Что такое пластичность металла


Механические свойства металлов. Пластичность. |

Пластичность характеризует способность материала деформироваться, или растягиваться, под воздействием нагрузки и не разрушаться при этом. Чем более пластичен металл, тем больше он может растягиваться, прежде чем наступит разрушение. Пластичность – это важное свойство металла, поскольку от нее зависит характер разрушения металла под воздействием нагрузки, которое может происходить постепенно или внезапно. Если металл обладает высокой степенью пластичность, он, как правило, разрушается и разрывается постепенно. Прежде чем наступит разрыв, пластичный металл изгибается, и это надежный признак происходящего превышения предела текучести. Металлы с низкой пластичностью хрупки, они разрушаются внезапно, с образованием излома и без предупреждающих признаков.

Пластичность металла прямо связана с его температурой. С ростом температуры пластичность материала возрастает, а по мере снижения температуры она снижается. Металлы, проявляющие свойства пластичности при комнатной температуре, могут становиться хрупкими и разрушаться внезапно при температуре ниже нуля.

Металлы с высоким уровнем пластичности называются пластичными, а металлы с низким уровнем пластичности называются хрупкими. Перед разрушением хрупкие материалы не претерпевают заметной или вообще какой-либо деформации. Удачным примером хрупкого материала может служить стекло. Хрупким металлом, имеющим широкое распространение, можно назвать чугун, в особенности белый чугун.

Пластичность – это свойство, которое позволяет нагружать несколько элементов, имеющих некоторый разброс по длине, не перегружая ни один из них до предела разрушения. Если один из элементов несколько короче, но пластичен, его деформация может быть достаточной для равномерного распределения нагрузки по всем элементам. Практическим примером этого может служить индивидуальное натяжение стальных тросов, из которых состоят канаты подвесных мостов. Поскольку этого нельзя сделать с достаточной точностью, тросы изготовляют из пластичного металла. Когда мости нагружен, те тросы, которые кратковременно оказываются под нагрузкой, превышающей их долю, могут растянуться и, следовательно, переложить часть груза на другие тросы.

Пластичность становится еще более важным свойством для металла, который должен подвергаться дополнительным операциям формоизменения. Например, металлы, которые используются для изготовления кузова автомобиля,  должны иметь достаточную пластичность, позволяющую придавать материалу нужную форму.

Особенность, которая важна в связи с характеристиками пластичности и прочности, заключается в их зависимости от соотношения между направлением приложения силы и направлением прокатки материала в процессе его производства. Прокатанные металлы обладают ярко выраженными свойствами направленности. Прокатка удлиняет кристаллы или зерна в направлении прокатки гораздо больше, чем в поперечном ей направлении. В результате прочность и пластичность прокатанного металла, например, листовой стали, наиболее велики в направлении прокатки. В поперечном направлении прочность материала может снижаться даже на 30%, а пластичность – на 50%, по сравнению с параметрами в направлении прокатки. По толщине листа прочность и пластичность еще меньше. У некоторых сталей пластичность в этом направлении очень низкая. Каждому из трех указанных выше направлений присвоено буквенное обозначение. Направление прокатки обозначается буквой «X», поперечное направление – «Y», а направление по толщине – буквой «Z».

Возможно, Вам приходилось видеть испытание на загиб стального листа во время аттестации сварщиков, когда у контрольного образца появлялся излом в основном металле. Наиболее частая причина такого разрушения – параллельность направления прокатки листа и оси шва. Хотя металл может обладать отличными характеристиками в направлении прокатки, воздействие нагрузки в любом из двух других направлений может привести к преждевременному разрушению.

Пластичность металла обычно определяется при помощи испытания на растяжение, которое проводится во время измерения предела прочности металла. Пластичность обычно выражается двумя способами: в виде относительного удлинения и относительного сужения площади сечения.

Пластичность металла

Введение

Считается, что исследование пластичности металлов началось в 1864 году с работы Трески. публикация его критерия максимального напряжения сдвига для текучести. С тех пор он расширен, чтобы включить эффекты анизотропии, зависимости скорости и микроскопического эффекты, связанные с зернами, дислокациями и атомными плоскостями скольжения.

На этой странице сначала будут рассмотрены основные механизмы пластических деформаций, которые происходят в атомном масштабе. Затем он перейдет к макромасштабным моделям пластичность.Макромасштабные подходы рассматривают металлы как изотропные континуумы ​​вниз до мельчайших возможных масштабов. Он начинается с одномерных приложений, которые кажутся смехотворно простыми, но позволят фундаментальным принципам быть введен. Затем он переходит к трехмерным приложениям.


Основные механизмы

Ключевым фундаментальным механизмом пластичности металла является движение атомы вдоль атомных плоскостей скольжения. Например, на двухмерном рисунке ниже кружки представляют собой атомы, упакованные вместе в металле.Металл подвергаются макроскопическому напряжению сдвига, как показано. Как обычно, внешняя нагрузка не совпадает с плоскостями скольжения. Это делает механизмы деформации в микроскопическом масштабе довольно сложный.

В этом двумерном примере есть три основных плоскости скольжения. (Есть еще много в реальном трехмерном мире.) Они обозначены на рисунке ниже. Каждый самолет скольжения имеет единичный вектор нормали \ ({\ bf n} _i \) и вектор направления скольжения, \ ({\ bf s} _i \).

Скольжение не происходит на плоскости скольжения, если не разрешенное напряжение сдвига на плоскость скольжения превышает критическое разрешенное напряжение сдвига материала.Разрешенное напряжение сдвига рассчитывается по формуле

\ [ \ tau_ \ text {resolved} = \ sigma_ {ij} s_i n_j \]
В этом примере должно быть ясно, что при увеличении внешней поперечной нагрузки разрешенное напряжение сдвига на плоскости скольжения № 1 будет расти быстрее всего и спусковой крючок в этой плоскости сначала, задолго до (если вообще) других систем скольжения стать активным.

В результате все плоскости скольжения, параллельные # 1, начинают срезаться, производя

Обычно это сопровождается вращением плоскостей скольжения.Должно быть понятно, что процесс не меняет объем материала. Вот почему пластичность несжимаема (что несомненно установлено в испытания, выполненные Бриджменом в 1947 и 1952 гг.). Кроме того, когда атомы скользят, количество дислокаций (сбои в атомных стопках) увеличивается, и критическое разрешенное напряжение сдвига, необходимое для поддержания дальнейшей пластической деформации. Этим объясняется постепенное увеличение напряжения при продолжающейся пластической деформации.

Все это за одно зерно.Это делает его очень анизотропным, потому что любой приложенный сдвиг, который совпадает с плоскостью скольжения, приведет к более низкому пределу текучести чем приложенный сдвиг, который не выравнивается. Но если вы не лопатка турбины, тогда на самом деле металл состоит из миллионов или миллиардов случайно ориентированных зерен. Это схематично представлено, как показано ниже.

Это приводит к изначально изотропному поведению на макроуровне. Измеренный предел текучести одинаков независимо от направления загрузки.Но поскольку металл пластически деформируется, плоскости скольжения вращаются и выравниваются друг с другом, создавая анизотропные свойства материала. (Формы зерна сами по себе не влияют на пластичность. Имеет значение только ориентация плоскостей скольжения.)

Эти механизмы относительно просты для понимания, но оказывается, что они фантастически сложно смоделировать и рассчитать в трехмерном пространстве. Для начинающих, необходимо разделить полную деформацию, представленную \ ({\ bf F} \), на части из-за пластических деформаций \ ({\ bf F ^ p} \), за которым следует упругие деформации, \ ({\ bf F ^ e} \).п} \]
Обратите внимание, что, как и в случае полярных разложений, матрицы считываются из справа налево. Таким образом, в этом случае предполагается, что пластическая деформация принимает место на первом месте, затем упругие деформации.


1-мерная пластичность металла

Сложность микромасштабного описания пластичности металлов, поликристаллическая пластичность , поэтому для 99,99% применений, используются макромасштабные теории пластичности. Это очень эмпирически. Они основаны исключительно на наблюдаемом поведении на макроуровне.

Этот процесс начинается с простых одноосных кривых растяжения, как показано ниже.

На графике показано так называемое изотропное и кинематическое упрочнение, которое имеет место в металлах. Кинематический аспект - это анизотропная часть, которая отвечает для центра поверхности текучести, уходящего от нуля. Это иногда называют эффектом Баушингера в честь исследователя, который впервые идентифицировал его в 1881 году. Изотропный аспект является симметричным независимо от направление загрузки.

С этим относительно легко работать в 1-D.м \]
Только учтите, что пластиковая деталь полностью эмпирическая. Это только подгонка кривой и подходит только для одномерных приложений, где деформации относительно небольшой, потому что один показатель степени m не может соответствовать данным по большие диапазоны деформации.


Трехмерная пластичность металла

В 3-D ситуация намного сложнее. В этом случае, уступчивость продиктована стрессом фон Мизеса. Напомним, что это круг, как на следующем рисунке.

Обратите внимание, что приведенный выше рисунок относится к чисто изотропному случаю.Кинематический упрочнение представлено кружком, удаляющимся от начала координат. Поскольку это происходит в пространстве напряжений, центр круга описывается бесследовым тензором напряжений \ (\ alpha_ {ij} \), называемым обратным напряжением тензор, или переменная кинематического упрочнения.


Учебники

.

Что такое пластичность? - Определение из Corrosionpedia

Переключить навигацию Меню
  • Статьи Покрытия Катодная защита Подготовка поверхности CUI Инспекция / мониторинг Управление активами Выбор материалов Растворимые соли
.

Объяснение пластичности мантии Земли

Изображение поликристалла природного оливина (оманский милонит) в кросс-поляризованном свете с оптической микроскопии. Предоставлено: С. Демучи, Монпелье.

Мантия Земли представляет собой твердый слой, который совершает медленное непрерывное конвективное движение. Но как эти горные породы деформируются, делая возможным такое движение, учитывая, что минералы, такие как оливин (основной компонент верхней мантии), не имеют достаточного количества дефектов в своей кристаллической решетке, чтобы объяснить деформации, наблюдаемые в природе? Команда под руководством Unité Matériaux et Transformations дала неожиданный ответ на этот вопрос.Он включает малоизвестные и до сих пор игнорируемые дефекты кристаллов, известные как «дисклинации», которые расположены на границах между зернами минералов, из которых состоят породы. Сосредоточившись на оливине, исследователям впервые удалось наблюдать такие дефекты и смоделировать поведение границ зерен при воздействии механического напряжения. Результаты, которые только что были опубликованы в журнале Nature , выходят далеко за рамки наук о Земле: они представляют собой новый чрезвычайно мощный инструмент для изучения динамики твердых тел и материаловедения в целом.

Земля непрерывно выделяет тепло за счет конвективного движения в мантии Земли, которая лежит в основе коры. Таким образом, понимание этой конвекции является фундаментальным для изучения тектоники плит. Мантия состоит из твердых пород. Для возникновения конвективного движения кристаллическая решетка этих пород должна иметь возможность деформироваться. До сих пор это был парадокс, который наука не могла полностью разрешить.Хотя дефекты кристаллической решетки, называемые дислокациями, очень хорошо объясняют пластичность металлов, их недостаточно для объяснения деформаций, которым подвергаются определенные породы мантии.

Исследователи подозревали, что решение должно быть найдено на границах между минеральными зернами, составляющими горные породы. Однако им не хватало концептуальных инструментов, необходимых для описания и моделирования роли этих границ в пластичности горных пород. Исследователи из Unité Matériaux et Transformations (CNRS / Université Lille 1 / Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Lille) в сотрудничестве с исследователями из Лаборатории географии Монпелье (CNRS / Université Montpellier 2) и Лаборатории исследований микроструктур и материалов. Matériaux (CNRS / Université de Lorraine / Arts et Métiers ParisTech / Ecole Nationale d'Ingénieurs de Metz) объяснили эту роль.Они показали, что кристаллическая решетка границ зерен имеет весьма специфические дефекты, известные как «дисклинации», которыми до сих пор пренебрегали. Впервые исследователям удалось наблюдать их в образцах оливина (который составляет до 60% верхней мантии) с помощью электронного микроскопа и специальной обработки изображений. Они пошли даже дальше: на основе математической модели они показали, что эти дисклинации объясняют пластичность оливина.При приложении механического напряжения дисклинации позволяют границам зерен перемещаться, что позволяет оливину деформироваться в любом направлении. Таким образом, поток в мантии больше не несовместим с ее жесткостью.

Это исследование выходит за рамки объяснения пластичности горных пород мантии Земли: это большой шаг вперед в материаловедении. Рассмотрение дисклинаций должно предоставить ученым новый инструмент для объяснения многих явлений, связанных с механикой твердого тела. Ученые намерены продолжить исследования структуры границ зерен не только в других минералах, но и в других твердых телах, таких как металлы.


Мантия Земли: новый числовой инструмент описывает деформацию горных пород
Дополнительная информация: Патрик Кордье, Сильви Демуши, Бенуа Босир, Винсент Топен, Фабрис Бару, Клод Фрессенджас. Дисклинации обеспечивают недостающий механизм деформации богатых оливином пород в мантии. Nature , 2014; 507 (7490): 51 DOI: 10.1038 / nature13043

Ссылка : Объяснение пластичности мантии Земли (2014, 7 марта) получено 28 Октябрь 2020 с https: // физ.org / news / 2014-03-earth-mantle-plasticity.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

.

Что значит пластичность?

Пластичность

В физике и материаловедении пластичность описывает деформацию материала, претерпевающего необратимые изменения формы в ответ на приложенные силы. Например, твердый кусок металла, который сгибается или прижимается к новой форме, демонстрирует пластичность, поскольку в самом материале происходят постоянные изменения. В технике переход от упругого к пластическому поведению называется текучестью. Пластическая деформация наблюдается в большинстве материалов, включая металлы, грунт, камни, бетон, пену, кости и кожу.Однако физические механизмы, вызывающие пластическую деформацию, могут широко варьироваться. На уровне кристаллов пластичность металлов обычно является следствием дислокаций. В большинстве кристаллических материалов такие дефекты относительно редки. Но есть также материалы, в которых дефекты многочисленны и являются частью самой кристаллической структуры, в таких случаях может возникнуть пластическая кристалличность. В хрупких материалах, таких как камень, бетон и кость, пластичность обусловлена ​​преимущественно скольжением по микротрещинам. Для многих пластичных металлов растягивающая нагрузка, прикладываемая к образцу, приводит к тому, что он ведет себя эластично.Каждое увеличение нагрузки сопровождается пропорциональным увеличением растяжения, и когда нагрузка снимается, деталь возвращается точно к своему первоначальному размеру. Однако, как только нагрузка превышает некоторый порог, растяжение увеличивается быстрее, чем в упругой области, а когда нагрузка снимается, некоторая величина растяжения остается.

.

Смотрите также