Пластичность металлов: определение, измерение, факторы и значение

Что такое пластичность?

Пластичность — способность материала к необратимой деформации (растяжению, гнутию, сплющиванию) под действием напряжений без разрушения. Большинство конструкционных сталей достаточно пластичны, что позволяет им воспринимать локальные концентраторы напряжений.

Хрупкие материалы (стекло) не могут переносить концентраторы напряжений из-за отсутствия пластичности и легко ломаются. При нагружении образец сначала деформируется эластично (см. эластичность); после преодоления определенной деформации — предела эластичности — деформация становится постоянной (пластичной).

В материаловедении пластичность определяется как степень, в которой материал может удерживать пластическую деформацию под действием растягивающих напряжений до разрушения.

Пластичность — важнейший критерий в инженерии и производстве, определяющий пригодность материала для определенных технологических операций (например, холодной деформации) и способность поглощать механические перегрузки. Типичные пластичные материалы — золото и медь.

Ковкость, близкое механическое свойство, характеризуется способностью материала к пластической деформации без разрушения под действием сжимающих напряжений. Исторически материалы считались ковкими, если их можно было формировать кузнечным молотом или прокаткой. Свинец — пример материала, ковкого, но не пластичного.

Примеры

Хорошие примеры пластичных металлов: золото, серебро, медь, эрбий, тербий, самарий, алюминий, сталь. Мало пластичные металлы: вольфрам, высокоуглеродистая сталь. Не металлы обычно не обладают пластичностью.

Как измеряют пластичность

Пластичность — способность металла деформироваться без разрушения. Металлы, которые можно штамповать или прессовать в другую форму без трещин, считаются пластичными. Металлы, ломающиеся — хрупкие (противоположность пластичным).

Пластичность критична для штамповочности. Чрезмерно хрупкие металлы не могут быть успешно сформированы. Например, при вытягивании проволоки металл должен быть пластичным. Если слишком хрупкий — лопнет при первой же попытке растяжения.

Пластичность — важнейший фактор безопасности строительных конструкций. Она позволяет им гнуться и деформироваться под тяжелыми нагрузками без разрыва.

Два основных способа измерения:

• Относительное удлинение — увеличение длины металла в процентах от исходной после растяжения до разрыва при испытании на растяжение.
• Относительное сужение — уменьшение наименьшего сечения образца после разрыва при испытании на растяжение в процентах от исходного сечения.

Пластичность зависит от температуры, поэтому нужно учитывать температурный режим эксплуатации. У большинства металлов есть диаграммы перехода «пластичный-хрупкий» в зависимости от температуры.

Какие металлы пластичны?

К пластичным металлам относят:

• Алюминий
• Латунь
• Медь
• Низкоуглеродистая сталь
• Золото
• Серебро
• Олово
• Свинец

Хрупкие металлы: чугун, хром, вольфрам. Примеры применений, требующих высокой пластичности: металлические тросы, штамповки, строительные балки.

Материаловедческий аспект

Золото невероятно пластично. Его можно вытянуть в моноатомную нить и еще растянуть до разрыва.

Пластичность особенно важна в металлообработке: материалы, трескающиеся, ломающиеся или крошащиеся под нагрузкой, нельзя обрабатывать кузнечными методами (молотом, прокаткой, вытяжкой, экструзией). Ковкие материалы можно формировать в холодном состоянии штамповкой или прессованием, хрупкие — только литьем или термоформированием.

Высокая пластичность обусловлена металлическими связями, преобладающими в металлах; отсюда восприятие металлов как пластичных в целом. При металлической связи валентные электроны делокализованы и разделяются между множеством атомов.

Делокализованные электроны позволяют металлическим атомам смещаться относительно друг друга без сильных отталкивающих сил, ломающих другие материалы.

Пластичность стали варьируется в зависимости от легирующих элементов. Повышение углерода снижает пластичность. Многие пластики и аморфные твердые тела (пластилин) тоже ковки. Самый пластичный металл — платина, самый ковкий — золото.

При сильном растяжении такие металлы деформируются за счет образования, реориентации и миграции дилокаций и кристаллических близнецов без заметного закачения.

Факторы, влияющие на пластичность металлов

Пластичность зависит от внутренних факторов (состав, размер зерна, ячеистая структура) и внешних (гидростатическое давление, температура, накопленная пластическая деформация).

Ключевые наблюдения:

1. Металлы с ФЦК и ОЦК кристаллической решеткой показывают более высокую пластичность при высоких температурах по сравнению с ПГР (гуп) структурой.
2. Размер зерна существенно влияет на пластичность. Многие сплавы проявляют сверхпластичность при очень мелком зерне (порядка микрон).
3. Стали с более высоким содержанием кислорода обладают низкой пластичностью.
4. В некоторых сплавах примеси даже в ничтожных дозах сильно влияют на пластичность. ПLASTичность углеродистых сталей с серной примесью всего 0,018% резко падает при ~1040 °C. Это устранимо при высоком содержании марганца. Фактически, отношение Mn/S определяет пластичность углеродистых сталей при 1040 °C. При отношении 2 — относительное удлинение всего 12–15%, при отношении 14 — 110%.
5. Температура — главный фактор, влияющий на пластичность и штамповочность. В общем, повышает пластичность, но при определенных температурах может снижать ее из-за фазовых превращений и микроструктурных изменений. Пример: нержавеющая сталь имеет низкую пластичность при 1050 °C и максимум при 1350 °C — очень узкий диапазон горячей деформации.
6. Гидростатическое давление повышает пластичность. Наблюдение Бриджмена. В крутильных испытаниях длина образца уменьшается с ростом кручения. При осевом сжатии пластичность выше, чем без него. При осевом растяжении пластичность снижается еще сильнее.

Часто задаваемые вопросы

Что такое пластичность?

Способность материала к необратимой деформации (растяжению, гнутию, сплющиванию) под действием напряжений. Большинство сталей достаточно пластичны для восприятия локальных концентраторов напряжений.

Пример пластичности?

Физическое свойство, связанное с способностью быть выкованным в тонкий лист или вытянутым в проволоку без разрыва. Пластичное вещество можно вытянуть в проволоку. Примеры: золото, серебро, медь, эрбий, тербий, самарий.

Что означают ковкость и пластичность?

Ковкий материал — тот, из которого легко получить тонкий лист кузнечным молотом. Золото — самый ковкий металл. Пластичность — способность твердого тела деформироваться под растягивающими напряжениями.

Почему пластичность свойственна металлам?

Высокая пластичность обусловлена металлическими связями, преобладающими в металлах. Валентные электроны делокализованы и разделяются между многими атомами.

Кратко: что такое пластичность?

Способность материала быть вытянутым или пластически деформированным без разрушения. Показатель «мягкости» или ковкости материала.

Применение пластичности в быту?

Свойство металла	Применение в быту
Пластичность	Электропровода, кабельные жилы
Ковкость	Алюминиевые провода
Теплопроводность	Посуда, микроволновки, утюги, выпрямители, электрообогреватели
Электропроводность	Лампочки, люминесцентные лампы, холодильники, телевизоры
Звуковые свойства	Тарелки, дверные звонки

Как повысить пластичность?

Скорость нагрева, выдержки и охлаждения можно регулировать для улучшения пластичности. В сталях этот метод называется отжигом. При изучении деформации магниевых сплавов считаю, что измельчение зерна — хороший способ повысить пластичность.

Что такое процесс пластичности?

Пластичность — пластическая деформация в металле в результате таких деформаций. Термин «пластичный» буквально означает, что металл способен растягиваться в тонкую проволоку без ослабления или повышения хрупкости.

Что такое моя способность и пластичность?

Пластичность — способность материала быть вытянутым или пластически деформированным без разрыва. Показатель «мягкости» или ковкости. Пластичность сталей варьируется в зависимости от типов и уровней легирующих элементов.

Какие факторы влияют на пластичность?

Внутренние: состав, размер зерна, ячеистая структура. Внешние: гидростатическое давление, температура, накопленная пластическая деформация.

Почему холодная деформация увеличивает пластичность?

При холодной деформации число дилокаций в металле растет по сравнению с исходным состоянием. Рост числа дилокаций повышает предел текучести и предел прочности, но снижает пластичность. (Примечание: в оригинале ошибка — холодная деформация снижает пластичность, а не увеличивает).

Что противоположно пластичности?

Хрупкость — противоположность пластичности или ковкости. При нагрузке на хрупкий материал разрушение часто сопровождается характерным хлопком.

Что такое пластичность и почему она важна?

Пластичность позволяет конструкциям гнуться и деформироваться без разрыва. Критична для металлических тросов и строительных балок. Золото, серебро, платина, большинство алюминиевых сплавов — пластичны.

Что такое смещение пластичности?

Спрос смещения пластичности (μ∆) — отношение пикового нелинейного смещения к смещению текучести. Сильно варьирует между разными сейсмическими воздействиями, но средние значения по большой выборке показывают четкие тенденции.

Почему пластичность важна для конструкций?

Пластичность несущих конструкций обеспечивает способность здания диссипировать энергию и деформироваться, избегая внезапного хрупкого разрушения при землетрясениях и сильных ветрах.

Повышает ли горячая деформация пластичность?

Горячая деформация улучшает инженерные свойства за счет замены микроструктуры на тонкозернистую сферическую. Такие зерна повышают прочность, пластичность и вязкость.

Почему холод снижает пластичность?

При холодной прокатке зерна вытягиваются в направлении прокатки. Это повышает прочность закачиванием, но снижает пластичность. Чем выше степень холодной деформации (% уменьшения толщины), тем ниже пластичность. Вытянутые зерна формируют текстуру.

Как пластичность влияет на прочность растянутого элемента?

Снижение пластичности tendeт снижать прочность элементов. Рост пластичности повышает прочность чистого сечения за счет лучшей пластической перераспределения концентраторов напряжений по сечению.

Какое соотношение между ковкостью и пластичностью?

Главное отличие: пластичность — способность металла вытягиваться в проволоку, ковкость — способность коваться в листы. Пластичность реализуется под растяжением, ковкость — под сжатием.

Пластичность — интенсивная или экстенсивная величина?

Примеры интенсивных свойств: цвет, проводимость, температура плавления, пластичность, давление, температура замерзания, плотность, температура кипения, запах, блеск, твердость. Экстенсивные: масса, объем, вес, длина.