Odkształcenie plastyczne (ang. plastic deformation) – trwała, nieodwracalna część odkształcenia materiału, która pozostaje po usunięciu wywołującego je obciążenia. W odróżnieniu od odkształcenia sprężystego materiał po odciążeniu nie powraca całkowicie do pierwotnego kształtu i wymiarów. Zdolność materiału do osiągania trwałych odkształceń bez zniszczenia jest przejawem jego plastyczności. alt=Ilustracja obrazująca ideę odkształcenia plastycznego|mały|207x207px|Ilustracja obrazująca ideę odkształcenia plastycznego Początek makroskopowego odkształcenia plastycznego wiąże się z osiągnięciem odpowiedniego naprężenia, opisywanego jako granica plastyczności. Mikroskopowy mechanizm odkształcenia zależy od rodzaju i struktury materiału. W metalach krystalicznych podstawowym mechanizmem jest ruch dyslokacji prowadzący do poślizgu; w określonych warunkach w odkształceniu uczestniczy również bliźniakowanie.
Przejście do stanu plastycznego mały|Przykładowa zależność naprężenia od odkształcenia dla materiału ciągliwego, z zaznaczonymi obszarami odkształcenia sprężystego i plastycznego. Przy obciążeniach mieszczących się w zakresie sprężystym odkształcenie zanika po odciążeniu. Po przekroczeniu zakresu zachowania sprężystego część odkształcenia staje się trwała. Podczas odciążania materiał odzyskuje sprężystą część odkształcenia, natomiast pozostaje odkształcenie trwałe.
W materiałach rzeczywistych przejście od zachowania sprężystego do plastycznego nie zawsze odpowiada jednemu, konkretnie określonemu punktowi krzywej naprężenie–odkształcenie. Naprężenie potrzebne do rozpoczęcia makroskopowego płynięcia plastycznego zależy m.in. od mikrostruktury materiału, wielkości ziaren, składu, rozmieszczenia faz, wcześniejszego odkształcenia i gęstości dyslokacji.
Mechanizmy w metalach krystalicznych W metalach odkształcenie plastyczne zachodzi przede wszystkim przez poślizg oraz bliźniakowanie.
Poślizg mały|Schemat poślizgu w metalu pod wpływem działającej siły. Poślizg polega na względnym przemieszczaniu się części kryształu wskutek ruchu dyslokacji. Dyslokacje poruszają się w określonych płaszczyznach i kierunkach krystalograficznych, tworzących razem systemy poślizgu. Preferowane są zwykle płaszczyzny i kierunki o korzystnym ułożeniu atomów oraz odpowiedniej orientacji względem działających naprężeń.
Ruch dyslokacji umożliwia zachodzenie odkształcenia przy naprężeniach znacznie mniejszych od tych, które byłyby potrzebne do jednoczesnego przesunięcia całej płaszczyzny atomów. W czasie przemieszczania się dyslokacji kolejne grupy atomów zmieniają swoje położenie, a po przejściu dyslokacji przez kryształ pozostaje trwałe przesunięcie jego części.
W metalach polikrystalicznych poszczególne ziarna mają różne orientacje, dlatego nie zaczynają odkształcać się jednocześnie. Granice ziaren i inne przeszkody hamują ruch dyslokacji, a wraz ze wzrostem naprężenia poślizg uruchamia się w kolejnych ziarnach i systemach poślizgu.
Bliźniakowanie mały|Animacja bliźniakowania odkształceniowego kryształu pod wpływem naprężenia.
Podczas bliźniakowania część kryształu ulega uporządkowanemu przemieszczeniu prowadzącemu do zmiany jej orientacji względem pozostałej części kryształu. Powstały obszar jest związany z osnową określoną relacją symetrii względem płaszczyzny bliźniakowania. Naprężenie potrzebne do zainicjowania bliźniakowania jest na ogół większe niż potrzebne do uruchomienia poślizgu.
W metalach o strukturze heksagonalnej zwartej (HCP) bliźniakowanie może mieć duże znaczenie, ponieważ dostępna liczba niezależnych systemów poślizgu bywa niewystarczająca do odkształcenia polikryształu.
Mechanizmy w innych materiałach Polimery Mechanizmy odkształcenia plastycznego polimerów zależą m.in. od ich budowy amorficznej lub częściowo krystalicznej, temperatury oraz historii termomechanicznej. W polimerach amorficznych opis uplastycznienia obejmuje zmiany konformacji i ruchy segmentów łańcuchów; w modelach tego procesu uwzględnia się m.in. aktywowane termicznie zmiany konformacyjne, wolną objętość oraz ruchliwość segmentów makrocząsteczek.
W polimerach semikrystalicznych w odkształceniu uczestniczą zarówno obszary krystaliczne, jak i amorficzne. W fazie krystalicznej zachodzą mechanizmy krystalograficzne, w tym poślizg, zmiany orientacji i fragmentacja lamel, natomiast warstwy amorficzne między lamelami odkształcają się równocześnie z fazą krystaliczną. Przy dużych odkształceniach prowadzi to do zmian orientacji i reorganizacji struktury materiału.
Materiały ceramiczne Materiały ceramiczne na ogół wykazują mniejszą zdolność do makroskopowego odkształcenia plastycznego w temperaturze pokojowej niż metale i często ulegają pękaniu, zanim rozwinie się znaczne odkształcenie plastyczne. Ograniczona ruchliwość dyslokacji jest związana m.in. z charakterem wiązań, liczbą dostępnych systemów poślizgu, oddziaływaniem granic ziaren oraz małą gęstością ruchliwych dyslokacji.
Mimo tego w części materiałów ceramicznych możliwe jest odkształcenie plastyczne związane z ruchem dyslokacji. Jego wystąpienie zależy od rodzaju materiału i warunków obciążenia; w niektórych ceramikach wykazano dyslokacyjne odkształcenie plastyczne także w temperaturze pokojowej. Duże lokalne naprężenia, na przykład podczas wgłębiania, mogą ułatwiać zarodkowanie i ruch dyslokacji, choć lokalna plastyczność nie musi oznaczać zdolności materiału do znacznego odkształcenia plastycznego w skali makroskopowej.
Szkła W szkłach tlenkowych, ze względu na brak uporządkowanej sieci krystalicznej, mechanizm odkształcenia plastycznego nie jest związany z ruchem dyslokacji krystalograficznych. W warunkach makroskopowych szkła te są zazwyczaj kruche, jednak trwałe odkształcenie może zachodzić lokalnie, zwłaszcza pod wpływem silnie skoncentrowanego nacisku, takiego jak np. podczas wgłębiania.
Trwała deformacja szkła pod wgłębnikiem może zachodzić przez zagęszczanie struktury oraz płynięcie ścinające. Udział obu mechanizmów zależy od składu chemicznego i struktury szkła; zagęszczaniu towarzyszą trwałe zmiany sieci szklistej, natomiast płynięcie ścinające powoduje przemieszczenie materiału bez mechanizmu dyslokacyjnego charakterystycznego dla kryształów.
Umocnienie i zmiany mikrostruktury metali mały|Próbka stopu aluminium po próbie rozciągania, z widoczną strykcją i przełomem ciągliwym.
W miarę postępu odkształcenia plastycznego w metalu wzrasta liczba dyslokacji. Dyslokacje oddziałują ze sobą, przecinają się i tworzą układy utrudniające ich dalszy ruch. W rezultacie do kontynuowania odkształcenia potrzebne jest coraz większe naprężenie. Zjawisko to określa się jako umocnienie odkształceniowe lub umocnienie przez zgniot.
Umocnieniu metali towarzyszy wzrost granicy plastyczności, wytrzymałości na rozciąganie i twardości, przy jednoczesnym zmniejszeniu zdolności do dalszego odkształcenia plastycznego. W metalach polikrystalicznych duże odkształcenia powodują również zmianę kształtu i orientacji ziaren. Może powstać tekstura prowadząca do anizotropii właściwości mechanicznych, a nierównomierne odkształcenie może pozostawiać w materiale naprężenia własne.
Wpływ temperatury i znaczenie technologiczne w metalach Przebieg odkształcenia plastycznego zależy od warunków procesu. W metalach na naprężenie potrzebne do uruchomienia poślizgu wpływają m.in. temperatura, prędkość odkształcenia i skład materiału; wzrost temperatury może ułatwiać ruch dyslokacji i zwiększać zdolność metalu do odkształcenia.
Odkształcenie plastyczne jest podstawą obróbki plastycznej metali, wykorzystywanej do trwałego kształtowania wyrobów. Podczas obróbki na zimno utrwalają się zmiany mikrostruktury prowadzące do umocnienia. Jeżeli umocnienie nadmiernie ogranicza plastyczność, dalszą obróbkę można umożliwić przez wyżarzanie, podczas którego zachodzą procesy zdrowienia i rekrystalizacji.
Podczas obróbki na gorąco odkształcenie może zachodzić równocześnie z rekrystalizacją. Jeżeli proces rekrystalizacji przebiega dostatecznie szybko w stosunku do odkształcania, ogranicza nagromadzenie skutków umocnienia i pozwala na uzyskanie dużych trwałych zmian kształtu przy mniejszych naprężeniach niż podczas obróbki na zimno.
Przypisy
Kategoria:Wytrzymałość materiałów