شکل پذیری Ductility

شکل پذیری (Ductility) یکی از مهم‌ترین خواص مکانیکی مواد است که به توانایی یک ماده در تحمل تغییر شکل پلاستیک تحت اعمال تنش بدون وقوع شکست اطلاق می‌شود. این خاصیت به طور مستقیم با رفتار ماده در ناحیه پلاستیک منحنی تنش-کرنش مرتبط است و معمولاً به صورت درصد تغییر طول نسبی (ΔL/L₀​) یا کاهش سطح مقطع نسبی (ΔA/A₀​) در هنگام شکست اندازه‌گیری می‌شود.

تئوری و مفهوم شکل پذیری

شکل پذیری (Ductility) توانایی یک ماده برای تغییر شکل دائمی بدون شکست است. این خاصیت امکان تبدیل مواد به اشکال مختلف، مانند ورق، میله یا لوله، را فراهم می‌کند. در فرآیندهای صنعتی مانند نورد، کشیدن مفتول و اکستروژن، شکل‌پذیری یک شاخص حیاتی محسوب می‌شود.

رفتار مکانیکی مرتبط با شکل پذیری

ناحیه پلاستیک:
ماده پس از عبور از حد تسلیم (σ_y​) وارد ناحیه پلاستیک می‌شود و تغییر شکل دائمی اتفاق می‌افتد. میزان شکل‌پذیری به مساحت زیر منحنی تنش-کرنش وابسته است.

ناحیه الاستیک:
در این ناحیه ماده پس از حذف تنش به حالت اولیه بازمی‌گردد. رفتار ماده در این بخش مطابق قانون هوک است:
$$\sigma=E⋅\epsilon$$
که σ تنش، E مدول یانگ و ϵ کرنش است.

رفتار مکانیکی مواد با شکل پذیری مختلف

• مواد شکل‌پذیر (Ductile Materials):
  • نظیر فولادهای کم‌کربن، آلومینیوم، و مس.
  • دارای شکست نرم (Ductile Fracture) هستند که در آن یک تغییر شکل زیاد همراه با گرد شدن سطح شکست (Necking) مشاهده می‌شود.
• مواد شکننده (Brittle Materials):
  • نظیر سرامیک‌ها، شیشه، و چدن.
  • رفتار شکست ترد (Brittle Fracture) دارند که در آن تغییر شکل کم و انتشار سریع ترک‌ها بدون هشدار قبلی رخ می‌دهد.

برای مثال، سرامیک ها، شکل پذیری بسیار پایین دارند یا تقریباً صفر است، زیرا پیوندهای یونی و کووالانسی در آن‌ها بسیار قوی هستند و لغزش نابجایی رخ نمی‌دهد. رفتار پلیمرها وابسته به دما و سرعت بارگذاری است؛ در دماهای بالا، پلیمرها بسیار Ductile می‌شوند. در دماهای پایین یا بارگذاری سریع، پلیمرها رفتار شکننده نشان می‌دهند.

شاخص‌های اندازه‌گیری شکل پذیری

1. درصد ازدیاد طول یا کرنش شکست (Elongation یا ϵ_f​). تغییر طول نمونه پس از شکست نسبت به طول اولیه.
   $$\epsilon_f=\frac{L_f-L_0}{L_0}\times100$$
2. کاهش سطح مقطع (Reduction in Area یا R_A​).کاهش مساحت مقطع نمونه پس از شکست نسبت به مقطع اولیه.
   $$R_A=\frac{A_0-A_f}{A_0}\times100$$

عوامل مؤثر بر شکل پذیری

• ساختار کریستالی:
  • فلزاتی با ساختار FCC (مانند آلومینیوم، مس، طلا): Ductility بالایی دارند به دلیل تعداد زیاد صفحات لغزش.
  • فلزات با ساختار BCC (مانند آهن در دمای پایین): معمولاً Ductility کمتری دارند به دلیل فعال‌بودن کمتر صفحات لغزش.
  • فلزات با ساختار HCP (مانند منیزیم و تیتانیوم و روی): معمولاً کم‌ترین Ductility را دارند به دلیل محدودیت صفحات لغزش.
• ترکیب شیمیایی:
  • عناصر آلیاژی می‌توانند Ductility را کاهش دهند (افزایش سختی) یا افزایش دهند (کاهش تنش تسلیم).آلیاژها معمولاً شکل پذیری کمتری نسبت به فلزات خالص دارند.
  • حضور عیوب و فازهای سخت در آلیاژ می‌تواند مانع حرکت نابجایی‌ها و کاهش Ductility شود.
  • برای مثال افزایش کربن در فولاد شکل پذیری را کاهش می‌دهد.
• دما: شکل‌پذیری مواد در دماهای بالا افزایش می‌یابد. در دماهای بالاتر، اتم‌ها انرژی بیشتری دارند و جابه‌جایی نابجایی‌ها آسان‌تر است.
• اندازه دانه‌ها:
  • دانه‌های ریزتر معمولاً باعث کاهش Ductility می‌شوند زیرا مرزدانه‌ها حرکت نابجایی‌ها را محدود می‌کنند.
  • دانه‌های بزرگ‌تر معمولاً Ductility را افزایش می‌دهند، اما ممکن است استحکام کاهش یابد.
• سرعت بارگذاری: افزایش سرعت بارگذاری می‌تواند شکل‌پذیری را کاهش دهد.

روش تست خاصیت شکل پذیری

الف) تست کشش (Tensile Test)

1. نمونه‌ها مطابق استاندارد ASTM E8 با طول گیج 50 میلی‌متر و قطر 10 میلی‌متر آماده شدند.
2. نیروی کششی با سرعت ثابت به نمونه‌ها اعمال شد تا شکست رخ دهد.
3. طول نمونه پس از شکست اندازه‌گیری و درصد ازدیاد طول (%EL) محاسبه شد.

ب) تست خمش (Bend Test)

1. نمونه‌ها در دستگاه تست خمش سه‌نقطه‌ای قرار گرفتند.
2. نیروی فشاری به وسط نمونه وارد شد و زاویه خمش تا شکست ثبت گردید.
3. نمونه‌ها از نظر ترک‌های سطحی بررسی شدند.

ج) بررسی میکروسکوپی

1. نمونه‌های آزمایش‌شده پولیش و اچ شدند.
2. تأثیر اندازه دانه‌ها و حضور فازهای مختلف بر شکل‌پذیری تحلیل شد.

نتایج تست

داده‌های شکل پذیری

تحلیل ریزساختار

• فولاد ST37 دارای دانه‌های بزرگ‌تر و ساختار فریتی بود که شکل پذیری را افزایش داد.
• فولاد AISI 1080 با ساختار پرلیت و کاربیدهای فراوان، شکل‌پذیری پایین‌تری داشت.
• آلیاژ 6061 با ساختار FCC و توزیع یکنواخت عناصر آلیاژی بالاترین شکل‌پذیری را نشان داد.

تحلیل نتایج

1. ST37:شکل‌پذیری بالا و رفتار الاستیک مناسب، این فولاد را برای کاربردهای نوردکاری و تولید ورق‌های ساختمانی ایده‌آل می‌کند.
2. AISI 1080:به دلیل استحکام بالا و شکل‌پذیری محدود، در قطعاتی مانند ابزارهای برشی استفاده می‌شود.
3. آلومینیوم 6061:انعطاف‌پذیری عالی در کنار مقاومت به خوردگی، این آلیاژ را برای کاربردهای پیچیده صنعتی مناسب می‌سازد.

شکل پذیری یکی از ویژگی‌های کلیدی در طراحی قطعات مهندسی و فرآوری مواد است. این خاصیت تعیین‌کننده قابلیت مواد برای تغییر شکل به اشکال مختلف بدون شکست است. داده‌های این مطالعه نشان می‌دهند که:

فولاد پرکربن AISI 1080 در قطعات با استحکام بالا، اما نیاز به تغییر شکل کم، بهترین عملکرد را دارد.

فولاد ST37 برای فرآیندهای فرم‌دهی و نورد مناسب است.

آلومینیوم 6061 به دلیل شکل‌پذیری بالا و وزن کم، در هوافضا و خودروسازی کاربرد دارد.

تأثیر دما

شکل‌پذیری در دماهای بالا به‌دلیل افزایش تحرک نابجایی‌ها و کاهش تنش تسلیم بهبود یافت.

رابطه شکل پذیری با سایر خواص مکانیکی

• سختی (Hardness): رابطه معکوس با شکل‌پذیری دارد. افزایش استحکام ماده (مانند فولادهای با استحکام بالا) ممکن است منجر به کاهش شکل‌پذیری شود، زیرا حرکت نابجایی‌ها در مواد با استحکام بالا دشوارتر است.
• چقرمگی (Toughness): موادی با شکل‌پذیری بالا معمولاً چقرمگی بالاتری دارند.
• استحکام کششی (Tensile Strength): شکل‌پذیری و استحکام کششی معمولاً باید در طراحی قطعات به تعادل برسند.