金属制造商根据金属的物理特性选择金属来执行功能：不锈钢排气管应防锈；喷嘴中的热交换器必须在苛刻的使用条件下。



显然，金属的行为方式对于功能至关重要。在这些示例中，由于其应用方面的差异，将选择特定的合金。金属制造商必须了解不锈钢的行为，才能成功生产用于工业的不锈钢制品。

延展性定义变形



延展性是制造商要考虑的最重要的金属特性之一。延展性是使材料具有可塑性且不会破裂的能力。



锻造的历史过程涉及将金属锤击成各种形式。诸如叶片之类的形状制造起来相对简单，因为不需要复杂的弯曲。但是，锤击的刀片和形状是一次性的。从某种意义上说，每件作品都是一件独特的艺术品。如今，金属成型者必须重复生产符合规格的不锈钢零件。与锻造不同，进行即时更正的机会更少。



了解其延展性对于成功至关重要。制造商必须是根据它的机械性能的合金，使得最终形式满足所需的物理特性。



金属制造商可以通过观察诸如材料延伸率（如材料认证所示），常见应用和加工硬化率等特性，深入了解合金的延展性。但是延展性发生在原子级。因此，重要的是要看原子级，以全面了解什么是延展性以及延展性对工艺的重要性。



原子行为决定金属的行为



金属的行为不同于其他材料。它们具有塑性变形，保持形状和保持变形强度的能力。这些独特的特性源自金属中原子的类型及其键。原子键本质上决定了电子如何在材料中的原子之间转移或共享。键使原子保持在一起成为相干的材料。



当电子在原子之间自由共享时，金属原子与金属键保持在一起。原子以3D排列，称为有序晶格。



金属键允许原子移动通过晶格。正是这种原子运动定义了塑性变形能力。



变形可能会在压应力或拉应力下发生。这些应力类型定义了所有制造过程。



与未对准的晶界相比，金属原子更容易穿过晶粒块。想象一下，在一条高速公路上行驶时，所有坡道突然比高速公路高出10英尺。要进入下坡道，驾驶员必须将汽车开上10英尺的路。



金属原子在压缩状态下的运动称为延展性，而在张力，延展性方面则称为“延展性”。这两个术语均在可塑性下定义，可塑性表示材料的变形能力而不会破裂。



压印是一种依赖延展性的压缩制造过程。深冲是依赖延展性的拉伸过程。



在这两个过程中，原子都是通过不同的方法移动的，但是都需要原子移动才能起作用。考虑尝试铸造瓷器餐盘。瓷是一种包含共价键而不是金属键的陶瓷。与金属键不同，共价键不能自由共享电子，因此可以防止原子运动。在压力下，由于缺乏原子运动，极板将破碎；它不会塑性变形。因此，金属是用于压印操作的最佳材料。



晶粒和位错因素



金属原子在退火过程中固化成晶体顺序，就像冰晶在冷的表面上生长一样。原子成一定点成核，并随着更多原子的聚集而向外生长。生长部分最终遇到附近的生长成核点。这些组装原子彼此不对齐的界面称为晶界。



不同排列的原子的相关基团称为晶粒。与未对准的晶界相比，金属原子更容易穿过晶粒块。想象一下，在一条高速公路上行驶时，所有坡道突然比高速公路高出10英尺。要进入匝道，驾驶员必须将汽车爬坡10英尺。高速公路和匝道都可能很容易开车，但是从高速公路到达错位的匝道将更加困难，需要更多的能量和不同的条件。



晶格中的晶粒本身包含取向缺陷，称为位错。位错可以在重结晶过程中发生，但主要是通过冷加工产生的。如果施加足够的应力，某些类型的位错将移动。因此，位错的运动是未对准的运动。原子将从错位的一侧滑到另一侧，从而导致明显的位错运动。



脱位本身也可以从该运动中碰撞。就像交通拥堵一样，位错的堆积会阻止位错的进一步运动。



延性是由于原子运动而引起的有效塑性变形的量度。运动受限会限制延展性；因此，位错堆积会导致延展性降低。另外，堆积需要更大的力来移动原子。这种效果称为工作硬化。



导致金属原子在晶格中永久移动的施加应力是屈服强度。堆积导致较高的屈服强度，因为需要更多的力才能移动原子。因此，回火金属具有更高的拉伸强度，屈服强度和硬度。



随着冷加工伸长率降低。这一点很重要，因为伸长率是材料延展性的量度。更具体地说，它是材料在断裂之前可以接受的总塑性变形的量度。考虑到在成形操作过程中使用了全部潜在塑性变形的一部分，延展性会通过加工硬化而降低。



甚至超过局部材料的拉伸强度的成型操作都将有破裂和断裂的危险。这是严重的材料故障。这种失败的证据可以是微观的，也可能是灾难性的。



微观故障很危险，因为它们有被发现的风险。尽管具有灾难性故障的零件不明显，但是它们仍然会造成问题，因为它们会造成工具损坏。由故障或粗糙，故障部分产生的异物可能会造成很大的损害。



随着拉伸强度的增加，伸长率降低。因此，材料的拉伸强度被认为是所有可延展性的最小压力。这种考虑是在特定条件下进行的。施加力的脉冲可能会导致延展性和断裂。



合金选择有影响



熔炼厂向纯金属添加元素以生产合金。这些合金元素会改变金属特性，例如耐蚀性和机械性能。例如，将铬添加到钢中以形成改善耐腐蚀性的氧化铬表面层。添加镍以影响可改变强度的奥氏体结晶相的形成。合金原子在晶格中占据空间，从而改变了原子移动的容易程度。另外，它们可以改变晶粒成核和生长的方式，从而改变晶粒边界的体积。从这些晶体学变化到原子运动的变化会影响延展性。



了解合金元素会影响新合金的发展。301和305型不锈钢是延展性实际应用的好例子。305型不锈钢在退火状态下的伸长率比301不锈钢稍大。另外，在与301相同的变形下305的总回火增加较少。这意味着，如果305和301变形相同的量，则305的屈服强度较低，而伸长率较高。在相同变形下，它将以更大的延性开始并结束。



工作硬化后的延展性是重要的考虑因素。更具体地说，延性会影响最终零件的工作方式。



在一个示例中，如果301和305以相等的尺寸弯曲，则它们最终将具有不同的机械性能。这是因为它们具有不同的延展性，并且以不同的速率进行加工硬化，因此最终得到不同的结果。在零件尺寸上，假设305的屈服强度为150,000 PSI，而301的屈服强度为180,000 PSI。如果此尺寸承受的等效载荷为170,000 PSI，则已超出305的屈服强度，但不超过301的屈服强度。这意味着从理论上讲305会屈服并因此变形。那将是一个巨大的问题！



深冲试验延展性极限



深冲是一种极端的变形过程，可以测试延展性的极限。该过程需要在各个方向上具有显着的延展性。必须相应地生产原材料。



必须对经过深冲的材料进行适当的拉伸和熨烫，以促进原子的巨大运动。另外，必须先对原材料进行轧制和退火处理，以小心地保持材料的延展性，从而为深冲做准备。



合金的选择也至关重要。当存在更好的合金替代品时，试图设计合金的延展性没有任何意义。同样，延展性的考虑必须与其他需要的特性（例如耐腐蚀性或磁性）相平衡。



深冲是一种极端的变形过程，可以测试延展性的极限。必须对经过深冲的材料进行适当的拉伸和熨烫，以促进原子的巨大运动。另外，必须先对原材料进行轧制和退火处理，以小心地保持材料的延展性，从而为深冲做准备。



其他成型工艺需要对延性进行不同的考虑。例如，冲压零件经常需要弯曲成最终形状。塑性变形导致原子永久运动。因此，最终零件保持其弯曲构造。



必须将金属小部件弯曲成一定形状而不破裂，然后必须保持其形状。这带来了很多延性问题。首先，必须选择具有所需延展性的正确合金。



其次，必须建立过程以促进材料的加工硬化。随着弯曲的发生，原子会产生缺陷（位错），这些缺陷会随着弯曲的进行而堆积。如前所述，这些堆积的缺陷定义了从弯曲处获得的硬化，从而提高了该区域的硬度，拉伸强度和屈服强度。这使得弯曲区域更牢固。



这个考虑很关键，因为折弯的回火直接影响折弯的回弹，因此也影响零件的尺寸控制。尽管硬度和拉伸强度以及屈服强度增加，但是伸长率却降低了。因此，加工硬化区域的延展性降低。