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

Подробный обзор

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..

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:

-железо

-цинк

-Латунь (и другие металлические сплавы)

-золото

-алюминий

-самарий

-магний

-ванадий

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

-Серебро

-олово

-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.

Физические механизмы

Пластичность под сферическим наноиндентором в меди (111). Все частицы в идеальных положениях решетки опущены, а цветовой код относится к полю напряжений фон Мизеса.

В металлах

Пластичность кристалла чистого металла в первую очередь обусловлена ​​двумя режимами деформации кристаллической решетки: скольжением и двойникованием. Скольжение — это деформация сдвига, которая перемещает атомы на многие межатомные расстояния относительно их начального положения. Двойникование — это пластическая деформация, которая происходит в двух плоскостях из-за набора сил, приложенных к данной металлической детали.

Большинство металлов в горячем состоянии более пластичны, чем в холодном состоянии. Свинец показывает достаточную пластичность при комнатной температуре, в то время как чугун не обладает достаточной пластичностью для любых операций ковки, даже в горячем состоянии

Это свойство важно при операциях формования, формования и экструзии металлов. Большинство металлов превращаются в пластичные при нагревании и, следовательно, в горячем состоянии.

Системы скольжения

Кристаллические материалы содержат однородные плоскости атомов, организованные с дальним порядком. Самолеты могут скользить мимо друг друга в своих плотно упакованных направлениях, как показано на странице систем скольжения. В результате происходит постоянное изменение формы кристалла и пластическая деформация. Наличие дислокаций увеличивает вероятность появления плоскостей.

Обратимая пластичность

На наномасштабе первичная пластическая деформация в простых гранецентрированных кубических металлах обратима до тех пор, пока отсутствует перенос материала в виде поперечного скольжения .

Полоса сдвига

Наличие других дефектов внутри кристалла может запутывать дислокации или иным образом препятствовать их скольжению. Когда это происходит, пластичность локализуется в определенных областях материала. Для кристаллов эти области локализованной пластичности называют полосами сдвига .

Микропластичность

Микропластичность — это локальное явление в металлах. Это происходит при значениях напряжения, когда металл в целом находится в упругой области, а некоторые локальные области находятся в пластической области.

Аморфные материалы

Сумасшествие

В аморфных материалах обсуждение «дислокаций» неприменимо, поскольку весь материал лишен дальнего порядка. Эти материалы все еще могут подвергаться пластической деформации. Поскольку аморфные материалы, такие как полимеры, неупорядочены, они содержат большое количество свободного объема или ненужного пространства. Вытягивание этих материалов с натяжением открывает эти области и может придать материалам мутный вид. Эта мутность является результатом образования трещин , когда внутри материала образуются фибриллы в областях с высоким гидростатическим напряжением . Внешний вид материала может измениться от упорядоченного до «сумасшедшего» рисунка растяжек и растяжек.

Сотовые материалы

Эти материалы пластически деформируются, когда изгибающий момент превышает полностью пластический момент. Это относится к пенопластам с открытыми ячейками, где изгибающий момент действует на стенки ячеек. Пенопласт может быть изготовлен из любого материала с пределом пластической текучести, включая жесткие полимеры и металлы. Этот метод моделирования пены в виде балок действителен только в том случае, если отношение плотности пены к плотности вещества меньше 0,3. Это связано с тем, что балки не изгибаются, а изгибаются в осевом направлении. В пенопластах с закрытыми ячейками предел текучести увеличивается, если материал находится под напряжением из-за мембраны, которая охватывает поверхность ячеек.

Почвы и песок

Грунты, особенно глины, проявляют значительную неупругость под нагрузкой. Причины пластичности почв могут быть довольно сложными и сильно зависят от микроструктуры , химического состава и содержания воды. Пластическое поведение в почвах вызвано в первую очередь перестройкой скоплений соседних зерен.

Неупругие деформации горных пород и бетона в первую очередь вызваны образованием микротрещин и скользящими движениями относительно этих трещин. При высоких температурах и давлениях на пластическое поведение также может влиять движение дислокаций в отдельных зернах микроструктуры.

Упругость

Если материал самопроизвольно восстанавливает форму, после того как внешняя сила прекращает действовать, то такое механическое свойство называется упругостью материала. Если после снятия внешней нагрузки, деформация полностью исчезает, то следует говорить об обратимой упругой деформации.

От чего зависит упругость?

Упругость материала непосредственно связана с силами взаимодействия, происходящими между отдельными атомами. В твёрдых телах при температуре равной абсолютному нулю и при отсутствии какого-либо внешнего воздействия атомы занимают положения, называемые равновесными. Потенциальная энергия тела увеличивается при воздействии внешнего напряжения, и атомы смещаются из равновесного положения. Соответственно, когда прекращается внешнее напряжение, конфигурация неравновесных атомов деформированного материала постепенно становится неустойчивой и возвращается в равновесное состояние. Помимо силы притяжения и отталкивания, которые действуют на каждый атом материала со стороны остальных, существуют и угловые силы, они непосредственно связаны с валентными углами, наблюдающимися между прямыми, которые соединяют атомы между собой. Естественно, это характерно исключительно для макроскопических тел и молекул, содержащих много атомов. Угловые силы уравновешиваются при равновесных значениях валентных углов. Когда говорят о количественной характеристике упругости материала, то используется модуль упругости, зависящий от напряжения воздействующего на материал и определяется производной зависимости напряжения от деформации, что применимо для области упругой деформации.

Критерии доходности

Сравнение критерия Трески с критерием фон Мизеса

Если напряжение превышает критическое значение, как было сказано выше, материал подвергнется пластической или необратимой деформации. Это критическое напряжение может быть растягивающим или сжимающим. Критерии Трески и фон Мизеса обычно используются для определения того, поддается ли материал. Однако эти критерии оказались недостаточными для большого диапазона материалов, и несколько других критериев текучести также широко используются.

Критерий Трески

Критерий Трески основан на представлении о том, что, когда материал выходит из строя, это происходит при сдвиге, что является относительно хорошим предположением при рассмотрении металлов. Учитывая основное напряженное состояние, мы можем использовать круг Мора для определения максимальных касательных напряжений, которые будет испытывать наш материал, и сделать вывод, что материал выйдет из строя, если

σ1-σ3≥σ{\ displaystyle \ sigma _ {1} — \ sigma _ {3} \ geq \ sigma _ {0}}

где σ 1 — максимальное нормальное напряжение, σ 3 — минимальное нормальное напряжение, а σ — напряжение, при котором материал разрушается при одноосном нагружении. Поверхность текучести может быть сконструирована, который обеспечивает визуальное представление этой концепции. Внутри поверхности текучести деформация упругая. На поверхности деформация пластическая. Материал не может иметь напряженное состояние за пределами своей поверхности текучести.

Критерий Губера – фон Мизеса

Поверхность текучести фон Мизеса в координатах главных напряжений описывает цилиндр вокруг гидростатической оси. Также показана гексагональная поверхность текучести Tresca .

Критерий Хубера – фон Мизеса основан на критерии Трески, но учитывает предположение, что гидростатические напряжения не влияют на разрушение материала. М. Т. Хубер был первым, кто предложил критерий энергии сдвига. Фон Мизес находит эффективное напряжение при одноосном нагружении, вычитая гидростатические напряжения, и утверждает, что все эффективные напряжения, превышающие то, которое вызывает разрушение материала при одноосном нагружении, приведут к пластической деформации.

σv2знак равно12(σ11-σ22)2+(σ22-σ33)2+(σ11-σ33)2+6(σ232+σ31 год2+σ122){\ displaystyle \ sigma _ {v} ^ {2} = {\ tfrac {1} {2}} }

Опять же, визуальное представление поверхности текучести может быть построено с использованием приведенного выше уравнения, которое принимает форму эллипса. Внутри поверхности материалы подвергаются упругой деформации. Достижение поверхности означает, что материал подвергается пластической деформации.

Значение слова Пластичность по словарю Брокгауза и Ефрона:

Пластичность — такое свойство твердых тел, которое дает возможность при посредстве давления давать им ту или другую форму, сохраняемую ими более или менее продолжительное, иногда даже неопределенно долгое время. К числу пластичных тел относятся глина, воск, вар и некоторые другие жиры и смолы. Степень пластичности последних тел возрастает с приближением их к точке плавления. Железо, раскаленное добела, становится пластичным, так что можно придавать желаемую форму куску железа ковкою и отчасти прямым давлением. Лед при темп., близкой к нулю, весьма пластичен: куску льда можно придавать вид шара, призмы и т. д., сжимая его в разъемных деревянных формах. Вследствие П. как способности тела изменять свою форму под влиянием давления некоторые пластичные тела под влиянием силы тяжести становятся медленнотекучими. Передвижение ледников (см.) по склонам гор происходит вследствие текучести льда. Текучестью твердого вара пользуются для объяснения образования ледяных рек: на вершину гипсовой модели горы кладут куски вара, которые через несколько месяцев или лет, смотря по размерам модели, образуют в ее ложбинах потоки, с ясными следами струй, до самого основания модели горы. Ф. П.

Как развить гибкость мышления

Смотрите на вещи с разных сторон

Рассматривайте все явления под разными углами — это поможет найти новые пути к развитию.

Используйте своё воображение: представьте ситуацию с точки зрения своих друзей и знакомых. Скорее всего, вы найдёте множество новых путей решения проблемы или увидите изъяны в своей работе, которые можно исправить.

Выходите из зоны комфорта

Измените контекст или среду, которые вас окружают, и вы почувствуете, как меняется ваш ум. Выйдите из своей привычной роли и делайте то, в чём раньше сомневались и чего избегали.

Общайтесь с людьми из разных кругов, будьте открыты их мнениям и представлениям. Прислушивайтесь к идеям, с которыми вы не согласны, и, прежде чем отвергать их, анализируйте.

Доверяйте эмоциям и интуиции

Логическое мышление действительно помогает справиться с уже знакомыми проблемами, когда достаточно следовать известным техникам. Но, когда приходится иметь дело с чем-то новым, существующие правила и устоявшиеся методы иногда оказываются непродуктивными.

Обычно процесс мышления происходит сверху вниз: от аналитики к действиям. Но, столкнувшись со сложной задачей, попробуйте дать свободу интуиции.

Будьте любопытны

Задавайте вопросы всему миру и ищите на них ответы. Интересуйтесь тем, что вас окружает. Записывайте всё, что заставило вас задуматься, все идеи и мысли.

Не переставайте учиться и стремиться к новому. Пластичность ума рождается из новизны, которая помогает развитию мозга на протяжении всей жизни. И если вас пугают перемены, помните: они делают вас сильнее.

Хрупкость

Хрупкость относится к механическим свойствам материалов противоположным пластичности. Те процессы, которые повышают пластичность, соответственно, снижают хрупкость, и наоборот. Материалы, отличающиеся хрупкостью при статическом испытании разрушаются без пластической деформации. Это характерно, например, для стекла. Если при статическом испытании материал характеризуется пластичностью, но при динамическом испытании разрушается, то речь идет о так называемой ударной хрупкости. Причиной ударной хрупкости могут быть пределы текучести (то есть зависимость скорости деформации и сопротивления) и пределы прочности (изменение сопротивления разрушению). Хрупкое разрушение материала происходит если сопротивление деформации равно или больше сопротивления отрыву. Соответственно, пластичность материала уменьшается, если рост сопротивления деформации происходит быстрее роста сопротивления разрушению.

Фактором, от которого непосредственно зависит хрупкое состояние материала является однородность напряженного состояния. Материал переходит от пластичности к хрупкости при неоднородном напряженном состоянии. Расчет сопротивления хрупкому разрушению является важным обоснованием прочности конструкции.

дальнейшее чтение

  • Эшби, MF (2001). «Пластическая деформация ячеистых материалов». Энциклопедия материалов: наука и технологии . Том 7. Оксфорд: Elsevier. С. 7068–7071. ISBN 0-08-043152-6.
  • Han, W .; Редди, Б.Д. (2013). Пластичность: математическая теория и численный анализ (2-е изд.). Нью-Йорк: Спрингер. ISBN 978-1-4614-5939-2.
  • Качанов, Л.М. (2004). Основы теории пластичности . Dover Книги. ISBN 0-486-43583-0.
  • Хан, А.С.; Хуанг, С. (1995). Континуальная теория пластичности . Вайли. ISBN 0-471-31043-3.
  • Simo, JC; Хьюз, Т.Дж. (1998). Вычислительная неупругость . Springer. ISBN 0-387-97520-9.

Что такое Прочность?

Прочностью называется способность разнообразных материалов без разрушения воспринимать напряжение под внешним воздействием различных сил. Прочность зависит не только от того, какой материал, но и имеет зависимость от типа состояния напряжения — например, это может быть сжатие, растяжение или изгиб. Также непосредственное влияние на прочность оказывают условия, при которых материал эксплуатируется — воздействия извне, температура окружающей среды.

Испытания на прочность

Существует понятие предела прочности, который является основной количественной характеристикой прочности и численно равен разрушающему напряжению для конкретного материала. Предел прочности для каждого материала определяется средним результатом серии испытаний, так как основные материалы, используемые в строительстве, характеризуются неоднородностью.

Если происходит статическая нагрузка для выявления прочности проводится испытание образцов определенного стандарта (как правило речь идет об образцах, имеющих сечение круглой формы, реже прямоугольной), диаграмма таким образом отражает зависимость относительного удлинения от величины действующего на образец напряжения.
Прочность материала различных конструкций обосновывается при сравнении тех напряжений, которые возникают в конструкции при внешнем воздействии, также с учетом таких показателей как пределы прочности и текучести.
О так называемой усталости материала (в частности, металла) говорят если при большом числе циклически повторяющихся внешних напряжений разрушение происходит даже при напряжениях меньших чем предел прочности. В этом случае рассчитывается циклическая прочность, т.е. обоснование прочности материала, проводящееся с учетом нагрузки, которая меняется с определенным циклом.

Твёрдость

Механическое свойство материала при внешнем воздействии не испытывать пластической деформации называется твёрдостью. В первую очередь оно зависит от механических характеристик материала, в частности структуры, модуля упругости, предела прочности и т.д. Количественную связь твердости от данных характеристик устанавливает общая физическая теория упругости.

Методы, с помощью которых экспериментально устанавливают твердость бывают как статическими (например, в поверхность вдавливается твердый предмет или же она царапается), так и динамическими. К статическим методам также относятся измерения твёрдости по Бринеллю (вдавление шарика в поверхность), Виккерсу (вдавление алмазного наконечника) и Роквеллу (для материалов с высокой твердостью используется алмазный конус, с низкой — шарик из стали). Также к статическим методам относится склерометрия — царапание алмазной структурой в виде конуса, пирамиды, или же карандашом различной твердости — оценивается нагрузка, которую необходимо приложить, чтобы создать царапину, а также размеры созданной царапины.

При динамических методах установления твердости материала благодаря ударной нагрузке наносится отпечаток шариком (по принципу маятника) и величина твердости характеризуется тем, как материал сопротивляется деформации от удара или же параметрами отскока шарика от поверхности, в том числе затуханию маятниковых колебаний.

Пластичность

Пластичностью называется механическое свойство материалов под влиянием внешней нагрузки изменять форму и размер, а после того как нагрузка перестает действовать — сохранять ее в измененном виде.
Пластичность является важным свойством, учитывающееся когда происходит выбор материала несущей конструкции, либо же определения технологии (методики) изготовления разнообразных изделий

Для конструкций важно сочетание высокой пластичности материала и большого показателя упругости. Эта комбинация свойств предотвращает внезапное разрушение материала

В целом пластичность в физике материалов противопоставляется как упругости, так и хрупкости — пластичный материал сохраняет форму, которую придают ему внешние воздействия.

Пластичность — важное механическое свойство

Изучение пластичности важно при прогнозировании долговечности и прочности какой-либо конструкции, так как пластичность зачастую предшествует разрушению и важно рассмотреть деформационные процессы, возникающие в материале. Измерение пластичности, являющейся важным свойством металлов, очень важно при обработке под давлением — ковке и прокатке

Это свойство металлов непосредственно зависит от тех условий, в которых происходит деформирование — температуры, давления и т.д. Пластичность металлов влияет на такие характеристики как удлинение (абсолютное и относительное) и сужение материала. При удлинении происходит увеличение длины образца под воздействием происходящего растяжения, а при сужении, соответственно, от растяжения образца происходит уменьшение площади поперечного сечения.

Что отличает людей с гибким мышлением

Человек, обладающий гибким умом, постоянно переосмысливает способы решения проблемы и находит новые, чтобы справиться с задачей лучше, проще и быстрее.

Этой способностью были наделены многие успешные люди, которыми мы восхищаемся. Залог их плодотворной деятельности — ежедневное стремление к новому.

Леонардо да Винчи поддерживал своё любопытство всю жизнь, и сегодня его считают одним из уникальнейших людей в истории. Страсть к познанию привела его к успеху в самых разных областях: да Винчи посвятил себя искусству, технике, философии и естественным наукам.

Неординарность великих людей — результат их собственных желаний и усилий. Яркое воображение, любопытство и наблюдательность — вот те качества, которые мы должны перенять.

Математические описания

Теория деформации

Идеализированная одноосная кривая напряжения-деформации, показывающая режимы упругой и пластической деформации для деформационной теории пластичности.

Есть несколько математических описаний пластичности. Одна из них — теория деформации (см., Например, закон Гука ), где тензор напряжений Коши (порядка d-1 в d-измерениях) является функцией тензора деформации. Хотя это описание является точным, когда небольшая часть вещества подвергается возрастающей нагрузке (например, деформационной нагрузке), эта теория не может объяснить необратимость.

Пластичные материалы могут выдерживать большие пластические деформации без разрушения . Однако даже пластичные металлы будут разрушаться, когда деформация становится достаточно большой — это происходит в результате наклепа материала, в результате чего он становится хрупким . Термическая обработка, такая как отжиг, может восстановить пластичность обрабатываемой детали, чтобы можно было продолжить формование.

Теория пластичности течения

В 1934 году Эгон Орован , Майкл Полани и Джеффри Ингрэм Тейлор примерно одновременно осознали, что пластическую деформацию пластичных материалов можно объяснить с помощью теории дислокаций . Математическая теория пластичности, теория пластичности потока , использует набор нелинейных, неинтегрируемых уравнений для описания набора изменений деформации и напряжения относительно предыдущего состояния и небольшого увеличения деформации.

admin
Оцените автора
( Пока оценок нет )
Добавить комментарий