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

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

o



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 %

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]



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

5

[%]



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:

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



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.