Plastičnost (fizika)

Plastičnost je svojstvo nekih materija (materijala) da pod delovanjem dovoljno velike sile menjaju oblik, koji gotovo u potpunosti trajno zadržavaju i nakon prestanka delovanja sile (plastična deformacija). Plastičnost nastupa kada se pod delovanjem sila pređe takozvana granica tečenja, koja zavisi od temperature materijala.^[1][2] Tako i neki krti materijali (bronza, mramor, staklo, kristali) mogu preći u plastično stanje pri povišenim temperaturama. Proučavanjem plastičnosti i postavljanjem teorija bavi se na makrorazini deo mehanike čvrstih tela (teorija plastičnosti), posmatrajući telo kao kontinuum bez ulaženja u njegovu mikrostrukturu, dok se plastičnost na mikronivou, kao posledica poremećaja unutar kristala, to jest pomicanja delova kristala duž dislokacijskih ravni, proučava u okviru fizike materijala. Metali na temperaturi višoj od temperature rekristalizacije imaju gotovo idealnu plastičnost, jer su deformirani kristali spontano pretvoreni u nove nenapregnute, a s temperaturom je povećan i broj dislokacija. U takvom se stanju pri delovanju stalne sile deformacije u materijalu s vremenom povećavaju (tečenje materijala). Plastičnost je bitna pojava u tehnologiji oblikovanja deformiranjem, kao što su valjanje, kovanje, savijanje, duboko vučenje i drugo, dok se u konstrukcijama javlja samo lokalno unutar ograničenih manjih područja.^[3]

Dijagram naprezanja (σ - zateznog naprezanja i ε - linijske zatezne deformacije) za tipični negvozdeni materijal:
1: Stvarna granica elastičnosti
2: Granica proporcionalnosti
3: Granica elastičnosti
4: Granica razvlačenja ili σ_0,2 (naprezanje pri kojem nastaje trajno produženje od 0,2% prvobitne dužine šipke ili štapa)

Kovanje je jedan od najstarijih i najraširenijih postupaka obrade metala.

Prikaz rada uzdužnog valjanja.

Mehanička savijačica s 3 valjka.

Primer proizvoda dobivenih dubokim vučenjem.

Postupak izvlačenja žice ili cevi.

Plastična deformacija je uočena u većini materijala, a posebno kod metala, tla, kamenja, betona, pene.^[4][5][6][7] Međutim, fizički mehanizmi koji uzrokuju plastičnu deformaciju mogu veoma varirati. Na kristalnoj skali plastičnost metala je obično posledica dislokacija. Ovakve greške su relativno retke u većini kristalnih materijala, ali su brojne u nekim i deo su njihove kristalne strukture; u takvim slučajevima može doći do plastične kristalnosti. U krtim materijalima kao što su stena, beton i kost plastičnost je uzrokovana predominantno klizanjem mikropukotina. U ćelijskim materijalima kao što su tečne pene ili biološka tkiva, plastičnost je uglavnom posledica preuređivanja mehurića ili ćelija, posebno T1 procesa.

Dijagram naprezanja

Glavni članak: Dijagram naprezanja

Dijagram naprezanja prikazuje međusobnu zavisnost σ - zateznog naprezanja i ε - relativnog produženja ili linijske zatezne deformacije. U materijalu koji je opterećen nekom silom F nastaju naprezanja σ koja uzrokuju njegovo rastezanje. Naprezanje σ je odnos sile F i površine A preseka štapa ili šipke (normalnog na smer sile).^[8]

${\displaystyle \sigma ={\frac {F}{A}}}$

Zbog delovanja sile F (a time nastalog naprezanja σ) štap ili šipka će se od početne dužine L₀ rastegnuti na dužinu L. Tako je produženje štapa ili šipke:

${\displaystyle \varepsilon ={\frac {\Delta L}{L_{0}}}={\frac {L-L_{0}}{L_{0}}}}$

Relativno produženje ε (dužinska ili uzdužna deformacija) štapa ili šipke je produženje s obzirom na početnu dužinu L_o. Početno je naprezanje linearno (deformacija je direktno proporcionalna naprezanju). U području linearnog rastezanja (Hukov zakon) materijal je elastičan i nakon prestanka delovanja sile, odnosno naprezanja, on se vraća u početno stanje. Jungov modul elastičnosti je odnos naprezanja i relativnog produženja (u području elastičnosti).^[9]

Tehnička granica elastičnosti je naprezanje pri kojem osetljiva merila osete prvo primetno trajno produženje materijala (pri još nepromenjenom preseku A_o). Nakon te granice (obično na kraju linearnog rastezanja) materijal se rasteže plastično i nakon prestanka delovanja sile ne vraća se više na početnu dužinu L₀, već ostaje određeno trajno produženje, uz suženje preseka, A < A₀).

Primena

Kovanje

Glavni članak: Kovanje

Kovanje je obrada materijala bez odvajanja čestica, kod koje se promena oblika i dimenzija vrši udarcima čekića ili bata po otkivku, koji je položen na nakovanj. Obrada je češće u toplom stanju, ali može biti i u hladnom stanju. Prema načinu na koji se obavlja preoblikovanje postoji ručno kovanje i mašinsko kovanje.

Ručno kovanje je postupak preoblikovanja materijala udarcima kovačkog čekića po otkivku. Otkivak se zagreje u kovačkoj vatri do belog sjaja. Kovačkim klještima se vadi iz vatre i polaže na nakovanj. Otkivak polako menja oblik i dimenzije pod udarcima čekića. Tačnost dimenzija, oblika, kvalitet proizvoda i količina zavise isključivo od preciznosti i iskustva kovača.

Mašinsko kovanje je moderniji način kovanja, koji omogućava kovanje od najmanjih otkivaka do izuzetno velikih (do 580 tona). Dimenzije otkivka zavise samo od veličine mašina. Postupak može biti u toplom i hladnom stanju. Za kovanje u toplom stanju, u postupku proizvodnje potrebne su i kovačke peći. Ručno ili mašinsko kovanje može biti:

• slobodno kovanje ili
• kovanje u ukovnjima (kalupima).

Valjanje

Glavni članak: Valjanje

Valjanje je jedan od postupaka oblikovanja metala deformisanjem kod kojega se odlivnom bloku (ingotu) propuštanjem između okrećućih valjaka smanjuje presek i daje željeni oblik, uz istovremeno poboljšanje mehaničkih svojstava. Od svih postupaka plastične deformacije, najveću primenu ima valjanje. Postupak započinje valjanjem ingota u poluproizvode. Dok obradak prolazi između valjaka dolazi do deformiranja materijala. U zoni deformacije materijal ne prolazi svugde istom brzinom kojom rotiraju valjci. Obodna brzina valjka može biti veća, ista ili sporija od brzine prolaza materijala u zoni deformacije.

Valjanje se može odvijati u toplom i hladnom stanju. Materijali većeg preseka valjaju se pretežno u toplom stanju, zbog veće plastičnosti i mogućnosti puno većih redukcija preseka, te manjih sila i manjeg utroška rada. Materijali manjeg preseka valjaju se pretežno u hladnom stanju, jer se postiže glađa površina, uža tolerancija i veća tvrdoća materijala.

Savijanje limova

Glavni članak: Savijanje limova

Savijanje limova je postupak obrade metala bez skidanja strugotine, kod kojeg se u poprečnom preseku unutrašnji dio skraćuje i opterećen je na pritisak, dok se vanjski deo produžuje i opterećen je na istezanje. Savijanje limova se deli na: kružno savijanje, savijanje pod uglomom (oštrougaono savijanje) i profilno savijanje.^[10]

Savijanje cevi

Glavni članak: Savijanje cevi

Savijanje cevi je postupak obrade metala bez skidanja čestica, kod kojeg se ravna cev savija za neki ugao. Pri savijanju cevi pola cevi u poprečnom preseku (unutrašnji dio) se skraćuje i opterećen je na pritisak, dok se druga polovina cije u preseku (vanjski deo) produžuje i opterećena je na istezanje. Ta naprezanja dovode do deformacija preseka, smanjenja ili čak do potpunog zatvaranja preseka.

Duboko vučenje

Glavni članak: Duboko vučenje

Duboko vučenje metala je postupak mašinske obrade metala u kojem se obradak (platina ili rondela), najčešće u hladnom stanju, provlači kroz jednu ili više matrica u novi željeni oblik korištenjem posebnih alata. Za duboko vučene proizvode svojstvena je dubina proizvoda, koja je veća od polovice prečnika rondele. Proizvodi mogu imati različite poprečne preseke s ravnim, konusnim (kupastim) ili zakrivljenim zidovima, ali najčešći oblici su cilindrične (valjkaste) ili pravougaone geometrije. Duboko vučenje upotrebljava rastezljive metale kao što su aluminijum, mesing, bakar i meke čelike u proizvodnji auto delova, limenog posuđa i ambalaže, municije itd.

Izvlačenje

Glavni članak: Izvlačenje

Izvlačenje je postupak mašinske obrade metala bez skidanja čestica, koji se koristi u proizvodnji žica, traka, cevi, šipki. Postupak se koristi uglavnom za promenu dimenzija (prečnika i debljine zidova), a ređe za promenu oblika. Izvlačenje se primenjuje kada je potrebna glađa površina i tačnije dimenzije, ili kada je presek vrlo mali ili tankih zidova, te se druge metode na mogu primenjivati (neekonomično).

Reference

1. Lubliner, J. (2008). Plasticity theory. Dover. ISBN 978-0-486-46290-5.
2. Bigoni, D. (2012). Nonlinear Solid Mechanics: Bifurcation Theory and Material Instability. Cambridge University Press. ISBN 978-1-107-02541-7.
3. plastičnost, "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2015.
4. Jirasek, M.; Bazant, Z. P. (2002). Inelastic analysis of structures. John Wiley and Sons. ISBN 0-471-98716-6.
5. Chen, W.-F. (2008). Limit Analysis and Soil Plasticity. J. Ross Publishing. ISBN 978-1-932159-73-8.
6. Yu, M.-H.; Ma, G.-W.; Qiang, H.-F.; Zhang, Y.-Q. (2006). Generalized Plasticity. Springer. ISBN 3-540-25127-8.
7. Chen, W.-F. (2007). Plasticity in Reinforced Concrete. J. Ross Publishing. ISBN 978-1-932159-74-5.
8. Архивирано на сајту (31. јануар 2012) "Elementi strojeva", Fakultet elektrotehnike, strojarstva i brodogradnje Split, Prof. dr. sc. Damir Jelaska, 2011.
9. Архивирано на сајту (28. фебруар 2017) "Konstrukcijski elementi I", Tehnički fakultet Rijeka, Božidar Križan i Saša Zelenika, 2011.
10. "Obrada materijala II", dipl. ing. strojarstva Ivo Slade, www.cnt.tesla.hr, 2012.

Literatura

• Ashby, M. F. (2001). „Plastic Deformation of Cellular Materials”. Encyclopedia of Materials: Science and Technology. Volume 7. Oxford: Elsevier. стр. 7068—7071. ISBN 0-08-043152-6.
• Han, W.; Reddy, B. D. (2013). Plasticity: Mathematical Theory and Numerical Analysis (2nd изд.). New York: Springer. ISBN 978-1-4614-5939-2.
• Kachanov, L. M. (2004). Fundamentals of the Theory of Plasticity. Dover Books. ISBN 0-486-43583-0.
• Khan, A. S.; Huang, S. (1995). Continuum Theory of Plasticity. Wiley. ISBN 0-471-31043-3.
• Simo, J. C.; Hughes, T. J. (1998). Computational Inelasticity. Springer. ISBN 0-387-97520-9.
• Van Vliet, K. J. (2006). „Mechanical Behavior of Materials”. MIT Course Number 3.032. Massachusetts Institute of Technology.
• Avallone, Eugene A. & Baumeister III, Theodore (1996). Mark's Standard Handbook for Mechanical Engineers (8th изд.). New York: McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-004997-0.
• Avallone, Eugene A.; Baumeister, Theodore; Sadegh, Ali; Marks, Lionel Simeon (2006). Mark's Standard Handbook for Mechanical Engineers (11th, Illustrated изд.). McGraw-Hill Professional. ISBN 978-0-07-142867-5..
• Beer, Ferdinand P.; Johnston, E. Russell; Dewolf, John T. (2001). Mechanics of Materials (3rd изд.). McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-365935-0..
• Boresi, A. P., Schmidt, R. J., and Sidebottom, O. M. (1993). Advanced Mechanics of Materials, 5th edition John Wiley & Sons. 0-471-55157-0
• Degarmo, E. Paul; Black, J T.; Kohser, Ronald A. (2003). Materials and Processes in Manufacturing (9th изд.). Wiley. ISBN 978-0-471-65653-1..
• Oberg, E., Jones, F. D., and Horton, H. L. (1984). Machinery's Handbook, 22nd edition. Industrial Press. 0-8311-1155-0
• Ross, C. (1999). Mechanics of Solids. City: Albion/Horwood Pub. ISBN 978-1-898563-67-9.
• Shigley, J. E., and Mischke, C. R. (1989). Mechanical Engineering Design, 5th edition. McGraw Hill. 0-07-056899-5
• Young, Warren C. & Budynas, Richard G. (2002). Roark's Formulas for Stress and Strain, 7th edition. New York: McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-072542-3.
• Engineer's Handbook
• Schneider, George. "Chapter 1: Cutting Tool Materials," American Machinist, October, 2009
• Schneider, George. "Cutting Tool Applications: Chapter 2 Metal Removal Methods," American Machinist, November, 2009

Spoljašnje veze

• Videos about metalworking published by Institut für den Wissenschaftlichen Film. Available in the AV-Portal of the German National Library of Science and Technology