Что такое пластичность материалов? Важное руководство для производства.

При выборе материала для любого применения учитываются его химический состав, физические и механические свойства. Эти свойства важны на всех этапах — от производства до срока службы. Например, материал с шероховатой поверхностью выйдет из строя раньше из-за усталости, чем материал с гладкой поверхностью. Пластичность — одно из основных механических свойств материала, важное на всех этапах — от обработки до срока службы. В этой статье подробно рассматривается каждый аспект пластичности. Итак, начнём:

Что такое пластичность?

Пластичность — это механическое свойство материала. Каждый материал, независимо от того, металл это, полимер и т. д., обладает этим свойством. В сущности, это означает максимальную пластичность, которую может проявить материал. Более точное определение — это величина растяжения материала до максимального значения. Она выражается в процентах удлинения или уменьшении площади поперечного сечения.

Может ли пластичность повлиять на производство деталей?

Да, пластичность оказывает существенное влияние на изготовление или механическую обработку деталей. Например, резина — очень пластичный материал; она сильно пластифицируется под действием растягивающего напряжения, но её нельзя изготовить с помощью машин. С другой стороны, заготовка из низкоуглеродистой стали обладает относительно меньшей пластичностью, чем резина, но её легко обрабатывать.

Таким образом, пластичность фактически влияет на технологичность изготовления с точки зрения прочности материала. Высокопластичный материал будет иметь меньшую прочность, поэтому его будет сложнее обрабатывать.

Пластичность — это то же самое, что и податливость?

Пластичность и пластичность — довольно близкие понятия, но не совсем одно и то же.

• Пластичность означает необратимую деформацию материала под воздействием напряжения перед разрушением. Нагрузка может быть растягивающей или сжимающей.
• Пластичность — это максимальное удлинение, которое материал демонстрирует под действием растягивающего напряжения до разрушения.

Какие уровни пластичности имеют важное значение?

Уровень пластичности зависит от природы материала и окружающей среды. Некоторые материалы, например резина, обладают более высокой пластичностью, а другие, например чугун, — низкой. Давайте обсудим уровни пластичности:

Что такое высокая пластичность?

Если материал демонстрирует большее удлинение (>20%) или уменьшение площади поперечного сечения, это означает высокую пластичность. Например, отожженная медь показывает пластичность около 40%, а низкоуглеродистая сталь — 25%, поэтому это высокопластичные материалы. Их пластичность еще больше возрастает при повышении температуры.

Что такое низкая пластичность?

Если пластичность материала составляет менее 5%, он считается низкопластичным. Примером может служить чугун. Он обладает большей прочностью, но демонстрирует незначительную пластическую деформацию. Образование шейки у него выражено не так ярко, как у высокопластичных материалов.

Высокая пластичность против низкой пластичности

В следующей таблице кратко суммированы все различия между высокой и низкой пластичностью:

В чём разница между ковкостью и пластичностью?

Оба понятия взаимосвязаны и важны с точки зрения механики при производстве. В обоих случаях материал деформируется под воздействием напряжения. Однако для каждого из них существуют определенные различия в параметрах:

Тип стресса

Для обеспечения пластичности прикладывается растягивающее напряжение. Материал деформируется до разрушения под действием растягивающего напряжения.

Для придания пластичности прикладывается сжимающее напряжение, и материал деформируется без легкого растрескивания.

Материальное поведение

Наибольшее различие в пластичности и ковкости заключается в образовании шейки. При растяжении шейка образуется под действием растягивающих напряжений, а при сжатии — нет. Другие различия в поведении включают:

Метод тестирования

Пластичность оценивается по трем параметрам:

• Тест на растяжку
• Измерение процента удлинения
• Измерение процентного уменьшения площади

При этом пластичность проверяется следующим образом:

• чеканка
• Подвижной
• Ковка

Во всех испытаниях прикладываются сжимающие напряжения.

Фокус на приложениях

В реальных условиях пластичность предотвращает растрескивание заготовки в процессе обработки. Это важно для проводов, конструкций и кабелей.

Ковкость важна для формуемости материалов. Она необходима при формовке листового металла и прокатке.

Пластичность в сравнении с другими свойствами

Материал обладает различными механическими свойствами, такими как прочность, ударная вязкость и т. д. Эти свойства определяют поведение материала под воздействием напряжений и в процессе эксплуатации. В этом разделе эти свойства подробно рассматриваются с учетом пластичности материалов.

Пластичность против прочности

Прочность — это показатель сопротивления материала разрушению при приложении напряжения. Она варьируется от материала к материалу и зависит от условий эксплуатации. Материал с высокой пластичностью будет иметь более низкую прочность, и наоборот. Например, керамика обладает очень высокой прочностью, но не является пластичной, поэтому она разрушается внезапно.

Пластичность против хрупкости

Хрупкость материала препятствует его пластической деформации. Пластичность и хрупкость противоположны друг другу. Например, стекло — хрупкий материал. При приложении к нему силы растяжения оно не деформируется, а внезапно трескается. На рисунке легко заметить, что материал слева ломается с деформацией, а материал справа ломается без какой-либо деформации.

Пластичность против твердости

Твердость — это сопротивление царапинам.износ или проникновение. В целом, высокая твердость указывает на низкую пластичность, и наоборот. Детали, изготовленные из твердых материалов, таких как вольфрам, демонстрируют превосходную износостойкость в процессе эксплуатации, но не обладают пластичностью. Их относительное удлинение составляет менее 1% от общей длины.

Пластичность против прочности

Пластичность и ударная вязкость являются важными свойствами. В большинстве случаев пластичные материалы демонстрируют более высокую ударную вязкость. Ударная вязкость — это «поглощение энергии до разрушения». Это означает, что детали, изготовленные из прочных металлов, таких как мартенситно-стареющая сталь, обладают высокой ударной прочностью.

Как измерить пластичность

Пластичность материала можно измерить с помощью двух параметров: либо по процентному удлинению, либо по уменьшению площади поперечного сечения. В обоих случаях более высокие значения указывают на более высокую пластичность.

Процент удлинения

Формула пластичности:

Пластичность (% удлинения) = (L)_f−L_o) / Л_o× 100

Здесь,

• L_o исходная длина
• L_f конечная длина

Процентное сокращение площади

РА (%) = (А₀−А_f )/ А₀× 100

Здесь,

• РА — это уменьшение площади.
• A₀ является первоначальной областью
• A_fэто последняя область

Какие факторы могут влиять на пластичность?

На механические свойства влияют многие факторы, например, состав материала, условия эксплуатации и т. д.

Состав материала

Состав материала является наиболее важным параметром, определяющим его свойства. Например, в сталях углерод является междоузельным элементом. Он располагается в междоузельных узлах и блокирует движение дислокаций, поэтому пластическая деформация уменьшается, что означает более низкую пластичность.

микроструктура

Микроструктура детали означает её структуру.

• Связь микроструктуры с пластичностью:

Пластичность означает пластическую деформацию. Пластическая деформация происходит, когда зерна движутся или скользят друг относительно друга. Деталь из отожженной стали является пластичной благодаря крупнозернистой структуре. Из-за больших зерен уменьшается количество границ зерен, поэтому скольжение становится легче, и происходит пластическая деформация. Вкратце, материал с крупными зернами обладает высокой пластичностью.

Термическая обработка

Термическая обработка влияет на пластичность по всей толщине зерна.

• Связь термической обработки с пластичностью

Различные виды термической обработки, такие как отжиг, нормализация или закалка и т. д., приводят к образованию различной зернистой структуры. Например, при закалке образуется очень мелкозернистая и неупорядоченная структура. В такой зернистой структуре зерна не могут скользить друг относительно друга из-за большого количества границ зерен, что приводит к незначительной пластической деформации, поэтому пластичность ниже.

Температура

Температурный фактор определяет пластичность металла по всей его толщине. При высоких температурах усиливается диффузия атомов и движение зерен, что приводит к увеличению пластичности металла.

Скорость загрузки

Скорость нагружения влияет на пластичность через дислокации. Например, при высокой скорости нагружения дислокации не успевают стабилизироваться, поэтому начинают переплетаться. Это переплетение дислокаций приводит к снижению пластической деформации. Таким образом, пластичность уменьшается.  

Пластичность распространенных инженерных материалов

Поскольку каждый материал отличается по своему химическому составу и микроструктуре, каждый материал обладает разным уровнем пластичности. Здесь мы кратко приводим информацию о пластичности некоторых распространенных конструкционных материалов.

Какие металлы обладают высокой пластичностью?

• Металлы с ГЦК-структурой, такие как золото, медь и алюминий, имеют 12 активных плоскостей скольжения, которые облегчают перемещение дислокаций.
• Металлы с меньшим содержанием легирующих элементов обладают большей пластичностью, поскольку низкое содержание легирующих элементов облегчает движение дислокаций.
• Металлы, обладающие ненаправленной металлической связью, отличаются высокой пластичностью.

Медь (Cu)

Медь — это металл с ГЦК-решеткой, который легко деформируется и удлиняется. Именно поэтому медь широко используется в производстве медных проводов. Этот материал выдерживает значительную пластическую деформацию без растрескивания. Дислокации легко перемещаются при прохождении медного стержня через матрицу, что позволяет изготавливать тонкие, как волос, провода.

Алюминий и алюминиевые сплавы (Al)

Чистый алюминий — очень пластичный материал (удлинение >40%), но в случае алюминиевых сплавов, таких как 6061 T6, пластичность низкая. Для повышения прочности сплава 6061 T6 проводится термическая обработка, то есть дисперсионное упрочнение. Поскольку эти осадки препятствуют движению дислокаций, прочность увеличивается, но пластичность снижается.

Нержавеющая сталь

Аустенитная нержавеющая сталь, например, 316, является пластичным металлом благодаря своей ГЦК-структуре. Сталь марки 316 легко поддается механической обработке. и подвержены значительной пластической деформации. Однако ферритная нержавеющая сталь, например, 430, демонстрирует меньшее удлинение из-за ОЦК-структуры.

Какие металлы обладают низкой пластичностью?

В основном, металлы с ОЦК и ГПУ структурой обладают низкой или нулевой пластичностью и разрушаются хрупким образом. Например, вольфрам — это металл с ОЦК структурой, демонстрирующий самую низкую пластичность. Для перемещения дислокаций требуется очень высокое напряжение, что приводит к хрупкому разрушению с наименьшей пластической деформацией. К другим металлам с более низкой пластичностью относятся:

• Чугун
• Закаленная высокоуглеродистая сталь

Обладают ли конструкционные пластмассы пластичностью?

Да, но существует баланс между прочностью и пластичностью. К таким конструкционным пластмассам относятся:

• Нейлон (ПА6/ПА66)
• Поликарбонат (ПК):
• ABS
• PEEK
• ПОМ

Прочность этих материалов обусловлена ​​их кристаллической структурой. При приложении напряжения полимерные цепи переплетаются и препятствуют дальнейшему движению цепей, что приводит к снижению пластичности.

Как пластичность влияет на обработку на станках с ЧПУ?

Высокопластичные материалы легко деформируются, но в процессе обработки такие материалы ведут себя по-разному с точки зрения образования стружки, износа инструмента и качества поверхности.

Формирование стружки

Поскольку пластичные материалы нелегко разрушаются, при обработке на станках с ЧПУ образуются длинные непрерывные стружки. Например, при обработке низкоуглеродистой стали на станках с ЧПУ образуется длинная стружка.

Износ инструмента

Длинные стружки от пластичных заготовок накапливаются на кончиках режущих кромок из-за давления и температуры, образуя нарост. Это приводит к износу инструмента.

Чистота поверхности

Обработка пластичных материалов, таких как алюминий, на станках с ЧПУ позволяет получить очень гладкую поверхность при использовании соответствующего инструмента, скорости и подачи. Еще одна причина такой гладкости поверхности — непрерывное пластическое течение.

Какие детали в наибольшей степени зависят от высокой или низкой пластичности?

Зависимость пластичности деталей от их несущей способности, геометрии и конструктивных требований. Например, уровень пластичности различен для тонких и толстых деталей.

Тонкостенные детали

Тонкостенные детали, такие как алюминиевые листы, подвержены высокой концентрации напряжений во время механической обработки, формовки или эксплуатации. Для предотвращения растрескивания тонкостенные детали обладают высокой пластичностью.

Сложные части

Сложные детали, такие как детали из алюминия, используемые в аэрокосмической промышленности, имеют пазы и острые углы. Эти пазы и острые углы являются концентраторами напряжений во время обработки и в течение всего срока службы. Для предотвращения трещин и разрушений требуется более высокая пластичность.

Несущие детали

При нагрузке типа растяжения, изгиба или динамических нагрузках высокая пластичность является определяющим фактором для несущих деталей. Однако в случае толстых, сжимаемых и простых геометрических форм предпочтение отдается прочности, а не высокой пластичности.

Заключение

Пластичность — это механическое свойство любого материала, измеряемое в процентах удлинения и процентах уменьшения площади поперечного сечения. Для измерения этого свойства в основном используется испытание на растяжение. Пластичные материалы легко деформируются и обрабатываются. В основном, металлы с ГЦК-решеткой являются пластичными, что приводит к значительной пластической деформации. При обработке на станках с ЧПУ пластичные материалы образуют длинную стружку, но при этом получают очень гладкую поверхность. Для тонкостенных и сложных деталей необходима высокая пластичность, но для несущих нагрузку деталей предпочтительнее прочность, а не пластичность.

В практическом производстве пластичность может напрямую влиять на функциональные возможности деталей. Компания Tuofa может предложить решение для станков с ЧПУ. для изготовления деталей на заказ, а также рекомендации по выбору идеальных материалов для механической обработки или прототипирования, чтобы ваши детали хорошо выполняли свои функции.

FAQ

Является ли пластичность механическим свойством?

Да, пластичность — это механическое свойство. Она важна при выборе материалов и обработке деталей.

Почему горячая обработка повышает пластичность?

Потому что при высоких температурах диффузия атомов усиливается. Вследствие этого движение дислокаций значительно облегчается, поэтому пластичность возрастает.

Снижает ли холодная обработка пластичность?

Да, потому что холодная обработка приводит к увеличению количества границ зерен. Эти границы зерен препятствуют движению дислокаций, поэтому пластичность снижается.

Снижает ли упрочнение материала пластичность?

Да, потому что после упрочнения при деформации переплетенные границы зерен ограничивают движение границ зерен.