что такое пластичность металла или сплава

Пластичность, в чем она состоит, свойства, примеры, эксперименты

тягучесть это технологическое свойство материалов, позволяющее им деформироваться до растяжения; то есть разделение его двух концов без раннего перелома где-то посередине удлиненного участка. По мере удлинения материала его поперечное сечение уменьшается, становясь более тонким.

Поэтому пластичные материалы механически обрабатывают, чтобы придать им нитевидные формы (провода, кабели, иглы и т. Д.). На швейных машинах катушки с витыми нитями представляют собой домашний пример пластичных материалов; в противном случае текстильные волокна никогда бы не приобрели характерных форм.

Какова цель пластичности в материалах? Способность преодолевать большие расстояния или привлекательные дизайны, будь то для разработки инструментов, украшений, игрушек; или для транспортировки некоторой жидкости, такой как электрический ток.

Последнее приложение представляет собой ключевой пример пластичности материалов, особенно металлов. Тонкие медные провода (верхнее изображение) являются хорошими проводниками электричества, и наряду с золотом и платиной доступны во многих электронных устройствах для обеспечения их работы..

Некоторые волокна настолько тонкие (толщиной всего в несколько микрометров), что поэтическая фраза «золотые волосы» приобретает все истинное значение. То же самое касается меди и серебра.

Пластичность не была бы возможным свойством, если бы не было молекулярной или атомной перегруппировки для противодействия падающей растягивающей силе. И если бы его не существовало, человек никогда бы не узнал о кабелях, антеннах, мостах, которые исчезли бы, и мир остался бы в темноте без электрического света (помимо других неисчислимых последствий).

Что такое пластичность?

В отличие от пластичности пластичность заслуживает более эффективной структурной перестройки.

Почему? Потому что, когда поверхность, где натяжение больше, твердое тело имеет больше средств для скольжения своих молекул или атомов, образуя листы или пластины; в то время как когда напряжение сосредоточено во все меньшем поперечном сечении, молекулярное скольжение должно быть более эффективным для противодействия этой силе..

Не все твердые вещества или материалы могут это сделать, и по этой причине они разрушаются при испытаниях на растяжение. Полученные разрывы в среднем горизонтальны, в то время как из пластичных материалов конические или заостренные, признак растяжения.

Пластичные материалы также могут прорваться через точку напряжения. Это может быть увеличено, если температура повышается, так как тепло способствует и облегчает молекулярные слайды (хотя есть несколько исключений). Именно благодаря этим оползням материал может проявлять пластичность и, следовательно, быть пластичным.

Однако пластичность материала включает в себя другие переменные, такие как влажность, тепло, примеси и способ применения силы. Например, свежеплавленное стекло является пластичным, принимая нитевидные формы; но при охлаждении становится хрупким и может сломаться при любом механическом воздействии.

свойства

Пластичные материалы имеют свои собственные свойства, непосредственно связанные с их молекулярным расположением. В этом смысле жесткий металлический стержень и мокрый глиняный стержень могут быть пластичными, даже если их свойства сильно отличаются.

Тем не менее, все они имеют что-то общее: пластичное поведение до распада. В чем разница между пластиком и упругим предметом?

Эластичный объект обратимо деформируется, что происходит первоначально с пластичными материалами; но сила растяжения увеличивается, деформация становится необратимой, и объект становится пластичным.

С этого момента проволока или нить принимают определенную форму. После непрерывного растяжения его поперечное сечение становится настолько малым, а растягивающее напряжение слишком высоким, так что его молекулярные скольжения больше не могут противодействовать растяжению и в конечном итоге разрушаются..

Если пластичность материала чрезвычайно высока, как в случае с золотом, с помощью одного грамма можно получить провода длиной до 66 км, толщиной 1 мкм..

Чем длиннее проволока, полученная из массы, тем меньше ее поперечное сечение (если у вас нет тонны золота, чтобы построить проволоку значительной толщины)..

Примеры пластичных металлов

Металлы относятся к пластичным материалам с неисчислимым количеством применений. Триада состоит из металлов: золота, меди и платины. Один золотой, другой розовато-оранжевый, а последний серебряный. В дополнение к этим металлам есть и другие с более низкой пластичностью:

-Латунь (и другие металлические сплавы)

-Сталь (хотя на ее пластичность может повлиять, в зависимости от ее углеродного состава и других добавок)

-Свинец (но в определенных небольших температурных диапазонах)

Без предварительных экспериментальных знаний трудно определить, какие металлы действительно пластичны. Его пластичность зависит от степени чистоты и от того, как добавки взаимодействуют с металлическим стеклом.

Другие переменные, такие как размер кристаллических зерен и расположение кристалла, также рассматриваются. Кроме того, количество электронов и молекулярных орбиталей, участвующих в связи металла, то есть в «море электронов», также играет важную роль.

Взаимодействия между всеми этими микроскопическими и электронными переменными делают пластичность концепцией, которую необходимо глубоко проанализировать с помощью многомерного анализа; и вы найдете отсутствие стандартного правила для всех металлов.

Именно по этой причине два металла, хотя и с очень похожими характеристиками, могут быть или не быть пластичными.

Размер зерен и кристаллические структуры металлов

Зерна представляют собой кристаллические участки, которые не имеют заметных неровностей (зазоров) в своих трехмерных решетках. В идеале они должны быть полностью симметричными, а их структура должна быть четко определена..

Каждое зерно для одного и того же металла имеет одинаковую кристаллическую структуру; то есть металл с компактной гексагональной структурой, ГПУ, имеет зерна с кристаллами с системой ГПУ. Они расположены таким образом, что перед силой тяги или растяжения они скользят друг над другом, как если бы они были плоскостями, состоящими из мрамора..

Обычно, когда плоскости, состоящие из мелких зерен, скользят, они должны преодолевать большую силу трения; в то время как если они большие, они могут двигаться более свободно. Фактически, некоторые исследователи стремятся изменить пластичность некоторых сплавов посредством контролируемого роста их кристаллических зерен..

С другой стороны, что касается кристаллической структуры, то обычно металлы с кристаллической системой ГЦК (гранец по центру, или кубические по центру лица) являются наиболее пластичными. Между тем, металлы с ОЦК кристаллической структурой (кубическое тело, кубические с центром на гранях) или ГПУ, как правило, менее пластичны.

Например, и медь, и железо кристаллизуются с помощью ГЦК-компоновки и являются более пластичными, чем цинк и кобальт, оба с ГЦП-компоновками.

Влияние температуры на пластичность металлов

Высокая температура может уменьшить или увеличить пластичность материалов, и исключения также относятся к металлам. Однако, как правило, при размягчении металлов, тем больше возможностей превратить их в нити, не разрывая их..

Это связано с тем, что повышение температуры вызывает колебание металлических атомов, что приводит к объединению зерен; то есть несколько мелких зерен соединяются, образуя крупное зерно.

С более крупными зернами пластичность увеличивается, и молекулярные слайды сталкиваются с меньшим количеством физических препятствий.

Эксперимент по объяснению пластичности у детей и подростков

Пластичность становится чрезвычайно сложной концепцией, если начать анализировать под микроскопом. Итак, как вы объясните это детям и подросткам? Таким образом, что это кажется настолько простым, насколько это возможно, на ваших любопытных глазах.

Жевательная резинка и пластилин

До сих пор мы говорили о металлах и расплавленном стекле, но есть и другие невероятно пластичные материалы: жевательная резинка и пластилин..

Чтобы продемонстрировать пластичность жевательной резинки, достаточно схватить две массы и начать их растягивать; один слева, а другой справа. Результатом будет мост подвески жевательной резинки, который не сможет вернуться к своей первоначальной форме, если не будет разминать руками.

Тем не менее, наступит момент, когда мост в конечном итоге сломается (и пол будет испачкан жвачкой).

На изображении выше показано, как ребенок, нажимающий на контейнер с отверстиями, заставляет пластилин появляться, как если бы это были волосы. Сухое игровое тесто менее пластично, чем маслянистое; следовательно, эксперимент может состоять просто в создании двух дождевых червей: один с сухим пластилином, а другой увлажненный маслом.

Ребенок заметит, что маслянистый червь легче вылепить и набрать длину за счет своей толщины; Пока червь высыхает, он может несколько раз сломаться.

Пластилин также представляет собой идеальный материал, чтобы объяснить разницу между податливостью (лодка, ворота) и пластичностью (волосы, дождевые черви, змеи, саламандры и т. Д.).

Демонстрация с металлами

Хотя подростки не будут манипулировать чем-либо, возможность стать свидетелем образования медных проводов в первом ряду может стать для них привлекательным и интересным опытом. Демонстрация пластичности будет еще более полной, если мы перейдем к другим металлам и, таким образом, сможем сравнить их пластичность..

Далее все провода должны подвергаться постоянному растяжению до их точки разрыва. При этом подросток будет визуально подтверждать, как пластичность влияет на сопротивление проволоки разрыву..

Источник

Физические свойства металлов: твердость, плотность и др.

Физические свойства металлов.

Металлы имею такие физические свойства, как твердость, температуру плавления, плотность, пластичность, электропроводность, теплопроводность и цвет.

Твёрдость:

Все металлы, кроме ртути и, условно, франция, при нормальных условиях находятся в твёрдом состоянии, однако обладают различной твёрдостью.

Таблица твёрдости металлов по шкале Мооса:

Температура плавления:

Температуры плавления чистых металлов лежат в диапазоне от −38,83 °C (ртуть) до 3422 °C (вольфрам).

Температура плавления большинства металлов (за исключением щелочных) высока, однако некоторые металлы, например, олово и свинец, могут расплавиться на обычной электрической или газовой плите.

В зависимости от температуры плавления металлы делятся на: легкоплавкие (до 600 °C); среднеплавкие (от 600 до 1600 °C); тугоплавкие (выше 1600 °C).

Таблица температуры плавления легкоплавких металлов и сплавов:

Таблица температуры плавления среднеплавких металлов и сплавов:

Таблица температуры плавления тугоплавких металлов и сплавов:

Плотность:

В зависимости от плотности металлы делят на лёгкие (плотность от 0,53 до 5 г/см³) и тяжёлые (от 5 до 22,6 г/см³).

Самым лёгким металлом является литий (плотность 0,53 г/см³). Самый тяжёлый металл в настоящее время назвать невозможно, так как плотности осмия и иридия — двух самых тяжёлых металлов — почти равны (около 22,6 г/см³ — ровно в два раза выше плотности свинца ), а вычислить их точную плотность крайне сложно: для этого нужно полностью очистить металлы, ведь любые примеси снижают их плотность.

Пластичность:

Большинство металлов пластичны, то есть металлическую проволоку можно согнуть, и она не сломается. Это происходит из-за смещения слоёв атомов металлов без разрыва связи между ними.

Самыми пластичными являются золото, серебро и медь. Из золота можно изготовить фольгу толщиной 0,003 мм, которую используют для золочения изделий. Однако не все металлы пластичны. Проволока из цинка или олова хрустит при сгибании; марганец и висмут при деформации вообще почти не сгибаются, а сразу ломаются.

Электропроводность:

Все металлы хорошо проводят электрический ток, обусловлено наличием в их кристаллических решётках подвижных электронов, перемещающихся под действием электрического поля.

Серебро, медь и алюминий имеют наибольшую электропроводность. По этой причине последние два металла чаще всего используют в качестве материала для проводов. Очень высокую электропроводность имеет также и натрий. В экспериментальной аппаратуре известны попытки применения натриевых токопроводов в форме тонкостенных труб из нержавеющей стали, заполненных натрием. Благодаря малому удельному весу натрия, при равном сопротивлении натриевые «провода» получаются значительно легче медных и даже несколько легче алюминиевых.

Теплопроводность:

Теплопроводность металлов зависит от подвижности свободных электронов.

Поэтому ряд теплопроводностей похож на ряд электропроводностей, и лучшим проводником тепла, как и электричества, является серебро. Натрий также находит применение как хороший проводник тепла. Широко известно, например, применение натрия в клапанах автомобильных двигателей для улучшения их охлаждения.

Наименьшая теплопроводность — у висмута и ртути.

Цвет у большинства металлов примерно одинаковый — светло-серый, иногда с голубоватым оттенком. Золото, медь и цезий соответственно жёлтого, красного и светло-жёлтого цвета.

Металлы подразделяются на цветные и черные.

Чёрные металлы – железо и сплавы на его основе (стали, ферросплавы, чугуны). К чёрным металлам также зачастую относят марганец и, иногда, – хром и ванадий.

Цветные металлы — это особый класс нержавеющих металлов и сплавов, в составе которых нет железа. Металлы называются цветными, потому что каждый из них имеет определенный окрас. К цветным металлам относятся медь, молибден, свинец, цинк, олово, никель, кадмий, кобальт, алюминий, титан, магний, висмут, вольфрам, ртуть, золото, платину, серебро, палладий, родий, рутений, осмий, иридий.

Источник

Механические свойства металлов. Пластичность.

Пластичность характеризует способность материала деформироваться, или растягиваться, под воздействием нагрузки и не разрушаться при этом. Чем более пластичен металл, тем больше он может растягиваться, прежде чем наступит разрушение. Пластичность – это важное свойство металла, поскольку от нее зависит характер разрушения металла под воздействием нагрузки, которое может происходить постепенно или внезапно. Если металл обладает высокой степенью пластичность, он, как правило, разрушается и разрывается постепенно. Прежде чем наступит разрыв, пластичный металл изгибается, и это надежный признак происходящего превышения предела текучести. Металлы с низкой пластичностью хрупки, они разрушаются внезапно, с образованием излома и без предупреждающих признаков.

Пластичность металла прямо связана с его температурой. С ростом температуры пластичность материала возрастает, а по мере снижения температуры она снижается. Металлы, проявляющие свойства пластичности при комнатной температуре, могут становиться хрупкими и разрушаться внезапно при температуре ниже нуля.

Металлы с высоким уровнем пластичности называются пластичными, а металлы с низким уровнем пластичности называются хрупкими. Перед разрушением хрупкие материалы не претерпевают заметной или вообще какой-либо деформации. Удачным примером хрупкого материала может служить стекло. Хрупким металлом, имеющим широкое распространение, можно назвать чугун, в особенности белый чугун.

Пластичность – это свойство, которое позволяет нагружать несколько элементов, имеющих некоторый разброс по длине, не перегружая ни один из них до предела разрушения. Если один из элементов несколько короче, но пластичен, его деформация может быть достаточной для равномерного распределения нагрузки по всем элементам. Практическим примером этого может служить индивидуальное натяжение стальных тросов, из которых состоят канаты подвесных мостов. Поскольку этого нельзя сделать с достаточной точностью, тросы изготовляют из пластичного металла. Когда мости нагружен, те тросы, которые кратковременно оказываются под нагрузкой, превышающей их долю, могут растянуться и, следовательно, переложить часть груза на другие тросы.

Пластичность становится еще более важным свойством для металла, который должен подвергаться дополнительным операциям формоизменения. Например, металлы, которые используются для изготовления кузова автомобиля, должны иметь достаточную пластичность, позволяющую придавать материалу нужную форму.

Особенность, которая важна в связи с характеристиками пластичности и прочности, заключается в их зависимости от соотношения между направлением приложения силы и направлением прокатки материала в процессе его производства. Прокатанные металлы обладают ярко выраженными свойствами направленности. Прокатка удлиняет кристаллы или зерна в направлении прокатки гораздо больше, чем в поперечном ей направлении. В результате прочность и пластичность прокатанного металла, например, листовой стали, наиболее велики в направлении прокатки. В поперечном направлении прочность материала может снижаться даже на 30%, а пластичность – на 50%, по сравнению с параметрами в направлении прокатки. По толщине листа прочность и пластичность еще меньше. У некоторых сталей пластичность в этом направлении очень низкая. Каждому из трех указанных выше направлений присвоено буквенное обозначение. Направление прокатки обозначается буквой «X», поперечное направление – «Y», а направление по толщине – буквой «Z».

Возможно, Вам приходилось видеть испытание на загиб стального листа во время аттестации сварщиков, когда у контрольного образца появлялся излом в основном металле. Наиболее частая причина такого разрушения – параллельность направления прокатки листа и оси шва. Хотя металл может обладать отличными характеристиками в направлении прокатки, воздействие нагрузки в любом из двух других направлений может привести к преждевременному разрушению.

Пластичность металла обычно определяется при помощи испытания на растяжение, которое проводится во время измерения предела прочности металла. Пластичность обычно выражается двумя способами: в виде относительного удлинения и относительного сужения площади сечения.

Источник