Kamilla Wala	Politechnika Opolska	15.11.2011
Statyczna próba rozciągania metali.

1. Wstęp teoretyczny

Próba statyczna rozciągania jest jedną z podstawowych prób stosowanych do określenia jakości materiałów konstrukcyjnych wg kryterium naprężeniowego w warunkach obciążeń statycznych. Pozwala bowiem na obserwację zachowania się materiału w całym zakresie odkształceń (sprężystym, sprężysto – plastycznym aż do zerwania), można na jej podstawie określać nie tylko cechy wytrzymałościowe, ale także plastyczne materiału. Próba ta polega na osiowym rozciąganiu próbek o ściśle określonym kształcie (zależnym od rodzaju badanego materiału) w specjalnych uchwytach dostosowanych do próbek.

Próbki do rozciągania pobiera się zwykle równolegle lub prostopadle do kierunku walcowania, a następnie obrabia się je mechanicznie, zachowując co najmniej 6 klasę chropowatości powierzchni pomiarowej. Rozróżnia się następujące rodzaje próbek dla stali i przerobionych plastycznie stopów metali nieżelaznych:

• Cylindryczne z główkami do uchwytów pierścieniowych;

• Cylindryczne do uchwytów w szczęki;

• Cylindryczne z główkami gwintowanymi;

• Płaskie, częściowo obrobione mechanicznie;

• Płaskie bez główek;

• Nie obrobione mechanicznie ( z prętów, kształtowników o małym przekroju, odlewów, itp.);

• Pierścieniowe ( w przypadku badania materiałów kotłowych i urządzeń ciepłowniczych);

• Z żeliwa.

Statyczną próbę rozciągania przeprowadza się w maszynach wytrzymałościowych zwanych zrywarkami. Znane są dwa typowe rozwiązania konstrukcyjne układów napędowych - śrubowy o wartości siły obciążającej do 10 T oraz hydrauliczny do 100 i więcej ton. Przystosowane do tych maszyn komory grzejne i chłodnicze umożliwiają prowadzenie badań w szerokim zakresie temperatur. W każdej z tych maszyn można wyróżnić zespoły:
- korpus maszyny i urządzenie mocujące próbkę,
- układ napędowy,
- urządzenie do pomiaru i rejestracji obciążeń i odkształceń.

Zadaniem układu napędowego jest wywołanie żądanego obciążenia i odkształcenia próbki z wymagana prędkością (od 4 do 1000 mm/min.) oraz zapewnienie utrzymania stałego obciążenia z dokładnością do jednej działki siłomierza w czasie co najmniej 30 sek. Układy te winny działać bez uderzeń i skoków oraz zabezpieczać równomierność statycznego obciążenia i odkształcenia.

Próbki do badań
Kształt i wymiary próbek zależą od kształtu i wymiarów wyrobów metalowych, których własności mają być określone. Próbkę zwykle wykonuje się z wyrobu lub półwyrobu przez obróbkę mechaniczną lub prasowanie czy też odlewanie. Wyroby o niezmiennym przekroju poprzecznym (profile, pręty, druty itp.) jak i odlane próbki (np. z żeliwa i metali nieżelaznych) mogą być badane bez obróbki mechanicznej. przekrój poprzeczny próbki powinien być okrągły, kwadratowy, prostokątny lub pierścieniowy, a w szczególnych wypadkach może mieć inny kształt. Próbki, dla których początkowa długość pomiarowa jest związana z początkową powierzchnią przekroju i obliczona na podstawie równania L_o=k , określa jako proporcjonalne. Przyjęto, że międzynarodowa wartość k wynosi 5,65. Jeżeli początkowa długość pomiarowa przy współczynniku k= 5,65 jest mniejsza niż 20 mm, to należy zastosować większy współczynnik (zaleca się 11,3) lub próbki nieproporcjonalne. Stosując próbki nieproporcjonalne, ich początkową długość pomiarową (Lo) wybiera się niezależnie od początkowej powierzchni przekroju poprzecznego (So).

Próbki obrabiane mechanicznie
Jeżeli przekroje poprzeczne próbek obrobionych mechanicznie zmieniają się, powinny one mieć łagodne przejścia między długością roboczą a główkami. Wielkość promienia przejścia jest ważna, dlatego też zaleca się ustalenie go w warunkach wykonania próbki. Kształt próbek może być dowolny, odpowiednio przystosowany do uchwytów maszyny wytrzymałościowej. Długość robocza (Lc), a w próbkach rozciąganych bez strefy przejścia, długość pomiędzy uchwytami powinna być zawsze większa od początkowej długości pomiarowej (Lo).

Próbki nie obrobione mechanicznie
Jeżeli próbkę stanowi odcinek wyrobu nie obrobiony mechanicznie lub nie obrobiony odcinek w kształcie pręta, to długość próbki między uchwytami maszyny powinna być tak duża, aby wszystkie znaki pomiarowe mogły być naniesione w dostatecznie dużym odstępie od uchwytów. Próbki odlane powinny mieć łagodne przejście między główkami a długością roboczą. Wymiary tego przejścia są bardzo ważne. Zalecane jest, aby były one ustalone w normie wyrobu. Kształt główek próbki może być dowolny, odpowiednio przystosowany do uchwytów maszyny wytrzymałościowej. Długość robocza (Lc) powinna być zawsze większa od początkowej długości pomiarowej.

Typowy wykres naprężenie-odkształcenie pokazuje rysunek powyżej. Początkowo wzrost naprężenia powoduje liniowy wzrost odkształcenia. W zakresie tym obowiązuje prawo Hooke'a. Po osiągnięciu naprężenia R_sp, zwanego granicą sprężystości materiał przechodzi w stan plastyczności, a odkształcenie staje się nieodwracalne. Przekroczenie granicy sprężystości, zauważalne w okresie chwilowego braku przyrostu naprężenia, powoduje przejście materiału w stan plastyczny. Dalsze zwiększanie naprężenia powoduje nieliniowy wzrost odkształcenia, aż do momentu wystąpienia zauważalnego, lokalnego przewężenia zwanego szyjką. Naprężenie, w którym pojawia się szyjka, zwane jest wytrzymałością na rozciąganie R_m. Dalsze rozciąganie próbki powoduje jej zerwanie przy naprężeniu rozrywającym R_u.
(Uwaga! Wykres przedstawia dwie linie. Przerywana pokazuje naprężenie rzeczywiste obliczane przy uwzględnieniu przewężenia próbki. Linia ciągła pokazuje wykres naprężenia obliczanego przy uwzględnieniu pola wyjściowego próbki. )

2. Dane:

d_01,1=9,974 mm d_u1=7,06 mm

d_01,2=9,93 mm d_u2=7,02 mm

d_02,1=9,93 mm

d_02,2=9,96 mm

d_03,1=9,96 mm

d_03,2=9,95 mm

L₀=50 mm L_u=73 mm

Fe=27 kN = 27000 N (siła w czasie granicy plastyczności)

Fm=48 kN= 48000 N (wartość maksymalna siły)

Fu=32 kN = 32000N (siła zrywająca)

3. Obliczenia

3.1

Statyczna próba rozciągania została wykonana dla próbki okrągłej, pięciokrotnej, dla której średnica początkowa wynosiła:

d_0śr=9,95 mm

Początkowa długość próbki, odpowiadająca sile F=0

L₀=50 mm

Początkowa powierzchnia przekroju poprzecznego próbki:

= 77,717 mm²

3.2

d_uśr= 7,04 mm

L_u= 73 mm

S_u= = 38,906 mm²

3.3

Obliczanie wyraźnej granicy plastyczności, ze wzoru:

MPa

Obliczanie wytrzymałości materiału na rozciąganie, ze wzoru:

MPa

Obliczanie naprężenia rozciągającego, ze wzoru:

MPa

3.4

Obliczanie wydłużenia względnego próbki:

Gdzie ΔL= L_u-L₀

ΔL = 23 mm

A₁= 46 %

4. Obliczanie niepewności pomiarowych

5. Wnioski

Ćwiczenie miało na celu dokonanie próby rozciągania próbki metalu C45.

Według normy PN-EN 100083-2 stal ta posiada 0,42-0,50 procentowej zawartości węgla. Wyniki uzyskane podczas ćwiczenia nie pokrywają się z wartościami normowymi.

Wartość normowa Rm wynosi 650-800 Mpa, Wartość przez nas uzyskana wynosi Rm=618Mpa.

Wartość normowa Re=430Mpa, Wartość doświadczalna Ru=412Mpa ,zatem obie uzyskane podczas ćwiczenia wartości są nieco niższe od wartości normowej.