Duktilnost in plastičnost: definicija, primeri kovin in vpliv temperature in tlaka
Duktilnost je sposobnost trdnega materiala, da se pod natezno obremenitvijo trajno (plastično) deformira, ne da bi se takoj zlomil. Če je material dovolj duktilen, ga je mogoče raztegniti v tanko žico. Sorodna lastnost je kovanost (malleabilnost), ki opisuje sposobnost materiala, da se pod pritiskom ali tlačno napetostjo deformira; tipičen primer je, ko material z udarci kladiva ali valjanjem postane tanjši in širši.
Plastičnost kot širši pojem
Obe lastnosti — duktilnost in kovanost — sta vidika širše lastnosti, imenovane plastičnost. Plastičnost opiše, koliko se lahko trdni material trajno deformira, preden pride do zloma. Te lastnosti so še posebej izrazite pri kovinah in so močno odvisne od temperature, tlaka, hitrosti deformacije in mikrostrukture materiala. To področje je intenzivno preučeval Percy Williams Bridgman v raziskavah o visokih tlakih, za katerega je leta 1946 prejel Nobelovo nagrado.
Razlika med duktilnostjo in plastičnostjo
Pogosto se pojavljata zmeda med izrazoma. Duktilnost se običajno nanaša na sposobnost materiala, da prenese natezno raztegovanje (raztezanje v žico), medtem ko kovanost (malleabilnost) opisuje obnašanje pri tlačni deformaciji (npr. valjanje ali stiskanje). Vendar se v splošnem jeziku včasih besedo duktilnost uporablja za obe vrsti plastične deformacije.
Primeri kovin
Nekatere kovine z visoko duktilnostjo so: zlato, baker, aluminij in jeklo. Zlato je klasičen primer zelo duktilnega materiala — iz njega je mogoče v labolatoriju vleči izjemno tanke žice. Po drugi strani pa so lahko lastnosti različnih kovin različno izražene: Zlato ima visoko duktilnost in tudi visoko splošno plastičnost; svinec pa je pogosto lahko plastificiran (je kovan) pri tlačni deformaciji, a ima nizko duktilnost pri raztezanju — zato se lahko pri vlečenju lažje zlomi kot nekatere druge kovine.
Kako merimo duktilnost
- Najpogostejša metoda: natezni preizkus. Izmerimo relativno podaljšanje pri zlom (>elongation at break) in zmanjšanje presečne površine (reduction of area).
- Običajne enote: duktilnost se pogosto izraža v odstotkih podaljšanja (% elongation) ali kot maksimalna deformacija pred zlomom.
- Druge meritve vključujejo trdoto, natezno trdnost in udarno trdnost (za določanje krhkega/duktilnega vedenja pri udarnih obremenitvah).
Mikrostrukturni in procesni vplivi
Na duktilnost vplivajo notranje lastnosti materiala:
- Prisotnost dislokacij in njihova gibljivost — kovine z visoko mobilnostjo dislokacij (npr. kubično ploščato centruirane kristalne strukture, FCC) so običajno bolj duktilne.
- Velikost zrn: drobna zrna povečajo trdnost (Hall–Petchov pojav), vendar lahko zelo fine strukture in nekatere zadevne delce zmanjšajo duktilnost.
- Nečistoče in vključki: delci druge faze lahko povzročijo koncentracijo napetosti in zmanjšajo duktilnost.
- Procesi: hladno deformiranje povzroči utrjevanje (work hardening) in zmanjša duktilnost; žarjenje (annealing) lahko povrne obliko in poveča duktilnost.
- Hitrost obnašanja: pri hitrih obremenitvah se materiali pogosto obnašajo bolj krhko (manj duktilno).
Vpliv temperature in tlaka
Temperature imajo močan vpliv:
- Višje temperature običajno povečajo duktilnost, ker se poveča mobilnost dislokacij in zmanjšajo notranje napetosti; zato so kovine lažje oblikovati pri segrevanju.
- Nizke temperature lahko povzročijo prehod iz duktilnega v krhek režim (brittle-to-ductile transition), kar je še posebej pomembno pri nekaterih BCC kovinah (npr. nekateri tipi jekla).
Tlak lahko prav tako vpliva na plastično obnašanje. Visok tlak lahko zmanjša nastanek por in razpok ter tako v nekaterih primerih poveča možnost prenašanja plastične deformacije brez lomov. To je delno tisto, kar je proučeval Bridgman pri visokih tlakih — vpliv tlaka na fazne spremembe in deformacijske mehanizme.
Praktični pomen
Razumevanje duktilnosti in plastičnosti je ključno pri izbiri materialov in postopkov obdelave (vlečenje žice, valjanje, kovanje, preoblikovanje, varjenje). Material z dovolj visoko duktilnostjo omogoča varno absorpcijo energije in plastične deformacije pred zlomom, kar je pomembno za konstrukcijske komponente, varnostne dele in postopke oblikovanja. Hkrati lahko previsoka duktilnost nižjih trdnostnih razredov ni zaželena, če je potrebna velika togost ali odpornost proti trajnim deformacijam.
Za nadaljnje informacije o specifičnih vrednostih duktilnosti za posamezne zlitine ali o preizkusnih standardih (npr. ASTM, ISO) se lahko poiščejo tehnični listi proizvajalcev in standardi za materiale. V splošnem pa velja: pri izbiri materiala upoštevajte kombinacijo duktilnosti, trdnosti, žilavosti in pogojev delovanja (temperatura, tlak, obremenitvena hitrost).
Natezni preskus aluminijeve zlitine. Lokalno grlo ter lomne površine v obliki čaše in stožca so značilne za duktilne kovine.
Ta natezni preskus litega železa pokaže nizko duktilnost.
Sorodne strani
Vprašanja in odgovori
V: Kaj je duktilnost?
O: Duktilnost je, ko se trdna snov razteza pod natezno obremenitvijo.
V: Kaj je plastičnost?
O: Klavnost je sposobnost materiala, da se deformira pod pritiskom (tlačna napetost).
V: Ali je mogoče kukljiv material raztegniti v žico?
O: Da, duktilni material se lahko raztegne v žico.
V: Ali se lahko kujni material splošča s kladivom ali valjanjem?
O: Da, kujni material se lahko splošča s kladivom ali valjanjem.
V: Kaj je plastičnost?
O: Plastičnost je, koliko se lahko trdni material deformira, ne da bi se zlomil.
V: Ali gresta plastičnost in kovanost vedno skupaj?
O: Ne, duktilnost in plastičnost ne gresta vedno skupaj. Zlato ima visoko duktilnost in plastičnost, svinec pa ima nizko duktilnost in visoko plastičnost.
V: Katere kovine imajo visoko duktilnost?
O: Zlato, baker, aluminij in jeklo imajo visoko duktilnost.
