Plasticita (fyzika)

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 16. dubna 2021; kontroly vyžadují 9 úprav .

Plasticita - schopnost materiálu přijímat velké zbytkové deformace bez destrukce . Vlastnost plasticity má rozhodující význam pro takové technologické operace, jako je lisování , tažení , tažení , ohýbání atd. Měřítkem plasticity je poměrné prodloužení a poměrné smrštění , zjištěné při tahových zkouškách. Čím je hodnota vyšší , tím je materiál považován za plastičtější. Podle úrovně relativního zúžení lze učinit závěr o vyrobitelnosti materiálu. Mezi vysoce tažné materiály patří žíhaná měď , hliník , mosaz , zlato , měkká ocel atd. Duralumin a bronz jsou méně tažné . Mezi slabě tvárné materiály patří mnoho legovaných ocelí . $\delta$ $\psi$ $\delta$ $\psi$

U plastových materiálů se charakteristiky pevnosti v tahu a tlaku porovnávají podle meze kluzu . Obecně se uznává, že t.r ≈ t.s. $\sigma$ $\sigma$

Rozdělení materiálů na tvárné a křehké je podmíněné, nejen proto, že nedochází k ostrému přechodu mezi hodnotami a mezi nimi . V závislosti na zkušebních podmínkách se mnoho křehkých materiálů může chovat jako tvárné materiály a tvárné materiály se mohou chovat jako křehké. $\delta$ $\psi$

Velmi velký vliv na projev plasticity a křehkosti má rychlost tahu a teplota . Při rychlém napětí je výraznější vlastnost křehkosti a při pomalém napětí je výraznější vlastnost plasticity. Například křehké sklo je schopné přijímat trvalé deformace při dlouhodobém vystavení zatížení při normální teplotě. Tažné materiály, jako je měkká ocel , vykazují křehké vlastnosti , když jsou vystaveny prudkému rázovému zatížení .

Fyzikální mechanismy

V kovech

Plastičnost čistého kovového krystalu je primárně způsobena dvěma způsoby deformace krystalové mřížky: skluzem a dvojčatěním m. Skluz je smyková deformace , která posouvá atomy vzhledem k jejich výchozí poloze na vzdálenosti výrazně větší než meziatomové vzdálenosti. Twinning je plastická deformace, ke které dochází podél roviny, což má za následek rotaci části krystalu.

Většina kovů je za tepla tažnější než za studena. Olovo vykazuje dostatečnou tažnost při pokojové teplotě, zatímco litina nevykazuje dostatečnou tažnost pro jakoukoli operaci kování, a to ani za tepla. Tato vlastnost je důležitá při operacích tváření a vytlačování kovů . Většina kovů se při zahřátí stává tažnou, a tedy horkou.

Posuvné systémy

Krystalické materiály obsahují jednotné atomové roviny s řádem dlouhého dosahu. Roviny se mohou vzájemně klouzat v uzavřených směrech . V důsledku toho dochází k neustálé změně tvaru krystalu a plastické deformaci. Přítomnost dislokací zvyšuje pravděpodobnost výskytu takových rovin.

Reverzibilní plasticita

V nanoměřítku je primární plastická deformace u jednoduchých plošně centrovaných krychlových kovů vratná, pokud nedochází k přenosu materiálu ve formě příčného skluzu [1] .

Mikroplasticita je lokální jev u nehomogenních kovů. Vzniká při mechanickém namáhání, kdy je kov jako celek v elastické oblasti, ale některé lokální oblasti jsou v plastické oblasti [2] .

Amorfní materiály

Praskání

V amorfních materiálech, při absenci řádu na dlouhé vzdálenosti, není koncept „dislokací“ použitelný, protože celý materiál postrádá řád na dlouhé vzdálenosti. Tyto materiály mohou stále podléhat plastické deformaci. Protože amorfní materiály, jako jsou polymery, jsou neuspořádané, obsahují velké množství volného objemu. Tahání takových materiálů pod napětím tyto oblasti otevírá a může způsobit, že se materiál zamlží. Tento zákal je důsledkem tvorby mnoha trhlin , kdy se uvnitř materiálu tvoří fibrily v oblastech vysokého objemového napětí. Vzhled materiálu se může změnit z uspořádaného na vzor s ocasem ( anglicky crazing ) v podobě pnutí a strií.

Buněčné materiály

Buněčné materiály se plasticky deformují, když ohybový moment překročí plastický moment . To platí pro pěny s otevřenými buňkami, kde ohybový moment působí na stěny buněk. Pěny mohou být vyrobeny z jakéhokoli materiálu s plastickou mezí kluzu , včetně tuhých polymerů a kovů. Tato metoda modelování pěny jako trámů je platná pouze tehdy, je-li poměr hustoty pěny k hustotě látky menší než 0,3. To je způsobeno skutečností, že nosníky procházejí plastickou deformací v axiálním směru, spíše než ohýbáním. U pěn s uzavřenými buňkami se mez kluzu zvyšuje, pokud je materiál pod tahovým napětím v důsledku membrány, která obklopuje povrch buněk.

Zemina a písek

Půdy, zejména jíly, vykazují značnou nepružnost při zatížení. Příčiny plasticity půdy mohou být poměrně složité a jsou velmi závislé na jejich mikrostruktuře, chemickém složení a obsahu vody. Plastičnost půdy je způsobena především přeskupením shluků sousedních zrn.

Kameny a beton

Nepružné deformace hornin a betonu jsou primárně způsobeny tvorbou mikrotrhlin a skluzem vůči těmto trhlinám. Při vysokých teplotách a tlacích může být plastické chování ovlivněno i pohybem dislokací v jednotlivých zrnech mikrostruktury.

Matematické popisy

Teorie deformace

Existuje několik modelových matematických popisů plasticity [3] . Jedním z nich je teorie deformace (viz např. Hookeův zákon ), kde Cauchyho tenzor napětí (řady d − 1 v d - rozměrném prostoru) je funkcí tenzoru deformace. I když je tento popis přesný, když je malá část těla vystavena rostoucí zátěži (jako je deformační zátěž), tato teorie nemůže vysvětlit nevratnost.

Tažné materiály vydrží velké plastické deformace bez porušení (diskontinuity). Avšak i tvárné kovy se roztříští, když se napětí dostatečně zvětší - k tomu dochází v důsledku mechanického zpevnění materiálu, což způsobí, že se stane křehkým . Tepelné zpracování , jako je žíhání , může obnovit tažnost obrobku a pokračovat ve formování.

Teorie plastového toku

V roce 1934 Egon Orowan , Michael Polanyi a Geoffrey Ingram Taylor přibližně ve stejnou dobu navrhli, aby plastická deformace některých materiálů byla ošetřena pomocí dislokační teorie . Matematická teorie plasticity, teorie plastického toku, používá soubor nelineárních, neintegrovatelných rovnic k popisu souboru změn deformace a napětí z předchozího stavu a malého nárůstu deformace.

Mez kluzu

Pokud napětí překročí kritickou hodnotu (mez kluzu), materiál podstoupí plastickou nebo nevratnou deformaci. Toto kritické napětí může být tahové nebo tlakové. Kritéria Tresca a von Mises se běžně používají k určení, zda materiál teče. Tato kritéria se však ukázala jako neadekvátní pro značný počet materiálů a několik dalších kritérií toku se také rozšířilo.

Criterion Cod

Kritérium Tresca je založeno na představě, že při určitém napětí dochází v materiálu k nevratným změnám, například vlivem smyku. To je dobrý odhad při zvažování kovů. Vzhledem k základnímu napěťovému stavu lze použít Mohrovu kružnici k určení maximálních smykových napětí a dojít k závěru, že materiál poteče, pokud

{\displaystyle \sigma _{1}-\sigma _{3}\geq \sigma _{0))

kde σ 1 je maximální normálové napětí, σ 3 je minimální normálové napětí a σ 0 je napětí, při kterém materiál teče při jednoosém zatížení. Je možné zkonstruovat kluznou plochu , která poskytuje vizuální reprezentaci tohoto konceptu. Uvnitř kluzné plochy je deformace elastická (ne nutně lineární). Na povrchu dochází k plastické deformaci. Materiál nemůže být namáhán za jeho kluznou plochu.

Kritérium Huber-von Mises

Huber-von Misesovo kritérium [4] je založeno na kritériu Tresca, ale bere v úvahu předpoklad, že hydrostatické napětí nepřispívá k destrukci materiálu. M. T. Guber jako první navrhl použití kritéria smykové energie [5] [6] . Von Mises zjistil efektivní napětí při jednoosém zatížení odečtením hlavních napětí a předpokládá, že všechna efektivní napětí přesahující to, které způsobí, že se materiál poddá při jednoosém zatížení, povedou k plastické deformaci:

\sigma _{v}^{2}={\tfrac {1}{2}}[(\sigma _{11}-\sigma _{22})^{2}+(\sigma _{ 22}-\sigma _{33})^{2}+(\sigma _{11}-\sigma _{33})^{2}+6(\sigma _{23}^{2}+\sigma _{31}^{2}+\sigma _{12}^{2})].

Vizuální znázornění kluzné plochy lze sestrojit pomocí výše uvedené rovnice, která má tvar elipsy. Uvnitř povrchu procházejí materiály elastickou deformací. Dosažení povrchu znamená, že materiál prochází plastickou deformací.

Poznámky

↑ Gerolf Ziegenhain a Herbert M. Urbassek: Reverzibilní plasticita v kovech FCC. In: Filosofické časopisové listy. 89(11):717-723, 2009 DOI
↑ Maaß, R. (leden 2018). „Mikroplasticita a nedávné poznatky z přerušované plasticity a plasticity v malém měřítku“. Acta Materialia . 143 : 338-363. arXiv : 1704.07297 . DOI : 10.1016/j.actamat.2017.06.023 .
↑ Hill, R. Matematická teorie plasticity. - Oxford University Press, 1998. - ISBN 0-19-850367-9 .
↑ von Mises, R. (1913). „Mechanik der festen Körper im plastisch-deformablen Zustand“ . Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen . 1913 (1): 582-592.
↑ Huber, M. T. (1904). “Właściwa praca odkształcenia jako miara wytezenia materiału”. Czasopismo Techniczne . Lwow. 22 .Přeloženo jako „Specifická práce napětí jako míra materiálního úsilí“ . Archiv mechaniky . 56 : 173-190. 2004. Archivováno z originálu dne 2021-08-05 . Staženo 2021-03-07 . Použitý zastaralý parametr |deadlink=( nápověda )
↑ Viz Timoshenko, SP History of Strength of Materials . - New York: McGraw-Hill, 1953. - S. 369. - ISBN 9780486611877 . Archivováno 19. srpna 2020 na Wayback Machine

Viz také

Literatura

Feodosiev V.I. Odolnost materiálů. - M .: Vydavatelství MSTU im. N. E. Bauman, 1999. S. 86. ISBN 5-7038-1340-9
Malinin N. N. Aplikovaná teorie plasticity a tečení. - M., Mashinostroenie, 1968. - 400 s.