Was ist Duktilität?

Duktilität ist ein grundlegendes Konzept in der Materialwissenschaft, das erklärt, warum einige Materialien (wie Metalle) sich erheblich unter Stress biegen oder sich erheblich ausdehnen können, während andere (wie Glas) plötzlich schnappen. In diesem Artikel werden wir erklären, was Duktilität ist, wie es gemessen wird, warum es wichtig ist und welche Faktoren sie beeinflussen.

Definition der Duktilität

Duktilität ist die Fähigkeit eines Materials, vor der Fraktur eine plastische Verformung in der Spannung zu unterziehen. In einfachen Worten kann ein duktiles Material einen langen Weg gestreckt werden, ohne zu schnappen - denken Sie, dass Kupfer in Draht gezogen wird. Im Gegensatz dazu neigen spröde Materialien wie Glas dazu, nach sehr geringer Verformung zu knacken oder zu zerbrechen. In der Materialwissenschaft ist plastische Verformung eine dauerhafte Formänderung. Dies unterscheidet sich von der elastischen Verformung, die beim Entfernen der Last wiederhergestellt werden kann. Die Duktilität hängt eng mit der Plastizität zusammen, aber genauer: Plastizität ist die allgemeine Kapazität für dauerhafte Verformungen im Rahmen eines beliebigen Modus (Spannung, Komprimierung oder Schere), während sich die Duktilität auf die Spannungskapazität bezieht.

Aus atomarer Sicht stammt die hohe Duktilität vieler Metalle aus nicht-Richtung-metallischer Bindung und der Verfügbarkeit von Schlupfsystemen, die es ermöglichen, sich zu bewegen. Bei der angewendeten Spannung lässt der Versetzungsgleit metallische Kristalle die Plastikdehnung aufnehmen, sodass sich Metalle häufig eher biegen oder dehnen als Bruch. Im Gegensatz dazu haben Keramik und Glas richtungs ionische oder kovalente Bindungen und nur sehr begrenzt. Es sind jedoch nicht alle Metalle bei Raumtemperatur duktil (z. B. können einige BCC-Metalle, Hochkohlenstoffstähle und Metallgläser relativ spröde sein), und erhitzte Glasbücken hauptsächlich durch viskose Fluss über seiner Glasübergangstemperatur-nicht durch Duktilität im metallischen Stil.

Messungen für Duktilität

Zugtests ist die häufigste Möglichkeit zur Quantifizierung der Duktilität: Eine Probe wird in einigialer Spannung auf Fraktur beladen, und die Duktilität wird als prozentuale Dehnung bei Unterbrechung und prozentuale Verringerung der Fläche angegeben.

• Prozentuale Dehnung bei der Pause (ein%)

Der prozentuale Anstieg der Messlänge bei Fraktur: A% = (LF - L0)/L0 × 100%, wobei L0 die ursprüngliche Messlänge und LF die endgültige Länge bei Bruch ist. Ein höherer A% zeigt eine höhere Zugduktilität an.

• Prozentuale Reduzierung der Fläche (RA%)

Die prozentuale Abnahme des Querschnitts am Frakturort: RA% = (A0-AF)/A0 × 100%, wobei A0 die ursprüngliche Fläche und AF ist die Mindestfläche bei der Pause. Large RA% spiegelt ausgeprägte Neckern und starke Duktilität nach dem Neckern wider. (Weniger empfindlich gegenüber der Messlänge; nicht ideal für ein sehr dünnes Blech.)

Beide Maßnahmen werden typischerweise als Teil eines Zugtests angegeben. Beispielsweise kann eine Stahlprobe als beispielsweise 20% Dehnung und 60% ige Verringerung der Fläche bei der Pause beschrieben werden - was auf ein duktiles Verhalten hinweist. Im Gegensatz dazu könnte eine spröde Keramik nur 1% Dehnung und im Wesentlichen um 0% der Flächenreduzierung aufweisen (es bricht fast ohne Ausdünnung). Je größer die Dehnung und Flächenreduzierung, desto duktiler das Material.

Eine andere Möglichkeit zur Visualisierung der Duktilität ist eine Spannungs-Dehnungs-Kurve, die ein Diagramm ist, das aus dem Zugtest erhalten wird. Spannung (Kraft pro Fläche der Einheit) wird gegen die Dehnung (relative Verformung) aufgetragen. Zu den wichtigsten Punkten zu dieser Kurve gehören:

• Young's Modulus (e):die Steigung des linearen elastischen Bereichs; ein Maß für die Steifheit.
• Ertragsstärke (σᵧ):Der Beginn der plastischen Verformung (oft definiert durch die 0,2% Offset -Methode, wenn kein scharfer Ertragspunkt vorliegt).
• Ultimative Zugstärke (UTS):die maximale technische Belastung. Jenseits der UTS die Exemplarhälse; Fraktur erfolgt später, typischerweise bei einer geringeren technischen Belastung.
• Frakturpunkt:wo das Exemplar schließlich bricht.

Die Kurve des duktilen Materials zeigt nachgab einen langen plastischen Bereich, was darauf hinweist, dass es vor der Fraktur eine große Belastung aufrechterhalten kann. Im Gegensatz dazu endet die Kurve des spröder Materials in der Nähe des Ertragspunkts mit wenig bis gar keinem plastischen Bereich. Zusammenfassend ist die Duktilität in einem technischen Stress -Strain -Diagramm (für eine angegebene Messlänge) durch die Gesamtdehnung des Bruchs widerspiegelt - für duktile Materialien, die für spröde sind. Der scheinbare Bruchstamm hängt jedoch von der gewählten Messlänge ab, und sobald das Neckern beginnt, ist die Deformation lokalisiert, sodass die technische Kurve kein direktes Maß für die Duktilität nach dem Nicking ist. Aus diesem Grund werden die Spezifikationen in der Regel prozentuale Dehnung bei Break (A%) zusammen mit einer prozentualen Reduzierung der Fläche (RA%) angeben.

Was ist der Unterschied zwischen Duktilität und Formbarkeit?

Duktilität ist die Fähigkeit eines Materials, in Spannung zu dehnen, ohne zu brechen. Wir quantifizieren es mit prozentualer Verlängerung oder Verringerung der Fläche gegenüber einem Zugtest. Wenn ein Metall in Draht gezogen werden kann, ist es duktil. Die Formbarkeit ist die Fähigkeit eines Materials, in der Kompression zu verformen - um zu hämmern, gerollt oder in Blatt gedrückt zu werden - ohne Risse; Wir beurteilen es mit Biegung/Abflachungs-/Schröpfen -Tests oder danach, wie viel Dickenreduzierung es tolerieren kann.

In der Praxis: Gold, Kupfer und Aluminium sind sowohl hoch duktil und formbar (ideal für Draht und Blech). Blei ist sehr formbar, aber nur mäßig duktil (leicht zu einem Blatt, ärmer wie feiner Draht). Magnesium ist bei Raumtemperatur begrenzt, während das Zink beim Aufwärmen formbarer wird. Wählen Sie zur Herstellung duktile Legierungen zum Zeichnen, tiefes Dehnen und mit Ziehen dominierter Merkmale. Wählen Sie formbare Legierungen zum Rollen, Stempeln und Schmieden, wo die Komprimierung dominiert. Temperatur- und Kristallstruktur verschieben beide Eigenschaften. Schnelle Regel: Duktilität = Spannung/Kabel; Formbarkeit = Komprimierung/Blatt.

Warum Duktilität wichtig ist

Duktilität ist das ruhige Arbeitstier sowohl für die Herstellbarkeit als auch für die Sicherheit in der Dienstleistung. In der Fabrik können Metalle in ein Blatt gerollt, in Draht gezogen und geschmiedet werden, ohne zu knacken. Im Feld ermöglicht es Komponenten, Energie zu absorbieren, Spannungen umzusetzen und vor dem Versagen zu warnen.

Duktile Materialien für die Herstellung

Hohe Duktilität bedeutet im Allgemeinen, dass ein Material praktikabel ist: Es kann geschmiedet, gerollt, gezogen oder in verschiedene Formen extrudiert werden, ohne zu knacken. Niedrige Duktilität (Sprödigkeit) bedeutet, dass das Material schwer zu verformen ist und besser für Prozesse wie Gießen oder Bearbeitung geeignet ist (wobei das Material nicht gezwungen ist, die Form plastisch zu viel zu ändern).

Schmieden und Rollen:Diese Prozesse verformen festes Metall in Form - durch das Hämmern (Schmieden) oder das Durchgehen zwischen Rollen (Rollen). Duktile Metalle tolerieren die großen Plastikstämme. In der Praxis werden Stahlplatten/Blüten in Blatt, Platte und strukturelle Formen wie I-Träger heißgeschnitten, und Aluminium wird leicht in Komponenten geschmiedet-das Metall fließt unter Drucklasten. Im Gegensatz dazu neigen spröde Legierungen wie Gusseisen unter starker Verformung, sodass sie normalerweise durch Gießen in die Form von nahezu Netz geformt werden.

Extrusion und Draht/Balkenzeichnung:Extrusion drückt Metall durch einen Würfel, um lange Produkte mit konstanter Kreude herzustellen. Draht/Stabszeichnung zieht feste Lagerbestände durch einen Würfel, um den Durchmesser zu verringern. Beide verlassen sich auf den Plastikfluss. Duktile Legierungen wie Aluminium, Kupfer und kohlenstoffarme Stahl können in Röhrchen und Profile (z. B. Fensterrahmen, Wärmeklappenabschnitte) extrudiert und in feine elektrische Draht gezogen werden. Materialien ohne ausreichende Duktilität bei der Verarbeitungstemperatur prüfen oder knacken Sie die Würfel, weshalb Glas oder Keramik im Festzustand nicht extrudiert/gezogen werden. Ihre Fasern sind stattdessen geschmolzen.

Tiefe Zeichnung:Tiefe Zeichnung bildet axisymmetrische Tassen und Dosen, indem er Blatt mit einem Schlag in einen Würfel zwingt; Der Flansch ernährt sich nach innen, während die Wände leicht dünnen. Eine angemessene Duktilität verhindert die Aufteilung und Falten. Aluminium-Getränk-Can-Körper sind das klassische Beispiel.

Blatt-Metall-Biegung & Stempeln:Allgemeines Biegen und Stempeln von Körperpaneelen und Gehäusen Nachfrage Duktilität, um das Rücken und das Orangen-Peuen zu vermeiden, wenn das Blatt in der Würfel gestreckt ist. Stahl- und Aluminiumnoten sind auf Formbarkeitsfähigkeit zugeschnitten, so dass komplexe Formen (z. B. eine Autohaube) ohne Ausfall gestempelt werden können.

Metall 3D -Druck (AM):Duktilität ist immer noch wichtig. Asgedruckte Teile-insbesondere von Laserpulverbettfusion (LPBF)-können aufgrund feiner, strukturierter Mikrostrukturen, Restspannungen und Porosität eine verringerte Duktilität aufweisen. Stressabbau und heißes isostatisches Pressen (HIP), häufig gefolgt von einer leichten Wärmebehandlung, der Duktilität wiederhergestellt und das Rissrisiko verringert; Legierungen wie Ti-6Al-4V und AlSI10mg können dann eine nützliche In-Service-Duktilität liefern.

Duktile Materialien für reale Anwendungen

Duktilität ist nicht nur eine Labormetrik, sondern wirkt sich direkt auf die Leistung in realen Strukturen, Fahrzeugen und Geräten aus. Hier ist der Grund, warum es für Ingenieurwesen und Design wichtig ist:

Verhindern plötzlicher Versagen und Verbesserung der Sicherheit:Duktile Materialien scheitern allmählich: Sie ergeben und absorbieren Energie vor der Fraktur, liefern sichtbare Warnung und ermöglichen die Umverteilung von Lasten. In den Gebäuden wird aus diesem Grund struktureller Stahl bevorzugt - ein überlasteter Strahl wird sich eher biegen als zu schnappen. Stahlbeton folgt der gleichen Logik: Eingebetteter Stahlbewusstsein fügt Duktilität hinzu, sodass sich die Mitglieder unter seismischer Nachfrage biegen können, anstatt auseinander zu knacken.

Energieabsorption bei Auswirkungen (seismische und Crash -Anwendungen):Bei dynamischen Belastungen verwandelt die Duktilität die Wirkung Energie in plastische Arbeiten. Stahlrahmen lösen Erdbebenkräfte durch Nachgeben und Automobilzonen in Stahl oder Aluminium falten auf kontrollierte Weise zur niedrigeren Kabinenabbrandung. Moderne Körperstrukturen Gleichgewichtsfestigkeit mit Duktilität (z. B. DP/Trip-Stählen) und Luft- und Raumfahrt-Al/Ti-Legierungen behalten genug Duktilität für Vogelstriche, Druck- und Kalt-Soak-Toleranz.

Strukturelle Belastbarkeit und Redundanz:Duktile Systeme können nach der lokalen Ermittlung die Belastung weiter tragen, indem sie Spannungen auf benachbarte Mitglieder ausbreiten und die Wahrscheinlichkeit eines progressiven Zusammenbruchs verringern. Aus diesem Grund verwenden Brücken duktile Stähle und warum Pipelines und Kabel eher unter Bodenbewegung oder Überlastung als unter Bruch biegen oder dellen.

Faktoren, die die Duktilität beeinflussen

Die Duktilität wird unter allen Bedingungen nicht festgelegt. Hier sind die Hauptfaktoren, die es beeinflussen:

Temperatur:Die Duktilität ist stark temperaturabhängig. Höhere Temperaturen erhöhen die Atommobilität und die Versetzungsbewegung und ermöglichen den plastischen Fluss; Niedrigere Temperaturen schränken die Bewegung ein und fördern das Rissen vom Spalt. Viele BCC-Metalle (z. B. bestimmte Stähle) haben eine duktile Übergangstemperatur (DBTT)-bis ​​sie duktil bleiben; Darunter können sie plötzlich brechen. Ein klassisches Beispiel ist Stahlstahl: Bei Umgebungstemperaturen kann es sich biegen, aber bei sehr niedrigen Temperaturen kann es brechen. Ingenieure halten daher die Servicetemperaturen über der DBTT oder geben Niedrigtemperaturstufen an. Im Gegensatz dazu fehlt den meisten FCC -Metallen (z. B. Aluminium, Kupfer) ein scharfer DBTT und bleiben auch bei kaltem duktil.

Komposition und Legierung:Die vorhandenen Elemente und die Phasen, die sie bilden, beeinflussen die Duktilität stark. Reine Metalle wie Gold, Kupfer und Aluminium sind typischerweise sehr duktil. Das Hinzufügen von Stoffen oder die Erzeugung harter zweiter Phasen erhöht die Stärke, verringert jedoch häufig die Duktilität, indem sie die Versetzungsbewegung behindert. Bei Kohlenstoffstählen bleiben niedrige Kohlenstoffqualität formbar, während hohe Kohlenstoff- und Werkzeugstähle viel weniger duktil sind, sofern nicht gemildert. Spurenverunreinigungen verlegen auch Stahl: Schwefel kann heiße Kürze verursachen, und Phosphor kann kaltverspracher Verspritzung verursachen. Die Wärmebehandlung passt das Gleichgewicht an: Quenched Martensit ist stark, hat jedoch eine geringe Duktilität, bis das Tempern die Duktilität wiederherstellt. Metallische Brillen veranschaulichen die Grenze; Sie sind sehr stark und doch normalerweise spröde, weil Kristallschlupf fehlt.

Kristallstruktur und Schlupfsysteme:Die Duktilität spiegelt wider, wie sich leicht Versetzungen bewegen. FCC-Metalle wie Aluminium, Kupfer, Nickel und Gold haben viele aktive Schlupfsysteme und bleiben auch bei niedrigen Temperaturen duktil, ohne dass der Übergang von Duktil zu Brittle. BCC-Metalle wie ferritische Stähle, Chrom und Wolfram benötigen eine thermische Aktivierung für den Schlupf und zeigen häufig einen Übergang von Duktil zu Brittle, so HCP -Metalle wie Magnesium, Zink und Titan bei Raumtemperatur haben weniger Schlupfsysteme. Ohne Zwilling oder erhöhte Temperatur verformen sie sich schlecht und können knacken. Im Allgemeinen bedeuten mehr verfügbare Slip-Systeme eine höhere inhärente Duktilität und eine bessere Leistung mit niedriger Temperatur.

Strukturelle Belastbarkeit und Redundanz:Duktile Systeme können nach der lokalen Ermittlung die Belastung weiter tragen, indem sie Spannungen auf benachbarte Mitglieder ausbreiten und die Wahrscheinlichkeit eines progressiven Zusammenbruchs verringern. Aus diesem Grund verwenden Brücken duktile Stähle und warum Pipelines und Kabel eher unter Bodenbewegung oder Überlastung als unter Bruch biegen oder dellen.

Duktilität in den heutigen fortschrittlichen Materialien

Fortgeschrittene Materialien sehen sich vor einem klassischen Kompromiss zwischen Kraft und Entführung aus: Wenn wir die Festigkeit steigern-VIA Getreideverfeinerung oder mikrostrukturelle Härtung-verlieren die meisten Legierungen die Duktilität und werden anfällig für plötzliche Frakturen. Die Forscher sprechen dies mit drei Hauptstrategien an. Erstens kombinieren heterogene und nano-lamellare Architekturen ultra-starken Regionen mit konformeren, abblühenden Rissen und gleichzeitig die Festigkeit; Einige Systeme überschreiten jetzt 2 GPA in Zugfestigkeit mit einer Dehnung von ~ 15–16%. Zweitens sind Auslöse-/Twip-Legierungen (Transformation-/Twinning-induzierte Plastizität) Phasentransformation oder Twinning während der Verformung, um Energie zu absorbieren, was eine hohe Festigkeit mit erheblicher Dehnung liefert-ideal für Crashworthy Automotive Structures. Drittens haben Hochentropielegierungen (z. B. crmnfeconi) bei kryogenen Temperaturen außergewöhnliche Zähigkeit und fordern die Vorstellung in Frage, dass „Kälte spröde“ bedeutet. Architierte Gitter und Metallmatrix-Kompositen fügen einen Entwurfshebel mit Geometrie und Verstärkung hinzu, um das Gleichgewicht weiter zu stimmen. Warum es wichtig ist: Die Überwindung dieses Kompromisses ermöglicht leichtere, sicherere Autos und Flugzeuge, widerstandsfähigere Gebäude und Materialien, die sich immer noch zuverlässig bilden, schweißen und maschinell sind. Kurz gesagt, in der Zukunft der Duktilität geht es um Struktur - von der Nanoskala bis zur Teilskala.

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