DoITPoMS - «Переход от пластичного к хрупкому»