Odkształcenie plastyczne – trwała deformacja materiału pod wpływem obciążenia

Wprowadzenie do odkształceń plastycznych

Materiały konstrukcyjne poddawane działaniu sił zewnętrznych ulegają deformacjom. W początkowym etapie obciążania odkształcenia mają charakter sprężysty i zanikają po usunięciu obciążenia. Po przekroczeniu określonej wartości naprężeń materiał zaczyna jednak zmieniać swój kształt w sposób trwały.

Taką nieodwracalną zmianę geometrii nazywa się odkształceniem plastycznym.

Zjawisko odkształcenia plastycznego stanowi podstawę wielu procesów technologicznych, takich jak walcowanie, tłoczenie, kucie czy gięcie metali.

Definicja odkształcenia plastycznego

Odkształcenie plastyczne jest trwałą zmianą wymiarów lub kształtu materiału, która pozostaje po całkowitym usunięciu obciążenia.

W przeciwieństwie do odkształcenia sprężystego:

• nie zanika po odciążeniu,
• powoduje trwałą deformację materiału,
• związane jest ze zmianami struktury wewnętrznej.

Mechanizm powstawania odkształceń plastycznych

W materiałach krystalicznych deformacja plastyczna zachodzi głównie wskutek ruchu dyslokacji w sieci krystalicznej.

Pod wpływem naprężeń:

• atomy zmieniają swoje położenie,
• następuje poślizg płaszczyzn krystalicznych,
• materiał zmienia kształt bez utraty ciągłości.

Zakres sprężysty i plastyczny

Podczas próby rozciągania można wyróżnić dwa podstawowe zakresy pracy materiału.

Zakres sprężysty

$$\sigma \leq R_e$$

Odkształcenia są całkowicie odwracalne.

Zakres plastyczny

$$\sigma > R_e$$

Powstają trwałe deformacje.

Granica plastyczności

Przejście między odkształceniem sprężystym i plastycznym określa:$$R_e$$

czyli granica plastyczności.

Po jej przekroczeniu materiał zaczyna odkształcać się trwale.

Odkształcenie całkowite

Całkowite odkształcenie materiału można przedstawić jako sumę:$$\varepsilon = \varepsilon_s + \varepsilon_p$$​

gdzie:

• $\varepsilon_s$​ – odkształcenie sprężyste,
• $\varepsilon_p$​ – odkształcenie plastyczne.

Charakterystyka odkształceń plastycznych

Odkształcenie plastyczne charakteryzuje się:

• trwałością,
• nieodwracalnością,
• zależnością od historii obciążenia,
• możliwością akumulacji deformacji.

Materiały plastyczne i kruche

Zdolność do odkształceń plastycznych zależy od rodzaju materiału.

Materiały plastyczne

• stale konstrukcyjne,
• aluminium,
• miedź,
• stopy niklu.

Materiały kruche

• szkło,
• ceramika,
• żeliwo szare,
• beton.

Materiały kruche wykazują bardzo małe odkształcenia plastyczne przed zniszczeniem.

Umocnienie materiału

Wraz ze wzrostem odkształcenia plastycznego materiał może zwiększać swoją wytrzymałość.

Zjawisko to określa się jako:$$\text{umocnienie odkształceniowe}$$

Powoduje ono:

• wzrost granicy plastyczności,
• wzrost twardości,
• spadek plastyczności.

Odkształcenie plastyczne a objętość materiału

W wielu metalach podczas deformacji plastycznej przyjmuje się:$$\varepsilon_v \approx 0$$

Oznacza to, że materiał zmienia kształt, zachowując niemal stałą objętość.

Poślizg i bliźniakowanie

Podstawowe mechanizmy odkształcenia plastycznego obejmują:

Poślizg

Przemieszczanie się płaszczyzn krystalicznych względem siebie.

Bliźniakowanie

Symetryczna zmiana orientacji części kryształu.

Wpływ temperatury

Temperatura znacząco wpływa na zdolność materiału do deformacji plastycznej.

Wysoka temperatura

• zwiększa plastyczność,
• obniża granicę plastyczności.

Niska temperatura

• zwiększa kruchość,
• ogranicza zdolność deformacji.

Wpływ prędkości odkształcenia

Wraz ze wzrostem szybkości deformacji:

• rośnie opór materiału,
• zwiększa się granica plastyczności,
• maleje wydłużenie przy zerwaniu.

Odkształcenie plastyczne w procesach technologicznych

Zjawisko to jest wykorzystywane w wielu procesach obróbki plastycznej.

Najważniejsze procesy

Odkształcenia plastyczne w konstrukcjach

W konstrukcjach inżynierskich pojawienie się odkształceń plastycznych może oznaczać:

• przekroczenie stanu użytkowalności,
• utratę pierwotnej geometrii,
• powstawanie uszkodzeń trwałych.

Jednocześnie zdolność do uplastycznienia zwiększa możliwość redystrybucji sił wewnętrznych.

Teoria plastyczności

Opis zachowania materiałów po przekroczeniu granicy plastyczności stanowi przedmiot teorii plastyczności.

W analizach wykorzystuje się między innymi:

• kryterium Treski,
• kryterium Hubera-Misesa-Hencky’ego,
• kryterium Mohr-Coulomba.

Pomiar odkształceń plastycznych

Do oceny deformacji trwałych stosuje się:

• maszyny wytrzymałościowe,
• ekstensometry,
• tensometry,
• optyczne systemy pomiarowe.

Odkształcenie plastyczne w analizie MES

W nowoczesnych analizach numerycznych uwzględnia się:

• uplastycznienie materiału,
• umocnienie odkształceniowe,
• duże deformacje,
• nieliniowość materiałową.

Pozwala to na dokładniejsze odwzorowanie rzeczywistego zachowania konstrukcji.

Znaczenie odkształceń plastycznych w inżynierii

Odkształcenie plastyczne odgrywa kluczową rolę zarówno w procesach technologicznych, jak i w analizie bezpieczeństwa konstrukcji. Zdolność materiału do trwałych deformacji pozwala pochłaniać energię obciążenia i zwiększa odporność na nagłe zniszczenie.

Podsumowanie

Odkształcenie plastyczne jest trwałą zmianą kształtu lub wymiarów materiału powstającą po przekroczeniu granicy plastyczności. W przeciwieństwie do odkształceń sprężystych nie zanika po usunięciu obciążenia i związane jest z nieodwracalnymi zmianami w strukturze materiału.

Zjawisko to ma fundamentalne znaczenie w mechanice materiałów, technologii obróbki plastycznej oraz projektowaniu nowoczesnych konstrukcji inżynierskich.