Пластичность металлов: свойства и применение¶

Пластичность металлов — это способность металлов и сплавов изменять свою форму и размеры под действием внешних механических нагрузок, не разрушаясь, и сохранять полученную деформацию после снятия нагрузки. Данное свойство относится к числу ключевых механических характеристик, определяющих технологичность металлов при обработке давлением и их поведение в процессе эксплуатации.

¶Физическая сущность пластичности

Пластическая деформация металлов обусловлена особенностями их кристаллического строения. В отличие от хрупких материалов, разрушающихся при незначительных упругих деформациях, металлы способны к значительным необратимым изменениям формы. Основным механизмом пластической деформации является скольжение — перемещение дислокаций (дефектов кристаллической решётки) по определённым кристаллографическим плоскостям. Дополнительным механизмом выступает двойникование — переориентация части кристалла в зеркальное положение относительно плоскости двойникования.

Способность к пластической деформации напрямую связана с наличием у металлов металлической связи, обеспечивающей подвижность атомов при сохранении общего электронного облака. При снятии нагрузки деформация сохраняется, так как атомы занимают новые устойчивые положения.

¶Основные характеристики

Для количественной оценки пластичности используют следующие показатели:

• Относительное удлинение (δ) — отношение прироста длины образца после разрыва к его первоначальной длине, выраженное в процентах.
• Относительное сужение (ψ) — отношение уменьшения площади поперечного сечения образца в месте разрыва к первоначальной площади, выраженное в процентах.

Чем выше эти показатели, тем более пластичным считается металл. Для различных металлов значения δ варьируются в широких пределах: у свинца и олова они достигают 40–50 %, у алюминия — около 30–40 %, у чугуна — практически нулевые.

¶Факторы, влияющие на пластичность

Пластичность не является неизменной характеристикой — она зависит от ряда внешних и внутренних факторов:

• Температура. Повышение температуры, как правило, увеличивает пластичность, так как облегчает движение дислокаций. Однако для некоторых металлов наблюдается зона хрупкости при определённых температурах.
• Скорость деформации. Увеличение скорости нагружения снижает пластичность, особенно для металлов с объёмно-центрированной кубической решёткой.
• Структура и состав. Легирующие элементы, примеси и размер зерна существенно влияют на пластичность. Мелкозернистая структура обычно обеспечивает более высокую пластичность.
• Схема напряжённого состояния. Всестороннее сжатие повышает пластичность, а растяжение — снижает.

¶Применение свойства

Пластичность лежит в основе многочисленных технологических процессов обработки металлов давлением:

• Прокатка — обжатие металла между вращающимися валками для получения листов, рельсов, балок.
• Ковка и штамповка — придание заготовке требуемой формы ударами молота или давлением пресса.
• Волочение — протягивание проволоки через сужающиеся отверстия фильер.
• Прессование — выдавливание металла через матрицу для получения профилей сложного сечения.

Благодаря пластичности металлы способны выдерживать значительные нагрузки без разрушения, что делает их незаменимыми в строительстве, машиностроении, авиастроении. Например, стальные конструкции при перегрузках деформируются, сигнализируя о критическом состоянии, вместо внезапного разрушения.

¶Пластичность и упругость

Пластичность тесно связана с упругостью — способностью восстанавливать форму после снятия нагрузки. До определённого предела (предела текучести) металл деформируется упруго, выше — пластически. Соотношение этих свойств определяет поведение материала: упругие деформации обратимы, пластические — необратимы.

¶Интересные факты

• Золото является одним из самых пластичных металлов: из одного грамма можно вытянуть проволоку длиной более 3 километров.
• Свинец и олово пластичны при комнатной температуре настолько, что поддаются резанию ножом.
• Некоторые сплавы, например латунь, обладают повышенной пластичностью при нагреве, что используется в горячей штамповке.
• Явление сверхпластичности наблюдается у мелкозернистых сплавов при определённых температурах: относительное удлинение может достигать нескольких сотен процентов.

¶Источники

• Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. «Материаловедение».
• Гуляев А. П. «Металловедение».
• Блантер М. Е. «Теория термической обработки».