लचीलापन क्या है?

सामग्री विज्ञान में डक्टिलिटी एक मौलिक अवधारणा है जो बताती है कि क्यों कुछ सामग्री (जैसे धातुएं) तनाव के तहत महत्वपूर्ण रूप से फ्लेक्स या खिंचाव कर सकती हैं, जबकि अन्य (जैसे ग्लास) अचानक स्नैप करते हैं। इस लेख में, हम बताएंगे कि लचीलापन क्या है, यह कैसे मापा जाता है, यह क्यों मायने रखता है, और कौन से कारक इसे प्रभावित करते हैं।

लचीलापन की परिभाषा

फ्रैक्चर से पहले तनाव में प्लास्टिक विरूपण से गुजरने की एक सामग्री की क्षमता है। सरल शब्दों में, एक नमनीय सामग्री को बिना तड़क के एक लंबा रास्ता तय किया जा सकता है - तांबे की सोच तार में खींची जा रही है। इसके विपरीत, कांच जैसी भंगुर सामग्री बहुत कम विरूपण के बाद दरार या चकनाचूर हो जाती है। सामग्री विज्ञान में, प्लास्टिक विरूपण आकार में एक स्थायी परिवर्तन है। यह लोचदार विरूपण से भिन्न होता है, जो लोड को हटाने पर पुनर्प्राप्त करने योग्य होता है। लचीलापन प्लास्टिसिटी से निकटता से संबंधित है, लेकिन अधिक विशिष्ट: प्लास्टिसिटी किसी भी मोड (तनाव, संपीड़न, या कतरनी) के तहत स्थायी विरूपण के लिए सामान्य क्षमता है, जबकि लचीलापन तनाव में उस क्षमता को संदर्भित करता है।

एक परमाणु परिप्रेक्ष्य से, कई धातुओं की उच्च लचीलापन गैर-दिशात्मक धातु संबंध और पर्ची प्रणालियों की उपलब्धता से आती है जो अव्यवस्थाओं को स्थानांतरित करने की अनुमति देते हैं। तनाव लागू होने के साथ, अव्यवस्था ग्लाइड धातु के क्रिस्टल को प्लास्टिक के तनाव को समायोजित करने देता है, इसलिए धातुएं अक्सर फ्रैक्चर के बजाय झुकती या खिंचाव करती हैं। इसके विपरीत, सिरेमिक और ग्लास में दिशात्मक आयनिक या सहसंयोजक बॉन्ड और बहुत सीमित पर्ची होती है, इसलिए तनाव के तहत वे प्रशंसनीय प्लास्टिक प्रवाह से पहले दरार करते हैं। हालांकि, सभी धातुएं कमरे के तापमान पर नमनीय नहीं होती हैं (जैसे, कुछ बीसीसी धातु, उच्च-कार्बन स्टील्स, और धातु के चश्मा अपेक्षाकृत भंगुर हो सकते हैं), और गर्म ग्लास मुख्य रूप से अपने कांच-संक्रमण तापमान के ऊपर चिपचिपा प्रवाह द्वारा झुकता है-धातु-शैली की डक्टिलिटी द्वारा नहीं।

लचीलापन के लिए माप

तन्यता परीक्षण लचीलापन को निर्धारित करने के लिए सबसे आम तरीका है: एक नमूना फ्रैक्चर के लिए अनियंत्रित तनाव में लोड किया जाता है, और लचीलापन को ब्रेक में प्रतिशत बढ़ाव और क्षेत्र के प्रतिशत में कमी के रूप में सूचित किया जाता है।

• ब्रेक पर प्रतिशत बढ़ाव (एक%)

फ्रैक्चर में गेज की लंबाई में प्रतिशत वृद्धि: एक% = (LF - L0)/L0 × 100%, जहां L0 मूल गेज की लंबाई है और LF ब्रेक पर अंतिम लंबाई है। एक उच्च% अधिक तन्यता लचीलापन को इंगित करता है।

• क्षेत्र का प्रतिशत कमी (आरए%)

फ्रैक्चर स्थान पर क्रॉस-सेक्शन में प्रतिशत की कमी: ra% = (A0-AF)/A0 × 100%, जहां A0 मूल क्षेत्र है और AF ब्रेक पर न्यूनतम क्षेत्र है। बड़े आरए% स्पष्ट गर्दन और मजबूत पोस्ट-नेकिंग लचीलापन को दर्शाता है। (गेज की लंबाई के लिए कम संवेदनशील; बहुत पतली चादर के लिए आदर्श नहीं है।)

दोनों उपायों को आमतौर पर एक तन्यता परीक्षण के हिस्से के रूप में सूचित किया जाता है। उदाहरण के लिए, एक स्टील के नमूने को वर्णित किया जा सकता है, कहते हैं, 20% बढ़ाव और ब्रेक पर क्षेत्र की 60% कमी - एक नमनीय व्यवहार का संकेत। इसके विपरीत, एक भंगुर सिरेमिक केवल 1% बढ़ाव और अनिवार्य रूप से 0% क्षेत्र में कमी दिखा सकता है (यह लगभग बिना पतले होने के टूट जाता है)। बढ़ाव और क्षेत्र में कमी जितनी बड़ी होगी, सामग्री उतनी ही अधिक है।

लचीलापन की कल्पना करने का एक और तरीका एक तनाव-तनाव वक्र पर है, जो तन्यता परीक्षण से प्राप्त एक ग्राफ है। तनाव (प्रति यूनिट क्षेत्र बल) तनाव (सापेक्ष विरूपण) के खिलाफ प्लॉट किया जाता है। इस वक्र पर प्रमुख बिंदुओं में शामिल हैं:

• यंग का मापांक (ई):रैखिक लोचदार क्षेत्र की ढलान; कठोरता का एक उपाय।
• उपज शक्ति (σᵧ):प्लास्टिक विरूपण की शुरुआत (अक्सर 0.2% ऑफसेट विधि द्वारा परिभाषित की जाती है जब कोई तेज उपज बिंदु मौजूद नहीं होता है)।
• अंतिम तन्यता ताकत (UTS):अधिकतम इंजीनियरिंग तनाव। नमूना गर्दन से परे; फ्रैक्चर बाद में होता है, आमतौर पर एक कम इंजीनियरिंग तनाव में।
• फ्रैक्चर पॉइंट:जहां नमूना अंत में टूट जाता है।

डक्टाइल सामग्री की वक्र उपज के बाद एक लंबा प्लास्टिक क्षेत्र दिखाती है, यह दर्शाता है कि यह फ्रैक्चर से पहले बड़े तनाव को बनाए रख सकता है। इसके विपरीत, भंगुर सामग्री का वक्र उपज बिंदु के पास समाप्त होता है, जिसमें कोई प्लास्टिक क्षेत्र नहीं होता है। सारांश में, एक इंजीनियरिंग तनाव -स्ट्रेन ग्राफ (एक बताई गई गेज लंबाई के लिए) पर, लचीलापन फ्रैक्चर के लिए कुल तनाव से परिलक्षित होता है - डक्टाइल सामग्री के लिए लंबे समय तक, भंगुरों के लिए छोटा। हालांकि, स्पष्ट फ्रैक्चर तनाव चुने हुए गेज लंबाई पर निर्भर करता है, और एक बार गर्दन शुरू होने के बाद विरूपण शुरू हो जाता है, इसलिए इंजीनियरिंग वक्र नेकिंग के बाद की लचीलापन का सीधा उपाय नहीं है। उस कारण से, विनिर्देश आमतौर पर क्षेत्र की प्रतिशत की कमी के साथ -साथ ब्रेक (एक%) पर प्रतिशत बढ़ाव की रिपोर्ट करते हैं (आरए%)।

लचीलापन और मॉलबिलिटी के बीच क्या अंतर है?

डक्टिलिटी एक सामग्री की क्षमता है जो बिना टूटने के तनाव में खिंचाव करती है; हम इसे तन्यता परीक्षण से क्षेत्र की प्रतिशत बढ़ाव या कमी के साथ निर्धारित करते हैं। यदि एक धातु को तार में खींचा जा सकता है, तो यह नमनीय है। Malleability एक सामग्री की संपीड़न में विकृत होने की क्षमता है - जिसे शीट में हथौड़ा, लुढ़काया जाता है, या दबा दिया जाता है - बिना खुर के; हम इसे मोड़/चपटा/क्यूपिंग परीक्षणों के साथ या कितनी मोटाई में कमी कर सकते हैं, यह सहन कर सकता है।

व्यवहार में: सोना, तांबा और एल्यूमीनियम दोनों अत्यधिक नमनीय और निंदनीय (तार और शीट के लिए महान) हैं। लीड बहुत निंदनीय है, लेकिन केवल मामूली नमनीय है (शीट में रोल करने में आसान, ठीक तार के रूप में गरीब)। मैग्नीशियम कमरे के तापमान पर मॉलबिलिटी में सीमित है, जबकि गर्म होने पर जिंक अधिक निंदनीय हो जाता है। विनिर्माण के लिए, ड्राइंग, गहरी स्ट्रेचिंग और पुल-वर्चस्व वाली विशेषताओं के लिए डक्टाइल मिश्र धातु चुनें; रोलिंग, स्टैम्पिंग और फोर्जिंग के लिए निंदनीय मिश्र धातुओं को चुनें जहां संपीड़न हावी है। तापमान और क्रिस्टल संरचना दोनों गुणों को बदल देती है। त्वरित नियम: लचीलापन = तनाव/तार; मॉलबिलिटी = संपीड़न/शीट।

क्यों लचीलापन मायने रखता है

डक्टिलिटी दोनों विनिर्माणता और इन-सर्विस सेफ्टी के पीछे शांत वर्कहॉर्स है। कारखाने में, यह धातुओं को शीट में लुढ़कने की अनुमति देता है, तार में खींचा जाता है, और बिना खुर के जाली। क्षेत्र में, यह घटकों को ऊर्जा को अवशोषित करने, तनावों को पुनर्वितरित करने और विफलता से पहले चेतावनी प्रदान करने में सक्षम बनाता है।

विनिर्माण के लिए नमनीय सामग्री

उच्च लचीलापन आम तौर पर मतलब है कि एक सामग्री व्यावहारिक है: इसे बिना क्रैकिंग के जाली, लुढ़का, खींचा या बाहर किया जा सकता है। कम लचीलापन (भंगुरता) का अर्थ है कि सामग्री को विकृत करना मुश्किल है और कास्टिंग या मशीनिंग जैसी प्रक्रियाओं के लिए बेहतर अनुकूल है (जहां सामग्री को आकार में बहुत अधिक आकार बदलने के लिए मजबूर नहीं किया जाता है)।

फोर्जिंग और रोलिंग:ये प्रक्रियाएं ठोस धातु को आकार में बदल देती हैं - हथौड़ा (फोर्जिंग) या रोल (रोलिंग) के बीच से गुजरने से। नमनीय धातुएं शामिल बड़े प्लास्टिक उपभेदों को सहन करती हैं। व्यवहार में, स्टील स्लैब/ब्लूम्स को हॉट-रोल में शीट, प्लेट, और संरचनात्मक आकृतियों जैसे कि आई-बीम, और एल्यूमीनियम को आसानी से घटकों में जाली किया जाता है-धातु संपीड़ित भार के नीचे प्रवाहित होता है। इसके विपरीत, कच्चा लोहा जैसे भंगुर मिश्र धातु भारी विरूपण के तहत दरार करते हैं, इसलिए वे आमतौर पर निकट-नेट रूप में कास्टिंग करके आकार लेते हैं।

एक्सट्रूज़न और वायर/बार ड्राइंग:एक्सट्रूज़न लंबे, निरंतर-क्रॉस-सेक्शन उत्पाद बनाने के लिए एक मरने के माध्यम से धातु को धक्का देता है; व्यास को कम करने के लिए वायर/बार ड्राइंग एक मरने के माध्यम से ठोस स्टॉक खींचता है। दोनों प्लास्टिक के प्रवाह पर भरोसा करते हैं। एल्यूमीनियम, कॉपर और लो-कार्बन स्टील जैसे डक्टाइल मिश्र को ट्यूब और प्रोफाइल (जैसे, विंडो फ्रेम, हीट-सिंक सेक्शन) में बाहर निकाल दिया जा सकता है और ठीक विद्युत तार में खींचा जा सकता है। प्रसंस्करण तापमान पर पर्याप्त लचीलापन के बिना सामग्री मरने पर जांच या दरार करती है, यही वजह है कि कांच या सिरेमिक ठोस अवस्था में बाहर नहीं निकले/खींचे जाते हैं; उनके फाइबर इसके बजाय पिघला हुआ हैं।

गहरा आरेख:गहरी ड्राइंग एक पंच के साथ एक मरने में शीट को मजबूर करके अक्षीय कप और डिब्बे बनाती है; निकला हुआ किनारा अंदर की ओर खिलाता है जबकि दीवारें थोड़ी पतली होती हैं। पर्याप्त लचीलापन विभाजन और झुर्रियों को रोकता है। एल्यूमीनियम बेवरेज-कैन बॉडी क्लासिक उदाहरण हैं।

शीट-मेटल झुकना और स्टैम्पिंग:सामान्य झुकने और शरीर के पैनल और बाड़ों की मुद्रांकन, जब मरने में चादर में खिंचाव होता है, तो किनारे की खुर और नारंगी-छिलके से बचने के लिए लचीलापन की मांग करते हैं। स्टील और एल्यूमीनियम ग्रेड फॉर्मेबिलिटी के लिए सिलवाया जाता है ताकि जटिल आकृतियाँ (जैसे, एक कार हुड) को विफलता के बिना मुहर लगाई जा सकती है।

मेटल 3 डी प्रिंटिंग (एएम):लचीलापन अभी भी मायने रखता है। के रूप में मुद्रित भागों-विशेष रूप से लेजर पाउडर बेड फ्यूजन (LPBF) से-ठीक, बनावट वाले माइक्रोस्ट्रक्चर, अवशिष्ट तनाव और पोरसिटी के कारण कम लचीलापन दिखाते हैं। तनाव राहत और गर्म आइसोस्टैटिक दबाव (हिप), अक्सर एक हल्की गर्मी उपचार के बाद, लचीलापन बहाल करें और क्रैकिंग जोखिम को कम करें; TI-6AL-4V और ALSI10MG जैसे मिश्र धातु तब उपयोगी इन-सर्विस लचीलापन प्रदान कर सकते हैं।

वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों के लिए नमनीय सामग्री

डक्टिलिटी केवल एक लैब मीट्रिक नहीं है-यह सीधे वास्तविक दुनिया की संरचनाओं, वाहनों और उपकरणों में प्रदर्शन को प्रभावित करता है। यहाँ यह इंजीनियरिंग और डिजाइन में मायने रखता है:

अचानक विफलता को रोकना और सुरक्षा में सुधार करना:डक्टाइल सामग्री धीरे -धीरे विफल होती है: वे फ्रैक्चर से पहले ऊर्जा प्राप्त करते हैं और अवशोषित करते हैं, दृश्यमान चेतावनी प्रदान करते हैं और लोड को पुनर्वितरित करने की अनुमति देते हैं। इमारतों में, यही कारण है कि संरचनात्मक स्टील का पक्ष लिया जाता है - एक अतिभारित बीम स्नैप के बजाय झुक जाएगा। प्रबलित कंक्रीट एक ही तर्क का अनुसरण करता है: एम्बेडेड स्टील रिबार लचीलापन जोड़ता है ताकि सदस्य टूटने के बजाय भूकंपीय मांग के तहत फ्लेक्स कर सकें।

प्रभावों में ऊर्जा अवशोषण (भूकंपीय और दुर्घटना अनुप्रयोग):गतिशील भार के तहत, लचीलापन ऊर्जा को प्लास्टिक के काम में बदल देता है। स्टील फ्रेम भूकंप बलों को उपज के माध्यम से, और स्टील या एल्यूमीनियम में ऑटोमोटिव क्रम्पल ज़ोन के माध्यम से एक नियंत्रित तरीके से केबिन मंदी के लिए एक नियंत्रित तरीके से भंग करता है। आधुनिक शरीर संरचनाएं लचीलापन (जैसे, डीपी/ट्रिप स्टील्स) के साथ शक्ति को संतुलित करती हैं, और एयरोस्पेस एएल/टीआई मिश्र धातुओं को पक्षी-स्ट्राइक, दबाव और कोल्ड-खुर सहिष्णुता के लिए पर्याप्त लचीलापन बनाए रखते हैं।

संरचनात्मक लचीलापन और अतिरेक:डक्टाइल सिस्टम पड़ोसी सदस्यों को तनाव फैलाने के बाद स्थानीय उपज के बाद लोड ले जा सकते हैं, जिससे प्रगतिशील पतन की संभावना कम हो सकती है। यही कारण है कि पुल डक्टाइल स्टील्स का उपयोग करते हैं और क्यों पाइपलाइनों और केबलों को टूटने के बजाय जमीन आंदोलन या अधिभार के तहत झुकने या डेंट करने के लिए डिज़ाइन किया गया है।

कारक जो लचीलापन को प्रभावित करते हैं

सभी शर्तों के तहत लचीलापन तय नहीं है। यहां मुख्य कारक हैं जो इसे प्रभावित करते हैं:

तापमान:लचीलापन अत्यधिक तापमान-निर्भर है। उच्च तापमान परमाणु गतिशीलता और अव्यवस्था गति को बढ़ाते हैं, जिससे प्लास्टिक प्रवाह सक्षम होता है; कम तापमान आंदोलन को प्रतिबंधित करता है और दरार-प्रकार के दरार को बढ़ावा देता है। कई बीसीसी धातुओं (जैसे, कुछ स्टील्स) में एक नमनीय-से-भंगुर संक्रमण तापमान (DBTT) होता है-यह वे नमनीय रहते हैं; इसके नीचे वे अचानक फ्रैक्चर कर सकते हैं। एक क्लासिक उदाहरण संरचनात्मक स्टील है: परिवेश के तापमान पर यह झुक सकता है, लेकिन बहुत कम तापमान पर यह फ्रैक्चर हो सकता है। इसलिए इंजीनियर DBTT के ऊपर सेवा तापमान रखते हैं या कम-तापमान ग्रेड निर्दिष्ट करते हैं। इसके विपरीत, अधिकांश एफसीसी धातुओं (जैसे, एल्यूमीनियम, तांबे) में एक तेज डीबीटीटी की कमी होती है और ठंड होने पर भी नमनीय रहते हैं।

रचना और मिश्र धातु:उपस्थित तत्व और वे चरण वे बनाते हैं जो दृढ़ता से लचीलापन को प्रभावित करते हैं। सोने, तांबे और एल्यूमीनियम जैसे शुद्ध धातुएं आमतौर पर बहुत नमनीय होती हैं। विलेय जोड़ने या हार्ड दूसरे चरणों को बनाने से ताकत बढ़ जाती है लेकिन अक्सर अव्यवस्था गति में बाधा उत्पन्न करके लचीलापन कम हो जाता है। कार्बन स्टील्स में, कम कार्बन ग्रेड प्रशंसनीय रहते हैं, जबकि उच्च कार्बन और टूल स्टील्स बहुत कम नमनीय होते हैं जब तक कि स्वभाव नहीं होता है। ट्रेस अशुद्धियां भी स्टील को कवक करती हैं: सल्फर गर्म तकलीफ का कारण बन सकता है, और फास्फोरस ठंड के उत्सर्जन का कारण बन सकता है। हीट ट्रीटमेंट संतुलन को समायोजित करता है: बुझा हुआ मार्टेंसाइट मजबूत होता है, लेकिन टेम्पर्ड होने तक कम लचीलापन होता है, जबकि डक्टिलिटी को पुनर्स्थापित करता है। धातु के चश्मे सीमा को चित्रित करते हैं; वे बहुत मजबूत हैं फिर भी आमतौर पर भंगुर हैं क्योंकि क्रिस्टल स्लिप अनुपस्थित है।

क्रिस्टल संरचना और पर्ची प्रणाली:लचीलापन दर्शाता है कि कैसे आसानी से अव्यवस्थाएं चलती हैं। एफसीसी धातुओं जैसे कि एल्यूमीनियम, कॉपर, निकेल और गोल्ड में कई सक्रिय स्लिप सिस्टम होते हैं और कम तापमान पर भी नलिकाएं बनी रहती हैं, जिसमें कोई तेज नटखट-से-भंगुर संक्रमण नहीं होता है। बीसीसी धातुओं जैसे कि फेरिटिक स्टील्स, क्रोमियम और टंगस्टन को पर्ची के लिए थर्मल सक्रियण की आवश्यकता होती है और अक्सर एक नमनीय-से-भंगुर संक्रमण दिखाते हैं, इसलिए ठंड में लचीलापन गिरता है। कमरे के तापमान पर मैग्नीशियम, जस्ता और टाइटेनियम जैसे एचसीपी धातुओं में कम स्लिप सिस्टम होते हैं; ट्विनिंग या ऊंचे तापमान के बिना वे खराब तरीके से विकृत हो जाते हैं और दरार कर सकते हैं। सामान्य तौर पर, अधिक उपलब्ध स्लिप सिस्टम का मतलब उच्च अंतर्निहित लचीलापन और बेहतर कम तापमान प्रदर्शन है।

संरचनात्मक लचीलापन और अतिरेक:डक्टाइल सिस्टम पड़ोसी सदस्यों को तनाव फैलाने के बाद स्थानीय उपज के बाद लोड ले जा सकते हैं, जिससे प्रगतिशील पतन की संभावना कम हो सकती है। यही कारण है कि पुल डक्टाइल स्टील्स का उपयोग करते हैं और क्यों पाइपलाइनों और केबलों को टूटने के बजाय जमीन आंदोलन या अधिभार के तहत झुकने या डेंट करने के लिए डिज़ाइन किया गया है।

आज की उन्नत सामग्रियों में लचीलापन

उन्नत सामग्री एक क्लासिक ताकत-समस्या व्यापार-बंद का सामना करती है: जैसा कि हम ताकत को उच्च गति से चलाते हैं-विया अनाज शोधन या माइक्रोस्ट्रक्चरल सख्त-अधिकांश मिश्र धातुओं को खो देते हैं और अचानक फ्रैक्चर होने का खतरा हो जाते हैं। शोधकर्ताओं ने इसे तीन मुख्य रणनीतियों के साथ संबोधित किया। सबसे पहले, विषम और नैनो-लामेलर आर्किटेक्चर ने अधिक आज्ञाकारी लोगों के साथ अल्ट्रा-मजबूत क्षेत्रों को जोड़ा, ताकत को संरक्षित करते हुए दरारें को कुंद करना; कुछ सिस्टम अब ~ 15-16% बढ़ाव के साथ तन्यता ताकत में 2 GPA से अधिक हैं। दूसरा, ट्रिप/TWIP मिश्र (परिवर्तन-/ट्विनिंग-प्रेरित प्लास्टिसिटी) ऊर्जा को अवशोषित करने के लिए विरूपण के दौरान चरण परिवर्तन या ट्विनिंग, क्रैशवर्थ ऑटोमोटिव संरचनाओं के लिए पर्याप्त बढ़ाव के साथ उच्च शक्ति प्रदान करता है। तीसरा, उच्च-एन्ट्रॉपी मिश्र (जैसे, CRMNFECONI) क्रायोजेनिक तापमान पर असाधारण क्रूरता बनाए रखता है, इस धारणा को चुनौती देता है कि "ठंड का अर्थ है भंगुर।" आर्किटेक्टेड लैटिस और मेटल-मैट्रिक्स कंपोजिट एक डिज़ाइन लीवर को जोड़ते हैं, जिसमें बैलेंस को आगे बढ़ाने के लिए ज्यामिति और सुदृढीकरण का उपयोग किया जाता है। यह क्यों मायने रखता है: इस व्यापार-बंद पर काबू पाने से हल्का, सुरक्षित कार और विमान, अधिक लचीला इमारतें, और सामग्री जो अभी भी बनती है, वेल्ड और मशीन मज़बूती से सक्षम होती है। संक्षेप में, लचीलापन का भविष्य संरचना के बारे में है - नैनोस्केल से लेकर भाग के पैमाने तक।

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