Granica plastyczności – kluczowy parametr materiałów
Granica plastyczności to fundamentalna właściwość mechaniczna materiałów. Określa moment, w którym materiał zaczyna trwale się odkształcać. Zrozumienie tego parametru jest niezbędne w inżynierii i budownictwie.
Czym dokładnie jest granica plastyczności?
Granica plastyczności to wartość naprężenia. Przy tym naprężeniu materiał przechodzi ze stanu sprężystego. Zaczyna zachowywać się plastycznie. Jest to kluczowe kryterium oceny wytrzymałości materiału. Granicę plastyczności uznaje się za jedno z tych kryteriów. Materiał powyżej tej granicy nie wraca do pierwotnego kształtu. Odkształcenia stają się trwałe. Granica plastyczności to największe naprężenie. Materiał może je wytrzymać bez trwałego odkształcenia. Czasami myli się ją z granicą sprężystości. Jednak granica plastyczności jest zazwyczaj nieco wyższa.
Granica plastyczności jest podstawowym parametrem projektowym w inżynierii materiałowej i mechanice konstrukcji.
Wielkość krytycznego naprężenia definiuje granicę plastyczności. Przy tym naprężeniu materiał odkształca się. Nie wymaga to zwiększania obciążenia. Ma to kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa materiału. Wpływa też na jego żywotność. Określa wydajność pod obciążeniem. Projektanci muszą znać tę wartość. Umożliwia to bezpieczne projektowanie konstrukcji.
Rodzaje granicy plastyczności
W zależności od materiału wyróżniamy różne rodzaje granicy plastyczności. Nie każdy materiał ma takie samo zachowanie. Dla niektórych metali występuje wyraźna granica. Dotyczy to głównie niskowęglowych stali konstrukcyjnych. Inne materiały nie wykazują wyraźnego przejścia.
Wyraźna granica plastyczności (Re)
Wyraźna granica plastyczności pojawia się nagle. Występuje spadek naprężenia. Po nim następuje płynięcie materiału. Wyróżnia się górną (ReH) i dolną (ReL) granicę. Górna granica to maksymalne naprężenie. Występuje ono przed rozpoczęciem plastycznego odkształcenia. Dolna granica oznacza stabilne naprężenie. Przy nim stal odkształca się trwale.
Umowna granica plastyczności (Rp)
Umowna granica plastyczności stosowana jest często. Dotyczy materiałów bez wyraźnego przejścia. Wyznacza się ją przy określonym trwałym odkształceniu. Najczęściej stosuje się wartość 0,2%. Oznacza to naprężenie, przy którym trwałe odkształcenie osiąga wartość 0,2% długości początkowej próbki. Jest to 0,002 w skali względnej. Oznaczamy ją jako Rp0,2.
Krzywa naprężenie-odkształcenie i granica plastyczności
Krzywa naprężenie-odkształcenie to graf. Pokazuje zależność naprężenia od odkształcenia. Naprężenie nominalne to siła podzielona przez początkowy przekrój próbki (σ = F / S0). Wydłużenie nominalne to zmiana długości podzielona przez długość początkową (ε = Δl / l0). Na krzywej widać różne etapy zachowania materiału. Początkowy prostoliniowy odcinek to zakres sprężysty. Nachylenie tego odcinka to moduł sprężystości wzdłużnej (E). Za tym odcinkiem pojawia się granica plastyczności. Powyżej niej materiał zaczyna płynąć. W dalszym etapie naprężenie rośnie. Osiąga maksymalną wartość. To wytrzymałość na rozciąganie (Rm). Następnie następuje przewężenie. Materiał w końcu się zrywa. To naprężenie zrywające (Ru). Umowna granica sprężystości to R0,05%. Granica proporcjonalności to RH. Granica sprężystości to Rsp.
Jak wyznacza się granicę plastyczności?
Granicę plastyczności wyznacza się w badaniach laboratoryjnych. Podstawową metodą jest statyczna próba rozciągania. Badanie to jest fundamentalne dla materiałów konstrukcyjnych. Polega na osiowym rozciąganiu próbki. Próbka jest znormalizowana. Badanie przeprowadza się ze stałą szybkością. Odbywa się w temperaturze pokojowej (10–35 °C). Próbką jest pręt. Ma przekrój okrągły, prostokątny, kwadratowy lub sześciokątny. Musi być odpowiednio przygotowany.
Próbę przeprowadza się na zrywarce. To specjalne urządzenie. W czasie próby rejestruje się zależność siły. Siła rozciągająca zmienia się. Rejestruje się też przyrost długości próbki. Do pomiaru wydłużenia używa się ekstensometru. Model Micron to przykład takiego urządzenia. Normy regulują wykonanie próby. Przykładem jest PN-EN ISO 6892-1 dla metali. Norma ASTM E8/E8M to standard amerykański. Normy JIS i GB są stosowane w innych regionach.
Ważne jest odpowiednie przygotowanie do badania.
- Dobierz odpowiednią skalę urządzenia. Skala musi pasować do badanych próbek.
- Stosuj odpowiednie mocowania. Zapewniają one prawidłowe obciążenie.
- Używaj czujników. Muszą mieć odpowiednią klasę dokładności.
Statyczna próba rozciągania pozwala wyznaczyć wiele parametrów. Obejmują one granicę plastyczności. Wyznaczana jest też wytrzymałość na rozciąganie. Określa się wydłużenie procentowe po zerwaniu (A). Mierzy się przewężenie procentowe (Z). Wyznacza się moduł sprężystości wzdłużnej (E). Można też określić liczbę Poissona (ν).
Granica plastyczności stali
Granica plastyczności stali jest kluczowa. Zależy od składu chemicznego stali. Właściwości metalu zależą od sieci krystalicznej. Ta zależy od zawartości węgla. Niska zawartość węgla sprzyja spawaniu stopów. Dodatki stopowe wpływają na granicę plastyczności. Mangan i krzem są typowymi dodatkami. Mangan zwykle nie przekracza 0,8%. Krzem nie przekracza 0,38%. Siarka i fosfor są zanieczyszczeniami. Mają negatywny wpływ. Prawidłowe limity fosforu to 0,025 do 0,044%. Azot i tlen też wpływają na właściwości. Specjalne pierwiastki stopowe to wolfram, molibden, nikiel, chrom, tytan, wanad. Zwiększają one wytrzymałość.
Granica plastyczności stali różni się znacznie. Zależy od gatunku stali i obróbki. Obróbka cieplna i mechaniczna zmieniają właściwości. Dla stali niskowęglowej granica plastyczności wynosi 180-250 MPa. Stale austenityczne mają granicę 200-250 MPa. Stal S235 ma granicę 235 MPa. Stal S355 ma granicę 355 MPa. Stal zbrojeniowa B500B ma granicę 500 MPa. Stal duplex osiąga 550 MPa. Stale wysokowytrzymałościowe mają granicę 500-1000 MPa. Stale sprężynowe osiągają 800-1200 MPa. Wytrzymałość na rozciąganie stali ST.3 wynosi 4-5 tysięcy kg/cm². Dla stali o wysokiej wytrzymałości obciążenia dochodzą do 17 500 kg/cm². Granica plastyczności stali jest około 5% wyższa niż granica elastyczności.
Aby konstrukcje były bezpieczne, trzeba znać tę wartość. Dotyczy to stali poddanej głównemu obciążeniu. Zaleca się przeprowadzenie testu rozciągania. Wykonuje się go w warunkach laboratoryjnych. Zwróć uwagę na skład chemiczny stali. Jest to ważne przy wyborze materiału.
| Gatunek Stali | Przykładowa Granica Plastyczności |
|---|---|
| Niskowęglowa | 180-250 MPa |
| Austenityczna | 200-250 MPa |
| S235 | 235 MPa |
| S355 | 355 MPa |
| Zbrojeniowa B500B | 500 MPa |
| Duplex | 550 MPa |
| Wysokowytrzymałościowa | 500-1000 MPa |
| Sprężynowa | 800-1200 MPa |
Znaczenie granicy plastyczności w inżynierii
Znajomość granicy plastyczności jest niezbędna w projektowaniu. Umożliwia inżynierom projektowanie konstrukcji. Konstrukcje te mogą wytrzymać oczekiwane obciążenia. Nie ulegają trwałemu odkształceniu. W konstrukcjach nośnych dobiera się naprężenia robocze. Są one ułamkiem granicy plastyczności. Stosuje się odpowiednie współczynniki bezpieczeństwa. Dzięki temu unika się katastrof budowlanych. Zapewnia się długą żywotność konstrukcji.
Inżynierowie muszą wybrać materiały. Muszą mieć akceptowalną granicę plastyczności. Wybór zależy od konkretnych zastosowań. Wysoka granica plastyczności jest pożądana. Dotyczy to elementów pod dużym obciążeniem. Niska granica plastyczności może być akceptowalna. Dotyczy to mniej krytycznych zastosowań. Testy twardości pomagają ocenić materiał. Testy Brinella i Rockwella są przykładami. Granica plastyczności ma zastosowanie w wielu branżach. Dotyczy inżynierii strukturalnej. Jest ważna w przemyśle motoryzacyjnym. Stosuje się ją w inżynierii lotniczej. Wykorzystuje się ją w produkcji i elektronice.
Granica plastyczności w badaniach gruntów
Granica plastyczności dotyczy nie tylko metali. Ma znaczenie także w geotechnice. Stopień plastyczności gruntu ocenia jego konsystencję. Dotyczy to gruntów spoistych. Badania stopnia plastyczności gruntu są przydatne. Stosuje się je w budownictwie. Są też ważne w rolnictwie. Stopień plastyczności gruntu wyznacza się. Służy do tego badanie jego wilgotności. Metoda wałeczkowania jest jedną z technik. Metoda Casagrande to inna popularna metoda. Badania związane z konsystencją gruntów to podstawowe badania geotechniczne. Grupa gruntów zależy od zawartości koloidalnej. Stopnie aktywności gruntów obejmują grunty nieaktywne. Są też grunty przeciętnie aktywne. Wyróżnia się grunty aktywne i bardzo aktywne.
Gdzie wykonać badania granicy plastyczności?
Badania wytrzymałościowe wykonują specjalistyczne laboratoria. Laboratorium firmy Technolutions oferuje takie usługi. Prowadzą usługi badawcze. Wykonują badania wytrzymałości materiałów. Obejmuje to metale, tworzywa sztuczne i ceramikę. Laboratorium posiada akredytację PCA – AP 207. Świadczy usługi wzorcowania zgodnie z tą akredytacją. Zakres badań obejmuje statyczną próbę rozciągania. Wykonują też statyczną próbę odporności na ściskanie. Przeprowadzają zginanie trójpunktowe. Wykonują próby zmęczeniowe. Używają nowoczesnych maszyn wytrzymałościowych. Przykłady to Quasar 2.5 kN i Quasar 25. Stosują ekstensometr model Micron. Laboratorium prowadzi także szkolenia. Wykonuje prace badawczo-rozwojowe.
Laboratoria geotechniczne badają grunty. Firma GeoOptima z Poznania zajmuje się geologią i geotechniką. Wykonują badania związane z konsystencją gruntów. Ich siedziba mieści się przy ul. Szarych Szeregów 25, 60-462 Poznań.
Najczęściej zadawane pytania o granicę plastyczności
Czym różni się granica plastyczności od granicy sprężystości?
Granica sprężystości to naprężenie. Materiał wraca do pierwotnego kształtu po odciążeniu. Granica plastyczności to naprężenie. Powyżej niego odkształcenia stają się trwałe. Granica plastyczności jest zazwyczaj nieco wyższa.
Co oznacza Rp0,2?
Rp0,2 to umowna granica plastyczności. Oznacza naprężenie. Przy tym naprężeniu trwałe odkształcenie wynosi 0,2% początkowej długości próbki.
Dlaczego granica plastyczności jest ważna w budownictwie?
Jest ważna dla bezpieczeństwa konstrukcji. Pozwala projektować elementy. Wytrzymają one obciążenia bez trwałego odkształcenia. Stosuje się ją do obliczeń wytrzymałościowych.
Jakie czynniki wpływają na granicę plastyczności stali?
Wpływa na nią skład chemiczny. Ważna jest zawartość węgla i dodatków stopowych. Wpływa też obróbka cieplna. Obróbka mechaniczna również ma znaczenie. Struktura ziarna materiału jest istotna.
Czy granica plastyczności dotyczy tylko metali?
Nie, termin ten ma szersze zastosowanie. Używa się go też do opisu zachowania innych materiałów. Przykładem są grunty spoiste. Określa się dla nich stopień plastyczności.