Ductiliteit begrijpen:waarom het ertoe doet en welke materialen Excel

Ductiliteit is een cruciale eigenschap die het vermogen beschrijft van een materiaal om uitgerekt, getrokken of getrokken te worden tot een dunne draad of draad zonder te breken. Het is een eigenschap die voornamelijk verband houdt met metalen en wordt bepaald door atomaire binding en kristalstructuur.   Metalen met een hoge ductiliteit hebben doorgaans een metaalbinding, waardoor atomen langs elkaar kunnen glijden zonder de structuur te breken. Een hoge ductiliteit is essentieel in toepassingen zoals draden en kabels, terwijl een lage ductiliteit een materiaal bros maakt en sneller breekt voordat het vervormt.

Dit artikel geeft een overzicht van ductiliteit, het belang ervan, hoe ductiliteit kan worden berekend en voorbeelden van ductiele materialen. Het bespreekt ook de factoren die de ductiliteit beïnvloeden, waaronder de chemische samenstelling, korrelgrootte en temperatuur.

Wat is ductiliteit?

Ductiliteit is een fysieke eigenschap van een materiaal die het vermogen beschrijft om uitgerekt, getrokken of getrokken te worden tot een dunne draad of draad zonder te breken. Het is de maatstaf voor hoeveel een materiaal onder spanning kan worden vervormd of uitgerekt voordat het breekt. Ductiliteit is doorgaans een eigenschap die voornamelijk met metalen wordt geassocieerd. Metaalbindingen worden gevormd tussen de atomen in metalen. Dit houdt in dat elektronen van elk atoom vrij door het metalen rooster kunnen stromen. Deze eigenschap zorgt er ook voor dat de atomen van het metaal langs elkaar kunnen glijden, waardoor het metaal kan worden uitgerekt zonder te breken.

De ductiliteit van een metaal wordt bepaald door de kristalstructuur, korrelgrootte en temperatuur, en niet alleen door het aantal elektronen. De meest ductiele metalen zijn metalen met face-centered cubische (FCC) structuren, zoals goud, koper en aluminium.  Over het algemeen zijn de meest ductiele metalen die met een metaalbinding die gemakkelijke atomaire beweging mogelijk maakt. De ductiliteit van een metaal neemt tot een bepaald punt toe met de temperatuur, maar overmatige verhitting kan het materiaal verzwakken of faseveranderingen veroorzaken die de ductiliteit verminderen.

Wat zijn voorbeelden van ductiele materialen?

De meeste metalen, waaronder goud, zilver en koper, zijn uitstekende voorbeelden van ductiele materialen, terwijl niet-metalen over het algemeen niet ductiel zijn. Wolfraam en koolstofstaal zijn echter twee voorbeelden van metalen die niet erg ductiel zijn vanwege hun brosse aard bij kamertemperatuur.

Wat is het meest kneedbare metaal?

De meest ductiele natuurlijke metalen zijn goud, platina en zilver, waarbij goud het meest ductiel is. Ze kunnen alle drie tot fijne draden worden uitgerekt en worden gebruikt voor sieraden en elektrische toepassingen. Koper is een ander extreem ductiel metaal dat vaak wordt gebruikt voor elektrische draden.

Wat betekent hoge taaiheid?

Een materiaal met een hoge mate van ductiliteit zal eerder plastisch vervormen dan breken. Een materiaal met hoge sterkte en ductiliteit zal taaier zijn in vergelijking met een materiaal met lage sterkte en ductiliteit. Broze materialen hebben beperkte rekwaarden, dus hoewel ze sterk zijn, missen ze taaiheid en zijn ze gevoelig voor plotselinge breuken onder stress.

Wat betekent lage ductiliteit?

Een materiaal met een lage ductiliteit is brosser en zal breken of breken met minimale plastische vervorming wanneer het wordt blootgesteld aan een trekkracht.

Hoe bereken je de ductiliteit?

Ductiliteit wordt gerapporteerd als een percentage van de rek (te zien in figuur 1 hieronder) of soms als een percentage van de oppervlaktereductie. De volgende vergelijkingen kunnen worden gebruikt om de ductiliteit te berekenen:

Zowel de percentages rek als het percentage reductie in oppervlakte zijn maatstaven die de ductiliteit van een materiaal aangeven. Het percentage rek is op zichzelf geen absolute maatstaf. De rek is niet uniform en zal het meest extreem zijn ter plaatse van de breuk. De procentuele vermindering van het oppervlak, gemeten bij de smalste doorsnede, is een betere maatstaf voor de ductiliteit.

Wat is ductiliteitstesten?

Het testen op ductiliteit biedt een waardevolle en praktische benadering voor het meten van het vermogen van een monster tot plastische vervorming voordat het breekt. Het kan op een breed scala aan materialen worden gebruikt om te ontdekken waar elk materiaal buigt of breekt. Simpel gezegd is het een meting van hoe ver een monster kan worden uitgerekt voordat het breekt.

Bij het uitvoeren van een ductiliteitsproef (trekproef) wordt een proefstuk onder unidirectionele trekspanning gezet. Het moment waarop het materiaal begint mee te geven, nek of breuk wordt genoteerd. Bij een eenvoudige test kan het monster worden vastgeklemd in een universele testmachine (UTM) of tussen twee aambeelden.

Wat zijn de factoren die de ductiliteit beïnvloeden?

Ductiliteit wordt voornamelijk beïnvloed door drie sleutelfactoren, zoals hieronder besproken:

1. Samenstelling

De samenstelling van een materiaal kan de ductiliteit ervan op verschillende manieren beïnvloeden. Het toevoegen van onzuiverheden of legeringselementen aan een metaal kan bijvoorbeeld de microstructuur ervan veranderen, wat op zijn beurt de ductiliteit ervan kan beïnvloeden. De aanwezigheid van onzuiverheden kan defecten en insluitsels in het materiaal veroorzaken die als spanningsconcentrators kunnen fungeren, wat tot voortijdige breuken kan leiden. Legeringselementen kunnen daarentegen de korrelgrootte, textuur en sterkte van het materiaal veranderen, wat een aanzienlijke invloed kan hebben op de taaiheid ervan.

2. Korrelgrootte

De korrelgrootte beïnvloedt de ductiliteit vanwege het relatieve aantal korrelgrenzen. Kleinere korrelgroottes betekenen een groter aantal korrelgrenzen en een afname van de taaiheid, maar een grotere sterkte en hardheid. Grotere korrelgroottes betekenen minder korrelgrenzen en een toename van de taaiheid, met een afname van sterkte en hardheid.

3. Celstructuur

Een andere belangrijke factor die de ductiliteit van een materiaal beïnvloedt, is de kristallijne structuur. Materialen met een kristallijne structuur, zoals metalen, kunnen afhankelijk van hun samenstelling verschillende kristalstructuren vertonen, wat hun ductiliteit kan beïnvloeden. 

Materialen met een vlak-gecentreerde kubieke (FCC) kristalstructuur, zoals aluminium en koper, zijn bijvoorbeeld ductieler dan materialen met een lichaams-gecentreerde kubieke (BCC) of hexagonale dicht opeengepakte (HCP) kristalstructuur.

Dean McClements

Dean McClements is afgestudeerd aan de B.Eng Honours in Werktuigbouwkunde en heeft meer dan twintig jaar ervaring in de productie-industrie. Zijn professionele carrière omvat belangrijke functies bij toonaangevende bedrijven zoals Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace en Hyster-Yale, waar hij een diep inzicht ontwikkelde in technische processen en innovaties.

Lees meer artikelen van Dean McClements