Jaką granicę plastyczności ma miedź?

Użyteczność różnych metali oraz możliwości ich wykorzystania zależą od posiadanych przez nie właściwości chemicznych i fizycznych, które wpływają zarówno na ich zachowanie pod wpływem określonych czynników, jak i na to, iż nadają się do wybranych metod obróbki. Charakterystyka poszczególnych rodzajów metalu oraz powstałych z połączenia kilku lub kilkunastu pierwiastków metalicznych i niemetalicznych stopów może być pod wieloma względami różnorodna. Niektóre z nich wyróżniają się wysoką odpornością na podwyższone temperatury i obciążenia termiczne, inne mają znaczną elastyczność i niezbyt łatwo ulegają odkształceniu, są również takie, które nie wchodzą w reakcje chemiczne z wieloma substancjami albo wykazują się podatnością na liczne typy obróbki od cieplno-chemicznej po ubytkową. Wśród metali nieżelaznych bardzo ciekawym metalem okazuje się miedź i jej stopy, której parametry nie tylko pozwalają na swobodne kształtowanie, ale też sprawiają, że znajduje ona zastosowanie w wielu branżach, a stwierdzenie, iż zależy od niej możliwość funkcjonowania większości gałęzi przemysłu, a także medycyny nie jest w żaden sposób przesadzone. Przyjrzyjmy się bliżej właściwościom miedzi, przekonajmy się, czym jest plastyczność metali i dlaczego ma tak duże znaczenie praktyczne oraz zobaczmy, w jaki sposób wpływa na sposoby wykorzystania miedzi.

Zastosowania i charakterystyka miedzi

Miedź jest jednym z pierwszych metali, które ludzkość nauczyła się wykorzystywać praktycznie, początkowo w postaci stopów nazywanych brązami, będących połączeniem tego pierwiastka z innymi, zarówno metalicznymi, choćby cyną, ołowiem albo aluminium, jak i niemetalicznymi, głównie krzemem. Na przestrzeniu wieków z miedzi w postaci rozmaitych stopów np. mosiądzu, będącego jej mieszanką z cynkiem, korzystano, wytwarzając wiele przedmiotów codziennego użytku od zastawy stołowej po sztućce czy rozmaite ozdoby – lichtarze, elementy odzieży m.in. guziki czy klamry pasów. Stopy miedzi stosowano powszechnie jako materiał do wytwarzania rozmaitych instrumentów i urządzeń od części zegarków przez obudowy lunet czy zbiorniki. Używano jej także do budowy okrętów np. obijania ich dna blachą chroniącą przed uszkodzeniami drewna. Wielka popularność miedzi łączy się jednak z rozwojem przemysłu. Początkowo ze stopów miedzi korzystano przede wszystkim przy budowie maszyn i urządzeń, zwłaszcza w przypadku mosiądzu czy bardziej wytrzymałych brązów – powstawały z nich koła zębate, zawory, tuleje i cylindry. Wraz z odkryciem możliwości zastosowania prądu elektrycznego i gwałtownym rozwojem elektrotechniki miedź, tym razem w czystej postaci, stała się materiałem do wytwarzania przewodów elektrycznych niezbędnych w prądnicach, silnikach, ale przede wszystkim przy budowie infrastruktury. Miedź znalazła również zastosowanie w elektronice, a także wszędzie tam, gdzie potrzebny był metal, który dobrze nadaje się do budowy elementów przekazujących i odbierających ciepło.

Tak liczne zastosowania łączą się ściśle z właściwościami tego metalu. Miedź wyróżnia się bardzo niską rezystywnością, czyli oporem, jaki stawia przepływającemu prądowi elektrycznemu. Wynosi ona 0,0168·10^-6 Ω·m i jest wprawdzie niższa niż w przypadku srebra, jednak z uwagi na jego rzadsze występowanie, a zatem i cenę oraz wysoką kruchość to miedź stała się standardem, z którym porównuje się pod tym względem inne metale. Miedź cechuje bardzo dobre przewodnictwo cieplne oznaczające zdolność do szybkiego przejmowania i przekazywania wysokiej temperatury za sprawą przyspieszonych drgań atomów i elektronów swobodnych, co umożliwia błyskawiczne przenoszenie związanej z ciepłem energii kinetycznej. Współczynnik przewodzenia ciepła to w przypadku miedzi aż 380 W/m·k, co stawia ją na drugim pod tym względem miejscu, zaraz po srebrze.

Miedź wykazuje się także bardzo wysoką odpornością na korozję, dzięki swej zdolności do samoczynnej pasywacji. W wyniku reakcji z tlenem na powierzchni miedzi wytwarza się cienka warstwa tlenku, która tworzy barierę w znacznej mierze nieprzepuszczalną dla tlenu, który wprawdzie może dostawać się do niżej położonych atomów miedzi, jednak proces ten zachodzi w bardzo wolnym tempie. Będzie jednak podatna na korozję galwaniczną zachodzącą w obecności innych metali, dlatego połączenia tego rodzaju muszą być odpowiednio zabezpieczone. Miedź jest również odporna na wiele substancji chemicznych. Jej ważną cechą jest stosunkowo wysoka temperatura topnienia daleko przewyższająca np. aluminium, co sprawia, że jest ona wytrzymała na różne obciążenia termiczne. Istotną właściwością miedzi jest też jej stosunkowo duża gęstość, wynosząca 8950 kg/m³, wśród szerzej stosowanych metali ustępująca jedynie molibdenowi, srebru i ołowiowi, a także niewielka twardość i wysoka plastyczność.

Na czym polega zjawisko plastyczności i w jaki sposób jest wykorzystywane w praktyce?

Plastyczność metalu jest jedną z najważniejszych cech wpływających na jego wytrzymałość mechaniczną oraz możliwości obróbki. Plastyczność określa stopień, w jakim metal jest podatny na przekroczenie swojej granicy sprężystości, a zatem do ulegania trwałemu odkształceniu pod wpływem działania siły o odpowiedniej wartości, która nie doprowadza jednak do przerwania jego struktury. Plastyczność będąca reakcją na powstające w materialne naprężenie sprawia, że w ramach prowadzonej obróbki plastycznej dochodzi do przemieszczeń w sieci krystalicznej metalu. Kolejne warstwy atomów ulegają względem siebie przesunięciu, czy to wskutek tzw. poślizgu, czy też skręcenia. W zależności od budowy sieci krystalicznej konkretnego metalu plastyczność może się kształtować na różnym poziomie i zależy od tego, ile istnieje różnych kombinacji możliwych przemieszczeń przy konkretnej strukturze. Im będzie ich więcej, tym wyższa będzie plastyczność danego metalu. Materiały o wysokiej twardości, takie jak wolfram będą dysponowały mniejszą ilością potencjalnych przemieszczeń, te, które wyróżniają się dużą miękkością jak bizmut czy ołów, będą ich miały więcej.

Działanie na metal z odpowiednią siłą prowadzi do przekroczenia tzw. granicy plastyczności i pozwala na uzyskanie trwałej zmiany kształtu. Zwiększenie tej siły może jednak doprowadzić do zbyt dużych naprężeń, co oznacza przerwanie struktury metalu i jego rozdzielenie na części. Na granicę plastyczności wpływa oczywiście sama struktura metalu, może ona jednak zostać zmodyfikowana, co będzie się wiązało z jej obniżeniem – materiał stanie się wówczas bardziej plastyczny, albo podwyższeniem – siła jakiej trzeba będzie użyć do uzyskania odkształcenia, stanie się wówczas większa. Do najprostszych sposobów obniżenia granicy plastyczności należy podgrzanie metalu. Jeśli chodzi o jej zwiększenie, to jedną z metod jest wcześniejsze odkształcenie, które prowadzi do tzw. umocnienia, związanego z tym, że większość dostępnych możliwości przemieszczenia warstw struktury krystalicznej została już wcześniej wykorzystana, w związku z czym metal zachowuje się jak bardziej twardy, a jego zdolność do przyjmowania kolejnych naprężeń ulega znacznemu obniżeniu.

Zjawisko plastyczności metali jest szeroko wykorzystywane w ich obróbce, a także w różnych zastosowaniach praktycznych. Jeżeli chodzi o możliwości kształtowania z wykorzystaniem plastyczności metalu, to może ono przebiegać w ramach obróbki prowadzonej na zimno lub na ciepło. W pierwszym przypadku uzyskane elementy będą ulegały umocnieniu, ich granica plastyczności, a zatem odkształcalność zmaleje, pociąga to jednak za sobą konieczność używania większych sił. Przy obróbce cieplno-plastycznej, a zatem po podgrzaniu metalu jego plastyczność rośnie, można więc znacznie łatwiej nadawać mu kształt. Obniża to wartość sił, jakie trzeba zastosować, oznacza jednak konieczność dostarczenia ciepła, a także eliminuje możliwość umocnienia. Do najpopularniejszych metod obróbki plastycznej metalu należy jego walcowanie – wykorzystywane do uzyskiwania elementów o dość dużej powierzchni, np. blach lub taśm, o znacznej długości, a także o bardziej skomplikowanym przekroju – prętów i profili otwartych lub zamkniętych. Do uzyskiwania wyrobów o znacznej długości stosuje się także wyciskanie – metal jest sprężany, a następnie przepuszczany przez otwór o odpowiednim kształcie. Podobnie działa także ciągnienie używane często przy produkcji prętów, drutu i rur. Właściwości plastyczne metali wykorzystuje się także w procesach gięcia, tłoczenia, kucia swobodnego lub matrycowego oraz cięcia.

Plastyczność metali bywa wykorzystywana bezpośrednio, np. przy produkcji uszczelnień, które mają za zadanie odkształcić się w kontakcie z powierzchniami dwóch elementów i tym samym dopasować swój kształt. Plastyczność jest ] używana do zapewniania bezpieczeństwa dzięki specjalnie projektowanym strefom zgniotu. Są one w stanie przyjąć dużą energię, ulegając odkształceniu plastycznemu, jednocześnie ją rozpraszając. Na tej zasadzie działają m.in. bariery energochłonne ustawiane przy drogach czy nadwozia samochodów, które z założenia mają w razie zderzenia zmieniać swój kształt, absorbując energię. Plastyczność metali ma swoje zastosowanie również w przedmiotach codziennego użytku – można dzięki niej zgniatać puszki czy korzystać z drucików do zawijania torebek śniadaniowych.

Plastyczność miedzi

Granica plastyczności miedzi (R_e), a zatem wartość siły, której oddziaływanie powoduje początek płynięcia plastycznego, czyli odkształcania się materiałów wskutek przemieszczania się warstw atomów wynosi 35 N/mm². Jej granica wytrzymałości (R_m), będąca jednocześnie powszechnie stosowaną i najistotniejszą miarą wytrzymałości na rozciąganie, po której przekroczeniu dochodzi do powstawania pęknięć jej struktury krystalicznej i rozerwania, czyli przekroczenia wytrzymałości kohezyjnej materiału to 200 N/mm². Granica plastyczności miedzi może być podniesiona za sprawą umocnienia w wyniku zgniotu, przy 60% zgniocie R_m wynosi już 400 N/mm². Wyższą granicę plastyczności, a zarazem większą granicę wytrzymałości mają stopy miedzi. Brązy – w zależności od składu stopu mogą osiągać R_m wynoszące od 180 do 550 N/mm². Odpowiednia obróbka termiczna stopu może zwiększyć ten parametr nawet do 800 N/mm², a w przypadku brązu berylowego można po zgniocie połączonym z utwardzeniem wydzieleniowym osiągnąć R_m = 1180 N/mm² przy jednoczesnym przesunięciu granicy plastyczności R_e do 785 N/mm². Parametry miedzi i jej stopów pozwalają na bardzo efektywną obróbkę zarówno na zimno, jak i na gorąco w temperaturze 650–800°C.

Wszechstronność miedzi i możliwość wytwarzania różnych stopów z jej udziałem sprawia, że można ją wykorzystywać na rozmaite sposoby, zarówno tam, gdzie jest wymagana wysoka plastyczność, jak i tam, gdzie ważniejsza będzie duża wytrzymałość mechaniczna. Przykładem zastosowania, w którym liczy się duża plastyczność, będzie produkcja przewodów elektrycznych. W tym przypadku miedź jest używana zarówno w postaci pojedynczych izolowanych odpowiednio drutów o właściwych przekrojach, a także splatanych linek – w takiej sytuacji przewód składa się z większej liczby cieńszych drucików. Przewody wykonane z drutu sprawdzają się przede wszystkim tam, gdzie okablowanie jest układane i mocowane statycznie – plastyczność jest wykorzystywana wówczas głównie podczas samych prac instalacyjnych, przeprowadzania kabli przez przegrody, łączenia z odpowiednimi stykami czy zginania. Przewody zbudowane z linek będą używane przede wszystkim tam, gdzie ważne jest rozpraszanie drgań, przenoszenie obciążeń związanych z ciężarem samych kabli i działających na nich czynników zewnętrznych czy też przemieszczanie się elementu, do którego są doprowadzone. Tego rodzaju instalacje są stosowane w budowie pojazdów, maszyn i urządzeń, wykonywaniu elementów infrastruktury energetycznej, choć tu ze względu na potrzebne przekroje przewody, z których są splatane linki, będą odpowiednio grubsze. Przykładem stopu miedzi, który jest stosowany ze względu na niską plastyczność i wysoką wytrzymałością na rozciąganie będą rozmaite mosiądze, zawierające oprócz miedzi także np. krzem, mangan, aluminium, nikiel i cynę. Używa się ich do budowy obciążonych elementów maszyn – panewek, łożysk, pierścieni, cylindrów i kół zębatych.