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金屬制造商根據(jù)金屬的物理特性選擇金屬來執(zhí)行功能：不銹鋼排氣管應(yīng)防銹；噴嘴中的熱交換器必須在苛刻的使用條件下。



顯然，金屬的行為方式對于功能至關(guān)重要。在這些示例中，由于其應(yīng)用方面的差異，將選擇特定的合金。金屬制造商必須了解不銹鋼的行為，才能成功生產(chǎn)用于工業(yè)的不銹鋼制品。

延展性定義變形



延展性是制造商要考慮的較重要的金屬特性之一。延展性是使材料具有可塑性且不會破裂的能力。



鍛造的歷史過程涉及將金屬錘擊成各種形式。諸如葉片之類的形狀制造起來相對簡單，因為不需要復雜的彎曲。但是，錘擊的刀片和形狀是一次性的。從某種意義上說，每件作品都是一件獨特的藝術(shù)品。如今，金屬成型者必須重復生產(chǎn)符合規(guī)格的不銹鋼零件。與鍛造不同，進行即時更正的機會更少。



了解其延展性對于成功至關(guān)重要。制造商必須是根據(jù)它的機械性能的合金，使得較終形式滿足所需的物理特性。



金屬制造商可以通過觀察諸如材料延伸率（如材料****所示），常見應(yīng)用和加工硬化率等特性，深入了解合金的延展性。但是延展性發(fā)生在原子級。因此，重要的是要看原子級，以全面了解什么是延展性以及延展性對工藝的重要性。



原子行為決定金屬的行為



金屬的行為不同于其他材料。它們具有塑性變形，保持形狀和保持變形強度的能力。這些獨特的特性源自金屬中原子的類型及其鍵。原子鍵本質(zhì)上決定了電子如何在材料中的原子之間轉(zhuǎn)移或共享。鍵使原子保持在一起成為相干的材料。



當電子在原子之間自由共享時，金屬原子與金屬鍵保持在一起。原子以3D排列，稱為有序晶格。



金屬鍵允許原子移動通過晶格。正是這種原子運動定義了塑性變形能力。



變形可能會在壓應(yīng)力或拉應(yīng)力下發(fā)生。這些應(yīng)力類型定義了所有制造過程。



與未對準的晶界相比，金屬原子更容易穿過晶粒塊。想象一下，在一條高速公路上行駛時，所有坡道突然比高速公路高出10英尺。要進入下坡道，駕駛員必須將汽車開上10英尺的路。



金屬原子在壓縮狀態(tài)下的運動稱為延展性，而在張力，延展性方面則稱為“延展性”。這兩個術(shù)語均在可塑性下定義，可塑性表示材料的變形能力而不會破裂。



壓印是一種依賴延展性的壓縮制造過程。深沖是依賴延展性的拉伸過程。



在這兩個過程中，原子都是通過不同的方法移動的，但是都需要原子移動才能起作用。考慮嘗試鑄造瓷器餐盤。瓷是一種包含共價鍵而不是金屬鍵的陶瓷。與金屬鍵不同，共價鍵不能自由共享電子，因此可以防止原子運動。在壓力下，由于缺乏原子運動，極板將破碎；它不會塑性變形。因此，金屬是用于壓印操作的較佳材料。



晶粒和位錯因素



金屬原子在退火過程中固化成晶體順序，就像冰晶在冷的表面上生長一樣。原子成一定點成核，并隨著更多原子的聚集而向外生長。生長部分較終遇到附近的生長成核點。這些組裝原子彼此不對齊的界面稱為晶界。



不同排列的原子的相關(guān)基團稱為晶粒。與未對準的晶界相比，金屬原子更容易穿過晶粒塊。想象一下，在一條高速公路上行駛時，所有坡道突然比高速公路高出10英尺。要進入匝道，駕駛員必須將汽車爬坡10英尺。高速公路和匝道都可能很容易開車，但是從高速公路到達錯位的匝道將更加困難，需要更多的能量和不同的條件。



晶格中的晶粒本身包含取向缺陷，稱為位錯。位錯可以在重結(jié)晶過程中發(fā)生，但主要是通過冷加工產(chǎn)生的。如果施加足夠的應(yīng)力，某些類型的位錯將移動。因此，位錯的運動是未對準的運動。原子將從錯位的一側(cè)滑到另一側(cè)，從而導致明顯的位錯運動。



脫位本身也可以從該運動中碰撞。就像交通擁堵一樣，位錯的堆積會阻止位錯的進一步運動。



延性是由于原子運動而引起的有效塑性變形的量度。運動受限會限制延展性；因此，位錯堆積會導致延展性降低。另外，堆積需要更大的力來移動原子。這種效果稱為工作硬化。



導致金屬原子在晶格中****移動的施加應(yīng)力是屈服強度。堆積導致較高的屈服強度，因為需要更多的力才能移動原子。因此，回火金屬具有更高的拉伸強度，屈服強度和硬度。



隨著冷加工伸長率降低。這一點很重要，因為伸長率是材料延展性的量度。更具體地說，它是材料在斷裂之前可以接受的總塑性變形的量度。考慮到在成形操作過程中使用了全部潛在塑性變形的一部分，延展性會通過加工硬化而降低。



甚至超過局部材料的拉伸強度的成型操作都將有破裂和斷裂的危險。這是嚴重的材料故障。這種失敗的證據(jù)可以是微觀的，也可能是災(zāi)難性的。



微觀故障很危險，因為它們有被發(fā)現(xiàn)的風險。盡管具有災(zāi)難性故障的零件不明顯，但是它們?nèi)匀粫�造成問題，因為它們會造成工具損壞。由故障或粗糙，故障部分產(chǎn)生的異物可能會造成很大的損害。



隨著拉伸強度的增加，伸長率降低。因此，材料的拉伸強度被認為是所有可延展性的較小壓力。這種考慮是在特定條件下進行的。施加力的脈沖可能會導致延展性和斷裂。



合金選擇有影響



熔煉廠向純金屬添加元素以生產(chǎn)合金。這些合金元素會改變金屬特性，例如耐蝕性和機械性能。例如，將鉻添加到鋼中以形成改善耐腐蝕性的氧化鉻表面層。添加鎳以影響可改變強度的奧氏體結(jié)晶相的形成。合金原子在晶格中占據(jù)空間，從而改變了原子移動的容易程度。另外，它們可以改變晶粒成核和生長的方式，從而改變晶粒邊界的體積。從這些晶體學變化到原子運動的變化會影響延展性。



了解合金元素會影響新合金的發(fā)展。301和305型不銹鋼是延展性實際應(yīng)用的好例子。305型不銹鋼在退火狀態(tài)下的伸長率比301不銹鋼稍大。另外，在與301相同的變形下305的總回火增加較少。這意味著，如果305和301變形相同的量，則305的屈服強度較低，而伸長率較高。在相同變形下，它將以更大的延性開始并結(jié)束。



工作硬化后的延展性是重要的考慮因素。更具體地說，延性會影響較終零件的工作方式。



在一個示例中，如果301和305以相等的尺寸彎曲，則它們較終將具有不同的機械性能。這是因為它們具有不同的延展性，并且以不同的速率進行加工硬化，因此較終得到不同的結(jié)果。在零件尺寸上，假設(shè)305的屈服強度為150,000 PSI，而301的屈服強度為180,000 PSI。如果此尺寸承受的等效載荷為170,000 PSI，則已超出305的屈服強度，但不超過301的屈服強度。這意味著從理論上講305會屈服并因此變形。那將是一個巨大的問題！



深沖試驗延展性極限



深沖是一種極端的變形過程，可以測試延展性的極限。該過程需要在各個方向上具有顯著的延展性。必須相應(yīng)地生產(chǎn)原材料。



必須對經(jīng)過深沖的材料進行適當?shù)睦�伸和熨燙，以促進原子的巨大運動。另外，必須先對原材料進行軋制和退火處理，以小心地保持材料的延展性，從而為深沖做準備。



合金的選擇也至關(guān)重要。當存在更好的合金替代品時，試圖設(shè)計合金的延展性沒有任何意義。同樣，延展性的考慮必須與其他需要的特性（例如耐腐蝕性或磁性）相平衡。



深沖是一種極端的變形過程，可以測試延展性的極限。必須對經(jīng)過深沖的材料進行適當?shù)睦�伸和熨燙，以促進原子的巨大運動。另外，必須先對原材料進行軋制和退火處理，以小心地保持材料的延展性，從而為深沖做準備。



其他成型工藝需要對延性進行不同的考慮。例如，沖壓零件經(jīng)常需要彎曲成較終形狀。塑性變形導致原子****運動。因此，較終零件保持其彎曲構(gòu)造。



必須將金屬小部件彎曲成一定形狀而不破裂，然后必須保持其形狀。這帶來了很多延性問題。首先，必須選擇具有所需延展性的正確合金。



其次，必須建立過程以促進材料的加工硬化。隨著彎曲的發(fā)生，原子會產(chǎn)生缺陷（位錯），這些缺陷會隨著彎曲的進行而堆積。如前所述，這些堆積的缺陷定義了從彎曲處獲得的硬化，從而提高了該區(qū)域的硬度，拉伸強度和屈服強度。這使得彎曲區(qū)域更牢固。



這個考慮很關(guān)鍵，因為折彎的回火直接影響折彎的回彈，因此也影響零件的尺寸控制。盡管硬度和拉伸強度以及屈服強度增加，但是伸長率卻降低了。因此，加工硬化區(qū)域的延展性降低。