Przy wyborze stali często zwracamy uwagę na wymiary profilu, grubość ścianki czy masę materiału. Równie ważną właściwością jest jednak parametr, którego nie da się ocenić na pierwszy rzut oka – granica plastyczności.
To właśnie ona określa poziom naprężenia, do którego materiał po odciążeniu może powrócić do swojego pierwotnego kształtu. Po przekroczeniu tej wartości odkształcenie przestaje być wyłącznie tymczasowe. Stal może pozostać na przykład trwale wygięta lub wydłużona.
Co to jest granica plastyczności?
Granica plastyczności to naprężenie, przy którym materiał przechodzi z odkształcenia sprężystego do odkształcenia plastycznego. Dopóki działające naprężenie pozostaje poniżej tej wartości, materiał po usunięciu obciążenia zazwyczaj wraca do swojego pierwotnego kształtu. Po przekroczeniu granicy plastyczności część odkształcenia pozostaje już trwała.
- Naprężenie podaje się w megapaskalach (MPa), przy czym 1 MPa odpowiada 1 N/mm². Wartość 235 MPa oznacza więc naprężenie wynoszące 235 niutonów na każdy milimetr kwadratowy przekroju.
Nie oznacza to jednak, że każdy wyrób wykonany z danej stali po prostu „wytrzyma 235 MPa”. Rzeczywista nośność zależy również od kształtu i wymiarów profilu, jego długości, sposobu podparcia, kierunku działania obciążenia, połączeń oraz ryzyka wyboczenia.
Co dzieje się ze stalą podczas obciążania?
Wyobraźmy sobie stalowy pręt, który stopniowo rozciągamy. Na początku wydłuża się tylko nieznacznie, a powstała zmiana jest odwracalna. Po usunięciu siły pręt wraca niemal dokładnie do swojej pierwotnej długości. W tym zakresie materiał zachowuje się sprężyście.
Wraz ze wzrostem obciążenia materiał osiąga granicę plastyczności. Od tego momentu samo usunięcie siły nie wystarcza już do przywrócenia pierwotnego kształtu. W materiale powstało odkształcenie plastyczne, dlatego pręt pozostanie trwale wydłużony. Przy dalszym obciążaniu stal może jeszcze przez pewien czas przenosić naprężenia, aż osiągnie wytrzymałość na rozciąganie, a następnie może dojść do jej zniszczenia.
Warto więc zapamiętać podstawową różnicę: granica plastyczności nie określa momentu, w którym stal pęknie. Określa moment, w którym zaczyna się jej trwałe odkształcanie.
Granica plastyczności a wytrzymałość na rozciąganie
Obie wartości często występują obok siebie w kartach materiałowych, ale opisują różne właściwości stali.
- Granica plastyczności oznacza początek trwałego odkształcenia materiału.
- Wytrzymałość na rozciąganie Rm określa najwyższe naprężenie rozciągające osiągane przez materiał podczas próby rozciągania.
W praktyce konstrukcyjnej granica plastyczności ma duże znaczenie, ponieważ belka, rama czy balustrada nie powinny podczas normalnego użytkowania ulegać trwałemu wygięciu, nawet jeśli do całkowitego zerwania materiału pozostaje jeszcze znaczny zapas wytrzymałości.
Innymi słowy: konstrukcja może znajdować się jeszcze daleko od pęknięcia, ale jednocześnie może przestać być bezpieczna lub funkcjonalna, jeśli uległa nieodwracalnemu odkształceniu.
Jak określa się granicę plastyczności?
Podstawową metodą jest próba rozciągania. Próbkę materiału o określonym przekroju umieszcza się w maszynie wytrzymałościowej i stopniowo zwiększa obciążenie. Rejestrowana jest działająca siła oraz wydłużenie próbki. Na tej podstawie powstaje wykres naprężenia i odkształcenia, który pozwala określić między innymi zakres odkształcenia sprężystego, początek odkształcenia plastycznego oraz dalsze zachowanie materiału.
W przypadku niektórych gatunków stali wyraźnie widoczna jest granica plastyczności, dlatego rozróżnia się górną granicę plastyczności ReH oraz dolną granicę plastyczności ReL. Jeżeli wyraźny punkt plastyczności nie występuje, stosuje się tak zwaną umowną granicę plastyczności, na przykład Rp0,2. Odpowiada ona naprężeniu, przy którym po odciążeniu pozostaje określone trwałe odkształcenie wynoszące 0,2%.
Co oznacza granica plastyczności w przypadku S235 i S355?
W przypadku popularnych stali konstrukcyjnych informację o granicy plastyczności można znaleźć już w oznaczeniu gatunku. Litera S oznacza stal konstrukcyjną, natomiast liczba odnosi się do jej minimalnej granicy plastyczności podanej w MPa, zgodnie z warunkami określonymi w odpowiedniej normie.
Przykładowo dla stali S235 minimalna granica plastyczności dla mniejszych grubości wynosi 235 MPa, natomiast dla S355 jest to 355 MPa. Wyższa wartość oznacza ogólnie, że materiał może przenosić wyższe naprężenia, zanim dojdzie do odkształcenia plastycznego.
Trzeba jednak zawsze sprawdzić konkretną normę oraz grubość wyrobu. Wraz ze wzrostem grubości minimalna granica plastyczności określona przez normę może się zmniejszać. Oznaczenie S355 nie oznacza więc, że każdy wyrób wykonany z tego gatunku ma w każdych warunkach granicę plastyczności dokładnie 355 MPa.
To istotny szczegół, o którym łatwo zapomnieć podczas porównywania materiałów. Samo oznaczenie gatunku stali jest ważne, ale przy dokładnym projektowaniu konstrukcji należy korzystać z parametrów właściwych dla konkretnego wyrobu.
Wyższa granica plastyczności nie oznacza automatycznie lepszej stali
Częstym błędem jest założenie, że stal o wyższej granicy plastyczności zawsze będzie lepszym wyborem. W rzeczywistości wszystko zależy od zastosowania. Wyższa wytrzymałość może pozwolić na wykonanie smuklejszej konstrukcji lub zmniejszenie jej masy, jednak podczas projektowania bierze się pod uwagę również sztywność, udarność, spawalność, zmęczenie materiału, stateczność oraz oczywiście koszt.
Dobrym przykładem jest ugięcie belki. Nie zależy ono wyłącznie od granicy plastyczności. Duże znaczenie ma moduł sprężystości, długość belki, jej przekrój oraz sposób obciążenia. Dwa profile o takich samych wymiarach, wykonane z różnych gatunków stali, mogą więc przy normalnym obciążeniu uginać się bardzo podobnie, nawet jeśli jeden z materiałów ma znacznie wyższą granicę plastyczności.
Wyższa granica plastyczności oznacza zatem większą odporność na powstanie trwałego odkształcenia plastycznego, ale nie oznacza automatycznie wielokrotnie sztywniejszej konstrukcji.
Kiedy granica plastyczności ma znaczenie w praktyce?
W przypadku prostej półki czy elementu dekoracyjnego zazwyczaj nie ma potrzeby wykonywania skomplikowanych obliczeń wytrzymałościowych. W przypadku ram nośnych, wiat, schodów, balustrad, belek, bram oraz innych obciążonych konstrukcji właściwości mechaniczne materiału mają już zasadnicze znaczenie.
Nie wystarczy więc porównać wyłącznie wymiarów dwóch profili zamkniętych lub belek. Należy uwzględnić również gatunek stali oraz sposób, w jaki konstrukcja będzie obciążana. Ten sam profil może bez problemu sprawdzić się jako krótka belka poprzeczna, ale nie być odpowiedni jako belka o długości kilku metrów.
W przypadku smukłych elementów o nośności może dodatkowo zdecydować wyboczenie lub utrata stateczności, zanim sam materiał osiągnie granicę plastyczności. Dlatego nośności konstrukcji nie można określić wyłącznie na podstawie jednej wartości podanej w karcie materiałowej.
Jak prawidłowo interpretować granicę plastyczności przy zakupie stali?
Przy wyborze wyrobów hutniczych warto oprócz wymiarów sprawdzić również gatunek stali, normę dotyczącą danego wyrobu, a w przypadku bardziej wymagających zastosowań także atest materiałowy. Do typowych prac ślusarskich i budowlanych często stosuje się stal konstrukcyjną S235, natomiast S355 charakteryzuje się wyższą granicą plastyczności i w odpowiednio zaprojektowanej konstrukcji może pozwolić na przenoszenie większych obciążeń lub bardziej efektywne wykorzystanie materiału.
Podczas wyboru stali nie warto więc kierować się wyłącznie ceną za metr czy wymiarami profilu. Istotne jest również to, z jakiego gatunku stali wykonany jest konkretny element.
Sama granica plastyczności nigdy nie zastępuje jednak prawidłowego projektu konstrukcji. W przypadku elementów, których awaria mogłaby zagrozić ludziom lub mieniu, ocenę nośności powinien przeprowadzić projektant lub konstruktor posiadający odpowiednie kwalifikacje.
Granica plastyczności – warto znać tę wartość
Granica plastyczności należy do najważniejszych parametrów opisujących właściwości mechaniczne stali. Mówiąc prościej, wskazuje moment, w którym tymczasowe wygięcie, ściskanie lub rozciąganie zaczyna przekształcać się w trwałą zmianę kształtu materiału.
Przy wyborze stali parametr ten dostarcza znacznie więcej informacji niż ogólne określenie, że dany materiał jest „mocny”. Dlatego warto analizować granicę plastyczności razem z gatunkiem stali, wymiarami profilu, długością elementu oraz sposobem jego obciążenia. Dopiero uwzględnienie wszystkich tych czynników pozwala ocenić, czy konkretny materiał będzie odpowiedni do planowanej konstrukcji.
Czytaj dalej:
Jak wykonać obróbkę blacharską luTaśmy antypoślizgowe na schody
Ocynkowane ogrodzenia: trwałe i bezobsługowe
Jak wybrać odpowiedni materiał do zbrojenia fundamentów
© Atreon