Jaka jest granica plastyczności stali?

To, jakie będą właściwości stali wybranej do inwestycji budowlanych lub przemysłowych, wpływa na trwałość i odporność na obciążenia całej konstrukcji. Jak ocenić, czy materiał nadaje się do wybranego celu: jest wystarczająco plastyczny i ma odpowiednią wytrzymałość? Granica plastyczności to jeden z parametrów, na które warto zwrócić uwagę, gdy szukasz stali konstrukcyjnej. Sprawdź, co oznacza ten wskaźnik i jakie ma znaczenie.

Co oznacza granica plastyczności stali?

Granica plastyczności to wartość naprężenia, powyżej której materiał zaczyna się trwale deformować, czyli nie wraca do swojego pierwotnego kształtu po usunięciu obciążenia. Wskaźnik pokazuje, z jaką siłą stal konstrukcyjna może być poddawana próbie rozciągania, ściskania czy zginania.

Na kwestię granicy plastyczności można patrzeć w jeszcze jeden sposób: jest to punkt przejścia od fazy sprężystej, w której odkształcenie jest odwracalne, do fazy plastycznej, w której występują trwałe odkształcenia.

Dolna i górna granica plastyczności

Do określania parametrów stali konstrukcyjnej najczęściej stosuje się dwa wskaźniki: dolną i górną granicę plastyczności. Co oznaczają te liczby?

Górna granica plastyczności to maksymalne naprężenie, które występuje tuż przed rozpoczęciem plastycznego odkształcenia. Dolna granica plastyczności oznacza stabilne naprężenie, przy którym stal odkształca się w sposób trwały po rozpoczęciu plastycznego odkształcenia.

Jak obliczyć granicę plastyczności?

Do obliczenia granicy plastyczności stali używa się następującego wzoru:

Granica plastyczności R [podawana w MPa (megapaskalach)] = siła rozciągająca wywołująca odkształcenie [w N (newtonach)] / początkowe pole przekroju rozciąganej próbki [mm2]

W praktyce granicę plastyczności określa się w warunkach laboratoryjnych. Próbkę stali poddaje się testowi rozciągania – stopniowo zwiększa się obciążenie materiału, a wyniki zapisuje się na wykresie.

Właściwości stali a granica plastyczności

Na to, jaka jest granica plastyczności, wpływa kilka czynników. Są to:

• Skład chemiczny stali. Stopy stali są uzupełniane o określone pierwiastki, które mogą zwiększać lub zmniejszać granicę plastyczności. Składniki, które poprawiają wytrzymałość na rozciąganie, to węgiel, chrom, mangan, molibden, wanad. Stopy stali z fosforem, siarką, azotem są bardziej kruche i mniej odporne na rozciąganie – ich granica plastyczności jest niższa.
• Obróbka cieplna i mechaniczna stali. Poddawanie stali obróbce: hartowaniu czy walcowaniu na zimno pomaga zwiększyć granicę plastyczności. Dowiedz się więcej na temat obróbki stali – jak spawać stal nierdzewną.
• Struktura krystaliczna materiału. Na właściwości mechaniczne stali wpływa wielkość i orientacja ziaren.
• Warunki użytkowania wyrobów stalowych. Granica plastyczności stali w zależności od temperatury może być różna – jeśli wyroby stalowe będą użytkowane w wysokiej temperaturze, ich plastyczność będzie mniejsza.

Granica plastyczności stali nierdzewnej, zbrojeniowej i innych gatunków

Granica plastyczności stali decyduje o tym, jakie będzie zastosowanie danego materiału – czy będzie można wykorzystać go do budowy maszyn przemysłowych, w konstrukcjach budowlanych czy w motoryzacji. Warto przy tym wiedzieć, że poszczególne gatunki stali różnią się pod względem plastyczności. Wynika to przede wszystkim z dodatkowych komponentów, które znajdują się w ich składzie oraz ze sposobu obróbki.

Jakie są wskaźniki plastyczności dla najpopularniejszych gatunków stali?

• Stal nierdzewna i stal ocynkowana – te gatunki stali mają stosunkowo najniższą granicę plastyczności – od 200-250 MPa w przypadku stali austenitycznych do 550 MPa w przypadku stali duplex.
• Stal zbrojeniowa –- stosowana w konstrukcjach żelbetowych, musi charakteryzować się wysoką wytrzymałością i odpowiednią plastycznością. Granica plastyczności stali zbrojeniowej zależy od klasy stali – np. w przypadku stali klasy B500B jest to 500 MPa.
• Stal czarna – to rodzaj stali konstrukcyjnej, która może mieć różne granice plastyczności, w zależności od składu. Granica plastyczności stali S235 i S355 to odpowiednio 235 i 355 MPa. Stal czarna to również stale niskowęglowe – łatwe w obróbce i gięciu, ale o mniejszej plastyczności (granica to 180-250 MPa).
• Stal wysokowytrzymałościowa –- stosowana w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym, ma granicę plastyczności od 500 MPa do nawet 1000 MPa. Dodatek pierwiastków (np. wanadu, niobu i molibdenu) pozwala osiągnąć wysoką wytrzymałość przy jednoczesnym zachowaniu niskiej masy materiału.
• Stal sprężynowa –- wykorzystywana tam, gdzie liczy się duża elastyczność i odporność na zmęczenie, ma granicę plastyczności na poziomie 800-1200 MPa.

Jakie inne właściwości fizyczne i mechaniczne stali pozwalają ocenić jej jakość?

Granica plastyczności jest jednym z ważniejszych wskaźników pozwalających określić jakość stali i jej przydatność w projektach budowlanych czy przemysłowych. Wytrzymałość tego materiału można także oszacować na podstawie kilku innych wskaźników. Są to następujące właściwości mechaniczne:

• kruchość – czyli odwrotność plastyczności, tendencja do pękania bez znacznego odkształcania;
• sprężystość – zdolność do przyjmowania poprzedniego kształtu po tym, jak zaprzestanie się działania na materiał – dla stali oblicza się m.in. moduł sprężystości (moduł Younga), czyli hipotetyczne naprężenie, do jakiego doszłoby przy dwukrotnym wydłużeniu materiału bez zmiany jego przekroju;
• ciągliwość – zdolność do zachowania właściwości podczas obróbki: tłoczenia, zginania, prostowania itp.;
• wytrzymałość na ściskanie i rozciąganie;
• udarność – zdolność do pochłaniania energii po uderzeniu.

Podczas wyboru stali do obróbki warto zwrócić uwagę także na właściwości fizyczne materiału i na następujące wskaźniki:

• gęstość stali;
• temperatura topnienia;
• współczynnik przewodzenia ciepła;
• przewodność elektryczna;
• współczynnik rozszerzalności termicznej.