什么是延展性？

延展性是材料科学中的一个基本概念，它解释了为什么某些材料（例如金属）会在压力下显着弯曲或伸展，而另一些材料突然突然会弯曲。在本文中，我们将解释什么是延展性，如何测量，为什么重要以及哪些因素影响它。

延展性的定义

延展性是材料在断裂前张力造成塑性变形的能力。简而言之，可以将延性材料拉长很长的路，而无需捕捉 - 考虑将铜拉入电线中。相比之下，像玻璃这样的脆性材料几乎没有变形后倾向于破裂或破碎。在材料科学中，塑性变形是形状的永久变化。这与弹性变形不同，弹性变形是可以恢复的。延展性与可塑性密切相关，但更具体：可塑性是在任何模式（张力，压缩或剪切）下永久变形的一般能力，而延展性则是指张力的能力。

从原子的角度来看，许多金属的高延展性来自非方向金属粘结以及允许脱位移动的滑移系统的可用性。施加压力后，脱位滑行使金属晶体可容纳塑性应变，因此金属通常弯曲或拉伸而不是断裂。相比之下，陶瓷和玻璃具有定向离子或共价键，并且滑动非常有限，因此在张力下，它们在明显的塑料流动之前倾向于破裂。但是，并非所有金属在室温下都是延性的（例如，某些BCC金属，高碳钢和金属玻璃杯可能相对脆），并且加热玻璃弯曲的玻璃弯曲主要是由于其玻璃转换温度以上的粘性流量，而不是金属式耐耐耐高压。

测量延展性

拉伸测试是量化延展性的最常见方法：标本以单轴张力加载到骨折中，延展性据报道是休息时伸长率的百分比和降低面积的百分比。

• 休息时伸长百分比（a％）

骨折时量规长度的百分比增加：a％=（lf -l0）/l0×100％，其中l0是原始量规长度，而LF是断裂时的最终长度。较高的A％表示拉伸延展性更大。

• 减少面积百分比（RA％）

裂缝位置的横截面的百分比降低：RA％=（A0 - AF）/A0×100％，其中A0是原始面积，AF是休息时的最小面积。大的RA％反映出明显的颈部和强烈的颈后延展性。 （对量规长度不太敏感；对于非常薄的纸张而言并不理想。）

这两种措施通常是拉伸测试的一部分。例如，可以描述钢样品的伸长率20％，而在休息时降低了60％的面积 - 表明延性行为。相比之下，脆性陶瓷可能仅显示1％的伸长率，而本质上可能显示出0％的面积减少（几乎没有变薄）。伸长率和降低越大，材料的延展性就越大。

可视化延展性的另一种方法是在应力 - 应变曲线上，这是从拉伸测试获得的图。绘制应力（相对变形）的应力（每单位面积）。此曲线上的要点包括：

• 杨的模量（E）：线性弹性区域的斜率；刚度的度量。
• 屈服强度（σᵧ）：塑性变形的发作（通常由0.2％偏移方法定义时，当不存在尖锐的屈服点）。
• 最终的拉伸力量（UTS）：最大工程压力。超越标本的脖子；断裂发生后期，通常处于较低的工程压力下。
• 断裂点：标本最终破裂的地方。

延性材料的曲线在屈服后显示长塑料区域，表明它可以在骨折前保持较大的应变。相比之下，脆性材料的曲线在屈服点附近结束，几乎没有塑料区域。总而言之，在工程应力 - 应变图（对于规定的规格长度）上，延展性反映了裂缝的总应变 - 延性材料的长时间，脆性材料的较短。但是，明显的断裂应变取决于所选的量规长，一旦颈部开始定位，颈部开始定位，因此工程曲线不是颈后延展的直接衡量。因此，规格通常在休息时报告百分比伸长率（a％）以及降低面积百分比（RA％）。

延展性和延展性有什么区别？

延展性是一种材料在不破裂而伸展张力的能力。我们以拉伸测试的伸长百分比或减少面积来量化它。如果可以将金属吸入电线，则是延展性的。锻造性是一种材料在压缩方面变形的能力（不开裂，可以锤击，滚动或压入纸板）；我们通过弯曲/扁平/拔罐测试或减小厚度可以耐受多少判断。

实际上：黄金，铜和铝都是高度延展且可延展的（非常适合电线和纸板）。铅非常具有延展性，但仅适中延展性（易于滚动成薄片，较差，作为细丝）。镁在室温下的延展性有限，而锌在变暖时会更具延展性。为了制造制造，选择延性合金用于绘画，深度拉伸和下拉的功能；选择可延展的合金滚动，冲压和锻造，在压缩占主导地位的地方。温度和晶体结构移动两个特性。快速规则：延展性=张力/电线；锻造性=压缩/表。

为什么延展性很重要

延展性是制造性和服务安全性安全背后的安静主力。在工厂中，它允许将金属卷成纸板，将其拉入电线并锻造而不会破裂。在现场，它使组件能够吸收能量，重新分配应力并在失败前提供警告。

制造的延性材料

高延展性通常意味着一种材料是可行的：它可以锻造，滚动，绘制或挤出成各种形状而不会破裂。低延展性（脆性）意味着该材料很难变形，并且更适合于铸造或加工等过程（在材料不强迫塑料形状过多地改变形状）之类的过程中。

锻造和滚动：这些过程通过锤击（锻造）或在掷骰（滚动）之间将固体金属变形为形状。延性金属耐受涉及的大塑料菌株。实际上，钢板/开花被热卷成薄板，板和结构形状，例如I光束，铝很容易被伪造成组件 - 金属在压缩载荷下流动。相比之下，像铸铁这样的脆性合金倾向于在沉重的变形下破裂，因此通常通过铸造到近网状形式来形状。

挤出和电线/栏绘图：挤出将金属推动通过模具制作长而恒定的截面产品。电线/条形图将固体库存通过模具降低直径。两者都依靠塑料流。可以将延性合金（例如铝，铜和低碳钢）挤出到试管和轮廓（例如窗框，热水链截面）中，并将其抽入细线。在加工温度下没有足够的延展性的材料倾向于检查或裂缝，这就是为什么玻璃或陶瓷不会以固态挤出/绘制的原因；他们的纤维是融化的。

深图：深色绘图形成轴对称的杯子和罐，并用拳头迫使薄板进入模具；法兰向内进食，而墙壁略微稀薄。足够的延性可防止分裂和皱纹。铝饮料罐头是经典的例子。

薄板金属弯曲和冲压：车身面板和外壳的一般弯曲和冲压需要延展性，以避免边缘裂纹和橙色 - 薄荷伸展时。钢制和铝等级是针对形成性量身定制的，因此可以将复杂的形状（例如，汽车引擎盖）盖章而不会故障。

金属3D打印（AM）：延展性仍然很重要。当然的零件（尤其是来自激光粉床融合（LPBF））可以显示出由于细，质感的微观结构，残留应力和孔隙率而显示出降低的延展性。压力缓解和热等静止压力（髋关节），然后经常进行轻热处理，恢复延展性并降低开裂风险；然后，TI-6AL-4V和ALSI10MG等合金可以提供有用的服务延展性。

现实世界应用的延性材料

延展性不仅是实验室指标，还直接影响现实世界结构，车辆和设备的性能。这就是为什么它在工程和设计中重要的原因：

防止突然失败并提高安全性：延性材料逐渐失效：它们在断裂前产生和吸收能量，提供可见的警告并允许负载重新分配。在建筑物中，这就是为什么结构钢受到青睐的原因 - 超负荷的梁会弯曲而不是捕捉。钢筋混凝土遵循相同的逻辑：嵌入式钢钢筋增加延展性，因此成员可以在地震需求下弯曲而不是分开。

影响（地震和碰撞应用）中的能量吸收：在动态载荷下，延展性将影响能量变成塑料工作。钢框通过屈服来消散地震力，并以钢或铝折叠的汽车碎区域的控制方式以受控的方式降低机舱减速。现代人体结构平衡强度与延展性（例如DP/Trip Steels），并且航空航天Al/Ti合金保留足够的延展性，以造鸟，加压和冷soak耐受性。

结构弹性和冗余：延性系统可以在局部屈服后通过向附近的成员扩散应力，从而减少渐进性塌陷的机会。这就是为什么桥梁使用延性钢的原因，以及为什么设计的管道和电缆被设计为在地面运动或超负荷而不是破裂的情况下弯曲或凹陷的原因。

影响延性的因素

在所有条件下，都不是固定的。这是影响它的主要因素：

温度：延展性高度依赖于温度。较高的温度会增加原子迁移率和脱位运动，从而实现塑性流动；较低的温度限制运动并促进切割型破裂。许多BCC金属（例如某些钢）具有延性到脆性的过渡温度（DBTT） - 将其保持延性；他们在它的下方会突然断裂。一个经典的例子是结构性钢：在环境温度下，它可以弯曲，但是在非常低的温度下可能会断裂。因此，工程师将服务温度保持在DBTT之上或指定低温等级。相比之下，大多数FCC金属（例如铝，铜）也缺乏尖锐的DBTT，即使在冷时仍保持延性。

构图和合金：存在的元素及其形成的阶段强烈影响延展性。金，铜和铝等纯金属通常非常易延展。添加溶质或创建硬第二阶段会增加强度，但通常会通过阻碍脱位运动来降低延展性。在碳钢中，低碳等级保持形成，而高碳和工具钢除非降温，否则易粒度要少得多。痕量杂质也夹住了钢：硫会导致炎热的短暂性，磷可能会引起寒冷的封闭。热处理调节平衡：淬灭的马氏体强壮，但延展性较低，直到恢复恢复，同时恢复了延展性。金属眼镜说明了极限；它们非常坚固，但通常是脆弱的，因为不存在晶体滑移。

晶体结构和滑动系统：延展性反映了容易脱位的方式。 FCC金属（例如铝，铜，镍和黄金）具有许多活跃的滑动系统，即使在低温下也保持延展性，没有锋利的延性到脆性过渡。 BCC金属（例如铁素体钢，铬和钨）需要热活化以进行滑动，并且经常显示延性到脆性的过渡，因此耐耐糊状的能力在寒冷中下降。 HCP金属在室温下，镁，锌和钛的滑移系统较少。如果没有孪生或升高温度，它们变形较差，可能会破裂。通常，更多可用的滑动系统意味着更高的固有延展性和更好的低温性能。

结构弹性和冗余：延性系统可以在局部屈服后通过向附近的成员扩散应力，从而减少渐进性塌陷的机会。这就是为什么桥梁使用延性钢的原因，以及为什么设计的管道和电缆被设计为在地面运动或超负荷而不是破裂的情况下弯曲或凹陷的原因。

今天的高级材料中的延性

先进的材料面临经典的强度 - 脱尿的权衡：随着我们的强度更高 - 谷物的细化或微结构硬化 - 大多数合金损失了延展性，并且容易突然骨折。研究人员通过三种主要策略来解决这一问题。首先，异质和纳米层建筑构造超强区域与更合规的区域搭配，裂纹呈钝化的裂缝，同时保持强度。现在，某些系统的拉伸强度超过2 GPA，伸长率约为15–16％。其次，Trip/Trip/Twip合金（转换 - 孪晶诱导的可塑性）线束相变或变形过程中的孪晶可吸收能量，以实质性的伸长率提供高强度 - 用于撞车的汽车结构的理想。第三，高渗透合金（例如CRMNFECONI）在低温温度下保持出色的韧性，挑战了“冷表示脆性”的观念。构建的晶格和金属矩阵复合材料增加了设计杆，并使用几何形状和增强件进一步调整平衡。它为什么重要：克服这种权衡，可以使更轻，更安全的汽车和飞机，更多的弹性建筑物以及仍然形成，焊接和机器的材料可靠。简而言之，延展性的未来是关于结构的 - 从纳米级到部分尺度。

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