Hva er materialduktilitet? Viktig veiledning for produksjon

Når et materiale brukes til en hvilken som helst applikasjon, velges det basert på dets kjemiske sammensetning, fysiske og mekaniske egenskaper. Disse egenskapene er viktige fra produksjon til levetid. For eksempel vil et materiale med en ru overflate svikte tidligere på grunn av utmatting enn et materiale med fin overflate. Duktilitet er en av de viktigste mekaniske egenskapene til et materiale, som er viktig fra maskinering til levetid. Denne artikkelen avdekker hvert aspekt av duktilitet i detalj. Så la oss starte:

Hva er duktilitet?

Duktilitet er en mekanisk egenskap ved et materiale. Alle materialer, uavhengig av metaller, polymerer osv., viser denne egenskapen. I bunn og grunn betyr det hvor mye et materiale kan strekke seg maksimalt. Den mer presise definisjonen er hvor mye et materiale kan strekke seg maksimalt. Det kvantifiseres i forlengelse i % eller reduksjon i areal i %.

Kan duktilitet påvirke produksjon av deler?

Ja, duktilitet har en betydelig innvirkning på produksjonen eller maskineringen av delene. For eksempel er gummi et svært duktilt materiale; det viser mye mykgjøring under strekkspenning, men kan ikke produseres med maskiner. På den annen side viser et arbeidsstykke i bløtt stål relativt lavere duktilitet enn gummi, men er lett å maskinere.

Så duktiliteten påvirker faktisk produksjonen med hensyn til materialets styrke. Et svært duktilt materiale vil ha lavere styrke, og dermed vanskeligere å maskinere.

Er duktilitet det samme som plastisitet?

Duktilitet og plastisitet er ganske nære begreper, men ikke helt det samme.

• Plastisitet betyr en permanent deformasjon av et materiale under spenning før brudd. Belastningen kan være strekk- eller trykkbelastning.
• Duktilitet betyr den maksimale forlengelsen et materiale viser under strekkspenning før brudd.

Hva er viktige nivåer av duktilitet?

Nivåene av duktilitet avhenger av materialets natur og miljøet. Noen materialer, som gummi, viser høyere duktilitet, og noen viser lav duktilitet, som støpejern. Så la oss diskutere nivåene:

Hva er høy duktilitet?

Hvis et materiale viser høyere forlengelse (>20 %) eller reduksjon i areal, betyr det høy duktilitet. For eksempel viser glødet kobber ~40 % og mildt stål viser 25 % duktilitet, så de er svært duktile materialer. Duktiliteten deres øker enda mer når temperaturen stiger.

Hva er lav duktilitet?

Hvis et materiale viser <5 % duktilitet, regnes det som et materiale med lavere duktilitet. Et eksempel kan være støpejern. Det har høyere styrke, men viser liten plastisk deformasjon. Innsnevringen er ikke veldig tydelig sammenlignet med materialer med høy duktilitet.

Høy duktilitet vs. lav duktilitet

Tabellen nedenfor oppsummerer kort alle forskjellene mellom høy og lav duktilitet:

Hva er forskjellen mellom formbarhet og duktilitet?

Begge er relaterte og viktige mekaniske egenskaper med hensyn til produksjon. I begge konseptene deformeres materiale under stress. Men det finnes visse forskjellige parametere for begge konseptene:

Stress Type

For duktilitet påføres strekkspenning. Materialet deformeres til brudd under strekkspenning.

For formbarhet påføres trykkspenning, og materialet deformeres uten å sprekke lett.

Materiell atferd

Den største forskjellen i formbarhet og duktilitet er innsnevring. På grunn av strekkspenninger oppstår innsnevring, men ved kompresjon er det ingen innsnevring. Andre forskjeller i oppførsel er:

Testmetode

Duktilitet testes med tre parametere:

• Strekk test
• Måling av % forlengelse
• Måling av % reduksjon i areal

Mens formbarhet testes av:

• hammering
• rullende
• Smiearbeid

I alle testene påføres trykkspenninger.

Søknadsfokus

Når det gjelder virkelige bruksområder, forhindrer duktilitet sprekkdannelser i arbeidsstykket under maskineringsprosessen. Det er viktig for ledninger, konstruksjoner og kabler.

Smidbarhet er viktig for materialers formbarhet. Det er nødvendig i plateforming og valsing.

Duktilitet vs. andre egenskaper

Et materiale viser forskjellige mekaniske egenskaper, som styrke, seighet osv. Disse egenskapene definerer materialets oppførsel under belastning og under bruk. I denne delen diskuteres disse egenskapene i dybden med hensyn til materialenes duktilitet.

Duktilitet vs. styrke

Styrke betyr hvor mye et materiale viser motstand mot brudd når det påføres spenning. Det varierer fra materiale til materiale og er basert på bruksmiljøet. Et materiale med høy duktilitet vil ha lavere styrke og omvendt. For eksempel har keramikk svært høy styrke, men er ikke duktilt, og det er derfor det brister plutselig.

Duktilitet vs. sprøhet

Et materiales sprøhetsegenskap hindrer det i å gjennomgå plastisk deformasjon. Duktiliteten og sprøhetsegenskapene er motsatte av hverandre. For eksempel er glass et sprøtt materiale. Når det påføres strekkraft, vil det ikke deformeres, men sprekke plutselig. Fra bildet kan du enkelt se at materialet til venstre knekker med deformasjon, mens materialet til høyre knekker uten deformasjon.

Duktilitet vs. hardhet

Hardhet er motstanden mot riper , slitasje eller penetrasjon. Generelt indikerer høy hardhet lav duktilitet, og omvendt. Deler laget av harde materialer, som wolframmetall, viser utmerket slitestyrke under bruk, men er ikke duktile. Forlengelsen i prosent er mindre enn 1 % av totallengden.

Duktilitet vs. seighet

Duktilitet og seighet er relevante egenskaper. Vanligvis viser duktile materialer høyere seighet. Seighet er «absorpsjon av energi før brudd». Det betyr at deler laget av seige metaller, som maragent stål, viser høy slagfasthet.

Slik måler du duktilitet

Et materiales duktilitet kan måles ved hjelp av to parametere, enten ved % forlengelse eller reduksjon i areal. I begge tilfeller indikerer de høyere verdiene høyere duktilitet.

Prosent forlengelse

Formel for duktilitet:

Duktilitet (% forlengelse) = (L _f − _{L o} ) / L _o × 100

Her

• L_o er den opprinnelige lengden
• L_f er den endelige lengden

Prosentvis reduksjon i areal

RA (%) = (A ₀ −A _f )/ A ₀ ×100

Her

• RA er reduksjonen i areal
• A₀ er det opprinnelige området
• A_fer det siste området

Hvilke faktorer kan påvirke duktilitet?

Mange faktorer påvirker de mekaniske egenskapene, for eksempel materialsammensetning, driftsmiljø osv.

Materiale Sammensetning

Materialets sammensetning er den viktigste parameteren som gir egenskapene. For eksempel, i stål, er karbon et interstitielt element. Det sitter på interstitielle steder og blokkerer forskyvningsbevegelser, slik at den plastiske deformasjonen reduseres, noe som betyr lavere duktilitet.

mikro

En mikrostruktur av en del betyr dens struktur.

• Forholdet mellom mikrostruktur og duktilitet:

Duktilitet betyr plastisk deformasjon. Plastisk deformasjon skjer når korn beveger seg eller glir over hverandre. En del laget av glødet stål er duktil på grunn av grovkornstrukturen. På grunn av store korn reduseres antallet korngrenser, slik at glidning blir lettere, og plastisk deformasjon oppstår. Kort sagt har et materiale med store korn høy duktilitet.

Varmebehandling

Varmebehandling påvirker duktiliteten gjennom kornene.

• Forholdet mellom varmebehandling og duktilitet

Ulike varmebehandlinger, som gløding, normalisering eller bråkjøling, osv., produserer en ulik kornstruktur. Ved bråkjøling produseres for eksempel en veldig fin og uordnet kornstruktur. I denne typen kornstruktur kan ikke kornene gli over hverandre på grunn av et stort antall korngrenser, noe som resulterer i liten plastisk deformasjon, slik at duktiliteten er lavere.

Temperatur

Temperaturkonseptet styrer duktiliteten gjennom kornene. Ved høye temperaturer øker diffusjonen av atomer og bevegelsen av korn, slik at duktiliteten til et metall øker.

Lastehastighet

Belastningshastigheten påvirker duktiliteten gjennom dislokasjonene. For eksempel, når belastningshastigheten er høy, får ikke dislokasjonene nok tid til å stabilisere seg, så de begynner å vikle seg inn i tilfelle høy belastningshastighet. Denne viklingen av dislokasjonene fører til redusert plastisk deformasjon. På denne måten reduseres duktiliteten.  

Duktilitet av vanlige ingeniørmaterialer

Siden hvert materiale er forskjellig basert på sin kjemiske sammensetning og mikrostruktur, viser hvert materiale forskjellige nivåer av duktilitet. Her gir vi kort informasjon om duktiliteten til noen vanlige ingeniørmaterialer.

Hvilke metaller har høy duktilitet?

• FCC-metallene, som gull, kobber og Al, har 12 aktive glideplan, som hjelper med enkle dislokasjonsbevegelser.
• Metaller med lavere legeringselementer har høyere duktilitet fordi lavlegeringselementer betyr enkel forskyvningsbevegelse.
• Metallene, som har ikke-retningsbestemt metallisk binding, viser høy duktilitet.

Kobber (Cu)

Cu er et FCC-metall som er lett å deformere eller forlenge. Det er derfor Cu ofte brukes i produksjon av kobbertråder. Dette materialet tåler en stor mengde plastisk deformasjon uten å sprekke. Forskyvninger beveger seg lett når en kobberstang føres gjennom dysen for å lage hårtynne tråder.

Aluminium og aluminiumslegeringer (Al)

Ren Al er et svært duktilt materiale (>40 % forlengelse), men for Al-legeringer, som 6061 T6 Al, er duktiliteten lav. 6061 T6-legering varmebehandles, dvs. utfellingsherding, for å øke styrken. Siden disse utfellingene hindrer forskyvningsbevegelsen, øker styrken, men duktiliteten reduseres.

Rustfritt stål

Austenittisk rustfritt stål, f.eks. 316, er et duktilt metall på grunn av FCC-strukturen. 316-stål er lett å maskinere og tåler mye plastisk deformasjon. Men ferritisk rustfritt stål, f.eks. 430, viser lavere forlengelse på grunn av BCC-strukturen.

Hvilke metaller har lav duktilitet?

De fleste BCC- og HCP-metaller viser ingen eller svært liten duktilitet og svikter på en sprø måte. For eksempel er wolfram et BCC-metall som viser den laveste duktiliteten. Svært høy spenning kreves for å bevege dislokasjoner, noe som resulterer i sprøbrudd med den laveste plastiske deformasjonen. Andre metaller med lavere duktilitet inkluderer:

• Cast Iron
• Slokket høykarbonstål

Har tekniske plaster duktilitet?

Ja, men det er en balanse mellom styrke og duktilitet. Disse tekniske plastene inkluderer:

• Nylon (PA6/PA66)
• Polykarbonat (PC)
• ABS
• PEEK
• POM

Styrken kommer i disse materialene på grunn av krystallstrukturen deres. Når spenning påføres, vikles polymerkjeder inn og stopper videre kjedebevegelse, noe som forårsaker en reduksjon i duktilitet.

Hvordan påvirker duktilitet CNC-maskinering?

Svært duktile materialer er lette å deformere, men under maskinering oppfører slike materialer seg annerledes med hensyn til spondannelse, verktøyslitasje og overflatefinish.

Chipdannelse

Siden duktile materialer ikke lett sprekker, produseres det lange, sammenhengende spon under CNC-maskinering. For eksempel produserer bløtt stål lange spon under CNC-maskinering.

Verktøyslitasje

De lange sponene fra de duktile arbeidsstykkene samler seg ved skjærespissene på grunn av trykk og temperatur og danner en oppbygd kant. Dette fører til verktøyslitasje.

Overflatebehandling

CNC-maskinering på duktile materialer, som Al, resulterer i en svært glatt overflatefinish hvis riktig verktøy, hastighet og matingshastighet brukes. En annen årsak til den svært glatte overflatefinishen er kontinuerlig plastisk flyt.

Hvilke deler er mest avhengige av høy eller lav duktilitet?

Avhengigheten av delers duktilitet avhenger av krav til lastbæring, geometri og struktur. For eksempel er duktilitetsnivået forskjellig for tynne og tykke deler.

Tynnveggede deler

Tynnveggede deler, som for eksempel aluminiumsplater, utsettes for høye spenningskonsentrasjoner under maskinering, forming eller service. For å forhindre sprekkdannelser er tynnveggede deler avhengige av høy duktilitet.

Komplekse deler

Komplekse deler, som aluminiumsdeler til luftfart, har spor og skarpe hjørner. Disse sporene og skarpe hjørnene er spenningskonsentratorer under maskinering og levetid. For å unngå sprekker og feil kreves det høyere duktilitet.

Lastbærende deler

Bærende deler er avhengige av høy duktilitet når lasttypen er strekk, bøying eller dynamisk. Men i tilfeller med tykk, trykkfast og enkel geometri, foretrekkes styrke fremfor høy duktilitet.

Konklusjon

Duktilitet er en mekanisk egenskap ved ethvert materiale som måles i % forlengelse og % reduksjon i areal. For å måle denne egenskapen brukes hovedsakelig strekkprøve. Duktile materialer er enkle å deformere og maskinere. FCC-metaller er for det meste duktile, som viser stor plastisk deformasjon. Under CNC-maskinering produserer duktile materialer lange spon, men en veldig glatt overflatefinish. Tynnveggede deler og komplekse deler er avhengige av høy duktilitet, men lastbærende deler foretrekker styrke fremfor duktilitet.

I praktisk produksjon kan duktilitet direkte påvirke funksjonene til deler. Tuofa kan tilby CNC-løsninger for tilpassede deler, samt forslag til ideelle maskinerings- eller prototypematerialer for å få delene dine til å fungere godt.

FAQ

Er duktilitet en mekanisk egenskap?

Ja, duktilitet er en mekanisk egenskap. Den er viktig for valg av materialer og maskinering av deler.

Hvorfor øker varmbearbeiding duktiliteten?

Fordi diffusjonen av atomer øker ved høye temperaturer. På grunn av dette blir dislokasjonsbevegelser veldig enkle, og det er derfor duktiliteten øker.

Reduserer kaldbearbeiding duktiliteten?

Ja, fordi kaldbearbeiding resulterer i multiplikasjon av korngrenser. Disse korngrensene hindrer dislokasjonsbevegelsen, slik at duktiliteten reduseres.

Reduserer arbeidsherding duktiliteten?

Ja, fordi etter arbeidsherding begrenser de viklede GB-ene bevegelsen av korngrenser.