- Как рассчитать пластичность?
- Что такое пластичность?
- Важность пластичности
- Почему необходим расчет пластичности?
- Как рассчитывается пластичность с использованием испытания на растяжение?
- Как применить значение пластичности в конкретных условиях?
- Что такое индекс пластичности?
- Какие общие единицы измерения используются для пластичности?
- Какие факторы влияют на пластичность?
- Могу ли я рассчитать пластичность железа?
- Используется ли удлинение при разрыве для расчета пластичности?
- Все ли металлы пластичны?
- Является ли золото пластичным металлом?
Как рассчитать пластичность?
Пластичность определяется как способность материала неупруго растягиваться при растяжении без разрушения или потери целостности.
В большинстве случаев материалы демонстрируют некоторое упругое поведение при растяжении. Приложенная нагрузка (напряжение) приводит к упругому растяжению (напряжению), которое полностью восстанавливается после снятия нагрузки.
Пластичность возникает, когда приложенная нагрузка превышает предел упругости материала и происходит пластическое или постоянное смещение/растяжение по линии приложенной силы.
Многие материалы испытывают очень медленное начало такой деформации при увеличении нагрузки без явного заметного изменения прочности.
Другие демонстрируют заметное изменение свойств и испытывают четкую и измеримую точку «упругости», в которой начинается пластическая деформация.
При снятии нагрузки пластическое удлинение останется, а исходное эластичное растяжение восстановится. Это приводит к кривой гистерезиса на графике нагрузки/удлинения. Ниже перечислены методы расчета пластичности:
В одном из методов измерения пластичности образца материала используется машина для испытания на растяжение. Это устройство может измерять небольшие продольные растяжения и возвраты, применяя к образцу хорошо контролируемые и ступенчатые схемы нагрузки и разгрузки.
Похожее оборудование/метод используется для измерения модуля Юнга. Однако испытания на пластичность намеренно проводятся таким образом, чтобы превысить предел текучести материала и вызвать пластическую деформацию.
Простейший метод количественной оценки результатов этих испытаний заключается в вычислении процентного удлинения образца до момента разрушения. Для получения дополнительной информации см. наше руководство по удлинению.
Альтернативный подход использует в качестве меры процентное изменение площади поперечного сечения. При этом измеряется площадь до и после нагрузки излома, используя площадь в месте излома для окончательного измерения.
Что такое пластичность?
Пластичность – это способность материала пластически деформироваться при растяжении. Это результат неразрушающего внутриатомного, внутриклеточного или внутримолекулярного проскальзывания.
В металле атомная структура состоит из плоскостей атомов металла, которые внутренне связаны ковалентными связями, а внутри слои связаны электростатическими или слабыми атомными силами.
Когда кристаллы большие, межслоевое взаимодействие может действовать как «плоскости скольжения».
Это позволяет кристаллам ступенчато и восстанавливать электростатические связи без разрушения. Этот потенциал наиболее силен в металлах с гранецентрированной кубической кристаллической структурой.
В полимерах механизм родственный. Структура, как правило, не кристаллическая, а построена из полимерных цепей, которые лежат рядом и вокруг друг друга.
Они связаны слабее, чем плоскости скольжения в металлах, поскольку их неупорядоченная природа не позволяет им находиться в такой непосредственной близости. Между прочим, именно поэтому металлы, как правило, прочнее и плотнее полимеров.
Механизм скольжения в полимерах (а также в некоторых природных материалах) состоит в том, что эти полимерные цепи скользят друг относительно друга, как правило, без разрушения полимерной цепи.
В некоторых полимерах это может привести к длительному удлинению и началу формы кристалличности, когда цепи вытягиваются для выравнивания.
Это свойство используется в пленках с биаксиальной ориентацией, таких как пленки, изготовленные путем растяжения ПЭТ и ПП.
Важность пластичности
Важность пластичности указана ниже:
- Способность выдерживать растяжение и смещение позволяет формировать сложные формы в компонентах. Там, где применяется изгиб, пластичность используется снаружи изгиба, поскольку материал растягивается и изгибается. На внутренней стороне изгиба используется родственное свойство податливости. Это мера способности материала сжиматься и смещаться под давлением (в отличие от растяжения).
- Критически полезная функция в готовых компонентах и устройствах. Жесткие и хрупкие материалы, которые испытывают ударные и вибрационные перегрузки, имеют более сильную склонность к растрескиванию/разрушению. Хорошим примером этого является использование кованого железа в котлах в начале промышленной революции. Кованое железо очень прочное, но имеет почти нулевую пластичность, поэтому взрывы котлов были обычным явлением. Появление более пластичных сталей сделало котлы более способными выдерживать циклические нагрузки давления и сброса без разрушения. Крошечные пластиковые смещения не имели функционального значения для размеров, но сделали котлы более прочными и гораздо более удобными в эксплуатации.
- Основной механизм вытягивания металлов для изготовления проволоки и бесшовных тянутых труб, которые являются важными областями производства технических материалов.
Почему необходим расчет пластичности?
Расчет пластичности необходим, потому что он определяет, насколько материал может быть деформирован, прежде чем он выйдет из строя.
Это важный фактор при разработке и выборе материалов для безопасного и долговечного использования в широком спектре приложений.
Такие отрасли, как строительство, автомобилестроение или аэрокосмическая промышленность, в значительной степени зависят от пластичности материалов как при производстве, так и при использовании.
Таким образом, это решающий фактор, определяющий производственные процессы, а также прочность и надежность компонентов и конструкций.
Пластичность количественно определяют двумя способами: путем измерения удлинения или уменьшения площади поперечного сечения образца при нагрузке на разрыв.
Сравнение результатов этих испытаний помогает инженерам и ученым принимать обоснованные решения о пригодности того или иного материала для конкретного применения.
Это также помогает в улучшении свойств материала для удовлетворения желаемых требований.
Следует отметить, что сравнения результатов испытаний между двумя методами менее надежны и интерпретируемы. Относительную пластичность материалов обычно следует сравнивать с результатами тех же испытаний.
Как рассчитывается пластичность с использованием испытания на растяжение?
Пластичность выражается в процентах уменьшения площади поперечного сечения в месте излома.
Как применить значение пластичности в конкретных условиях?
Инженеры и дизайнеры используют знания о пластичности материала, чтобы определить его пригодность для конкретных применений.
Пластичные материалы, такие как сталь и алюминий, обычно выбирают в строительной и автомобильной отраслях для поглощения энергии и предотвращения катастрофических отказов.
Пластичность материала можно использовать для проектирования компонентов, которые будут устойчивы к ударам, вибрации и неправильному обращению без поломок.
Критически важные для безопасности компоненты, такие как тросы мостов, трубопроводы и конструкции самолетов, всегда предназначен для пластичности, даже если деформации приводят к снижению функциональности.
Кроме того, понимание пластичности (и ее пределов) можно использовать для анализа причин разрушения материалов.
Компоненты, вышедшие из строя из-за хрупкого разрушения, показывают, что материал или конструкции не обладали достаточной живучестью при применении.
Пластичность материала можно улучшить с помощью различных методов, таких как термическая обработка и легирование.
Оптимизируя эти процессы, инженеры могут повысить пластичность материалов, сделав их пригодными для особых применений.
Что такое индекс пластичности?
Индекс пластичности представляет собой долю общего удлинения при разрыве, которая является пластичной (т. е. пластичной по своей природе).
Когда деталь высвобождается до разрушения, некоторый компонент растяжения материала упруго восстанавливается.
Когда деталь, нагруженная растяжением, ломается, в месте разрыва немедленно появляется зазор, так как материал с обеих сторон ослабляет упругое растяжение, которое было включено в полное растяжение.
Высокоэластичный материал с короткой пластичной фазой будет иметь низкий индекс пластичности. Низкоэластичный материал с длинной пластичной фазой будет иметь высокий индекс пластичности.
Какие общие единицы измерения используются для пластичности?
Пластичность — безразмерное число, так как это результат деления длины на длину или площади, деленной на площадь. В обоих случаях измерение выражается в процентах.
Какие факторы влияют на пластичность?
Пластичность материалов является фактором, на который могут влиять различные виды обработки, которые следует выбирать в соответствии с классом и состоянием материала. Ниже перечислены некоторые факторы, влияющие на это:
- Повышение температуры для большинства материалов: при более высоких температурах атомы в материале обладают большей тепловой энергией и с большей вероятностью будут двигаться друг мимо друга, что облегчает перемещение атомов в кристаллической структуре.
- Скорость, с которой нагружается материал: более высокие скорости деформации могут привести к более быстрой деформации материала, что затрудняет достижение атомных смещений без разрушения.
- Состав материалов: например, материалы с высокой концентрацией примесей или дефектов могут иметь более низкую пластичность, чем более чистые материалы. Когда легирующий агент имеет низкую пластичность, он может существенно повлиять на поведение основного компонента.
- Кристаллическая структура материала: материалы с плотноупакованной кристаллической структурой, особенно металлы с гранецентрированной кубической структурой, как правило, более пластичны, чем материалы с менее компактной структурой, такие как объемноцентрированные кубические металлы.
- Более крупная молекулярная структура: например, полиэтилен обладает значительной пластичностью, тогда как нейлон более жесткий, эластичный и хрупкий из-за прочности полимерной цепи и запутанности.
- Наличие других фаз (включения или частицы второй фазы): эти фазы могут действовать как концентраторы напряжений, приводя к локализованной пластической деформации и снижая общую пластичность материала.
- Напряженное состояние материала: например, материалы при сжатии могут иметь более высокую пластичность, чем при растяжении, поскольку сжатие может привести к закрытию ранее существовавших трещин и пустот, что снижает вероятность разрушения.
Могу ли я рассчитать пластичность железа?
Да, пластичность железа можно рассчитать. Железо существует в различных формах, некоторые из которых пластичны, а другие хрупки в ответ на растягивающую нагрузку.
Чистое железо (т.е. металлическое, атомарное железо) обладает высокой пластичностью, и пластичность можно очень точно измерить для чистого образца.
Можно ожидать очень разных результатов от чугуна, чугуна с шаровидным графитом, кованого железа и т. д., но пластичность всех разновидностей хорошо известна и изучена.
Используется ли удлинение при разрыве для расчета пластичности?
Да, измеряется удлинение при разрыве. Процентное увеличение длины является наиболее распространенным показателем пластичности.
Все ли металлы пластичны?
Нет, металлы представляют собой полный диапазон пластичности, от почти нулевой до самой пластичной из всех материалов.
Часто эти степени пластичности характерны для химически почти идентичных материалов, в которых некоторые свойства слегка изменены.
Например, чугун не имеет пластичной фазы, а сразу переходит от эластичности к разрушению. Однако, когда он сформулирован как чугун с шаровидным графитом, он становится чрезвычайно пластичным.
Является ли золото пластичным металлом?
Да, золото очень пластичный материал. Золото долгое время считалось самым пластичным материалом: грамм золота обычно растягивается до 1000 метров в длину. Но титул «самого пластичного металла» теперь принадлежит платине.
В этой статье представлен расчет пластичности, объяснено, что это такое, и обсуждена важность ее расчета и общие единицы измерения для нее.
