O que é ductilidade?

A ductilidade é um conceito fundamental na ciência material que explica por que alguns materiais (como metais) podem flexionar ou se esticar significativamente sob estresse, enquanto outros (como vidro) se repentinam. Neste artigo, explicaremos o que é a ductilidade, como é medido, por que isso importa e quais fatores a influenciam.

Definição de ductilidade

A ductilidade é a capacidade de um material de se submeter a deformação plástica na tensão antes da fratura. Em termos simples, um material dúctil pode ser esticado um longo caminho sem bater - pense em cobre ser traçado em arame. Por outro lado, materiais quebradiços como vidro tendem a quebrar ou quebrar após muito pouca deformação. Na ciência dos materiais, a deformação plástica é uma mudança permanente de forma. Isso difere da deformação elástica, que é recuperável quando a carga é removida. A ductilidade está intimamente relacionada à plasticidade, mas mais específica: a plasticidade é a capacidade geral de deformação permanente sob qualquer modo (tensão, compressão ou cisalhamento), enquanto a ductilidade se refere a essa capacidade de tensão.

De uma perspectiva atômica, a alta ductilidade de muitos metais vem da ligação metálica não direcional e da disponibilidade de sistemas de deslizamento que permitem que as luxações se movam. Com o estresse aplicado, o deslizamento do deslocamento permite que os cristais metálicos acomodam tensão plástica, de modo que os metais geralmente dobram ou se alongam em vez de fraturas. Por outro lado, cerâmica e vidro possuem ligações iônicas ou covalentes direcionais e escorregamento muito limitado; portanto, sob tensão, eles tendem a quebrar antes do fluxo plástico apreciável. No entanto, nem todos os metais são dúcteis à temperatura ambiente (por exemplo, alguns metais BCC, aços de alto carbono e vidros metálicos podem ser relativamente quebradiços) e as curvas de vidro aquecido principalmente pelo fluxo viscoso acima de sua temperatura de transição de vidro-não pela ductilidade metálica.

Medições para ductilidade

O teste de tração é a maneira mais comum de quantificar a ductilidade: uma amostra é carregada na tensão uniaxial para fraturas e a ductilidade é relatada como alongamento percentual no intervalo e redução percentual da área.

• Porcentagem de alongamento no intervalo (um%)

O aumento percentual no comprimento do medidor na fratura: A% = (LF - L0)/L0 × 100%, onde L0 é o comprimento do medidor original e LF é o comprimento final no intervalo. Um% mais alto indica maior ductilidade de tração.

• Redução percentual da área (AR%)

A queda percentual na seção transversal no local da fratura: RA% = (A0-AF)/A0 × 100%, onde A0 é a área original e AF é a área mínima no intervalo. Grande AR% reflete o resumo pronunciado e a forte ductilidade pós-necking. (Menos sensível ao comprimento do medidor; não é ideal para folha muito fina.)

Ambas as medidas são normalmente relatadas como parte de um teste de tração. Por exemplo, uma amostra de aço pode ser descrita como tendo, digamos, 20% de alongamento e redução de 60% da área no intervalo - indicando um comportamento dúctil. Por outro lado, uma cerâmica quebradiça pode mostrar apenas um alongamento de 1% e essencialmente 0% de redução da área (quebra quase sem desbaste). Quanto maior o alongamento e a redução da área, mais dúctil o material.

Outra maneira de visualizar a ductilidade está em uma curva de tensão-deformação, que é um gráfico obtido do teste de tração. O estresse (força por unidade de área) é plotado contra a tensão (deformação relativa). Os pontos -chave nesta curva incluem:

• Módulo de Young (e):a inclinação da região elástica linear; uma medida de rigidez.
• Força de escoamento (σᵧ):O início da deformação plástica (geralmente definida pelo método de deslocamento de 0,2% quando não existe um ponto de produção nítido).
• Ultimate Tensile Strength (UTS):o estresse máximo de engenharia. Além de UTs, os pescoços de amostras; A fratura ocorre posteriormente, normalmente em uma menor tensão de engenharia.
• Ponto de fratura:onde o espécime finalmente quebra.

A curva do material dúctil mostra uma longa região plástica após a cena, indicando que pode sustentar grande tensão antes da fratura. Por outro lado, a curva do material quebradiço termina perto do ponto de rendimento, com pouca ou nenhuma região plástica. Em resumo, em um gráfico de tensão -deformação de engenharia (para um comprimento de medidor declarado), a ductilidade é refletida pela tensão total para fraturar - para obter materiais dúcteis, curta para os quebradiços. No entanto, a tensão de fratura aparente depende do comprimento do medidor escolhido e, uma vez que o NECKKing inicia a deformação se localiza, a curva de engenharia não é uma medida direta da ductilidade pós-Necking. Por esse motivo, as especificações normalmente relatam o alongamento percentual no intervalo (um%), juntamente com a redução percentual da área (AR%).

Qual é a diferença entre ductilidade e maleabilidade?

A ductilidade é a capacidade de um material de se alongar em tensão sem quebrar; Nós o quantificamos com alongamento percentual ou redução da área a partir de um teste de tração. Se um metal puder ser desenhado em arame, é dúctil. MalleAbility é a capacidade de um material de se deformar na compressão - ser martelado, enrolado ou pressionado na folha - sem rachaduras; Nós o julgamos com os testes de dobra/achatamento/cavilha ou por quanta redução de espessura ele pode tolerar.

Na prática: ouro, cobre e alumínio são altamente dúcteis e maleáveis ​​(ótimos para arame e folha). O chumbo é muito maleável, mas apenas moderadamente dúctil (fácil de rolar em folha, mais pobre como fio fino). O magnésio é limitado em maleabilidade à temperatura ambiente, enquanto o zinco se torna mais maleável quando aquecido. Para fabricação, escolha ligas dúcteis para desenho, alongamento profundo e características dominadas por puxar; Escolha ligas maleáveis ​​para rolar, estampar e forjar onde domina a compressão. A temperatura e a estrutura cristalina mudam de ambas as propriedades. Regra rápida: ductilidade = tensão/fio; MalleAbility = Compressão/Folha.

Por que a ductilidade é importante

A ductilidade é o silencioso cavalo de trabalho por trás da fabricação e da segurança em serviço. Na fábrica, ele permite que os metais sejam enrolados na folha, atraídos para o fio e forjados sem rachaduras. No campo, permite que os componentes absorvam energia, redistribuam tensões e forneçam aviso antes da falha.

Materiais dúcteis para fabricação

A alta ductilidade geralmente significa que um material é viável: pode ser forjado, enrolado, desenhado ou extrudado em várias formas sem rachaduras. A baixa ductilidade (fragilidade) significa que o material é difícil de se deformar e é mais adequado para processos como fundição ou usinagem (onde o material não é forçado a mudar de forma plasticamente demais).

Forjando e rolando:Esses processos deformam o metal sólido em forma - martelando (forjando) ou passagem entre rolos (rolando). Os metais dúcteis toleram as grandes cepas plásticas envolvidas. Na prática, as lajes/flores de aço são enroladas a quente em folhas, placas e formas estruturais, como vigas I, e o alumínio é prontamente forjado em componentes-os fluxos de metal sob cargas compressivas. Por outro lado, ligas quebradiças como o ferro fundido tendem a rachar sob pesada deformação, de modo que geralmente são moldadas por fundir na forma de rede próxima.

Extrusão e desenho de arame/barra:A extrusão empurra o metal através de uma matriz para fabricar produtos longos e constantes de seção; O desenho de arame/barra puxa caldo sólido através de um dado para reduzir o diâmetro. Ambos dependem do fluxo de plástico. As ligas dúcteis, como alumínio, cobre e aço de baixo carbono, podem ser extrudadas em tubos e perfis (por exemplo, molduras de janela, seções de cais) e desenhadas em fios elétricos finos. Materiais sem ductilidade suficiente na temperatura do processamento tendem a verificar ou rachaduras no dado, e é por isso que o vidro ou a cerâmica não são extrudados/desenhados no estado sólido; Suas fibras são derretidas.

Desenho profundo:Desenho profundo forma xícaras e latas axissimétricas forçando a folha a uma matriz com um soco; O flange alimenta para dentro enquanto as paredes diminuem um pouco. A ductilidade adequada impede a divisão e as rugas. Os corpos de bebida de alumínio são o exemplo clássico.

Filtração e carimbo de metal da folha:A flexão geral e a estampagem de painéis e gabinetes do corpo exigem ductilidade para evitar rachaduras de borda e cabel de laranja quando a folha é esticada no dado. Os graus de aço e alumínio são adaptados para formabilidade, para que formas complexas (por exemplo, um capô de carro) possam ser carimbadas sem falha.

Metal 3D Printing (AM):A ductilidade ainda é importante. As peças impressas-especialmente da fusão do leito de pó a laser (LPBF)-podem mostrar ductilidade reduzida devido a microestruturas finas e texturizadas, tensões residuais e porosidade. Alívio do estresse e prensagem isostática quente (quadril), geralmente seguidos por um tratamento térmico leve, restauram a ductilidade e reduzem o risco de rachaduras; As ligas como Ti-6Al-4V e ALSI10mg podem então fornecer ductilidade útil útil.

Materiais dúcteis para aplicações do mundo real

A ductilidade não é apenas uma métrica de laboratório-afeta diretamente o desempenho em estruturas, veículos e equipamentos do mundo real. Veja por que isso importa em engenharia e design:

Prevenindo falha repentina e melhorando a segurança:Os materiais dúcteis falham gradualmente: eles produzem e absorvem energia antes da fratura, fornecendo aviso visível e permitindo que as cargas redistribuam. Nos edifícios, é por isso que o aço estrutural é favorecido - um feixe sobrecarregado se dobrará em vez de estalar. O concreto reforçado segue a mesma lógica: o vergalhão de aço incorporado adiciona ductilidade para que os membros possam flexionar sob demanda sísmica em vez de se separar.

Absorção de energia em impactos (aplicações sísmicas e de acidentes):Sob cargas dinâmicas, a ductilidade transforma a energia de impacto em trabalhos plásticos. Os quadros de aço dissipam as forças do terremoto através do rendimento, e as zonas de amasso automotivo em aço ou alumínio dobram de maneira controlada para diminuir a desaceleração da cabine. As estruturas corporais modernas equilibram a força com a ductilidade (por exemplo, aços DP/trip) e as ligas aeroespaciais Al/Ti mantêm a ductilidade suficiente para ataques de pássaros, pressurização e tolerância a frio.

Resiliência estrutural e redundância:Os sistemas dúcteis podem continuar carregando carga após o rendimento local, espalhando tensões para os membros vizinhos, reduzindo a chance de colapso progressivo. É por isso que as pontes usam aços dúcteis e por que oleodutos e cabos são projetados para dobrar ou prejudicar o movimento ou sobrecarga do solo, em vez de se ruptura.

Fatores que afetam a ductilidade

A ductilidade não é fixada em todas as condições. Aqui estão os principais fatores que o afetam:

Temperatura:A ductilidade é altamente dependente da temperatura. As temperaturas mais altas aumentam a mobilidade atômica e o movimento da luxação, permitindo o fluxo plástico; As temperaturas mais baixas restringem o movimento e promovem as rachaduras do tipo de clivagem. Muitos metais do BCC (por exemplo, certos aços) têm uma temperatura de transição dúctil para quebradiça (DBTT)-além de permanecer dúctil; Abaixo dele, eles podem fraturar de repente. Um exemplo clássico é o aço estrutural: a temperaturas ambientais que ele pode dobrar, mas a temperaturas muito baixas, pode fraturar. Os engenheiros, portanto, mantêm as temperaturas de serviço acima do DBTT ou especificam graus de baixa temperatura. Por outro lado, a maioria dos metais da FCC (por exemplo, alumínio, cobre) não possui um DBTT nítido e permanece dúctil mesmo quando frio.

Composição e liga:Os elementos presentes e as fases que formam influenciam fortemente a ductilidade. Metais puros como ouro, cobre e alumínio são tipicamente muito dúcteis. A adição de solutos ou a criação de segundos fases duro aumenta a força, mas geralmente reduz a ductilidade, dificultando o movimento da luxação. Nos aços de carbono, os graus de baixo carbono permanecem formáveis, enquanto os aços de alto carbono e ferramentas são muito menos dúcteis, a menos que temperados. As impurezas traços também se abraçam aço: o enxofre pode causar falta quente, e o fósforo pode causar fragilização a frio. O tratamento térmico ajusta o equilíbrio: a martensita extinta é forte, mas tem baixa ductilidade até temperamento, enquanto o recozimento restaura a ductilidade. Os óculos metálicos ilustram o limite; Eles são muito fortes, mas geralmente quebradiços porque o deslizamento de cristal está ausente.

Estrutura de cristal e sistemas de deslizamento:A ductilidade reflete como as deslocações prontamente se movem. Os metais da FCC, como alumínio, cobre, níquel e ouro, têm muitos sistemas de deslizamento ativos e permanecem dúcteis, mesmo em baixas temperaturas, sem transição dúctil para sepultina. Os metais BCC, como aços ferríticos, cromo e tungstênio, requerem ativação térmica para escorregamento e geralmente mostram uma transição dúctil para quebradiça, de modo que as quedas da ductilidade no frio. Metais HCP como magnésio, zinco e titânio à temperatura ambiente têm menos sistemas de deslizamento; Sem gemido ou temperatura elevada, eles se deformam mal e podem quebrar. Em geral, mais sistemas de deslizamento disponíveis significam maior ductilidade inerente e melhor desempenho de baixa temperatura.

Resiliência estrutural e redundância:Os sistemas dúcteis podem continuar carregando carga após o rendimento local, espalhando tensões para os membros vizinhos, reduzindo a chance de colapso progressivo. É por isso que as pontes usam aços dúcteis e por que oleodutos e cabos são projetados para dobrar ou prejudicar o movimento ou sobrecarga do solo, em vez de se ruptura.

Ductilidade nos materiais avançados de hoje

Os materiais avançados enfrentam um trade-off de força clássica: à medida que aumentamos a força-o refinamento de grãos de via ou o endurecimento microestrutural-a maioria das ligas perdem a ductilidade e se tornam propensas a fraturas repentinas. Os pesquisadores abordam isso com três estratégias principais. Primeiro, as arquiteturas heterogêneas e nano-lamelares combinam regiões ultra-fortes com rachaduras mais compatíveis, embotadas enquanto preservam a força; Alguns sistemas agora excedem 2 GPa em resistência à tração com ~ 15 a 16% de alongamento. Segundo, ligas de viagem/TWIP (transformação da fase de plasticidade induzida por Trip (Transformação/Twinning) ou gemido durante a deformação para absorver energia, proporcionando alta resistência com alongamento substancial-ideal para estruturas automotivas dignas de acidentes. Terceiro, ligas de alta entropia (por exemplo, CRMNFECONI) mantêm resistência excepcional em temperaturas criogênicas, desafiando a noção de que "frio significa quebradiço". Latices arquitetados e compósitos de matriz de metal adicionam uma alavanca de design, usando geometria e reforços para ajustar ainda mais o equilíbrio. Por que isso importa: a superação dessa troca permite carros e aeronaves mais leves, mais seguros, edifícios mais resilientes e materiais que ainda se formam, soldam e máquinas de forma confiável. Em suma, o futuro da ductilidade é sobre estrutura - da nanoescala à escala de peça.

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