Temat 1 (2 godziny): Próba statyczna rozciągania metali
1.1. Wstęp
Próba statyczna rozciągania jest podstawowym rodzajem badania metali, mających
zastosowanie w technice i pozwala na określenie własności mechanicznych metali.
Doświadczenie to polega na osiowym rozciąganiu próbek o ściśle określonych kształtach
mocowanych w uchwytach specjalnych maszyn zwanych maszynami wytrzymałościowymi
lub zrywarkami, pozwalającymi w sposób ciągły zwiększać siłę od zera do wartości, przy
której następuje zerwanie próbki. Próba ta jest objęta Polską Normą PN-EN 10002-1+AC1
1.2. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie na podstawie statycznej próby rozciągania wielkości
wytrzymałościowych takich jak granica wytrzymałości na rozciąganie, granica plastyczności,
naprężenia rozrywającego oraz wielkości charakteryzujących materiał pod względem
plastycznym: wydłużenie względne wyrażone w procentach i przewężenie względne również
wyrażone w procentach.
1.3. Rodzaje stosowanych próbek
W celu przeprowadzenia próby rozciągania materiału należy przygotować próbkę, która
powinna być wykonana w sposób określony przez odpowiednie normy przedmiotowe. Tak na
przykład, próbki z blach powinny być tak wycinane, by ich rozciąganie zachodziło w
kierunku zgodnym z kierunkiem walcowania lub prostopadłym do niego. Próbki powinny być
wycinane sposobem mechanicznym. Należy unikać używania palnika acetylenowego, aby nie
spowodować miejscowego przegrzania, zmieniającego własności wytrzymałościowe
i plastyczne materiału. Ostateczna obróbka próbek może się odbywać tylko za pomocą
skrawania oraz szlifowania. Każda próbka ma pryzmatyczną część pomiarową oraz części
służące do mocowania w uchwytach maszyny wytrzymałościowej. Przejścia od części
pomiarowej do główek muszą być łagodne. Dla stali podstawowymi rodzajami próbek są:
– próbki okrągłe z główkami gwintowanymi wkręcanymi w uchwyty maszyny
wytrzymałościowej (rys. 1.1 a): jest to najpewniejszy sposób mocowania, uniemożliwiający
poślizgi próbki w uchwytach,
– próbki okrągłe z główkami do chwytania w szczęki (rys. 1.1 b),
– próbki okrągłe do chwytania w uchwyty pierścieniowe (rys. 1.1 c),
– próbki płaskie (rys. 1.2).
– a)
b)
c)
Rys.
1.1.
Próbki
okrągłe
stosowane
do
przeprowadzania
statycznej
próby
rozciągania
L
o
– początkowa długość pomiarowa,
L
c
– długość robocza,
L
t
– długość całkowita próbki,
d
o
– średnica próbki na długości roboczej L
c
,
D – średnica próbki w części chwytowej próbki o długości m.
Wymiarem podstawowym próbek okrągłych jest średnica d
o
, od której zależy początkowa
długość pomiarowa L
o
:
L
o
= nd
o
,
(1.1)
gdzie: n – krotność próbki, zalecaną wartością krotności jest n = 5.
d
o
– średnica próbki, może przyjmować wartości: 5, 10 lub 20 mm.
W przypadku próbek o innych przekrojach niż okrągły, długość pomiarowa jest obliczana
przez porównanie pola S przekroju poprzecznego próbki o innym przekroju niż okrągły z
polem przekroju poprzecznego próbki o przekroju okrągłym S
o:
0
S
S
,
0
S
=
4
2
0
d
,
o
d
=
S
4
= 1,13
S
(1.2)
Długość pomiarowa określana jest podobnie jak dla próbki o przekroju okrągłym:
o
d
n
L
0
, dla
5
n
S
L
o
65
,
5
(1.3)
Rys. 1.2. Próbka płaska z główkami
1.4. Wykres rozciągania
Wykres rozciągania rejestrowany jest w układzie siła – wydłużenie (F – l) w trakcie próby
rozciągania. Próba nazywana jest statyczną, choć obciążenie narasta z określoną prędkością.
Na rysunku 1.3 przedstawiono przykładowy wykres rozciągania próbki okrągłej wykonanej
ze stali niskowęglowej. Kształt wykresu zależy od rodzaju materiału. Dla porównania
wykresów rozciągania we współrzędnych siła-wydłużenie należałoby stosować próbki o
identycznych wymiarach. Aby tego uniknąć korzysta się z wielkości niezależnych od
wymiarów próbki:
– naprężenie w przekroju prostopadłym do osi próbki:
0
S
F
[MPa] (1.4)
– wydłużenie względne
0
L
L
(1.5)
Wykres
)
(
f
przedstawiony jest na rysunku 1.4, linia na tym wykresie ilustruje
naprężenia rzeczywiste obliczone jako iloraz aktualnej siły obciążającej F do pola przekroju
poprzecznego próbki S
0
. Na początku próby wydłużenie rośnie wprost proporcjonalnie do
siły obciążającej, aż do osiągnięcia tzw. granicy proporcjonalności
H
R
:
H
R
=
0
S
F
H
[MPa], S
0
– przekrój początkowy próbki
(1.6)
Jest to graniczne naprężenie, do którego ma zastosowanie prawo Hooke'a. Do tej granicy
odkształcenia są małe, a po odciążeniu próbka wraca do pierwotnej długości. Nieco wyżej niż
granica proporcjonalności R
H
znajduje się granica sprężystości R
s
:
s
R
=
0
S
F
s
[MPa]
(1.7)
Jest to graniczne naprężenie, po przekroczeniu którego próbka po zdjęciu obciążenia już nie
wróci do wymiarów początkowych, zaczynają się pojawiać odkształcenia trwałe. Odcinek
wykresu R
H
– R
s
nie jest już linią prostą, co jest odstępstwem od prawa Hooke'a.
Odkształcenia nadal mają charakter sprężysty, po zdjęciu obciążenia zanikają.
Wyznaczenie granicy proporcjonalności R
H
oraz granicy sprężystości R
s
jest możliwe dopiero
z zastosowaniem odpowiednio czułych przyrządów pomiarowych (tensometrów). Powyżej
granicy sprężystości R
s
występuje wyraźna granica plastyczności:
e
R =
0
S
F
e
[MPa]
(1.8)
Jest to naprężenie, przy którym pojawia się wyraźny przyrost wydłużenia próbki, przy prawie
stałej wartości siły F
e
, a nawet przy jej spadku. Ponieważ odkształcenia zachodzą tu bez
wzrostu obciążenia zachowanie materiału określamy jako „płynięcie”. W momencie
osiągnięcia granicy plastyczności na polerowanej powierzchni próbki można dostrzec szereg
linii przebiegających pod kątem
4
do osi próbki. Są to linie poślizgów cząstek materiału
względem siebie. Poślizgi te trwają pewien czas, po czym następuje umocnienie materiału.
Przy dalszym wzroście siły obciążającej zachodzi znaczne wydłużenie próbki, przy czym jest
wyraźny brak proporcjonalności między siłą a wydłużeniem. Po osiągnięciu wartości
maksymalnej F
m
możemy określić wytrzymałość na rozciąganie R
m
:
m
R
=
0
S
F
m
[MPa]
(1.9)
Rys. 1.3. Wykres rozciągania stali niskowęglowej
Jest to naprężenie, które odpowiada maksymalnej sile uzyskanej w trakcie rozciągania. Po
przekroczeniu siły maksymalnej
m
F
, przy dalszym wzroście wydłużenia, w najsłabszym
miejscu próbka zaczyna się przewężać. Formuje się tzw. szyjka i próbka pęka przy wartości
siły F
u
. Naprężenie odpowiadające tej sile to naprężenie rozrywające R
u
:
u
R =
u
u
S
F
[MPa]
(1.10)
Jest to naprężenie, które występuje w przewężeniu próbki tuż przed jej rozerwaniem.
Naprężenie rozrywające R
u
nie ma znaczenia praktycznego i w atestach materiałowych nie
jest podawane.
Na podstawie wyników próby rozciągania wyznacza się również wskaźniki charakteryzujące
własności plastyczne materiału badanej próbki:
– względne wydłużenie próbki po rozerwaniu A
p
,
jest to stosunek przyrostu długości pomiarowej
próbki po zerwaniu do jej długości początkowej wyrażony w procentach:
p
A =
o
o
u
L
L
L
100%,
(1.11)
p krotność próbki;
– względne przewężenie próbki po rozerwaniu Z, jest to stosunek zmniejszenia powierzchni
przekroju poprzecznego próbki w miejscu rozerwania do jej powierzchni początkowej
wyrażony w procentach:
Z =
100
o
u
o
S
S
S
%
(1.12)
Rys. 1.4. Wykres rozciągania stali niskowęglowej
Rys. 1.5. Charakterystyczne przewężenie (szyjka) tworzące się przy rozciąganiu próbek wykonanych z materiału
sprężysto-plastycznego
1.5. Przebieg ćwiczenia:
– zmierzyć średnicę próbki d
0
przy pomocy suwmiarki, określić krotność próbki, wyskalować
próbkę na przyrządzie lub ręcznie,
– przygotować maszynę do próby rozciągania: wybrać odpowiedni zakres maksymalnej siły,
sprawdzić uchwyty i urządzenie rejestrujące wykres rozciągania,
– umocować próbkę w uchwytach maszyny,
– uruchomić maszynę i obserwować przebieg rozciągania;
– po zerwaniu próbki zmierzyć za pomocą suwmiarki średnicę d
0
(lub szerokość a
u
i wysokość b
u
próbek płaskich) oraz długość pomiarową L
u
po rozerwaniu;
– wyniki wpisać do protokółu pomiarów.
1.6. Opracowanie wyników badań
Sprawozdanie powinno zawierać:
– określenie celu próby,
– rysunki próbek przed zerwaniem i po zerwaniu,
– wykres rozciągania otrzymany z maszyny wytrzymałościowej,
– protokół pomiarów, tabela protokółu dostępna jest na pulpicie monitora komputerowego pod
nazwą rozciąganie.xls,
– wnioski.
Protokół pomiarów: statyczna próba rozciągania
Próbka nr:
Materiał:
próbka przed zerwaniem
próbka po zerwaniu
Krotność próbki n =
d
o
=
[mm]
d
u
=
[mm]
a
o
=
[mm]
a
u
=
[mm]
b
o
=
[mm]
b
u
=
[mm]
L
o
=
[mm]
L
u
=
[mm]
S
o
=
[mm
2
]
S
u
=
[mm
2
]
Warunki wykonania próby
Zrywarka
Zakres siłomierza
[kN]
Dokładność odczytu
[N]
Posuw roboczy
[mm/min]
Wartości sił obciążających
F
e
=
[N]
F
m
=
[N]
F
u
=
[N]
Wyniki próby
R
e
=
[MPa]
R
m
=
[MPa]
R
u
=
[MPa]
A =
[%]
Z =
[%]
Uwagi dotyczące przełomu i inne
Podpis wykonującego ćwiczenie: