วัสดุที่มีความเหนียวมากที่สุด

ความเหนียวเป็นสมบัติทางกลที่อธิบายโดยทั่วไปว่าเป็นความสามารถในการดึงวัสดุของวัสดุ(เช่น ลวด) [1]ในวัสดุศาสตร์ความเหนียวถูกกำหนดโดยระดับที่วัสดุสามารถคงสภาพการเปลี่ยนรูปของพลาสติกภายใต้ความเค้นแรงดึงก่อนเกิดความล้มเหลว [2] [3] ความเหนียวเป็นข้อพิจารณาที่สำคัญในด้านวิศวกรรมและการผลิต โดยกำหนดความเหมาะสมของวัสดุสำหรับการดำเนินการผลิตบางอย่าง (เช่นการทำงานเย็น ) และความสามารถในการดูดซับน้ำหนักเกินทางกล [4]วัสดุที่อธิบายไว้โดยทั่วไปเป็นดัดรวมถึงทองคำและทองแดง[5]

การทดสอบแรงดึงของ โลหะผสม AlMgSi บริเวณคอและพื้นผิวแตกหักของถ้วยและกรวยเป็นเรื่องปกติสำหรับโลหะดัด

ความอ่อนตัวซึ่งเป็นคุณสมบัติทางกลที่คล้ายคลึงกัน มีลักษณะเฉพาะด้วยความสามารถของวัสดุในการทำให้พลาสติกเสียรูปโดยไม่เกิดความล้มเหลวภายใต้ความเค้นอัด [6] [7] ในอดีต วัสดุถือว่าอ่อนได้หากพวกมันคล้อยตามการขึ้นรูปโดยการตอกหรือกลิ้ง [1]ตะกั่วเป็นตัวอย่างของวัสดุที่ค่อนข้างอ่อนแต่ไม่เหนียว [5] [8]

ทองมีความเหนียวมาก มันสามารถดึงเข้าไปในลวดโมโนโทมิกแล้วยืดให้มากขึ้นก่อนที่จะแตก [9]

ความเหนียวเป็นสิ่งสำคัญโดยเฉพาะอย่างยิ่งในโลหะเป็นวัสดุที่แตกแบ่งหรือแตกภายใต้ความกดดันไม่สามารถจัดการได้โดยใช้โลหะขึ้นรูปกระบวนการเช่นการตอก , กลิ้ง , การวาดภาพหรือextruding วัสดุที่อ่อนตัวสามารถขึ้นรูปเย็นได้โดยใช้การปั๊มหรือกดในขณะที่วัสดุที่เปราะอาจถูกหล่อหรือขึ้นรูปด้วยความร้อน

ความเหนียวในระดับสูงเกิดขึ้นจากพันธะโลหะซึ่งพบมากในโลหะ สิ่งนี้นำไปสู่การรับรู้ทั่วไปว่าโลหะมีความเหนียวโดยทั่วไป ในพันธบัตรโลหะเลนซ์เปลือก อิเล็กตรอนจะ delocalized และใช้ร่วมกันระหว่างอะตอมจำนวนมาก อิเล็กตรอน delocalizedช่วยให้อะตอมโลหะสไลด์ที่ผ่านมาอีกคนหนึ่งโดยไม่ต้องถูกยัดเยียดให้กองกำลังที่น่ารังเกียจที่แข็งแกร่งที่จะทำให้วัสดุอื่น ๆ ที่จะสลาย

ความเหนียวของเหล็กแตกต่างกันไปตามองค์ประกอบของโลหะผสม การเพิ่มระดับของคาร์บอนจะลดความเหนียว พลาสติกและของแข็งอสัณฐานหลายชนิดเช่นPlay-Dohก็สามารถหลอมได้เช่นเดียวกัน โลหะดัดที่สุดคือทองคำและโลหะอ่อนมากที่สุดคือทอง[10] [11]เมื่อยืดออกมาก โลหะดังกล่าวจะบิดเบี้ยวผ่านการก่อตัว การปรับทิศทางใหม่ และการเคลื่อนตัวของความคลาดเคลื่อนและผลึกแฝดโดยไม่ทำให้แข็งจนสังเกตได้ (12)

ปริมาณที่ใช้กันทั่วไปเพื่อกำหนดความเหนียวในการทดสอบแรงดึงคือเปอร์เซ็นต์การยืดตัว (บางครั้งแสดงเป็น ) และการลดพื้นที่ (บางครั้งแสดงเป็น ) เมื่อแตกหัก [13]การแตกหักสายพันธุ์คือสายพันธุ์วิศวกรรมที่การทดสอบตัวอย่างกระดูกหักในระหว่างการแกนเดียว ทดสอบแรงดึง เปอร์เซ็นต์การยืดตัวหรือความเครียดทางวิศวกรรมเมื่อแตกหัก สามารถเขียนได้ดังนี้[14] [15] [16]

เปอร์เซ็นต์การลดลงในพื้นที่สามารถเขียนได้ดังนี้: [14] [15] [16]

โดยที่พื้นที่ที่กังวลคือพื้นที่หน้าตัดของเกจของตัวอย่าง

ตามการออกแบบวิศวกรรมเครื่องกลของ Shigley [17] อย่างมีนัยสำคัญหมายถึงการยืดตัวประมาณ 5.0 เปอร์เซ็นต์

ลักษณะแผนผังของแท่งโลหะกลมหลังการทดสอบแรงดึง
(a) การแตกหักแบบเปราะ
(b) การแตกหัก
แบบเหนียว (c) การแตกหักแบบเหนียวสมบูรณ์

โลหะสามารถผ่านการแตกหักได้สองประเภท: การแตกหักแบบเปราะหรือการแตกหักแบบเหนียว การแพร่กระจายที่ผิดพลาดจะเกิดขึ้นเร็วขึ้นในวัสดุที่เปราะเนื่องจากความสามารถของวัสดุที่เหนียวจะเกิดการเสียรูปของพลาสติก ดังนั้นวัสดุที่มีความเหนียวสามารถทนต่อความเครียดได้มากขึ้นเนื่องจากความสามารถในการดูดซับพลังงานก่อนเกิดความล้มเหลวมากกว่าวัสดุที่เปราะ การเสียรูปของพลาสติกส่งผลให้เกิดวัสดุตามการปรับเปลี่ยนสมการ Griffith ซึ่งความเครียดจากการแตกหักที่สำคัญเพิ่มขึ้นเนื่องจากงานพลาสติกที่จำเป็นในการขยายรอยแตกเพิ่มไปยังงานที่จำเป็นในการสร้างรอยแตก - งานที่สอดคล้องกับการเพิ่มขึ้นของพลังงานพื้นผิวที่ เป็นผลมาจากการก่อตัวของพื้นผิวรอยแตกเพิ่มเติม [18]การเสียรูปของพลาสติกของโลหะเหนียวมีความสำคัญ เนื่องจากอาจเป็นสัญญาณบ่งบอกถึงความล้มเหลวของโลหะที่อาจเกิดขึ้นได้ กระนั้น จุดที่วัสดุแสดงพฤติกรรมที่เหนียวเหนอะหนะกับพฤติกรรมที่เปราะ ไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับตัววัสดุเท่านั้น แต่ยังขึ้นกับอุณหภูมิที่ความเค้นถูกนำไปใช้กับวัสดุด้วย อุณหภูมิที่วัสดุเปลี่ยนจากเปราะเป็นเหนียวหรือในทางกลับกันเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการออกแบบผลิตภัณฑ์โลหะรับน้ำหนัก อุณหภูมิต่ำสุดที่โลหะเปลี่ยนจากพฤติกรรมเปราะเป็นพฤติกรรมเหนียว หรือจากพฤติกรรมการดัดแปรเป็นพฤติกรรมเปราะ เรียกว่าอุณหภูมิการเปลี่ยนภาพแบบเหนียว-เปราะ (DBTT) ด้านล่าง DBTT วัสดุจะไม่สามารถทำให้พลาสติกเสียรูปได้ และอัตราการแพร่ขยายของรอยแตกเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว นำไปสู่วัสดุที่แตกหักอย่างรวดเร็ว นอกจากนี้ DBTT ยังมีความสำคัญ เนื่องจากเมื่อวัสดุถูกทำให้เย็นลงต่ำกว่า DBTT จะมีแนวโน้มที่จะแตกเป็นเสี่ยงมากกว่าการกระแทกแทนที่จะงอหรือทำให้เสียรูป ( การเปราะที่อุณหภูมิต่ำ ) ดังนั้น DBTT บ่งชี้ว่าเมื่ออุณหภูมิลดลง ความสามารถของวัสดุในการทำให้เสียรูปในลักษณะที่เหนียวเหนอะหนะลดลง ดังนั้นอัตราการขยายพันธุ์ของรอยแตกจึงเพิ่มขึ้นอย่างมาก กล่าวอีกนัยหนึ่ง ของแข็งเปราะมากที่อุณหภูมิต่ำมาก และความเหนียวจะสูงขึ้นมากที่อุณหภูมิสูงขึ้น

สำหรับการใช้งานทั่วไป ขอแนะนำให้ใช้ DBTT ที่ต่ำกว่าเพื่อให้แน่ใจว่าวัสดุมีช่วงความเหนียวที่กว้างกว่า เพื่อให้แน่ใจว่ามีการยับยั้งการแตกอย่างกะทันหันเพื่อป้องกันความล้มเหลวในตัวโลหะ มีการพิจารณาแล้วว่ายิ่งระบบการลื่นของวัสดุมีมากเท่าใด การแสดงพฤติกรรมการดัดของอุณหภูมิก็จะยิ่งกว้างขึ้นเท่านั้น เนื่องจากระบบการลื่นทำให้สามารถเคลื่อนตัวเคลื่อนตัวได้มากขึ้นเมื่อเกิดความเค้นกับวัสดุ ดังนั้น ในวัสดุที่มีระบบการลื่นน้อยกว่า ความคลาดเคลื่อนมักถูกยึดไว้โดยสิ่งกีดขวางที่นำไปสู่การแข็งตัวของความเครียด ซึ่งจะเพิ่มความแข็งแรงของวัสดุซึ่งทำให้วัสดุเปราะมากขึ้น ด้วยเหตุผลนี้ โครงสร้าง FCC จึงมีความเหนียวในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง โครงสร้าง BCC มีความเหนียวเฉพาะที่อุณหภูมิสูงเท่านั้น และโครงสร้าง HCP มักจะเปราะในช่วงอุณหภูมิกว้าง สิ่งนี้นำไปสู่โครงสร้างเหล่านี้แต่ละโครงสร้างมีประสิทธิภาพการทำงานที่แตกต่างกันเมื่อเข้าใกล้ความล้มเหลว (ความล้า การบรรทุกเกินพิกัด และการแตกร้าวของความเค้น) ภายใต้อุณหภูมิต่างๆ และแสดงให้เห็นถึงความสำคัญของ DBTT ในการเลือกวัสดุที่ถูกต้องสำหรับการใช้งานเฉพาะ ตัวอย่างเช่นzamak 3แสดงความเหนียวที่ดีที่อุณหภูมิห้อง แต่จะแตกเมื่อถูกกระแทกที่อุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์ DBTT เป็นข้อพิจารณาที่สำคัญมากในการเลือกวัสดุที่ต้องรับแรงกดทางกล ปรากฏการณ์ที่คล้ายกันที่อุณหภูมิเปลี่ยนกระจกเกิดขึ้นกับแว่นตาและโพลิเมอร์แม้ว่ากลไกที่แตกต่างกันในทั้งวัสดุอสัณฐาน DBTT ยังขึ้นอยู่กับขนาดของเกรนภายในโลหะ เนื่องจากขนาดเกรนที่เล็กกว่าปกติจะทำให้มีความต้านทานแรงดึงเพิ่มขึ้น ส่งผลให้มีความเหนียวเพิ่มขึ้นและ DBTT ลดลง ความต้านทานแรงดึงที่เพิ่มขึ้นนี้เกิดจากขนาดเกรนที่เล็กลง ส่งผลให้เกิดการแข็งตัวของขอบเกรนภายในวัสดุ ซึ่งความคลาดเคลื่อนต้องการความเครียดที่มากขึ้นเพื่อเลี่ยงผ่านขอบเขตเกรนและแพร่กระจายไปทั่ววัสดุต่อไป แสดงให้เห็นแล้วว่าการกลั่นเกรนเฟอร์ไรต์อย่างต่อเนื่องเพื่อลดขนาดเมล็ดจาก 40 ไมครอนลงเหลือ 1.3 ไมครอน จึงสามารถขจัด DBTT ได้ทั้งหมด เพื่อไม่ให้เกิดการแตกหักแบบเปราะในเหล็กเฟอริติก (ตามที่ DBTT กำหนด) ต่ำกว่าศูนย์สัมบูรณ์) (19)

ในวัสดุบางชนิด การเปลี่ยนรูปจะคมชัดกว่าวัสดุอื่นๆ และโดยทั่วไปต้องใช้กลไกการเปลี่ยนรูปที่ไวต่ออุณหภูมิ ยกตัวอย่างเช่นในวัสดุที่มีร่างแน่นิ่งลูกบาศก์ (สำเนาลับ) ตาข่าย DBTT เป็นที่ประจักษ์ได้อย่างง่ายดายเช่นการเคลื่อนไหวของสกรูผลกระทบเป็นอย่างมากที่อุณหภูมิที่มีความสำคัญเพราะการปรับปรุงใหม่ของหลักความคลาดเคลื่อนก่อนที่จะมีการจัดส่งต้องมีการเปิดใช้งานความร้อน นี้อาจจะเป็นปัญหาสำหรับเหล็กที่มีความสูงเฟอร์ไรต์เนื้อหา อันโด่งดังส่งผลให้เรือแตกอย่างรุนแรงในเรือ Libertyในน่านน้ำที่เย็นกว่าในช่วงสงครามโลกครั้งที่สองทำให้เกิดการจมหลายครั้ง DBTT ยังอาจได้รับอิทธิพลจากปัจจัยภายนอก เช่นการแผ่รังสีนิวตรอนซึ่งนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของข้อบกพร่องของโครงข่ายภายในและความเหนียวที่ลดลงที่สอดคล้องกันและ DBTT ที่เพิ่มขึ้น

วิธีที่ถูกต้องที่สุดของวัด DBTT ของวัสดุคือการทดสอบการแตกหัก โดยทั่วไปการทดสอบการดัดงอแบบสี่จุดที่ช่วงอุณหภูมิจะดำเนินการกับแท่งวัสดุขัดเงาที่เตรียมการแตกร้าว โดยทั่วไปจะใช้การทดสอบการแตกหักสองครั้งเพื่อกำหนด DBTT ของโลหะจำเพาะ: การทดสอบ Charpy V-Notch และการทดสอบ Izod การทดสอบ Charpy V-notch กำหนดความสามารถในการดูดซับพลังงานกระแทกหรือความเหนียวของชิ้นงานทดสอบโดยการวัดความต่างของพลังงานที่อาจเกิดขึ้นจากการชนกันระหว่างมวลบนลูกตุ้มที่ตกลงมาอย่างอิสระกับรอยบากรูปตัววีที่กลึงในตัวอย่าง ส่งผลให้ ลูกตุ้มทะลุผ่านตัวอย่าง DBTT ถูกกำหนดโดยการทดสอบซ้ำในอุณหภูมิที่หลากหลาย และสังเกตเมื่อการแตกหักที่เป็นผลจะเปลี่ยนเป็นพฤติกรรมเปราะซึ่งเกิดขึ้นเมื่อพลังงานดูดซับลดลงอย่างมาก โดยพื้นฐานแล้วการทดสอบ Izod นั้นเหมือนกับการทดสอบ Charpy โดยมีปัจจัยที่สร้างความแตกต่างเพียงอย่างเดียวคือตำแหน่งของตัวอย่าง ในอดีต ตัวอย่างจะถูกวางในแนวตั้ง ในขณะที่ตัวอย่างจะถูกวางในแนวนอนโดยสัมพันธ์กับด้านล่างของฐาน (20)

สำหรับการทดลองที่อุณหภูมิสูงขึ้นกิจกรรมการเคลื่อนตัว[ จำเป็นต้องชี้แจง ]จะเพิ่มขึ้น ที่อุณหภูมิหนึ่ง ความคลาดเคลื่อนจะป้องกัน[ จำเป็นต้องชี้แจง ]ปลายรอยแตกจนอัตราการเปลี่ยนรูปที่นำไปใช้ไม่เพียงพอสำหรับความเข้มของความเค้นที่ปลายรอยแตกเพื่อให้ได้ค่าวิกฤตสำหรับการแตกหัก (K iC ) อุณหภูมิที่สิ่งนี้เกิดขึ้นคืออุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านแบบเหนียว-เปราะ หากการทดลองจะดำเนินการในอัตราที่สูงกว่าสายพันธุ์, การป้องกันความคลาดเคลื่อนมากขึ้นจะต้องเพื่อป้องกันไม่ให้เปราะแตกหักและการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิจะเพิ่มขึ้น [ ต้องการการอ้างอิง ]

• การเสียรูป
• งานชุบแข็งซึ่งช่วยเพิ่มความเหนียวในความตึงแกนเดียวโดยชะลอการเริ่มต้นของความไม่มั่นคง
• ความแข็งแรงของวัสดุ

• คำจำกัดความของความเหนียวที่ engineeringsedge.com
• DoITPoMS แพ็คเกจการสอนและการเรียนรู้ - "การเปลี่ยนแปลงที่เปราะบาง