Jednym z parametrów wyznaczających trwałość produktu lub materiału jest granica plastyczności stali. Ten parametr mierzony jest dla specjalnie przygotowanych próbek z karbem. Oddziałuje się na nią siłami rozciągającymi, obserwując zmiany w strukturze. W jakiej sytuacji można mówić o przekroczeniu granicy plastyczności i co się dzieje w takiej sytuacji?
Co to jest granica plastyczności stali?
Dokumentacja materiałowa zawiera wiele parametrów, które określają cechy wytrzymałościowe produktu. Jednym z często wymienianych jest granica plastyczności stali, ale dotyczy też innych materiałów. Ma ona ogromne znaczenie dla trwałości produktów i materiałów. W jaki sposób można zdefiniować ten parametr?
Działając na konkretną próbkę materiału pewną siłą, można zauważyć, że element nieznacznie się odkształca. Wewnątrz materiału dochodzi do rozciągnięcia struktury, a przy niewielkim obciążeniu zmiany są odwracalne i wraz z odjęciem siły materiał wraca do swojego naturalnego stanu. Jeśli jednak siła będzie zbyt duża, struktura materiału ulegnie zmianom nieodwracalnym, które nie cofną się nawet po odjęciu obciążenia. Wówczas mówi się, że materiał przekroczył granicę plastyczności.
Granicę plastyczności stali [Re] oblicza się przez podzielenie wartości siły naciskającej na próbkę [Fe], przez pole jej przekroju [So]. Wyróżnia się górną granicę plastyczności [ReH], czyli moment, w którym występuje maksymalne obciążenie, a jeszcze nie jest widoczny spadek siły. Drugim parametrem jest dolna granica plastyczności [ReL] czyli najmniejsza siła, która zaczyna wywoływać efekt zmian struktury materiału. Dla materiałów kruchych wyznaczana jest też umowna granica plastyczności [R0,2].
Jak bada się granicę plastyczności stali?
Badanie granicy plastyczności stali wykonuje się kilkoma metodami, jednak zawsze ich mechanika jest podobna. Do wykonania badania potrzebna jest specjalnie przygotowana próbka o okrągłej średnicy i z szerszymi wypustami na brzegach. Próbka umieszczana jest pomiędzy zaczepami, które rozciągają je w odwrotnych kierunkach. Stopniowo zwiększając siłę rozciągania, można zauważyć zmiany średnicy próbki.
Przekroczenie granicy plastyczności – co się dzieje?
Oddziaływanie znaczną siłą na konkretne materiały prowadzi wreszcie do zmiany ich struktury wewnętrznej. Czasem zmiany są widoczne dopiero pod mikroskopem po przecięciu próbki, jednak to już świadczy o osłabieniu elementu. Granica plastyczności stali to parametr, który pokazuje, kiedy pojawiają się nieodwracalne zmiany w strukturze.
Co oznaczają nieodwracalne zmiany? W wyniku działania siłą pojedynczy element krystalicznej struktury przemieszcza się względem pozostałych. Jednocześnie przez cały czas spójność materiału pozostaje utrzymana. Na powierzchni nie ma widocznych pęknięć, spiętrzeń, a także żadnych innych wyraźnych zmian. Z kolei w strukturze pojawiają się odkształcenia sprężyste, które prowadzą do rozciągnięcia próbki.
Granica plastyczności stali w porównaniu do czystego metalu
Podczas badań granicy plastyczności zauważono, że stal z dodatkiem węgla i innych pierwiastków, ma wyższy parametr granicy plastyczności, niż czyste metale. Szczególnie stal nierdzewna i niskostopowa wytrzymują dużo wyższe obciążenia od czystych metali. Dlaczego tak się dzieje?
Struktura metali jest jednorodna i w czasie badania pojedyncze łańcuchy ślizgają się po sobie i wypiętrzają. Z kolei dodatki innych pierwiastków w pewnym sensie zanieczyszczają strukturę materiału i stwarzają opór dla wiązań. Ponadto w wyniku prac metalurgicznych łańcuchy wiązań splatają się ze sobą, co dodatkowo utrudnia poruszanie się ich względem siebie.
Dlaczego granica plastyczności ma duże znaczenie dla konstrukcji stalowych?
Granica plastyczności stali jest jednym z bardzo istotnych parametrów obliczanych głównie dla materiałów konstrukcyjnych. W większości konstrukcji rodzaj i grubość stali są dobierane w taki sposób, żeby nie przekroczyć tego parametru. Dlaczego ta granica jest taka ważna?
Przede wszystkim po uzyskaniu granicy zmienia się nieodwracalnie struktura materiału, co przekłada się na jego pozostałe parametry robocze. Po przekroczeniu granicy plastyczności stali materiał będzie osłabiony i mniej odporny choćby na obciążenia zmienne.
Drugim czynnikiem jest nagły spadek parametrów badanej próbki. Przy badaniu wielu materiałów naukowcy zauważyli, że jeśli po przekroczeniu granicy plastyczności siła będzie nadal oddziaływała na materiał, kolejne zmiany nastąpią bardzo szybko. Jeśli dodatkowo nieznacznie dołożymy obciążenie, wykres zacznie pikować w dół. Potwierdza to, że po przekroczeniu granicy plastyczności następuje wyraźny przyrost odkształceń i parametry materiału nieodwracalnie się pogarszają.
Granica plastyczności stali jest parametrem bardzo ważnym dla jakości i wytrzymałości produktów. Próbki materiałów warto poddawać co pewien czas badaniu, w celu utrzymania jakości produkcji.
