的延展性是允许它们变形拉伸应力材料的专有技术; 也就是说,其两端分开而在细长部分中间的某个点上没有迅速断裂。随着材料的伸长,其横截面减小,变薄。
因此,韧性材料被机械加工成线状形状(线,缆线,针等)。在缝纫机中,带有绕线的线轴代表了韧性材料的典型例子。否则,纺织纤维将永远无法获得其特征形状。
资料来源:Emilian Robert Vicol通过Flickr。
材料延展性的目的是什么?能够覆盖长距离或美观的设计,无论是用于制造工具,珠宝,玩具;或用于输送某些流体,例如电流。
最后的应用代表了材料(尤其是金属)的延展性的关键示例。细铜线(上图)是良好的导体,并且与金和铂一起用于许多电子设备中以确保其正常工作。
有些纤维太细(只有几微米厚),诗意的“金色头发”具有真正的含义。铜和银也是如此。
如果没有分子或原子的重排来抵消入射的拉力,那么延展性就不可能成为可能。如果它不存在,人类将永远不会知道电缆,天线,桥梁会消失,并且世界将在没有电光的情况下陷入黑暗(除了无数其他后果)。
什么是延展性?
与延展性不同,延展性保证了更有效的结构重排。
为什么?因为当张力所在的表面更大时,固体就有更多的方式滑动其分子或原子,从而形成片状或片状;反之,当应力集中在越来越小的横截面中时,分子滑动必须更有效地抵消这种力。
并非所有的固体或材料都能做到这一点,因此,在进行拉伸试验时它们会破裂。所获得的断裂平均水平,而韧性材料的断裂为圆锥形或尖角,这是拉伸的迹象。
韧性材料也可以突破应力点。如果增加温度,则可以增加热量,因为热量会促进并促进分子滑动(尽管有一些例外)。正是由于这些滑动件,材料才具有延展性,因此具有延展性。
但是,材料的延展性还包含其他变量,例如湿度,热量,杂质以及施加力的方式。例如,新熔化的玻璃具有延展性,呈线状。但是随着冷却,它变得易碎,并且可能由于任何机械冲击而破裂。
物产
延性材料具有与分子排列直接相关的自身特性。从这个意义上说,即使金属棒和湿粘土棒的性能差异很大,它们也可以延展。
但是,它们都有一个共同点:断裂前具有可塑性。塑料和弹性物体有什么区别?
弹性物体发生可逆变形,这种变形最初是在易延展材料中发生的。但是增加张力会导致变形无法逆转,物体变成可塑性。
从这一点开始,金属丝或线材具有定义的形状。连续拉伸后,其横截面变得非常小,并且拉应力过高,以致其分子滑片无法再抵抗应力,最终断裂。
如果材料的延展性极高(例如金),则每克仅重1克,就有可能获得最长66 km,厚度为1 µm的电线。
从团块获得的线材越长,其横截面越小(除非可以使用几吨的金来制作厚度相当大的线材)。
韧性金属的例子
金属是延展性材料之一,用途广泛。该三合会由金属组成:金,铜和铂。一个是金,另一个是粉红色的橙色,最后一个是银。除了这些金属外,还有其他延展性较低的金属:
-铁
-锌
-黄铜(和其他金属合金)
-金
-铝
-钐
-镁
-钒
-钢(尽管其延展性可能会受其碳成分和其他添加剂的影响)
-银
-锡
-铅(但在某些小温度范围内)
在没有先验实验知识的情况下,很难确定哪些金属确实具有延性。它的延展性取决于纯度和添加剂如何与金属玻璃相互作用。
另外,还考虑了其他变量,例如晶粒的尺寸和晶体的排列。另外,金属键,即“电子海”中所涉及的电子和分子轨道的数量也起着重要的作用。
所有这些微观和电子变量之间的相互作用使延性成为一个必须通过多变量分析彻底解决的概念。并且将发现没有针对所有金属的标准规则。
出于这个原因,两种金属虽然具有非常相似的特性,但它们可能是韧性的,也可能不是。
金属的晶粒尺寸和晶体结构
晶粒是玻璃的一部分,在其三维排列中没有明显的不规则(空隙)。理想情况下,它们应具有完全明确的结构,完全对称。
同一金属的每个晶粒都具有相同的晶体结构。也就是说,具有紧密六边形结构的金属hcp在hcp系统中具有带有晶体的晶粒。它们以这样的方式布置,使得它们在牵引力或拉伸力之前彼此滑动,就好像它们是由大理石构成的平面一样。
通常,当由小颗粒制成的飞机滑动时,它们必须克服更大的摩擦力。如果它们很大,它们可以自由移动。实际上,一些研究人员试图通过控制其晶粒的生长来改变某些合金的延展性。
另一方面,关于晶体结构,通常具有fcc晶体系统(面心立方,或面心立方)的金属最易延展。同时,具有bcc(体心立方,表面以立方中心)或hcp晶体结构的金属往往延展性较低。
例如,铜和铁都以fcc排列结晶,并且比锌和钴都具有hcp排列时更具延展性。
温度对金属延展性的影响
热量会降低或增加材料的延展性,金属也有例外。但是,通常,较软的金属越容易将其变成螺纹而不会断裂。
这是由于温度升高使金属原子振动而导致晶粒统一的事实。也就是说,几个小颗粒聚在一起形成一个大颗粒。
随着晶粒的增大,延展性增加,分子滑移面临的物理障碍更少。
解释儿童和青少年延展性的实验
资料来源:道格·沃尔德隆(Doug Waldron),来自Flickr。
如果您开始进行微观分析,则延性将成为一个极其复杂的概念。那么您如何向儿童和青少年解释呢?以这样的方式,在他们窥探的眼睛看来尽可能简单。
嚼口香糖和玩面团
到目前为止,人们一直在谈论熔融玻璃和金属,但是还有其他难以置信的易延展材料:口香糖和造型粘土。
为了证明口香糖的延展性,足以抓住两个团块并开始拉伸它们。一个放在左边,另一个放在右边。结果将是悬挂的牙龈桥,除非用手揉捏,否则它将无法恢复到其原始形状。
但是,到了桥最终会折断的地步(地板上会沾上树胶)。
上图显示了一个孩子如何通过按压带孔的容器使橡皮泥像头发一样出现。干腻子比油腻子的延展性差;因此,一个实验可以简单地由制造两种earth组成:一种是用干粘土制成的,另一种是用油润湿的。
孩子会注意到,油腻的蠕虫更容易发霉,变长,以牺牲其厚度为代价;当蠕虫变干时,它可能最终崩溃了几次。
橡皮泥还代表一种理想的材料,可以解释延展性(船,门)和延展性(头发,蠕虫,蛇,sal等)之间的差异。
金属示范
尽管青少年根本不会进行任何操作,但是能够见证第一排铜线的形成对他们来说是一种有吸引力且有趣的体验。如果人们继续使用其他金属,则延展性的证明将更加完整,因此能够比较其延展性。
接下来,所有电线都必须经受恒定的拉伸,直到其断裂点。这样,青少年将在视觉上证明延展性如何影响电线的抗断裂性。
参考文献
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