Plastyczność – zdolność materiału do trwałych odkształceń bez utraty ciągłości

Jedną z najważniejszych właściwości mechanicznych materiałów konstrukcyjnych jest ich zdolność do odkształcania się pod wpływem obciążeń. W praktyce inżynierskiej szczególne znaczenie ma możliwość występowania trwałych deformacji bez natychmiastowego zniszczenia materiału. Właściwość tę określa się mianem plastyczności.

Plastyczność decyduje o zachowaniu materiału po przekroczeniu granicy sprężystości i odgrywa kluczową rolę w projektowaniu konstrukcji, procesach obróbki plastycznej oraz analizie bezpieczeństwa elementów maszyn i budowli.

Definicja plastyczności

Plastyczność jest właściwością materiału polegającą na zdolności do trwałego odkształcania się pod wpływem działania obciążeń bez utraty spójności i ciągłości materiału.

Po usunięciu obciążenia:

• część odkształcenia sprężystego zanika,
• odkształcenie plastyczne pozostaje trwałe.

Materiały o wysokiej plastyczności mogą ulegać znacznym deformacjom przed zniszczeniem.

Mechanizm plastyczności

W materiałach krystalicznych plastyczność związana jest głównie z ruchem dyslokacji w sieci krystalicznej.

Pod wpływem naprężeń dochodzi do:

• poślizgu płaszczyzn krystalicznych,
• przemieszczania dyslokacji,
• trwałej zmiany położenia atomów.

Proces ten zachodzi bez naruszenia ciągłości materiału.

Plastyczność a sprężystość

Sprężystość i plastyczność opisują dwa różne sposoby zachowania materiału pod obciążeniem.

Granica plastyczności

Przejście od zachowania sprężystego do plastycznego następuje po osiągnięciu:$$R_e$$

czyli granicy plastyczności.

Po jej przekroczeniu materiał zaczyna odkształcać się trwale.

Miary plastyczności

Plastyczność materiałów ocenia się najczęściej na podstawie wyników próby rozciągania.

Wydłużenie względne

$$A = \frac{L_u-L_0}{L_0} \cdot 100\%$$

gdzie:

• $L_0$​ – długość początkowa próbki,
• $L_u$ – długość po zerwaniu.

Przewężenie względne

$$Z= \frac{S_0-S_u}{S_0} \cdot 100\%$$

gdzie:

• $S_0$​ – początkowe pole przekroju,
• $S_u$​ – pole przekroju po zerwaniu.

Charakterystyka materiałów plastycznych

Materiały plastyczne cechują się:

• dużą zdolnością deformacji,
• znacznym wydłużeniem przed zerwaniem,
• możliwością redystrybucji naprężeń,
• wysoką zdolnością pochłaniania energii.

Materiały o dużej plastyczności

Do najbardziej plastycznych materiałów należą:

Materiały o małej plastyczności

Niską plastycznością charakteryzują się:

• żeliwo,
• szkło,
• ceramika,
• beton,
• stale wysokowęglowe po hartowaniu.

Materiały te często określa się jako kruche.

Plastyczność a ciągliwość

Pojęcia plastyczności i ciągliwości są ze sobą związane, lecz nie są tożsame.

Ciągliwość

Oznacza zdolność do odkształceń podczas rozciągania.

Plastyczność

Jest pojęciem szerszym i obejmuje różne rodzaje trwałych deformacji.

Plastyczność a kowalność

Kowalność określa zdolność materiału do odkształceń podczas ściskania.

Materiały o wysokiej plastyczności zwykle wykazują również dobrą kowalność.

Wpływ temperatury na plastyczność

Temperatura ma bardzo istotny wpływ na zdolność materiału do deformacji.

Wzrost temperatury

Powoduje:

• zwiększenie plastyczności,
• zmniejszenie wytrzymałości,
• łatwiejszy ruch dyslokacji.

Obniżenie temperatury

Prowadzi do:

• wzrostu kruchości,
• ograniczenia deformacji plastycznych.

Wpływ struktury materiału

Na plastyczność wpływają:

• wielkość ziaren,
• skład chemiczny,
• obecność domieszek,
• obróbka cieplna.

Drobnoziarnista struktura zwykle zwiększa plastyczność materiału.

Umocnienie odkształceniowe

Podczas deformacji plastycznej może występować:$$\text{umocnienie odkształceniowe}$$

Powoduje ono:

• wzrost wytrzymałości,
• wzrost twardości,
• spadek dalszej plastyczności.

Plastyczność w obróbce metali

Plastyczność stanowi podstawę procesów technologicznych takich jak:

• walcowanie,
• kucie,
• tłoczenie,
• gięcie,
• ciągnienie.

Bez odpowiedniej plastyczności wykonanie tych procesów byłoby niemożliwe.

Znaczenie plastyczności w konstrukcjach

Materiały plastyczne są szczególnie cenione w budownictwie i mechanice, ponieważ przed zniszczeniem wykazują widoczne deformacje ostrzegawcze.

Pozwala to:

• wykryć przeciążenie konstrukcji,
• uniknąć nagłego zniszczenia,
• zwiększyć bezpieczeństwo użytkowania.

Plastyczność a pochłanianie energii

Materiały plastyczne potrafią absorbować znaczną ilość energii podczas deformacji.

Ma to ogromne znaczenie w:

• konstrukcjach sejsmicznych,
• przemyśle motoryzacyjnym,
• konstrukcjach mostowych,
• elementach bezpieczeństwa.

Plastyczność w teorii wytrzymałości

Zjawisko plastyczności opisują między innymi:

• teoria plastyczności,
• kryterium Treski,
• kryterium Hubera–Misesa–Hencky’ego,
• teoria przepływu plastycznego.

Modele te pozwalają przewidywać zachowanie materiałów po przekroczeniu granicy plastyczności.

Plastyczność w analizie MES

W nowoczesnych analizach numerycznych uwzględnia się:

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

Pozwala to dokładniej odwzorować rzeczywistą pracę konstrukcji.

Znaczenie inżynierskie

Plastyczność należy do najważniejszych właściwości materiałów konstrukcyjnych. Wpływa na bezpieczeństwo, trwałość oraz możliwości technologiczne materiału. Odpowiedni poziom plastyczności pozwala konstrukcjom przenosić przeciążenia bez nagłego zniszczenia i umożliwia realizację wielu procesów produkcyjnych.

Podsumowanie

Plastyczność jest zdolnością materiału do trwałych odkształceń bez utraty ciągłości po przekroczeniu granicy sprężystości. Właściwość ta wynika z procesów zachodzących w strukturze materiału i stanowi podstawę większości metod obróbki plastycznej metali.

W inżynierii plastyczność odgrywa kluczową rolę zarówno podczas projektowania konstrukcji, jak i w procesach technologicznych związanych z kształtowaniem materiałów.