126
Ćwiczenie 14
PRÓBA STATYCZNA ROZCIGANIA METALI
1. CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z przebiegiem próby rozciągania i wielkoScia-
mi wyznaczanymi podczas tej próby.
2. WIADOMORCI PODSTAWOWE
Próba rozciągania jest najczęSciej stosowaną technika eksperymentalną, mającą
na celu okreSlenie własnoSci mechanicznych materiałów metalowych. Jej warunki
i przebieg okreSla norma PN-EN 10002-1+AC1. Swoją powszechnoSć zawdzięcza
prostocie oraz szerokiemu wachlarzowi informacji dotyczących zachowania się me-
talu poddanego jednoosiowemu rozciąganiu w zakresie od odkształceń sprężystych
i plastycznych, aż do momentu rozdzielenia (naruszenia spójnoSci) próbki.
Próbę rozciągania przeprowadza się na maszynach wytrzymałoSciowych wyposa-
żonych w układy pomiarowe zapewniające dokładną rejestrację działającej na próbkę
siły F i wywołanego przez nią przyrostu odkształcenia "L względem początkowej
długoSci pomiarowej próbki Lo, co przedstawiono schematycznie na rys. 14.1. Nowe
generacje maszyn wytrzymałoSciowych mają najczęSciej elektroniczne układy pomia-
rowe wspomagane komputerowo. Dzięki takiemu rozwiązaniu wykres rozciągania,
czyli zależnoSć F = f("L), można wydrukować bezpoSrednio z modułu pomiarowego
maszyny lub po skopiowaniu bazy danych opracować go w dowolnym programie
kalkulacyjno-graficznym jak np. EXCEL. Dodatkową wersję wykresu rozciągania
można sporządzić w układzie współrzędnych R = f(A) lub równoznacznym układzie
stosowanym w wytrzymałoSci materiałów oznaczonym jako = f(); przy czym:
R = = F/So naprężenie nominalne próbki
A = = ("L/Lo)100% wydłużenie procentowe próbki
So początkowe pole powierzchni przekroju poprzecznego próbki.
"L całkowity przyrost wydłużenia bazy pomiarowej Lo
W obu tych wzorach wielkoSci So i Lo są wielkoSciami stałymi i dlatego kształt
wykresu rozciągania w układzie współrzędnych R = f(A) lub = f() jest taki sam
jak w układzie F = f("L), a przy odpowiednim wyskalowaniu osi, wykresy te mogą się
pokrywać.
Opracowali: Marek Radwański, Stanisław M. Pytel
127
4
7
dł e ie r i "L
Rys. 14.1.
Schemat stanowiska pomiarowego wspomaganego komputerowo do próby rozciągania: 1 rama maszy-
ny wytrzymałoSciowej, 2 napęd, 3 dolny uchwyt próbki, 4 górny uchwyt próbki, 5 czujnik
pomiaru siły, 6 czujnik pomiaru wydłużenia próbki, 7 próbka, 8 wzmacniacz sygnałów pomiaro-
wych, 9 komputer wyposażony w kartę pozyskania danych, 10 wykres rozciągania F = f(,L)
Na przebieg wykresu rozciągania F = f("L) wpływa przede wszystkim skład che-
miczny oraz mikrostruktura badanego materiału metalowego. Na ostateczny kształt
wykresu ma ponadto wpływ temperatura przeprowadzenia próby oraz geometria próbki.
Na rysunkach 14.2 do 14.4 przedstawiono przykłady wykresów rozciągania kilku
materiałów metalowych. Wszystkie badania przeprowadzono na próbkach walcowych
o Srednicy Do = 10 mm oraz długoSci pomiarowej Lo = 50 mm. Wykresy te zostały
wybrane z komputerowej bazy danych, sporządzonej do celów ćwiczeń laboratoryj-
nych i obejmującej pliki zawierające dane z prób rozciągania materiałów o zróżnico-
wanym składzie chemicznych oraz mikrostrukturze.
Już wstępna analiza tych wykresów pozwala na jakoSciowe sklasyfikowanie cha-
rakterystycznych cech odróżniających poszczególne przebiegi F = f("L). Jak widać,
wykresy przedstawione na rys. 14.2 oraz rys. 14.3a diametralnie różnią się od siebie.
Wykres przedstawiony na rys. 14.2 sporządzony dla stali konstrukcyjnej 35 hartowa-
nej w wodzie jest praktycznie liniowy do wartoSci obciążenia próbki około F = 60 kN.
r z
g i F
sił
i
,
128
Po uplastycznieniu stali, co ujawniło się
w postaci niewielkiego odchylenia od li-
niowego przebiegu wykresu, wystąpiło
pęknięcie próbki. Jak to widać z rys. 14.2,
utrata spójnoSci w próbce nastąpiła przy
maksymalnej wartoSci siły rozciągającej
około Fu = 98 kN i bardzo niewielkim
wydłużeniu bazy pomiarowej Lo wyno-
szącym zaledwie "L = 0,50 mm. Zakres
nieliniowego odkształcania próbki jest
więc bardzo wąski, co Swiadczy o bar-
dzo małej podatnoSci badanej stali do od-
kształcenia plastycznego. Stal o takiej
charakterystyce wytrzymałoSciowej za-
licza się do materiałów kruchych.
Zupełnie inny kształt ma wykres roz-
dł e ie r i "L,
ciągania tej samej stali w stanie normali-
Rys. 14.2.
zowanym przedstawiony na rys. 14.3a.
Wykres rozciągania próbki walcowej Ć 10 mm,
Początkowy, prostoliniowy przebieg wy-
Lo = 50 mm ze stali konstrukcyjnej niestopowej
kresu (zakres sprężysty) oddzielony jest o zawartoSci C = 0,35% po hartowaniu w wodzie
Bez zgl d e dł e ie r i "L,
dł e ie r i "L,
Rys. 14.3b
Rys. 14.3a Początkowy fragment wykresu rozciągania przed-
Wykres rozciągania próbki walcowej Ć 10 mm, stawiający zakres sprężysto-plastyczny stali kon-
Lo = 50 mm ze stali konstrukcyjnej niestopowej strukcyjnej niestopowej o zawartoSci C = 0,35%
o zawartoSci C = 0,35% w stanie normalizowa- przedstawiający sposób wyznaczania siły FeH
nym oraz FeL
r z
g
ił
i
F,
z i
r z i
ił r
g F,
ił
g F,
129
dł e ie r i "L,
dł e ie r i "L,
Rys. 14.4b
Fragment wykresu przedstawiający sposób wy-
Rys. 14.4a
znaczania siły Fp0,2 niezbędnej do obliczenia
Wykres rozciągania miedzi w stanie zmiękczo-
umownej granicy plastycznej Rp0,2
nym próbka walcowa Ć 10 mm, Lo = 50 mm
od reszty toru fragmentem, podczas którego wydłużenie próbki przebiega praktycznie
bez wzrostu siły rozciągającej, co dokładnie ilustruje wykres przedstawiony na rys.14.3b.
Z takiego przebiegu krzywej rozciągania wynika, że badany materiał posiada wyraxną
granicę plastycznoSci. Dodatkową cechą charakterystyczną tego wykresu jest fakt,
że zerwanie próbki nastąpiło przy sile znacznie mniejszej, bo około Fu = 36 kN, od
maksymalnej siły rozciągającej występującej podczas próby. Wydaje się to paradok-
salne, lecz wytłumaczenie takiego zjawiska jest proste. Zakres malejącej siły F zwią-
zany jest bezpoSrednio z utworzeniem się w próbce tzw. szyjki, czyli lokalnego prze-
wężenia próbki powstającego przed jej ostatecznym rozdzieleniem. Obliczona ze wzoru
Ru = u = Fu/So wielkoSć jest więc naprężeniem nominalnym, bo wyznaczonym w sto-
sunku do przekroju początkowego So. W rzeczywistoSci, na skutek lokalnego przewę-
żenia odkształcanej próbki, jej przekrój poprzeczny znacznie się zmniejsza do wielko-
Sci Su, wobec czego rzeczywiste naprężenie jest większe od nominalnego i pęknięcie
następuje przy największym naprężeniu pomimo spadku siły rozciągającej. Opisany
przebieg wykresu F = f("L) charakteryzuje materiały metalowe podatne na odkształ-
cenia plastyczne oraz posiadające wyraxną granicę plastycznoSci.
Nieco odmienny kształt ma wykres rozciągania próbki wykonanej z miedzianego
pręta poddanego wyżarzaniu zmiękczającemu w temperaturze 600C, co przedsta-
wiono na rys. 14.4a oraz 14.4b. Po krótkim odcinku prostoliniowym, charakteryzują-
cym zakres sprężysty (rys.14.4b) następuje nieliniowy wzrost obciążenia, aż do mo-
z i
r z i
ił r
g F,
ił
g F,
130
mentu osiągnięcia maksymalnej wartoSci siły rozciągającej Fm = 17 kN i pojawienia
się strefy niemal płaskiego przebiegu siły. W kolejnej fazie na wykresie można zaob-
serwować stopniowy spadek siły rozciągającej, co związane jest z nierównomiernym
odkształceniem próbki i pojawieniem się tzw. szyjki. Jak widać z rys. 14.4a rozdziele-
nie próbki wykonanej z miedzi nastąpiło po znacznym spadku siły rozciągającej
Fu = 9,5 kN oraz silnym wydłużeniu, bo około "L = 29 mm. Te wartoSci Swiadczą
o dobrych własnoSciach plastycznych, umożliwiających, w przeciwieństwie do mate-
riałów kruchych, uzyskanie w próbce miedzianej znacznych odkształceń trwałych.
Opisany przebieg wykresu F = f("L) charakteryzuje materiały metalowe podatne na
odkształcenia plastyczne oraz nie posiadające wyraxnej granicy plastycznoSci.
Na przedstawionych wykresach można więc wyróżnić fragmenty odpowiadające
różnym fazom rozciągania. Początkowy fragment wykresu prostoliniowy Swiad-
czy o odkształceniu sprężystym próbki. Odciążenie próbki w tym zakresie spowoduje
jej powrót do wymiarów początkowych, czyli próbka zachowuje się jak sprężyna.
PrzejScie z fazy odkształcenia sprężystego do plastycznego może być oddzielone przy-
rostem odkształcenia bez wzrostu siły, jak to przedstawia rys. 14.3b lub przebiegać
przy stopniowym nieliniowym wzroScie siły, co obrazuje rys. 14.2 i rys. 14.4b. W przy-
padku wykresu przedstawionego na rys. 14.3b mówimy o wystąpieniu wyraxnej gra-
nicy plastycznoSci, zaS w przypadku wykresów przedstawionych na rys. 14.2 oraz
14.4b o braku wyraxnej granicy plastycznoSci. W miarę wydłużania próbki metalowej
kolejną fazą rozciągania jest stopniowy wzrost siły, aż do momentu osiągnięcia mak-
symalnej wartoSci siły Fm, Taki przebieg zjawiska związany jest z umocnieniem mate-
riału metalowego wywołanego mechanizmem poSlizgu lub blixniakowania. Ostatnią
fazą próby rozciągania jest lokalne przewężenie próbki prowadzące do stopniowego
naruszenia spójnoSci materiału (dekohezji), w wyniku czego następuje w momencie
osiągnięcia siły Fu, całkowite rozdzielenie próbki.
Analiza wykresów rozciągania pozwala więc na okreSlenie podstawowych infor-
macji o badanym materiale jak np. czy jest kruchy lub plastyczny, czy ma wyraxną lub
umowną granicę plastycznoSci, czy podczas odkształcenia plastycznego ulega umoc-
nieniu. Na podstawie próby rozciągania można również wyznaczyć liczbowe wielko-
Sci charakteryzujących własnoSci wytrzymałoSciowe badanego materiału. Podstawo-
we z nich to: wyraxna granica plastycznoSci Re lub umowna granica plastycznoSci Rp0,2,
wytrzymałoSć na rozciąganie Rm, procentowe wydłużenie A i przewężenie próbki Z.
Jeżeli badany materiał wykazuje wyraxną granicę plastycznoSci to w strefie, od-
dzielającej zakres odkształcenia sprężystego od plastycznego może wystąpić niewiel-
ka zmiennoSć siły odkształcającej próbkę co przykładowo zobrazowano na rys. 14.3b.
W takim przypadku wyróżnia się górną i dolną granicę plastycznoSci.
Górna granica plastyczności ReH [N/mm2] jest to wartoSć naprężenia w mo-
mencie, kiedy następuje pierwszy spadek siły co przedstawiono na rys. 14.3b, a dolna
granica plastyczności ReL [N/mm2] jest to najmniejsze naprężenie podczas pierw-
131
szej fazy odkształceń plastycznych z pominięciem ewentualnego efektu przejSciowego
(pierwszego wahnięcia siły). Te wielkoSci można obliczyć ze wzorów:
zaS (1a,b)
Zakładając, że początkowy przekrój próbki wynosi S0 = 78,5 mm2 i uwzględniającdane
z rys. 14.3b obliczone wartoSci wynoszą: ReH = 382 N/mm2 oraz ReL = 331 N/mm2.
W przypadku materiałów nie posiadających wyraxnej granicy plastycznoSci (rys.
14.2 i 14.3b) wyznacza się tzw. umowną granicę plastyczności Rp0,2 [N/mm2],
czyli naprężenie powodujące trwałe wydłużenie bazy pomiarowej próbki L0 równe
0,2%:
(2)
Na rys. 14.2 oraz 14.4b przedstawiono sposób wyznaczenia wartoSci siły Fp0,2
niezbędnej do obliczenia umownej granicy plastycznoSci Rp0,2 dla hartowanej stali
gatunku 35 (Fp0,2 = 98 kN), zaS na rys. 14.4b dla miedzi (Fp0,2 = 22 kN). Dla próbki
walcowej o Srednicy 10 mm i bazie pomiarowej L0 = 50 mm odkształcenie trwałe
0,2%Lo wynosi 0,1 mm. Celem wyznaczenia siły Fp0,2 należy z punktu o wartoSci
odkształcenia 0,1 mm poprowadzić odcinek równoległy do sprężystej charakterystyki
próbki. Punkt przecięcia tego odcinka z krzywą rozciągania wyznacza wartoSć siły
Fp0,2. Na podstawie tych danych z rys. 14.2 oraz rys. 14.4 obliczone wartoSci umow-
nej granicy plastycznoSci dla stali wynoszą: RpoL = N/mm2 oraz miedzi: Rpr0,2 = N/
mm2.
Wytrzymałość na rozciąganie Rm [N/mm2] (1 N/mm2 = 1 MPa) jest to napręże-
nie odpowiadające największej sile Fm występującej podczas próby, czyli iloraz tej siły
przez początkowy przekrój poprzeczny próbki:
(3)
PodatnoSć materiału na odkształcenia trwałe opisują w próbie rozciągania dwie
wielkoSci:
Wydłużenie procentowe próbki A [%] jest to wyrażony w procentach przyrost
długoSci pomiarowej próbki po rozerwaniu, w stosunku do początkowej długoSci
pomiarowej:
(4)
132
Przewężenie procentowe próbki Z [%] okreSlono natomiast procentową zmia-
nę powierzchni przekroju poprzecznego próbki w miejscu największego przewęże-
nia w stosunku do początkowej powierzchni przekroju poprzecznego:
(5)
We wzorach (2) i (3) indeks u oznacza wielkoSci odnoszące się do próbek po
rozerwaniu.
WielkoScią charakteryzującą własnoSci sprężyste badanego materiału jest moduł
sprężystości E [N/mm2], zwany też modułem Younga definiowany jako stosunek
przyrostu naprężenia do odpowiadającego mu przyrostu wydłużenia względnego w za-
kresie odkształceń sprężystych:
(6)
gdzie:
zaS
Próba rozciągania metali umożliwia uzyskanie również dodatkowych informacji
o badanym materiale. Obserwacja powierzchni powstałej w wyniku naruszenia spój-
noSci próbki, nazywanej złomem lub przełomem, pozwala na okreSlenie pewnych cech
budowy krystalicznej materiału, takich jak wielkoSć ziarna czy jednorodnoSć struktury.
Próbę rozciągania przeprowadza się na próbkach, których kształt i wymiary zależą
od kształtu i wymiarów wyrobów metalowych, których własnoSci mają być okreSlo-
ne. W przypadku badania wyrobów o stałym przekroju (pręty, rury, druty, itp.) próbka-
mi mogą być ich fragmenty o odpowiedniej długoSci nie obrobione mechanicznie.
W innych przypadkach próbkę wykonuje się za pomocą obróbki mechanicznej, zwa-
żając, aby nie miała ona wpływu na własnoSci materiału (wpływ temperatury czy
odkształceń plastycznych). Próbki do badań wytrzymałoSciowych mogą mieć począt-
kową długoSć pomiarową zależną od początkowego przekroju poprzecznego są to
próbki proporcjonalne lub niezależne i wtedy nazywa się je nieproporcjonalnymi. Po-
czątkową długoSć pomiarową próbek proporcjonalnych wyznacza się ze wzoru:
(7)
gdzie k jest współczynnikiem, którego zalecana wartoSć wynosi 5,65, a dla próbek
cienkich, których początkowa długoSć pomiarowa przy zastosowaniu współczynnika
k równego 5.65 byłaby mniejsza od 20 mm, zaleca się stosowanie k = 11,3. Dla próbek
o przekroju kołowym współczynnik 5.65 odpowiada próbkom pięciokrotnym, a 11.3
próbkom dziesięciokrotnym, czyli takim, których początkowa długoSć pomiarowa jest
133
pięcio lub dziesięciokrotnoScią ich Srednicy. Dokładniejsze wymagania i zalecenia do-
tyczące kształtów i wymiarów próbek do rozciągania zawiera norma PN-EN 10002-
1+AC1 wraz z załącznikami.
Norma ta opisuje między innymi również wymagania dotyczące sposobu wykona-
nia próbek, znakowania początkowej długoSci pomiarowej, warunki przeprowadzania
próby rozciągania oraz protokół badania. załączniki do normy opisują próbki z blach,
taSm, płaskowników, drutów, prętów, profili oraz rur o różnych wymiarach.
3. MATERIAŁY I URZĄDZENIA
Maszyna wytrzymałoSciowa, próbki do próby rozciągania metali, skalarka, suw-
miarka, próbki z różnych metali po przeprowadzonej próbie rozciągania, katalog baz
danych z prób rozciągania oraz wykresy rozciągania różnych metali.
4. PRZEBIEG ĆWICZENIA
W trakcie ćwiczenia, mając do dyspozycji PN-EN 10002-1+AC1 oraz formularz
sprawozdania, należy wykonać czynnoSci:
1. Zmierzyć wymiary dostarczonych próbek i zbadać ich zgodnoSć z normą.
2. OkreSlić wielkoSć początkowej długoSci pomiarowej dostarczonych próbek oraz
wyznaczyć je za pomocą skalarki.
3. Przeprowadzić próbę rozciągania próbek z dwóch różnych materiałów.
4. Wykorzystując wyniki przeprowadzonych prób i pomiary odkształconych próbek
wyznaczyć parametry: Re lub Rp0,2, Rm, Ru, A5, Z.
5. Dla innych dwóch materiałów wyznaczyć wielkoSci wymienione w punkcie 4 na
podstawie baz danych lub wykresów rozciągania oraz pomiarów dostarczonych
próbek po próbie rozciągania.
6. Wykonać zadania przedstawione w formularzu sprawozdania.
5. WYTYCZNE DO OPRACOWANIA SPRAWOZDANIA
Sprawozdanie winno zawierać opracowanie wszystkich zadań przedstawionych
w formularzu sprawozdania. Formularz sprawozdania do ćwiczenia nr 14 dostępny
jest jako odbitka kserograficzna lub plik komputerowy.
6. LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA
[1] Norma PN-EN 10002-1+AC1. Metale. Próba rozciągania. Metoda badania
w temperaturze otoczenia.
[2] Katarzyński S., Kocańda S., Zakrzewski M.: Badanie własnoSci mechanicz-
nych metali. WNT, Warszawa 1996.
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
5 PRÓBA STATYCZNA ROZCIĄGANIA METALILaboratorium Wytrzymałości Materiałów Statyczna próba rozciągania metali5 Statyczna próba rozciągania metali5 Statyczna próba rozciągania metali2 Próba statyczna ściskania materiałów kruchychstatyczna proba rozciagania z dokladnym pomiarem wydluzenialogoń,materiały budowlane L, statyczna próba rozciągania próbki metalowejstatyczna proba rozciaganiaStatyczna próba skręcania metaliwięcej podobnych podstron