Пластичность материалов и её показатели¶

Пластичность материалов — это способность твёрдого тела необратимо изменять форму и размеры под действием внешних механических нагрузок, не разрушаясь при этом. Пластичность является одним из фундаментальных механических свойств материалов и противопоставляется хрупкости, при которой разрушение наступает до начала заметной пластической деформации. Способность к пластическому деформированию характерна для металлов, ряда полимеров, некоторых горных пород и грунтов при определённых условиях (температура, давление, скорость нагружения).

¶Физическая природа пластичности

Пластическая деформация — это необратимый процесс, который отличается от упругой деформации тем, что после снятия нагрузки форма тела не восстанавливается. На микроскопическом уровне пластичность большинства кристаллических тел, прежде всего металлов, обусловлена движением дислокаций — линейных дефектов кристаллической решётки. Перемещение дислокаций позволяет атомным слоям сдвигаться относительно друг друга без одновременного разрыва всех межатомных связей, что требует значительно меньших напряжений, чем идеальный сдвиг всей плоскости кристалла.

В аморфных материалах (например, в стёклах или некоторых полимерах) пластическая деформация может реализовываться за счёт вязкого течения или переориентации макромолекул. В поликристаллических материалах, помимо внутризёренных механизмов, важную роль играет межзёренные проскальзывания и диффузионные процессы, особенно при повышенных температурах.

¶Показатели пластичности

Для количественной оценки пластичности материалов используются стандартизированные характеристики, определяемые преимущественно при механических испытаниях на растяжение и на ударный изгиб.

¶Относительное удлинение

Относительное удлинение после разрыва (δ) — это отношение прироста расчётной длины образца после разрыва к его первоначальной расчётной длине, выраженное в процентах. Формула: δ = (lк − l0) / l0 × 100 %, где l0 — начальная длина, lк — конечная длина образца. Чем выше значение δ, тем более пластичным считается материал. Для малоуглеродистой стали δ составляет 20–30 %, для меди — около 50 %, для высокопрочных инструментальных сталей — 1–5 %.

¶Относительное сужение

Относительное сужение (ψ) — отношение уменьшения площади поперечного сечения образца в месте разрыва к первоначальной площади сечения, в процентах: ψ = (S0 − Sк) / S0 × 100 %. Этот показатель считается более чувствительным к состоянию материала, чем относительное удлинение, поскольку он характеризует деформацию в локальной зоне шейки и меньше зависит от длины образца.

¶Ударная вязкость

Ударная вязкость (KCU, KCV, KCT) — работа разрушения стандартного образца с надрезом при ударном изгибе на маятниковом копре, отнесённая к площади поперечного сечения в месте надреза. Измеряется в Дж/см². Хотя этот показатель характеризует скорее сопротивление хрупкому разрушению, он косвенно отражает способность материала к пластической деформации в условиях концентрации напряжений и динамического нагружения.

¶Факторы, влияющие на пластичность

Пластичность не является неизменным свойством материала; она зависит от ряда внешних и внутренних факторов.

¶Температура

С повышением температуры пластичность большинства металлов возрастает, так как облегчается движение дислокаций и активизируются диффузионные процессы. Однако для некоторых сталей существует интервал синеломкости (200–300 °C), в котором пластичность временно снижается. При температурах, близких к температуре плавления, может наблюдаться снижение пластичности из-за перегрева и оплавления границ зёрен.

¶Скорость деформации

Увеличение скорости нагружения, как правило, снижает пластичность, поскольку дислокации не успевают перераспределяться, и материал переходит к хрупкому разрушению. Это явление учитывается при оценке поведения материалов при ударных нагрузках и взрывных воздействиях.

¶Химический состав и структура

Легирующие элементы, образующие твёрдые растворы, обычно повышают прочность, но снижают пластичность. Вредные примеси (сера, фосфор в сталях) вызывают ликвацию и охрупчивание. Величина зерна также влияет на пластичность: мелкозернистые материалы, как правило, более пластичны, чем крупнозернистые, при прочих равных условиях.

¶Вид напряжённого состояния

Пластичность существенно зависит от схемы напряжённого состояния. При всестороннем сжатии (например, при гидростатическом прессовании) материалы могут проявлять высокую пластичность даже в тех случаях, когда при растяжении они ведут себя как хрупкие. Это используется в технологиях обработки металлов давлением (ковка, прокатка, экструзия).

¶Значение пластичности в технике

Пластичность является ключевым параметром при выборе материалов для технологических операций обработки давлением — штамповки, гибки, вытяжки, прокатки. Материалы с низкой пластичностью не поддаются таким операциям без разрушения. В машиностроении высокая пластичность гарантирует безопасность эксплуатации конструкций: пластичные материалы способны перераспределять локальные перенапряжения и сигнализировать о приближении разрушения заметными остаточными деформациями, тогда как хрупкие разрушаются внезапно. Поэтому для ответственных несущих конструкций, работающих при низких температурах или ударных нагрузках, предъявляются строгие требования по показателям пластичности и ударной вязкости.

¶Методы повышения пластичности

Для улучшения пластичности применяют термическую обработку (отжиг, нормализацию), которая снимает внутренние напряжения и укрупняет структуру, а также раскисление и модифицирование стали для очистки границ зёрен от хрупких фаз. В ряде случаев используется горячая деформация, при которой материал находится в состоянии повышенной пластичности за счёт нагрева. Для полимеров пластичность регулируется введением пластификаторов — веществ, увеличивающих подвижность макромолекул.