延展性

物质的一种机械性质

延展性(英语:Ductility and Malleability),是物质的一种机械性质,表示材料在受力而产生断裂(fracture)之前,其塑性变形的能力。延展性是由延性、展性两个概念相近的机械性质合称。常见金属及许多合金均有延展性。

拉伸试验后AlMgSi合金,产生中等延性的杯锥状破裂面
拉伸试验后的铸铁,典型的脆性破裂.

材料科学中,延性(Ductility)是材料受到拉伸应力(tensile stress)变形时,特别被注目的材料能力。延性它主要表现在材料被拉伸成线条状时。展性(Malleability)是另外一个较相似的概念,但它表示为材料受到压缩应力(compressive stress)变形,而不破裂的能力。展性主要表现在材料受到锻造或轧制成薄板时。延性和展性两者间并不总是相关,如黄金具有良好的延性和展性,但仅仅有良好的展性而已[1]。然而,通常上因这两个性质概念相近,常被称为延展性

各科学领域上

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地质学

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地球科学中,脆韧转换带(brittle-ductile transition zone)是一个地层带,在大陆地壳约15千米(9英里)深,在冰川下的脆性-延性转换带则约在30米(100英尺)深,在这转换带岩石的韧性减弱且倾向延性变形。然而,在就算在转换带之上,延性变形依然有机会发生,在转换带之下,物质也有可能发生韧性变形。这转换带的产生是因随深度越深,压力越大,韧性减弱,另一方面随著温度提高,使延性变强。 而转换带就产生在延性超过韧性之时。

材料科学

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因为黄金高延展性的关系,可制造金箔状的叶片

延展性在金属加工特别重要,当材料在受压状态下,若是产生裂缝或断裂是不能运用在金属成形如锻造辊轧(rolling)、抽制(drawing)等过程中的,展性材料能运用于冲压和压制,然而脆性材料和塑胶则只能用铸造射出成形的方式加工。

一般而言,以金属键键结为主的金属材质通常认为是延展性物质,材料之所以产生高延展性,是因为金属键外层价电子并没有被束缚,且原子间共用游走于空价轨域的电子云,这些自由电子允许金属原子可以彼此间透过滑移通过,而不会像其他材料会产生的强排斥力,造成破裂。

延性可透过破裂应变 量化,在这破裂应变是指历经单轴拉伸试验时的工程应变。另外还有另一种普遍的测量法,即算发生破裂时的面积收缩百分比 .[2]

以下列出有延展性相当良好的金属:[1]。然而,钢铁的延性视合金的成分而定,碳含量越高延性下降。另外,许多塑胶材料和非晶形固体,如培乐多(Play-Doh)等,具有展性。

延脆转移温度

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在拉伸试验后,不同金属材料产生不同的破断面.
(a)脆性破裂
(b)中等延性破裂
(c)高延性破裂

金属的延脆转移温度(DBTT),又称“无延性温度”(NDT)或称“脆性转变温度”,是当金属温度下降至某一点时,其性质延性转变成脆性时的温度。通常此温度确定需通过冲击破裂试验,但测量设定上没有一套明确的标准[3]。测验时当到达某一点,可承受的耐破裂能量将会低于假设的某一值(通常钢铁传统上设定是40J)[4],即延脆转移温度。延脆转移温度相当重要,因为一旦金属材料低于延脆转移温度时,若遭受到很大的冲击,将会倾向产生巨大碎裂,而不会弯曲或变形。举一个例子,锌合金3(zamak 3)在室温下有良好延性,但在零度以下的环境时,在冲击下它会很容易碎裂。因此当物体若会受到工程应力,考虑选择合适的金属材料时,延脆转移温度相当重要。另外,较相似的案例是玻璃转换温度,它发生在玻璃和高分子上,但它的机构是否为非晶形材料而有所不同。

然而,有些金属的延脆转移并不会很明显,如体心立方(BCC)晶体结构的金属它的转移就比面心立方(FCC)晶体结构的还来得明显。延脆转移温度也受到外界因素影响,如中子辐射会造成内部结晶缺陷(lattice defect),使延性下降,延脆转移温度提高。

延性断裂

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当延性材料发生断裂时,称为延性断裂(ductile fracture)。当金属受到一作用应力,它可能是张力、应力、剪力扭力,试品一开始将会产生塑性变形,然而随著试品延性程度不同而有不同的断裂面。在高延性试品中,试品会产生塑性变形,直到颈缩至断裂。而中等延性试品形变至中等颈缩时,接著颈缩部位的中心截面会产生小孔穴,或产生微小空孔。当继续受力变形,这些截面的小空孔会逐渐扩大,合并成一道裂缝,最后靠外部的裂缝会与轴方向呈45°剪力破坏,使破断面呈杯锥状断裂。

延性断裂对材料而言较有利,因为发生脆性断裂(brittle fracture)时,几乎没有预警之下就发生断裂,且脆性材料产生裂痕后,就算不再增加作用应力,裂痕仍可自发扩大。然而,当延性材料产生裂痕,除非继续增加作用应力,不然裂痕是不会再扩大,且延性断裂前会产生大量形变,可提供断裂即将来临的警讯,以利采取预防措施。

参见

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参考

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  1. ^ 1.0 1.1 Rich, Jack C., The Materials and Methods of Sculpture, Courier Dover Publications: 129, 1988, ISBN 0486257428 
  2. ^ G. Dieter, Mechanical Metallurgy, McGraw-Hill, 1986, ISBN 978-0070168930
  3. ^ William D.Callister、JR. Materials Science and Engineering of Introduction, 4/e, .
  4. ^ John, Vernon. Introduction to Engineering Materials, 3rd ed.(?) New York: Industrial Press, 1992. ISBN 0831130431.

外部链接

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