Понимание пластичности:почему это важно и какие материалы превосходны

Пластичность — важнейшее свойство, которое описывает способность материала растягиваться, тянуться или втягиваться в тонкую проволоку или нить без разрыва. Это свойство связано главным образом с металлами и определяется атомными связями и кристаллической структурой.   Металлы с высокой пластичностью обычно имеют металлическую связь, которая позволяет атомам скользить друг мимо друга, не нарушая структуру. Высокая пластичность необходима для таких применений, как провода и кабели, тогда как низкая пластичность делает материал хрупким и с большей вероятностью сломается перед деформацией.

В этой статье представлен обзор пластичности, ее важность, способы расчета пластичности и примеры пластичных материалов. В нем также обсуждаются факторы, влияющие на пластичность, включая химический состав, размер зерна и температуру.

Что такое пластичность?

Пластичность — это физическое свойство материала, которое описывает его способность растягиваться, тянуться или вытягиваться в тонкую проволоку или нить без разрыва. Это мера того, насколько материал может деформироваться или удлиняться под напряжением, прежде чем он сломается. Пластичность обычно является свойством, связанным в основном с металлами. Между атомами металлов образуются металлические связи. Это означает, что электроны каждого атома могут свободно проходить через металлическую решетку. Эта характеристика также позволяет атомам металла скользить друг мимо друга, что позволяет металлу растягиваться без разрушения.

Пластичность металла определяется его кристаллической структурой, размером зерна и температурой, а не только количеством электронов. Наиболее пластичными металлами являются металлы с гранецентрированной кубической (ГЦК) структурой, такие как золото, медь и алюминий.  В целом, наиболее пластичными являются металлы с металлической связью, обеспечивающей легкое движение атомов. Пластичность металла увеличивается с повышением температуры до определенного момента, но чрезмерный нагрев может ослабить материал или вызвать фазовые изменения, снижающие пластичность.

Каковы примеры пластичных материалов?

Большинство металлов, включая золото, серебро и медь, являются прекрасными примерами пластичных материалов, тогда как неметаллы, как правило, не пластичны. Однако вольфрам и высокоуглеродистая сталь являются двумя примерами металлов, которые не обладают высокой пластичностью из-за своей хрупкости при комнатной температуре.

Какой металл самый пластичный?

Наиболее пластичными природными металлами являются золото, платина и серебро, причем наиболее пластичным является золото. Все три можно растянуть в тонкую проволоку и использовать в ювелирных и электротехнических целях. Медь — еще один чрезвычайно пластичный металл, который часто используется для изготовления электрических проводов.

Что означает высокая пластичность?

Материал с высокой степенью пластичности скорее пластически деформируется, чем разрушается. Материал с высокой прочностью и пластичностью будет более жестким по сравнению с материалом с низкой прочностью и пластичностью. Хрупкие материалы имеют ограниченные значения деформации, поэтому, хотя они могут быть прочными, им не хватает прочности и они склонны к внезапному разрушению под нагрузкой.

Что означает низкая пластичность?

Материал с низкой пластичностью более хрупкий и при воздействии растягивающей силы ломается или ломается с минимальной пластической деформацией.

Как рассчитать пластичность?

Пластичность указывается в процентах от удлинения (см. рисунок 1 ниже) или иногда в процентах от уменьшения площади. Для расчета пластичности можно использовать следующие уравнения:

И процент удлинения, и процентное уменьшение площади являются мерами, указывающими на пластичность материала. Процент удлинения сам по себе не является абсолютной мерой. Удлинение не является равномерным и будет наиболее значительным в месте перелома. Процентное уменьшение площади, измеряемое в самом узком поперечном сечении, является лучшим показателем пластичности.

Что такое испытание на пластичность?

Испытание на пластичность обеспечивает ценный и практичный подход к измерению способности образца к пластической деформации перед разрушением. Его можно использовать для широкого спектра материалов, чтобы обнаружить, где каждый материал изгибается или ломается. Проще говоря, это показатель того, насколько образец можно растянуть, прежде чем он сломается.

При проведении испытания на пластичность (испытание на растяжение) образец подвергается однонаправленному растягивающему напряжению. В тот момент, когда материал начинает поддаваться, отмечается перешеек или разрушение. При простом испытании образец можно зажать в универсальной испытательной машине (UTM) или между двумя наковальнями.

Каковы факторы, влияющие на пластичность?

На пластичность в основном влияют три ключевых фактора, как описано ниже:

1. Состав

Состав материала может влиять на его пластичность несколькими способами. Например, добавление примесей или легирующих элементов в металл может изменить его микроструктуру, что, в свою очередь, может повлиять на его пластичность. Наличие примесей может вызвать дефекты и включения в материале, которые могут действовать как концентраторы напряжений, приводя к преждевременному разрушению. С другой стороны, легирующие элементы могут изменить размер зерна, текстуру и прочность материала, что может оказать существенное влияние на его пластичность.

2. Размер зерна

Размер зерна влияет на пластичность из-за сравнительного количества границ зерен. Меньшие размеры зерен означают большее количество границ зерен и снижение пластичности, но увеличение прочности и твердости. Больший размер зерен означает меньшее количество границ зерен и увеличение пластичности при уменьшении прочности и твердости.

3. Структура ячейки

Другим важным фактором, влияющим на пластичность материала, является его кристаллическая структура. Материалы с кристаллической структурой, такие как металлы, могут иметь различную кристаллическую структуру в зависимости от их состава, что может влиять на их пластичность. 

Например, материалы с гранецентрированной кубической (FCC) кристаллической структурой, такие как алюминий и медь, имеют тенденцию быть более пластичными, чем материалы с объемноцентрированной кубической (BCC) или гексагональной плотноупакованной (HCP) кристаллической структурой.

Дин МакКлементс

Дин МакКлементс — дипломированный инженер с отличием в области машиностроения с более чем двадцатилетним опытом работы в обрабатывающей промышленности. Его профессиональный путь включает в себя важные должности в ведущих компаниях, таких как Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace и Hyster-Yale, где он развил глубокое понимание инженерных процессов и инноваций.

Прочтите другие статьи Дина МакКлементса