延展性

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拉伸試驗後AlMgSi合金,產生中等延性的杯錐狀破裂面
拉伸試驗後的鑄鐵,典型的脆性破裂.

延展性(ductility and malleability),是物質的一種機械性質,表示材料在受力而產生破裂(fracture)之前,其塑性變形的能力。延展性是由延性、展性兩個概念相近的機械性質合稱。常見金屬及許多合金均有延展性。

材料科學中,延性(Ductility)是材料受到拉伸應力(tensile stress)變形時,特別被注目的材料能力。延性它主要表現在材料被拉伸成線條狀時。展性(Malleability)是另外一個較相似的概念,但它表示為材料受到壓縮應力(compressive stress)變形,而不破裂的能力。展性主要表現在材料受到鍛造或軋製成薄板時。延性和展性兩者間並不總是相關,如黃金具有良好的延性和展性,但僅僅有良好的展性而已[1]。然而,通常上因這兩個性質概念相近,常被稱為延展性

各科學領域上[编辑]

地質學[编辑]

地球科學中,脆性-延性轉換帶(brittle-ductile transition zone)是一個地層帶,在大陸地殼約15公里(9英里)深,在冰川下的脆性-延性轉換帶則約在30米(100英尺)深,在這轉換帶岩石的脆性減弱且傾向延性變形。然而,在就算在轉換帶之上,延性變形依然有機會發生,在轉換帶之下,物質也有可能發生脆性變形。這轉換帶的產生是因隨深度越深,壓力越大,脆性減弱,另一方面隨著溫度提高,使延性變強。 而轉換帶就產生在延性超過脆性之時。

材料科學[编辑]

因為黃金高延展性的關係,可製造金箔狀的葉片

延展性在金屬加工特別重要,當材料在受壓狀態下,若是產生裂縫或斷裂是不能運用在金屬成形如鍛造輥軋(rolling)、抽製(drawing)等過程中的,展性材料能運用於沖壓和壓製,然而脆性材料和塑膠則只能用鑄造射出成形的方式加工。

一般而言,以金屬鍵鍵結為主的金屬材質通常認為是延展性物質,材料之所以產生高延展性,是因為金屬鍵外層價電子並沒有被束縛,且原子間共用遊走於空價軌域的電子雲,這些自由電子允許金屬原子可以彼此間透過滑移通過,而不會像其他材料會產生的強排斥力,造成破裂。

延性可透過破裂應變\varepsilon_f量化,在這破裂應變是指歷經單軸拉伸試驗時的工程應變。另外還有另一種普遍的測量法,即算發生破裂時的面積收縮百分比q.[2]

以下列出有延展性相當良好的金屬:.[1]。然而,鋼鐵的延性視合金的成分而定,碳含量越高延性下降。另外,許多塑膠材料和非晶形固體,如培樂多(Play-Doh)等,具有展性。

延脆轉移溫度[编辑]

在拉伸試驗後,不同金屬材料產生不同的破斷面.
(a)脆性破裂
(b)中等延性破裂
(c)高延性破裂

金屬的延脆轉移溫度(DBTT),又稱「無延性溫度」(NDT)或稱「脆性轉變溫度」,是當金屬溫度下降至某一點時,其性質延性轉變成脆性時的溫度。通常此溫度確定需通過衝擊破裂試驗,但測量設定上沒有一套明確的標準[3]。測驗時當到達某一點,可承受的耐破裂能量將會低於假設的某一值(通常鋼鐵傳統上設定是40J)[4],即延脆轉移溫度。延脆轉移溫度相當重要,因為一旦金屬材料低於延脆轉移溫度時,若遭受到很大的衝擊,將會傾向產生巨大碎裂,而不會彎曲或變形。舉一個例子,鋅合金3(zamak 3)在室溫下有良好延性,但在零度以下的環境時,在衝擊下它會很容易碎裂。因此當物體若會受到工程應力,考慮選擇合適的金屬材料時,延脆轉移溫度相當重要。另外,較相似的案例是玻璃轉換溫度,它發生在玻璃和高分子上,但它的機構是否為非晶形材料而有所不同。

然而,有些金屬的延脆轉移並不會很明顯,如體心立方(BCC)晶體結構的金屬它的轉移就比面心立方(FCC)晶體結構的還來得明顯。延脆轉移溫度也受到外界因素影響,如中子輻射會造成內部結晶缺陷(lattice defect),使延性下降,延脆轉移溫度提高。

延性破裂[编辑]

當延性材料發生破裂時,稱為延性破裂(ductile fracture)。當金屬受到一作用應力,它可能是張力、應力、剪力扭力,試品一開始將會產生塑性變形,然而隨著試品延性程度不同而有不同的斷裂面。在高延性試品中,試品會產生塑性變形,直到頸縮至斷裂。而中等延性試品形變至中等頸縮時,接著頸縮部位的中心截面會產生小孔穴,或產生微小空孔。當繼續受力變形,這些截面的小空孔會逐漸擴大,合併成一道裂縫,最後靠外部的裂縫會與軸方向承45°剪力破壞,使破斷面呈杯錐狀破裂。

延性破裂對材料而言較有利,因為發生脆性破裂時,幾乎沒有預警之下就發生斷裂,且脆性材料產生裂痕後,就算不在增加作用應力,裂痕仍可自發擴大。然而,當延性材料產生裂痕,除非繼續增加作用應力,不然裂痕是不會再擴大,且延性破裂前會產生大量形變,可提供破裂即將來臨的警訊,以利採取預防措施。

參見[编辑]

參考[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 Rich, Jack C., The Materials and Methods of Sculpture, Courier Dover Publications, 129, 1988, ISBN 0486257428 
  2. ^ G. Dieter, Mechanical Metallurgy, McGraw-Hill, 1986, ISBN 978-0070168930
  3. ^ William D.Callister、JR. Materials Science and Engineering of Introduction, 4/e, .
  4. ^ John, Vernon. Introduction to Engineering Materials, 3rd ed.(?) New York: Industrial Press, 1992. ISBN 0831130431.

外部連結[编辑]