Пластичность

Степень, в которой материал под нагрузкой необратимо деформируется перед разрушением

Испытание на растяжение сплава Al-Mg-Si . Локальное сужение и поверхности разрушения в виде чаши и конуса типичны для пластичных металлов.

Это испытание на растяжение чугуна с шаровидным графитом демонстрирует низкую пластичность.

Пластичность относится к способности материала выдерживать значительную пластическую деформацию до разрушения. Пластическая деформация — это постоянное искажение материала под действием приложенного напряжения, в отличие от упругой деформации, которая обратима после снятия напряжения. Пластичность — это критический показатель механических характеристик, особенно в приложениях, где требуется, чтобы материалы изгибались, растягивались или деформировались другими способами без разрушения. Степень пластичности можно количественно оценить с помощью процента удлинения при разрыве, который определяется по уравнению:

${\displaystyle \%EL=\left({\frac {l_{f}-l_{0}}{l_{0}}}\right)\times 100}$

где — длина материала после разрушения, а — исходная длина до испытания. ^{[1] [2]} Эта формула помогает количественно оценить, насколько материал может растянуться под действием растягивающего напряжения до разрушения, предоставляя ключевое понимание его пластичного поведения. Пластичность является важным фактором в проектировании и производстве. Она определяет пригодность материала для определенных производственных операций (например, холодной обработки ) и его способность поглощать механические перегрузки, например, в двигателе. ^[3] Некоторые металлы, которые обычно описываются как пластичные, включают золото и медь , в то время как платина является наиболее пластичным из всех металлов в чистом виде. ^[4] Однако не все металлы испытывают пластичное разрушение, поскольку некоторые могут характеризоваться хрупким разрушением, например, чугун . Полимеры, как правило, можно рассматривать как пластичные материалы, поскольку они обычно допускают пластическую деформацию. ^[5] ${\displaystyle l_{f}}$ ${\displaystyle l_{0}}$

Неорганические материалы, включая широкий спектр керамики и полупроводников, обычно характеризуются своей хрупкостью. Эта хрупкость в первую очередь обусловлена ​​их сильными ионными или ковалентными связями, которые удерживают атомы в жесткой, плотно упакованной компоновке. Такая жесткая структура решетки ограничивает движение атомов или дислокаций, необходимое для пластической деформации. Значительная разница в пластичности, наблюдаемая между металлами и неорганическими полупроводниками или изоляторами, может быть прослежена до присущих каждому материалу характеристик, включая природу их дефектов, таких как дислокации, и их специфические свойства химической связи. Следовательно, в отличие от пластичных металлов и некоторых органических материалов с пластичностью (% EL) от 1,2% до более 1200%, ^[1] хрупкие неорганические полупроводники и керамические изоляторы обычно демонстрируют гораздо меньшую пластичность при комнатной температуре. ^{[6] [7]}

Ковкость , похожее механическое свойство, характеризуется способностью материала пластически деформироваться без разрушения под действием сжимающего напряжения. ^{[8] [9]} Исторически материалы считались ковкими, если они поддавались формовке путем ковки или прокатки. ^[10] Свинец является примером материала, который является относительно ковким, но не пластичным. ^{[4] [11]}

Материаловедение

Золото чрезвычайно пластично. Его можно вытянуть в одноатомную проволоку, а затем растянуть еще больше, прежде чем оно порвется. ^[12]

Пластичность особенно важна в металлообработке , поскольку материалы, которые трескаются, ломаются или крошатся под действием напряжения, не могут быть обработаны с помощью процессов формовки металла, таких как ковка , прокатка , волочение или экструзия . Ковкие материалы могут быть сформированы в холодном состоянии с помощью штамповки или прессования , тогда как хрупкие материалы могут быть отлиты или подвергнуты термоформовке .

Высокая степень пластичности возникает из-за металлических связей , которые встречаются преимущественно в металлах; это приводит к общему восприятию, что металлы пластичны в целом. В металлических связях валентные электроны оболочки делокализованы и распределены между многими атомами. Делокализованные электроны позволяют атомам металла скользить друг мимо друга, не подвергаясь сильным отталкивающим силам, которые могли бы привести к разрушению других материалов.

Пластичность стали варьируется в зависимости от легирующих компонентов. Увеличение уровня углерода снижает пластичность. Многие пластмассы и аморфные твердые тела , такие как Play-Doh , также пластичны. Самым пластичным металлом является платина , а самым пластичным металлом — золото . ^{[13] [14]} При сильном растяжении такие металлы деформируются за счет образования, переориентации и миграции дислокаций и кристаллических двойников без заметного упрочнения. ^[15]

Количественная оценка

Основные определения

Величины, обычно используемые для определения пластичности при испытании на растяжение, — это относительное удлинение (в процентах, иногда обозначаемое как ) и уменьшение площади (иногда обозначаемое как ) при разрыве. ^[16] Деформация разрушения — это техническая деформация , при которой образец для испытаний разрушается во время одноосного испытания на растяжение . Процентное удлинение или техническая деформация при разрыве может быть записана как: ^{[17] [18] [19]} ${\displaystyle \varepsilon _{f}}$ ${\displaystyle q}$

${\displaystyle \%EL={\frac {\text{final gauge length - initial gauge length}}{\text{initial gauge length}}}={\frac {l_{f}-l_{0}}{l_{0}}}\cdot 100}$

Процентное уменьшение площади можно записать как: ^{[18] [19]}

${\displaystyle \%RA={\frac {\text{change in area}}{\text{original area}}}={\frac {A_{0}-A_{f}}{A_{0}}}\cdot 100}$

где рассматриваемая площадь представляет собой площадь поперечного сечения калибра образца.

Согласно проектированию машиностроения Шигли ^{[3] ,} «значительный» означает удлинение примерно на 5,0 процентов.

Влияние размеров образца

Важным моментом, касающимся значения пластичности (номинальной деформации при разрушении) в испытании на растяжение, является то, что она обычно показывает зависимость от размеров образца. Однако универсальный параметр не должен показывать такой зависимости (и, действительно, нет зависимости для таких свойств, как жесткость, предел текучести и предел прочности на растяжение). Это происходит потому, что измеренная деформация (смещение) при разрушении обычно включает вклады как от равномерной деформации, происходящей до начала образования шейки, так и от последующей деформации шейки (во время которой в остальной части образца деформация незначительна или отсутствует). Значимость вклада от развития шейки зависит от «соотношения сторон» (длина/диаметр) длины датчика, будучи больше, когда соотношение низкое. Это простой геометрический эффект, который был четко определен. Были как экспериментальные исследования ^[20] , так и теоретические исследования ^{[21] [22] [23] [24]} эффекта, в основном основанные на моделировании методом конечных элементов (FEM). Тем не менее, это не является общепринятым, и поскольку диапазон размеров образцов, используемых в обычных условиях, довольно широк, это может привести к весьма значительным колебаниям (в 2 или 3 раза) значений пластичности, полученных для одного и того же материала в различных испытаниях.

Более осмысленное представление пластичности можно получить, определив деформацию в начале образования шейки, которая не должна зависеть от размеров образца. Эту точку может быть трудно определить на (номинальной) кривой напряжения-деформации, поскольку пик (представляющий начало образования шейки) часто относительно плоский. Более того, некоторые (хрупкие) материалы разрушаются до начала образования шейки, так что пик отсутствует. На практике для многих целей предпочтительнее проводить другой вид испытания, предназначенный для оценки вязкости (энергии, поглощаемой при разрушении), а не использовать значения пластичности, полученные в испытаниях на растяжение.

В абсолютном смысле значения «пластичности» фактически бессмысленны. Фактическая (истинная) деформация шейки в точке разрыва не имеет прямого отношения к исходному числу, полученному из номинальной кривой напряжения-деформации; истинная деформация шейки часто значительно выше. Кроме того, истинное напряжение в точке разрыва обычно выше кажущегося значения согласно графику. Нагрузка часто падает по мере развития шейки, но площадь сечения шейки также падает (более резко), поэтому истинное напряжение там растет. Не существует простого способа оценить это значение, поскольку оно зависит от геометрии шейки. Хотя истинная деформация при разрыве является подлинным показателем «пластичности», ее нельзя легко получить из обычного испытания на растяжение.

Уменьшение площади (RA) определяется как уменьшение площади сечения в шейке (обычно получаемое путем измерения диаметра на одном или обоих сломанных концах), деленное на исходную площадь сечения. Иногда утверждается, что это более надежный показатель «пластичности», чем удлинение при разрушении (отчасти в знак признания того факта, что последнее зависит от соотношения сторон базовой длины, хотя эта зависимость далеко не повсеместно принята). В этом аргументе есть что-то, но RA все еще далек от того, чтобы быть действительно значимым параметром. Одно из возражений заключается в том, что его нелегко точно измерить, особенно с образцами, которые не являются круглыми в сечении. Скорее, более фундаментально, на него влияет как равномерная пластическая деформация, которая имела место до образования шейки, так и развитие шейки. Кроме того, он чувствителен к тому, что именно происходит на последних стадиях образования шейки, когда истинная деформация часто становится очень высокой, а поведение имеет ограниченное значение с точки зрения осмысленного определения прочности (или вязкости). Опять же, было проведено обширное исследование этого вопроса. ^{[25] [26] [27]}

Температура перехода из вязкого состояния в хрупкое

Схематический вид круглых металлических прутков после испытания на растяжение.
(a) Хрупкий излом
(b) Вязкий излом
(c) Полностью вязкий излом

Металлы могут подвергаться двум различным типам разрушения: хрупкому разрушению или пластичному разрушению. 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 своей способности поглощать больше энергии до разрушения, чем хрупкие материалы. Пластическая деформация приводит к тому, что материал следует модификации уравнения Гриффита, 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 дополнительной поверхности трещины. ^[28] Пластическая деформация пластичных металлов важна, поскольку она может быть признаком потенциального разрушения металла. Тем не менее, точка, в которой материал проявляет 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 переходит из хрупкого в пластичный или наоборот, имеет решающее значение для проектирования несущих нагрузку металлических изделий. Минимальная температура, при которой металл переходит от хрупкого поведения к пластичному поведению или от пластичного поведения к хрупкому поведению, известна как температура вязко-хрупкого перехода (DBTT). Ниже DBTT материал не сможет пластически деформироваться, и скорость распространения трещин быстро увеличивается, что приводит к быстрому хрупкому разрушению материала. Кроме того, DBTT важна, поскольку после охлаждения материала ниже DBTT он имеет гораздо большую тенденцию к разрушению при ударе вместо того, чтобы изгибаться или деформироваться ( низкотемпературная хрупкость ). Таким образом, DBTT указывает температуру, при которой по мере понижения температуры способность материала деформироваться пластичным образом уменьшается, и поэтому скорость распространения трещин резко увеличивается. Другими словами, твердые тела очень хрупкие при очень низких температурах, а их прочность становится намного выше при повышенных температурах.

Для более общих применений предпочтительнее иметь более низкий DBTT, чтобы гарантировать, что материал имеет более широкий диапазон пластичности. Это гарантирует, что внезапные трещины подавлены, так что разрушения в металлическом теле предотвращаются. Было установлено, что чем больше систем скольжения имеет материал, тем в более широком диапазоне температур проявляется пластичное поведение. Это связано с тем, что системы скольжения допускают большее движение дислокаций, когда к материалу прикладывается напряжение. Таким образом, в материалах с меньшим количеством систем скольжения дислокации часто закрепляются препятствиями, что приводит к деформационному упрочнению, что увеличивает прочность материала, что делает материал более хрупким. По этой причине структуры FCC (гранецентрированная кубическая) пластичны в широком диапазоне температур, структуры BCC (объемноцентрированная кубическая) пластичны только при высоких температурах, а структуры HCP (гексагональная плотно упакованная) часто хрупки в широком диапазоне температур. Это приводит к тому, что каждая из этих структур имеет разные характеристики по мере приближения к отказу (усталость, перегрузка и растрескивание под напряжением) при различных температурах, и показывает важность DBTT при выборе правильного материала для конкретного применения. Например, сплав zamak 3 демонстрирует хорошую пластичность при комнатной температуре, но разрушается при ударе при отрицательных температурах. DBTT является очень важным фактором при выборе материалов, которые подвергаются механическим нагрузкам. Похожее явление, температура стеклования , происходит со стеклами и полимерами, хотя механизм в этих аморфных материалах отличается . DBTT также зависит от размера зерен в металле, так как обычно меньший размер зерна приводит к увеличению предела прочности на растяжение, что приводит к увеличению пластичности и уменьшению DBTT. Это увеличение предела прочности на растяжение обусловлено меньшими размерами зерен, что приводит к упрочнению границ зерен, происходящему внутри материала, где дислокации требуют большего напряжения для пересечения границ зерен и продолжения распространения по всему материалу. Было показано, что, продолжая измельчение зерен феррита с целью уменьшения их размера с 40 микрон до 1,3 микрон, можно полностью устранить DBTT, так что хрупкое разрушение никогда не произойдет в ферритной стали (поскольку требуемый DBTT будет ниже абсолютного нуля). ^[29]

В некоторых материалах переход более резкий, чем в других, и обычно требует температурно-чувствительного механизма деформации. Например, в материалах с объемно-центрированной кубической (ОЦК) решеткой DBTT легко очевиден, поскольку движение винтовых дислокаций очень чувствительно к температуре, поскольку перестройка ядра дислокации перед скольжением требует термической активации. Это может быть проблематично для сталей с высоким содержанием феррита . Это, как известно, привело к серьезному растрескиванию корпуса кораблей Liberty в более холодных водах во время Второй мировой войны , что стало причиной многих затоплений. На DBTT также могут влиять внешние факторы, такие как нейтронное излучение , что приводит к увеличению внутренних дефектов решетки и соответствующему снижению пластичности и увеличению DBTT.

Наиболее точным методом измерения DBTT материала является испытание на излом . Обычно испытание на четырехточечный изгиб в диапазоне температур проводится на предварительно растрескавшихся прутках полированного материала. Обычно используются два испытания на излом для определения DBTT определенных металлов: испытание по Шарпи с V-образным надрезом и испытание по Изоду. Испытание по Шарпи с V-образным надрезом определяет способность образца поглощать энергию удара или ударную вязкость путем измерения разности потенциальной энергии, возникающей в результате столкновения между массой на свободно падающем маятнике и обработанным V-образным надрезом в образце, в результате чего маятник пробивает образец. DBTT определяется путем повторения этого испытания при различных температурах и отмечания того, когда полученное разрушение изменяется на хрупкое, что происходит, когда поглощенная энергия резко уменьшается. Испытание по Изоду по сути то же самое, что и испытание по Шарпи, единственным отличительным фактором является размещение образца; в первом случае образец размещается вертикально, а во втором — горизонтально по отношению к нижней части основания. ^[30]

Для экспериментов, проводимых при более высоких температурах, активность дислокаций ^{[ требуется разъяснение ]} увеличивается. При определенной температуре дислокации экранируют ^{[ требуется 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 перехода от пластичности к хрупкости. Если эксперименты проводятся при более высокой скорости деформации, требуется больше экранирования дислокаций для предотвращения хрупкого разрушения , и температура перехода повышается. ^{[ требуется цитата ]}

Смотрите также

• Деформация
• Деформационное упрочнение , которое улучшает пластичность при одноосном растяжении, задерживая наступление нестабильности.
• Прочность материалов

Дальнейшее чтение

• Kalpakjian, Serope, 1928- (1984). Производственные процессы для конструкционных материалов. Reading, Mass.: Addison-Wesley. стр. 30. ISBN 0-201-11690-1. OCLC  9783323.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
• "Пластичность - Что такое пластичный материал". Ядерная энергетика . Получено 14.11.2020 .

Ссылки

1. Каллистер, Уильям Д. (2015). Основы материаловедения и инженерии . Wiley. ISBN 9781118717189.
2. Tayler, Geoffrey Ingram (1934). «Механизм пластической деформации кристаллов. Часть 1.-Теоретическая». Труды Королевского общества A. 145 ( 855): 362–387. Bibcode :1934RSPSA.145..362T. doi : 10.1098/rspa.1934.0106 .
3. Budynas, Richard G. (2015). Shigley's Mechanical Engineering Design — 10-е изд. McGraw Hill. стр. 233. ISBN 978-0-07-339820-4..
4. Чандлер Робертс-Остин, Уильям (1894). Введение в изучение металлургии . Лондон: C. Griffin. стр. 16.
5. Пластичность и ее влияние на разрушение материала. Инженерный архив. (nd). https://theengineeringarchive.com/material-science/page-ductility-material-failure.html
6. Грен, Дэвид Дж. (1998). Введение в механические свойства керамики . Cambridge University Press. ISBN 9780511623103.
7. Ю, Питер Ю. (2010). Основы физики полупроводников и свойства материалов . Springer. ISBN 978-3-642-00709-5.
8. "Malleability - Muleable Materials". Ядерная энергетика . Архивировано из оригинала 2020-09-25 . Получено 2020-11-14 .
9. DOE FUNDAMENTALS HANDBOOK MATERIAL SCIENCE. Том 1, Модуль 2 – Свойства металлов. Министерство энергетики США. Январь 1993 г. стр. 25.
10. Бранде, Уильям Томас (1853). Словарь науки, литературы и искусства: включающий историю, описание и научные принципы каждой отрасли человеческого знания: с выводом и определением всех общеупотребительных терминов . Harper & Brothers. стр. 369.
11. Рич, Джек С. (1988). Материалы и методы скульптуры . Courier Dover Publications. стр. 129. ISBN 978-0-486-25742-6..
12. Масуда, Хидеки (2016). «Комбинированная просвечивающая электронная микроскопия – наблюдение in situ за процессом формирования и измерение физических свойств отдельных металлических проводов атомного размера». В Janecek, Milos; Kral, Robert (ред.). Современная электронная микроскопия в физических и биологических науках . InTech. doi : 10.5772/62288. ISBN 978-953-51-2252-4. S2CID  58893669.
13. Ваккаро, Джон (2002) Справочник по материалам , Справочники McGraw-Hill, 15-е изд.
14. Шварц, М. (2002) CRC энциклопедия материалов, деталей и отделок , 2-е изд.
15. Lah, Che; Akmal, Nurul; Trigueros, Sonia (2019). «Синтез и моделирование механических свойств нанопроволок Ag, Au и Cu». Sci. Technol. Adv. Mater . 20 (1): 225–261. Bibcode : 2019STAdM..20..225L. doi : 10.1080/14686996.2019.1585145. PMC 6442207. PMID  30956731. 
16. Дитер, Г. (1986) Механическая металлургия , McGraw-Hill, ISBN 978-0-07-016893-0 
17. "Обзор пластичности - Механика прочности материалов - Engineers Edge". www.engineersedge.com . Получено 14 июля 2020 г.
18. Аскеланд, Дональд Р. (2016). "6-4 Свойства, полученные в результате испытания на растяжение". Наука и инженерия материалов. Райт, Венделин Дж. (Седьмое изд.). Бостон, Массачусетс. стр. 195. ISBN 978-1-305-07676-1. OCLC  903959750.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
19. Callister, William D. Jr. (2010). "6.6 Свойства при растяжении". Материаловедение и инженерия: введение. Rethwisch, David G. (8-е изд.). Hoboken, NJ. стр. 166. ISBN 978-0-470-41997-7. OCLC  401168960.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
20. Matic, P (1988). «Связь между размером и геометрией образца при растяжении и уникальными составляющими параметрами для пластичных материалов». Труды Лондонского королевского общества. A. Математические и физические науки . 417 (1853): 309–333. Bibcode : 1988RSPSA.417..309M. doi : 10.1098/rspa.1988.0063. S2CID  43033448.
21. Хавнер, К (2004). «О начале образования шейки при испытании на растяжение». Международный журнал пластичности . 20 (4–5): 965–978. doi :10.1016/j.ijplas.2003.05.004.
22. Ким, Х (2005). «Конечно-элементный анализ начала образования шейки и поведения после образования шейки во время испытания на одноосное растяжение». Materials Transactions . 46 (10): 2159–2163. doi : 10.2320/matertrans.46.2159 .
23. Joun, M (2007). «Конечно-элементный анализ испытаний на растяжение с акцентом на шейку». Computational Materials Science . 41 (1): 63–69. doi :10.1016/j.commatsci.2007.03.002.
24. Osovski, S (2013). "Динамическое растяжение шейки: влияние геометрии образца и граничных условий". Механика материалов . 62 : 1–13. Bibcode : 2013MechM..62....1O. doi : 10.1016/j.mechmat.2013.03.002. hdl : 10016/17020 .
25. Чунг, Дж. (2008). «Исследование коррекции истинного напряжения из испытаний на растяжение». Журнал механической науки и технологии . 22 (6): 1039–1051. doi :10.1007/s12206-008-0302-3. S2CID  108776720.
26. Хо, Х (2019). «Моделирование испытаний на растяжение высокопрочных стальных материалов S690, подвергающихся большим деформациям». Инженерные конструкции . 192 : 305–322. Bibcode : 2019EngSt.192..305H. doi : 10.1016/j.engstruct.2019.04.057. hdl : 10397/101163 . S2CID  182744244.
27. Сэмюэл, Э. (2008). «Взаимосвязь между истинным напряжением в начале образования шейки и истинной равномерной деформацией в сталях — проявление начала пластической нестабильности». Материаловедение и инженерия. Свойства структурных материалов. Микроструктура и обработка . 480 (1–2): 506–509. doi :10.1016/j.msea.2007.07.074.
28. "РАЗРЫВ МАТЕРИАЛОВ" (PDF) . Военно-морская академия США. Архивировано (PDF) из оригинала 2022-10-09 . Получено 2 июля 2022 .
29. Цю, Хай; Ханамура, Тосихиро; Торизука, Сиро (2014). «Влияние размера зерна на вязкость разрушения ферритной стали». ISIJ International . 54 (8): 1958–1964. doi : 10.2355/isijinternational.54.1958 .
30. "Температура перехода из вязко-хрупкого состояния в хрупкое и испытания на энергию удара - Yena Engineering". 18 ноября 2020 г.

Внешние ссылки

• Определение пластичности на сайте engineersedge.com
• Пакет обучающих материалов DoITPoMS - «Переход от вязкого к хрупкому»