background image

Celem ćwiczenia  przeprowadzonego podczas ostatnich zajęć laboratoryjnych z metaloznawstwa okrętowego było 
zapoznanie się z metodyką przeprowadzania próby rozciągania, wyznaczania wykresu rozciągania i określania 
podstawowych  parametrów opisujących własności mechaniczne dwóch materiałów o różnych właściwościach. W 
naszym przypadku porównaliśmy próbkę wykonaną ze stali 
o symbolu St 3 oraz ze stopu aluminium - duraluminium PA6. 
 
1. Metodyka badań 
     Statyczna próba rozciągania jest podstawową próbą wytrzymałościową przeprowadzaną w zakresie badań 
materiałowych. Informacje dzięki niej uzyskane powinny być uwzględnione przy doborze materiału na konstrukcję. 
Próba ta przeprowadzana jest zgodnie z normą PN-91/H-044310.                                   
 
Opis próbki: 

 

typ: okrągła z główką do chwytania w szczęki 

 

materiał: stop aluminium i stal St6 

 

wymiary początkowe: L

o

 = 40 mm, d

o

 = 6 mm 

 

krotność: p. = 5 

 
 
                                      d

o

 

                                     
                                            L

o          

                                                                                  

rysunek próbki 

 Opis maszyny: 
Statyczna próba rozciągania została przeprowadzona na rozciągarce o napędzie mechanicznym. 
 
 
 
    siłomierz                                                                                                                                                                                                                            
       próbka                                                                                                  
                                                                 szczęki              dolna i górna belka obciążająca 
  ekstensometr                                                                                  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
                                                               rysunek maszyny                           
Wykonanie próby rozciągania 

 

Próbka zostaje zamocowana w szczekach samozaciskowych, umocowanych do  górnej i dolnej belki obciążającej  

 

Silnik elektryczny prądu stałego poprzez przekładnie i sprzęgła napędza dwie współbieżne śruby pociągowe 

 

Śruby pociągowe poruszają tę belkę w dół, powodując rozciąganie próbki 

 
 
Opis systemów pomiarowych: 
Główne wielkości rejestrowane podczas próby rozciągania, to siła obciążająca mierzona za pomocą siłomierza i 
wydłużenie próbki mierzone za pomocą ekstensometru.  
 
                                  F      
                                      blaszka 
        próbka          
 
                                               tensometry                      
                         Lo 
 

background image

 
 
                                 F               rysunek ekstensometru 
 
 

 

ekstensometr jest blaszką ze stali sprężynowej w kształcie litery 

 

 

swobodne końce ekstensometru są zamocowane na próbce, na końcach jej długości pomiarowej 

 

na ekstensometrze są naklejone odpowiednio połączone tensometry oporowe 

 

wraz z wydłużeniem się próbki, rozchylają się blaszki, zmieniając napięcie na tensometrach  

 

zmiana napięcia jest wprost proporcjonalna do wydłużenia próbki 

L 

 
 
Zmiany napięcia z siłomierza i ekstensometru są wzmacniane przez wzmacniacze pomiarowe i kierowane do 
komputera, który przelicza je na siłę F i wydłużenie próbki 

L. 

Wielkości te są rejestrowane w pamięci komputera niezależnie od siebie, w funkcji czasu, a następnie komputer 
tworzy z nich wykres rozciągania F = f(

L). 

 
 
Czas trwania próby: 
kilka minut    
 
 
Temperatura: 
stała, podwyższona 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2. Opracowanie wykresów dołączonych do sprawozdania: 
       
     a) upłynnienie wykresów na odcinkach gdzie nie jest płynny 

 
b)  przeliczenie skali na wykresie:  z  F - 

L na 

 - 

 

 
według wzorów:     

 = F/S

o

          

 = 

L/L

 

100 % 

                                S

o

 = 

d

o

 /4 

 
d

o

 = 8 mm        - średnica próbki 

L

o

 = 40 mm      - długość próbki 

S

o

 = 

 8 /4 = 64

/4 = 3,141592654 64/4 

 50,265 mm  - powierzchnia przekroju poprzecznego próbki  

 
1.  

L = 4 mm      F = 6 kN = 6 000 N                                             

 = 4 / 40  100 % = 10 % 

     

 = 6 000 N /50,265 mm  

 119,367 MPa                                    

 
2.  

L = 8 mm       F = 12 kN = 12 000 N 

      

 = 12 000 N / 50,265 mm  

 238,734 MPa                               

 = 8 / 40  100 % = 20 % 

 
3.  

L = 12 mm    F = 18 kN = 18 000 N 

      

 = 18 000 N / 50,265 mm  

 358,102 MPa                                

 = 12 / 40  100% = 30 % 

 
4.  

L = 16 mm     F = 24 kN = 24 000 N 

      

 = 24 000 N / 50,265 mm  

 477,469 MPa                                

 = 16 / 40  100 % = 40 % 

 

background image

5.  

L = 20 mm     F = 30 kN = 30 000 N 

      

 = 30 000 N / 50,265 mm  

 596,836  MPa                               

 = 20 / 40  100 % = 50 % 

 
 Początkowo, przy małych obciążeniach, odkształcenia próbki są: 
a)  sprężyste, po odciążeniu próbki wydłużenia te maleją do 0, a długość odcinka pomiarowego próbki wynosi 

ponownie Lo.; ponieważ  zwiększenie odległości międzyatomowych w sieci krystalicznej metalu jest dość słabe , 
więc  siła przyciągania sprawia, że wracają one do położenia poprzedniego (równowagi) po ustaniu działania tej 
siły 

b)  proporcjonalne do wielkości przyłożonego obciążenia, co można wyrazić prawem Hooke’a 
 
                                                 

 = 

 

 E 

 
Równanie to obowiązuje w zakresie obciążenia od 0 do naprężenia zwanego granicą proporcjonalności lub granicą 
Hooke’a, zaś odkształcenie zachowuje swój sprężysty, czyli odwracalny charakter do poziomu naprężenia zwanego 
granicą sprężystości (obydwie te wartości są bliskie sobie). Przy naprężeniach powyżej granicy sprężystości  
pojawiają się odkształcenia trwałe (nieodwracalne), czyli plastyczne.   
 
 
 

3.  Wyznaczenie ( z zaznaczeniem na wykresie ): 
 

a)  granicy plastyczności R

e

 lub R

0,2

 [MPa] 

 

wyraźna granica plastyczności (R

e

)  jest naprężeniem odpowiadającym działaniu siły rozciągającej F

e

, pod 

wpływem której występuje wyraźny wzrost wydłużenia rozciąganej próbki 

 

pojawia się zjawisko zwane płynięciem plastycznym materiału,                                                              tzn. 
następuje powolny wzrost wydłużenia próbki  przy stałym obciążeniu (sile lub naprężeniu) 

 

 

umowna granica plastyczności (R

0,2

)  jest naprężeniem odpowiadającym działaniu siły rozciągającej F

0,2

 , 

wywołującej w próbce  umowne wydłużenie trwałe wynoszące 0,2% długości L

o

 

  

                                    

pl

  

L

pl

 / Lo 100% = 0,2% 

 
0,2% = 

L

pl

 / 40 mm  100% 

L

pl

 = 4 *0,2 / 10 = 0,08 mm 

 
R

o,2

 =F

o,2

 / S

o      

                                                                        Re = Fe / So         

                                                                                    

 

R

o,2

 =1600 N / 50,265 mm  = 318, 313 MPa                            Re =14 000 N / 50,625 mm  = 278,523 MPa 

 
Stop aluminium ma umowną granicę plastyczności, natomiast stal rzeczywistą. 
 

b)  wytrzymałości na rozciąganie Rm [MPa] 

   następuje wyczerpanie się możliwości wydłużenia się próbki wskutek płynięcia plastycznego 

 

aby zwiększyć dalszy przyrost długości próbki, trzeba zwiększyć sile rozciągania 

 

w końcu, przy dość wysokiej wartości wydłużenia, siła rozciągająca osiąga wartość maksymalna - Fm 

 

sile tej odpowiada naprężenie Rm - wytrzymałość na rozciąganie 

 

 
                                Rm = Fm \ So
 
Fm - maksymalna siła podczas rozciągania 
So - powierzchnia przekroju próbki 
 
dla stopu aluminium:                                                           dla stali
Fm = 23,5 kN = 23 500 N                                                    Fm = 20 kN = 20 000 N 
Rm = 23 500 N / 50,265 mm = 467,522 MPa                    Rm = 20 000 N / 50,265 mm  = 397,89 MPa 

 

  Umowna (Ro,

2

) lub rzeczywista (Re) granica plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie (Rm)              to główne 

parametry charakteryzujące własności wytrzymałościowe materiału 

 

c)  naprężenia rozrywającego Ru [MPa] 

background image

 

siła rozciągania, po osiągnięciu maksymalnej wartości, zaczyna spadać, aż do zerwania próbki 

 

powód: szybki zmniejszanie się rzeczywistej powierzchni przekroju poprzecznego 

 
                                       Ru = Fu / Su 
Fu - siła w momencie przerwania się próbki 
Su - powierzchnia przekroju poprzecznego w momencie przerwania 
 
 
 
dla stopu aluminium:                                                                 dla stali:
 
Fu 

 23 kN                                                                                 Fu 

 15 kN 

Su  = 

 du / 4                                                                             Su = 

 du / 4 

du = 6,8 mm                                                                              du = 4,2 mm 
Su = 

 6,8 mm / 4  = 36,317 mm                                              Su = 

 4,2 mm / 4 =  13,854 mm 

 
Ru = 23 000 N / 36,317 mm  

 633,312 MPa                      Ru = 15 000 N / 13,854 mm  

 1082.719 MPa 

 

  Ru jest miarą rzeczywistej wytrzymałości materiału 

 

d)  wydłużenie trwałe całkowite A

[%] 

 

jest to wartość względnego wydłużenia plastycznego 

pl. 

Odpowiadającego punktowi zerwania próbki 

 

podstawowa wielkość opisująca własności plastyczne 

 

 

na podstawie pomiarów próbki po zerwaniu 

         
                                           Ap = ( Lu - Lo ) / Lo  100% 
p.  - krotność próbki  (5) 
Lu - długość próbki po zerwaniu 
Lo - długość początkowa 
 
dla stopu aluminium:                                                                 dla stali:
 
                                                    Lo = 40 mm 
Lu = 49 mm                                                                                Lu = 55,2 mm 
A

5

 = ( 49 - 40 )/ 40 * 100%                                                        A

5

 = (55,2 - 40) / 40 * 100% 

A

5 = 

22,5%                                                                                  A

5

 = 38% 

 

  na podstawie wykresu 

16%                                                                                              38,5% 
      
  

e)  przewężenie plastyczne [%] 

 

wydłużaniu się próbki towarzyszy zmniejszanie się jej przekroju. 

 

początkowo jest ono równomierne na całej długości próbki, potem pojawia się przewężenie 

 

druga wielkość charakteryzująca właściwości plastyczne  

  
                                             Z = ( So - Su ) / So * 100% 
 
dla  stopu aluminium:                                                                    dla stali: 
 
                                                        So = 50,265 mm                                                                               
Su = 36,317  mm                                                                                 Su = 3,299 mm 
 
Z = (50,265 - 36,317 ) \50,265 * 100%=                                Z = ( 50,265 - 13,854  ) / 50,265 * 100%= 
   

 27,75%                                                                                  

 72,438% 

 
                                              
  
 
PODSUMOWANIE WYNIKÓW DO ŚWIADCZENIA: 

background image

                  
                                                 Stal ST3                     Stop aluminium 
     Granica plastyczności       rzeczywista Re            umowna R

o,2

 

             [MPa]                           ok. 279                          ok. 318 
      
 

Wytrzymałość na rozciąganie       ok. 398                             ok. 468

 

     Rm   [MPa] 
 
  Naprężenie rozrywające          ok. 1083                       ok. 633 
      Ru   [MPa]  
 
  

Wydłużenie trwałe całkowite      ok. 38,5 %                        ok. 22,5 %

 

     A

5

    [%] 

  na podstawie obliczeń 
   
 

Wydłużenie trwałe całkowite      ok. 39 %                           ok. 16 %

 

     A

5

    [%] 

  na podstawie wykresu 
 
 
  Przewężenie plastyczne         ok. 72 %                      ok. 28 % 
        Z    [%] 
 
 
                                  
                                                    WNIOSKI 
1.  wymiary próbki 
Lo = 40 mm 
do = 8 mm 

 

L = 9 mm  

a)  stop aluminium: 
     Lu = 49 mm 
     du = 6,8 mm 
b)  stal: 
     
Lu = 55,2 mm 
     du = 4,2 mm 

 

L = 15,2 mm 

 
2. sposób pęknięcia próbki 
a)  ze stopu aluminium: 

 

poza środkową częścią, przy końcu jednej z linii pomiarowych 

 

przełom skośny, nachylenie ok. 45

 w stosunku do osi 

b)  ze stali: 

 

w środkowej części długości pomiarowej, 

 

przełom prostopadły do osi próbki 

 próbka ze stopu aluminium wykonana nieumiejętnie - musiała być węższa w którymś miejscu 

 próbka stalowa pękła w sposób prawidłowy - była dobrze wykonana 

 
 
3. właściwości sprężyste  
na podstawie wykresu: 

a)  duraluminium  

 

posiada jedynie umowną granicę plastyczności 

b)  stal 

 

charakteryzuje się rzeczywistą granicą plastyczności 

 w stali zachodzi zjawisko płynięcia materiału  

 jeżeli proces rozciągania zatrzyma się w pewnym miejscu, to aluminium odkształci się sprężyście 

     a stal plastycznie (nieodwracalnie) 

  umowna granica plastyczności duraluminium jest wyższa od rzeczywistej granicy plastyczności stali 

4.  własności wytrzymałościowe 

background image

 

wartość siły maksymalnej Fm  odpowiada większej wartości obciążenia w przypadku duraluminium 

 stop aluminium  ma większe własności wytrzymałościowe niż stal 

 aby trwale odkształcić stop aluminium należy użyć większego obciążenia 

 
5.  własności plastyczne 

 

wykres rozciągania jest niższy dla stali 

 

wydłużenie i przewężenie stali jest większe niż duraluminium 

 stal ma lepsze własności plastyczne 

 

Idealny materiał na konstrukcję okrętową powinien posiadać duże własności wytrzymałościowe i 
plastyczne. Jednak wykonane ćwiczenie dowodzi, że wzrost własności wytrzymałościowych jest 
odwrotnie proporcjonalny do wzrostu własności plastycznych materiału.
 Dlatego w zależności od 
wymagań stawianych konstrukcji, należy wybrać pomiędzy potrzebą wytrzymałości oraz 
plastyczności używanego metalu.