Пластичность (физика)

Кривая "напряжение-деформация", показывающая типичное поведение текучести цветных сплавов . ( Стресс ,  , показано в зависимости от штамма ,  .) ${\ displaystyle \ sigma}$${\ displaystyle \ epsilon}$

1. Истинный предел упругости
2. Предел пропорциональности
3. Предел упругости
4. Предел текучести смещения

Кривой напряжение-деформация типична конструкционной стали .

---

• 1: Абсолютная сила
• 2: Предел текучести (предел текучести)
• 3: Разрыв
• 4: Область деформационного упрочнения
• 5: область шеи
• A: Видимое напряжение ( F / A ₀ )
• B: Фактическое напряжение ( F / A )

В физике и науки о материалах , пластичности , также известный как пластической деформации , является способность твердого материала подвергаться постоянной деформации , не-обратимое изменение формы в ответ на приложенные силы. ^{[1] [2]} Например, твердый кусок металла, который сгибается или прижимается к новой форме, демонстрирует пластичность, поскольку в самом материале происходят необратимые изменения. В технике переход от упругого к пластическому поведению известен как податливость .

Пластическая деформация наблюдается у большинства материалов, особенно металлов , грунтов , горных пород , бетона и пенопласта . ^{[3] [4] [5] [6]} Однако физические механизмы, вызывающие пластическую деформацию, могут широко варьироваться. В кристаллическом масштабе пластичность металлов обычно является следствием дислокаций . Такие дефекты относительно редки в большинстве кристаллических материалов, но многочисленны в некоторых частях их кристаллической структуры; в таких случаях может возникнуть пластическая кристалличность . В хрупкомтаких материалов, как камень, бетон и кость, пластичность обусловлена ​​преимущественно скольжением по микротрещинам . В ячеистых материалах, таких как жидкая пена или биологические ткани , пластичность в основном является следствием перестройки пузырьков или клеток, особенно процессов T1 .

Для многих пластичных металлов растягивающая нагрузка, прикладываемая к образцу, заставляет его вести себя эластично. Каждое увеличение нагрузки сопровождается пропорциональным увеличением растяжения. Когда груз снимается, деталь возвращается к своему первоначальному размеру. Однако, как только нагрузка превышает пороговое значение - предел текучести - растяжение увеличивается быстрее, чем в упругой области; теперь, когда нагрузка снята, некоторая степень расширения останется.

Однако упругая деформация является приблизительной, и ее качество зависит от рассматриваемых временных рамок и скорости нагружения. Если, как показано на графике напротив, деформация включает в себя упругую деформацию, ее также часто называют «упругопластической деформацией» или «упруго-пластической деформацией».

Идеальная пластичность - это свойство материалов претерпевать необратимую деформацию без увеличения напряжений или нагрузок. Пластмассовые материалы, которые были упрочнены предварительной деформацией, такой как холодная штамповка , могут нуждаться в более высоких напряжениях для дальнейшей деформации. Как правило, пластическая деформация также зависит от скорости деформации, т.е. для увеличения скорости деформации обычно должны применяться более высокие напряжения. Считается, что такие материалы деформируются вязкопластически .

Внесение свойств [ править ]

Пластичность материала прямо пропорциональна пластичности и пластичности материала.

Физические механизмы [ править ]

В металлах [ править ]

Пластичность кристалла чистого металла в первую очередь обусловлена ​​двумя режимами деформации кристаллической решетки: скольжением и двойникованием. Скольжение - это деформация сдвига, которая перемещает атомы на многие межатомные расстояния относительно их начального положения. Двойникование - это пластическая деформация, которая происходит в двух плоскостях из-за набора сил, приложенных к данной металлической детали.

Большинство металлов в горячем состоянии более пластичны, чем в холодном состоянии. Свинец показывает достаточную пластичность при комнатной температуре, в то время как чугун не обладает достаточной пластичностью для любых операций ковки, даже в горячем состоянии. Это свойство важно при операциях формования, формования и экструзии металлов. Большинство металлов становятся пластичными при нагревании и, следовательно, придают горячей форме.

Системы скольжения [ править ]

Кристаллические материалы содержат однородные плоскости атомов, организованные с дальним порядком. Самолеты могут скользить мимо друг друга в своих плотно упакованных направлениях, как показано на странице систем скольжения. В результате происходит постоянное изменение формы кристалла и пластическая деформация. Наличие дислокаций увеличивает вероятность появления плоскостей.

Обратимая пластичность [ править ]

На наномасштабе первичная пластическая деформация в простых гранецентрированных кубических металлах обратима до тех пор, пока отсутствует перенос материала в виде поперечного скольжения . ^[7]

Полоса сдвига [ править ]

Наличие других дефектов внутри кристалла может запутывать дислокации или иным образом препятствовать их скольжению. Когда это происходит, пластичность локализуется в определенных областях материала. Для кристаллов эти области локализованной пластичности называют полосами сдвига .

Микропластичность [ править ]

Микропластичность - это локальное явление в металлах. Это происходит для значений напряжения, когда металл в целом находится в упругой области, а некоторые локальные области находятся в пластической области. ^[8]

Аморфные материалы [ править ]

Crazing [ править ]

В аморфных материалах обсуждение «дислокаций» неприменимо, поскольку весь материал лишен дальнего порядка. Эти материалы все еще могут подвергаться пластической деформации. Поскольку аморфные материалы, такие как полимеры, неупорядочены, они содержат большое количество свободного объема или ненужного пространства. Вытягивание этих материалов с натяжением открывает эти области и может придать материалам мутный вид. Эта помутнение является результатом образования трещин , когда внутри материала образуются фибриллы в областях с высоким гидростатическим напряжением . Внешний вид материала может измениться от упорядоченного до «сумасшедшего» рисунка растяжек и растяжек.

Сотовые материалы [ править ]

Эти материалы пластически деформируются, когда изгибающий момент превышает полностью пластический момент. Это относится к пенопластам с открытыми ячейками, где изгибающий момент действует на стенки ячеек. Пены могут быть изготовлены из любого материала с пределом пластической текучести, включая жесткие полимеры и металлы. Этот метод моделирования пены в виде балок действителен только в том случае, если отношение плотности пены к плотности вещества меньше 0,3. Это связано с тем, что балки не изгибаются в осевом направлении. В пенопластах с закрытыми порами предел текучести увеличивается, если материал находится под напряжением из-за мембраны, которая охватывает поверхность ячеек.

Почвы и песок [ править ]

Грунты, особенно глины, проявляют значительную неупругость под нагрузкой. Причины пластичности почв могут быть довольно сложными и сильно зависят от микроструктуры , химического состава и содержания воды. Пластическое поведение в почвах вызвано, прежде всего, перегруппировкой скоплений соседних зерен.

Камни и бетон [ править ]

Неупругие деформации горных пород и бетона в первую очередь вызываются образованием микротрещин и скользящими движениями относительно этих трещин. При высоких температурах и давлениях на пластическое поведение также может влиять движение дислокаций в отдельных зернах микроструктуры.

Математические описания [ править ]

Теория деформации [ править ]

Есть несколько математических описаний пластичности. ^[9] Одна из них - теория деформации (см., Например, закон Гука ), где тензор напряжений Коши (порядка d-1 в d-измерениях) является функцией тензора деформации. Хотя это описание является точным, когда небольшая часть вещества подвергается возрастающей нагрузке (например, деформационной нагрузке), эта теория не может объяснить необратимость.

Пластичные материалы могут выдерживать большие пластические деформации без разрушения . Однако даже пластичные металлы будут разрушаться, когда деформация станет достаточно большой - это происходит в результате наклепа материала, из-за которого он становится хрупким . Термическая обработка, такая как отжиг, может восстановить пластичность обрабатываемой детали, чтобы формование могло продолжаться.

Теория пластичности течения [ править ]

В 1934 году Эгон Орован , Майкл Поланьи и Джеффри Ингрэм Тейлор примерно одновременно осознали, что пластическую деформацию пластичных материалов можно объяснить с помощью теории дислокаций . Математическая теория пластичности, теория пластичности потока , использует набор нелинейных, неинтегрируемых уравнений для описания набора изменений деформации и напряжения по сравнению с предыдущим состоянием и небольшого увеличения деформации.

Критерии доходности [ править ]

Если напряжение превышает критическое значение, как было сказано выше, материал подвергнется пластической или необратимой деформации. Это критическое напряжение может быть растягивающим или сжимающим. Критерии Трески и фон Мизеса обычно используются для определения того, поддается ли материал. Однако эти критерии оказались неадекватными для большого диапазона материалов, и несколько других критериев текучести также широко используются.

Критерий Трески [ править ]

Критерий Трески основан на представлении о том, что при разрушении материала происходит сдвиг, что является относительно хорошим предположением при рассмотрении металлов. Учитывая основное напряженное состояние, мы можем использовать круг Мора для определения максимальных касательных напряжений, которые будет испытывать наш материал, и сделать вывод, что материал выйдет из строя, если

${\ displaystyle \ sigma _ {1} - \ sigma _ {3} \ geq \ sigma _ {0}}$

где σ ₁ - максимальное нормальное напряжение, σ ₃ - минимальное нормальное напряжение, а σ ₀ - напряжение, при котором материал разрушается при одноосном нагружении. Поверхность текучести может быть сконструирована, который обеспечивает визуальное представление этой концепции. Внутри поверхности текучести деформация упругая. На поверхности деформация пластическая. Материал не может иметь напряженное состояние за пределами своей поверхности текучести.

Критерий Хубера – фон Мизеса [ править ]

Критерий Хубера – фон Мизеса ^[10] основан на критерии Трески, но учитывает предположение, что гидростатические напряжения не способствуют разрушению материала. М. Т. Хубер был первым, кто предложил критерий энергии сдвига. ^{[11] [12]} Фон Мизес вычисляет эффективное напряжение при одноосной нагрузке, вычитая гидростатические напряжения, и заявляет, что все эффективные напряжения, превышающие то, которое вызывает разрушение материала при одноосном нагружении, приведет к пластической деформации.

${\ displaystyle \ sigma _ {v} ^ {2} = {\ tfrac {1} {2}} [(\ sigma _ {11} - \ sigma _ {22}) ^ {2} + (\ sigma _ { 22} - \ sigma _ {33}) ^ {2} + (\ sigma _ {11} - \ sigma _ {33}) ^ {2} +6 (\ sigma _ {23} ^ {2} + \ sigma _ {31} ^ {2} + \ sigma _ {12} ^ {2})]}$

Опять же, визуальное представление поверхности текучести может быть построено с использованием приведенного выше уравнения, которое принимает форму эллипса. Внутри поверхности материалы подвергаются упругой деформации. Достижение поверхности означает, что материал подвергается пластической деформации.

См. Также [ править ]

• Пределы Аттерберга
• Пластометр
• Коэффициент Пуассона

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Эшби, MF (2001). «Пластическая деформация ячеистых материалов». Энциклопедия материалов: наука и техника . Том 7. Оксфорд: Elsevier. С. 7068–7071. ISBN 0-08-043152-6.
• Han, W .; Редди, Б.Д. (2013). Пластичность: математическая теория и численный анализ (2-е изд.). Нью-Йорк: Спрингер. ISBN 978-1-4614-5939-2.
• Качанов, Л.М. (2004). Основы теории пластичности . Dover Книги. ISBN 0-486-43583-0.
• Хан, А.С.; Хуанг, С. (1995). Континуальная теория пластичности . Вайли. ISBN 0-471-31043-3.
• Simo, JC; Хьюз, Т.Дж. (1998). Вычислительная неупругость . Springer. ISBN 0-387-97520-9.
• Ван Влит, KJ (2006). «Механическое поведение материалов» . Номер курса MIT 3.032 . Массачусетский Институт Технологий.