Materiał plastyczny

Materiał plastyczny to materiał, który pod wpływem działania sił zewnętrznych może ulegać trwałym odkształceniom, czyli takim, które nie zanikają po usunięciu obciążenia. Oznacza to, że po przekroczeniu określonego poziomu naprężeń materiał nie wraca już całkowicie do swojego pierwotnego kształtu. Właśnie ta zdolność do trwałej zmiany geometrii odróżnia materiały plastyczne od materiałów idealnie sprężystych.

W praktyce inżynierskiej materiały plastyczne cenione są za możliwość kontrolowanego formowania i za stosunkowo bezpieczny sposób pracy pod obciążeniem. Zanim dojdzie do zniszczenia, materiał plastyczny zwykle daje wyraźne oznaki przeciążenia, np. poprzez lokalne przewężenie, trwałe ugięcie lub wzrost odkształceń. Dzięki temu jest łatwiejszy do przewidywania w projektowaniu niż materiał kruchy, który często pęka nagle i bez wcześniejszych objawów.

Spis treści

Czym jest materiał plastyczny?

Materiał plastyczny to taki materiał, który po przekroczeniu granicy sprężystości wykazuje zdolność do dużych, trwałych deformacji bez natychmiastowego zniszczenia. W przeciwieństwie do materiałów kruchych może on znacznie się rozciągać, zginać albo ściskać, zachowując ciągłość struktury przez dłuższy czas.

Do najważniejszych cech materiałów plastycznych należą:

zdolność do trwałego odkształcania po przekroczeniu granicy plastyczności,
możliwość pochłaniania dużej ilości energii przed zniszczeniem,
większa odporność na nagłe pękanie niż w przypadku materiałów kruchych,
przydatność w procesach obróbki plastycznej i formowania.

Do grupy materiałów plastycznych zalicza się przede wszystkim wiele metali i ich stopów, np. stal niskowęglową, aluminium, miedź czy niektóre stale konstrukcyjne stosowane w przemyśle.

Jak zachowuje się materiał plastyczny pod obciążeniem?

Z punktu widzenia mechaniki materiałów zachowanie materiału plastycznego można podzielić na dwa podstawowe zakresy pracy. W pierwszym z nich materiał zachowuje się sprężyście, czyli po usunięciu obciążenia wraca do pierwotnego kształtu. Po przekroczeniu określonej wartości naprężenia, zwanej granicą plastyczności, rozpoczyna się zakres odkształceń trwałych.

W praktyce oznacza to, że materiał plastyczny:

najpierw odkształca się sprężyście,
po osiągnięciu granicy plastyczności zaczyna odkształcać się trwale,
może dalej przenosić obciążenie dzięki zjawisku umocnienia odkształceniowego,
ostatecznie ulega zniszczeniu po osiągnięciu granicznych deformacji.

Takie zachowanie jest szczególnie korzystne w elementach konstrukcyjnych, ponieważ umożliwia redystrybucję naprężeń i częściowe ostrzeganie przed awarią.

Gdzie stosuje się materiały plastyczne?

Materiały plastyczne znajdują szerokie zastosowanie wszędzie tam, gdzie:

wymagana jest dobra odkształcalność,
możliwość formowania,
odporność na przeciążenia.

Są one szczególnie istotne w technologiach obróbki plastycznej, ponieważ można nadawać im pożądany kształt bez natychmiastowego pękania materiału.

Typowe zastosowania materiałów plastycznych obejmują:

tłoczenie blach,
gięcie elementów metalowych,
walcowanie,
ciągnienie drutów i prętów,
produkcję elementów karoserii, obudów i części maszyn.

Dobrym przykładem jest cienka blacha stalowa wykorzystywana do produkcji elementów wyposażenia AGD lub części samochodowych. Materiał taki może być intensywnie formowany, a mimo to zachowuje integralność strukturalną.

Materiał plastyczny w analizie MES

W analizie metodą elementów skończonych (MES) materiał plastyczny wymaga zastosowania bardziej zaawansowanego modelu niż materiał liniowo sprężysty. Nie wystarczy tutaj podanie jedynie modułu Younga i współczynnika Poissona. Konieczne jest również określenie warunku uplastycznienia oraz sposobu dalszego zachowania materiału po przekroczeniu granicy plastyczności.

W modelowaniu materiałów plastycznych w MES uwzględnia się najczęściej:

granicę plastyczności,
krzywą naprężenie–odkształcenie w zakresie plastycznym,
umocnienie materiału,
odpowiednie kryterium uplastycznienia.

Dzięki temu możliwe jest przewidywanie nie tylko przemieszczeń i naprężeń, ale również trwałych deformacji elementu.

Jakie kryteria stosuje się dla materiałów plastycznych?

W analizie materiałów plastycznych stosuje się różne teorie wytrzymałościowe i kryteria uplastycznienia, które pozwalają określić moment rozpoczęcia trwałych odkształceń. W praktyce inżynierskiej najczęściej wykorzystuje się:

Dla metali ciągliwych szczególnie popularne jest kryterium von Misesa, ponieważ dobrze opisuje ono początek uplastycznienia w złożonym stanie naprężenia. Kryterium Treski również jest szeroko stosowane, zwłaszcza w prostszych analizach inżynierskich.

Porównanie wybranych kryteriów dla materiałów plastycznych

Kryterium	Zastosowanie	Charakterystyka
Maksymalnego naprężenia normalnego	prostsze oceny wytrzymałości	bazuje na największym naprężeniu normalnym
Treski	materiały ciągliwe, klasyczne analizy	opiera się na maksymalnym naprężeniu stycznym
von Misesa	metale i analizy MES	uwzględnia energię odkształcenia postaciowego

Dlaczego materiał plastyczny jest ważny w projektowaniu?

Materiał plastyczny ma bardzo duże znaczenie w projektowaniu konstrukcji, ponieważ umożliwia bezpieczniejsze przenoszenie przeciążeń oraz bardziej realistyczne odwzorowanie pracy elementów w warunkach rzeczywistych. W wielu zastosowaniach inżynierskich uwzględnienie plastyczności pozwala uniknąć zbyt dużego uproszczenia modelu i lepiej ocenić nośność oraz trwałość konstrukcji.

W analizie MES poprawne zdefiniowanie materiału plastycznego jest szczególnie istotne przy:

analizie tłoczenia i gięcia,
obliczeniach zniszczenia i nośności granicznej,
symulacjach zderzeń i przeciążeń,
ocenie bezpieczeństwa elementów metalowych pracujących poza zakresem sprężystym.