Wykonał:
wydział Mechanika i budowa maszyn	rok akademicki 2010/2011
Temat : Statyczna próba rozciągania metali.
^data wykonania 06.06.2011	^data zaliczenia

Statyczna próba rozciągania jest najpowszechniej stosowaną próbą wytrzymałościową przy doborze materiałów na konstrukcje. Jest to próba łatwa do wykonania, dość dokładna i wszechstronna. Próbę tę przeprowadza się zgodnie z normą PN-91/H-04310.

Próby statyczne cechuje mała prędkość wzrostu naprężenia. Wzrost prędkości rozciągania znacznie zwiększa granicę plastyczności metalu, w mniejszym zaś stopniu zwiększa wytrzymałość na rozciąganie.

Podczas statycznej próby rozciągania próbkę poddaje się rozciąganiu za pomocą wolno rosnącej siły F, czemu towarzyszy wzrost długości próbki.

Celem próby statycznego rozciągania jest wyznaczenie:

• umownej granicy sprężystości,

• wyraźnej lub umownej granicy plastyczności,

• wytrzymałości na rozciąganie,

• naprężenia rozrywającego,

• wydłużenia,

• przewężenia,

• modułu sprężystości wzdłużnej.

Na początku rozciągania następuje wzrost obciążenia przy małym wzroście wydłużenia i wykres ma charakter prostoliniowy. Odkształcenia próbki są wówczas sprężyste (odwracalne) i proporcjonalne do wielkości przyłożonego obciążenia. Można wyrazić je przy pomocy prawa Hooke`a

gdzie: - naprężenie [MPa]

ε - wydłużenie względne [%]

E – współczynnik sprężystości wzdłużnej, zwany także modułem Younga

Współczynnik ten jest jedną z podstawowych stałych materiałowych charakteryzujących własności mechaniczne materiałów krystalicznych. wyznacza się go jako stosunek przyrostu naprężenia ∆R [MPa] do odpowiadającego mu wydłużenia jednostkowego z wzoru

Umowną granicę sprężystości R_0,05 wyznacza się jako naprężenie rozciągające wywołujące w próbce umowne wydłużenie trwałe x = 0,05% z wzoru

[MPa]

gdzie: F_0,05 – siła obciążająca wywołująca umowne wydłużenie trwałe x=0,05% długości pomiarowej próbki [N],

S₀ – początkowa powierzchnia przekroju poprzecznego próbki na długości pomiarowej [mm²]

Wydłużenie trwałe jest to wydłużenie rozciąganej próbki, które pozostaje po zdjęciu obciążenia, przeciwnie temu wydłużenie sprężyste próbki po zdjęciu obciążenia zanika.

Przy dalszym wzroście siły dochodzimy do momentu gdy wydłużenie zwiększa się bez wzrostu obciążenia, a nawet niekiedy przy jego spadku. Takie naprężenie rozciągające stanowi wyraźną granice plastyczności R_e, przy osiągnięciu którego następuje wyraźny wzrost wydłużenia rozciąganej próbki (przy zmniejszonym, bez wzrostu lub nawet przy krótkotrwałym spadku siły obciążającej). Wyznacza się ją ze wzoru

[MPa]

gdzie: F_e – siła obciążająca odpowiadająca wyraźnej granicy plastyczności [N]

Pewne materiały nie wykazują wyraźnej granicy plastyczności. Dla nich wyznacza się umowną granicę plastyczności R_0,2 jako naprężenie rozciągające wywołujące w próbce umowne wydłużenie trwałe x = 0,2% z wzoru

[MPa]

gdzie: F_0,2 – siła obciążająca wywołująca umowne wydłużenie trwałe x=0,2% długości pomiarowej próbki [N]

Przy dalszym wzroście siły obciążającej próbka znacznie się wydłuża plastycznie, równomiernie na całej długości pomiarowej. Naprężenie rozciągające odpowiadające największej sile obciążającej uzyskanej w czasie przeprowadzania próby stanowi wytrzymałość na rozciąganie R_m. wyznaczoną ze wzoru

[MPa]

gdzie: F_m. – największa siła obciążająca osiągnięta w czasie próby [N]

Dla metali mniej ciągliwych próbka rozrywa się zaraz po osiągnięciu F_m. Dla metali ciągliwych po przekroczeniu F_m. następuje szybki wzrost przewężenia miejscowego, czyli tworzenie się na próbce tzw. szyjki, przy czym jednocześnie występuje spadek obciążenia do wartości F_u. Naprężenie rzeczywiste występujące w przekroju poprzecznym próbki w miejscu przewężenia w chwili rozerwania nazywa się naprężeniem rozrywającym R_u wyznaczonym ze wzoru

[MPa]

gdzie: F_u – siła obciążająca w chwili rozerwani próbki [N]

S_u –powierzchnia najmniejszego przekroju poprzecznego próbki po rozerwaniu [mm²]

Oprócz wyżej wymienionych własności wytrzymałościowych próba rozciągania pozwala wyznaczyć własności plastyczne metalu:

• wydłużenie A_p jako stosunek trwałego wydłużenia bezwzględnego próbki po rozerwaniu ∆L do długości pomiarowej próbki L₀, wyznaczony dla próbek ze wzoru

[%]

gdzie: L_u – długość pomiarowa próbki po rozerwaniu [mm²]

p – wskaźnik wielokrotności długości pomiarowej próbki L₀

• przewężenie Z jako zmniejszenie powierzchni przekroju poprzecznego próbki w miejscu rozerwania odniesione do powierzchni jej pierwotnego przekroju wyznaczone z wzoru

[%]

Wykres rozciągania

Na rysunku l.l przedstawiono wykres rozciągania dla materiału plastycznego z wyraźną granicą plastyczności (np. stali węglowej). Jak widać podczas rozciągania tego typu materiałów można wyróżnić kilka charakterystycznych etapów. Na po­czątku materiał pracuje w tzw. zakresie liniowo-spreżystym (odcinek O-A). Obowią­zuje tu prawo Hooke'a, czyli liniowa zależność pomiędzy działającym obciążeniem, a wydłużeniem próbki. Wraz ze wzrostem obciążenia następuje niewielki wzrost wydłużenia próbki, która po odciążeniu wraca do pierwotnego kształtu, czyli nic po­wstają jeszcze odkształcenia trwałe (nieodwracalne), występują jedynie odkształce­nia sprężyste (odwracalne). W punkcie A siła rozciągająca osiąga wartość Fu, po przekroczeniu której wykres rozciągania z liniowego przechodzi w nieliniowy. Jest to zakres nicliniowo-sprężystej pracy materiału (odcinek A-B). Nie występują od­kształcenia trwałe, ale nie obwiązuje już prawo Hooke'a. W punkcie H siła osiąga wartość F_m po przekroczeniu której materiał przestaje być sprężysty. Próbka obciążoną siłą nie większą niż F_s nie odzyskuje pierwotnych wymiarów po obciążeniu, czyli ulega trwałemu odkształceniu.

W tym momencie materiał przechodzi z zakresu sprężystego w zakres plastyczny. Na odcinku B-D obserwuje się wydłużanie próbki bez wzrostu obciążenia lub na­wet przy jego chwilowym spadku, najczęściej dochodzi do oscylacji obciążenia w niewielkim zakresie. Ten zakres pracy nazywany jest tzw. „płynięciem materia­łu". Na powierzchni próbki pojawiają się drobne bruzdy widoczne jako linie (tzw. linie Lüdersa-Czernowa), nachylone do osi próbki pod kątem około 45°. Linie te są śladami gwałtownych, wzajemnych przesunięć cząstek materiału względem siebie w płaszczyznach działania maksymalnych naprężeń stycznych. Pojawiają się po­czątkowo w jednym miejscu, rozszerzając później na całą objętość próbki. Przy dalszym obciążaniu „płynięcie" ustaje, na skutek tzw. „umocnienia materiału" spowodowanego przez przegrupowanie cząstek materiału powodujące przeciw­działanie wzrostowi zewnętrznego obciążenia. Odcinek D-E nowi nazwę „krzywej umocnienia". Obserwowany jest znaczny wzrost wydłużenia o charakterze pla­stycznym przy niewielkie wzroście siły. W momencie osiągnięcia ekstremum na wykresie rozciągania, na próbce pojawia się gwałtowne zwężenie zwane szyjką. Jednocześnie w punkcie E osiągnięta zostaje nośność próbki odpowiadająca sile F_m.

Na rysunku 1.2 przedstawiono wykres rozciągania dla materiału bez wyraźnej granicy plastyczności (np. stali stopowej). Pierwszy odcinek wykresu (O-A) jest prostoliniowy, widoczny jest mały wzrost wydłużenia proporcjonalny do działają­cego obciążenia. Materiał pracuje w zakresie liniowo-sprężystym. Przy dalszym wzroście obciążenia następuje zakrzywienie wykresu (odcinek A-B), materiał prze­chodzi w zakres plastyczny. W punkcie B osiągnięta zostaje nośność próbki na rozciąganie, co odpowiada sile maksymalnej F_m. Dalszemu wzrostowi wydłużenia towarzyszy spadek siły (odcinek B-C) aż do momentu zerwania próbki przy sile obciążającej F„ < F_m.

W celu standaryzacji wielkości wyznaczonych podczas prób rozciągania, wykres rozciągania podaje się we współrzędnych σ(ε), czyli umownych naprężeń normalnych σ w funkcji odkształceń ε, określonych zgodnie ze wzorami:

$$\varepsilon = \frac{L}{L_{0}}\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \sigma = \frac{F}{S_{0}}$$

gdzie: ΔL – przyrost długości próbki, L₀ – pierwotna długość próbki, F – siła ,

S₀ – pierwotne pole przekroju próbki.

Typy złomów próbek metalowych:

Złom rozdzielczy lub kruchy

Materiały i urządzenia pomiarowe

Podstawowym urządzeniem stosowanym podczas próby rozciągania jest maszyna wytrzymałościowa zwana inaczej zrywarką. Na rysunku 1.7 pokazano zdjęcie uniwersalnej maszyny wytrzymałościowej firmy Instron o napędzie serwohydraulicznym. Maszyna jest sterowana przez komputer klasy PC i umożliwia realizację różnych prób wytrzymałościowych, np. ściskania czy zginania. Możliwe jest także przeprowadzanie prób zmęczeniowych, relaksacji, pełzania oraz pomiarów z zakresu mechaniki pękania materiałów. Poprzez zastosowanie specjalnych uchwytów oraz tzw. stendów możliwe jest przeprowadzanie badań rzeczywistych elementach konstrukcyjnych jak również urządzeń lub fragmentów maszyn mechanicznych, a nawet ram czy części samochodów.

Typowy zestaw maszyny wytrzymałościowej składa się z kilku podstawowych elementów. Do zamocowania próbki służą uchwyty 1 i 2, z czego uchwyt 1 przy­mocowany jest do ruchomej belki, tzw. trawersu maszyny, przesuwającego się w kierunku pionowym wzdłuż kolumn 4. Pulpit sterowniczy 5 sprzężony jest / zestawem komputerowym (7-9) oraz drukarką 10 umożliwiającą bezpośrednie sporządzanie wykresów rozciągania lub wydruk danych pomiarowych.

Do precyzyjnego pomiaru odkształceń stosuje się specjalne przyrządy zwane ekstensometrami. Przeważnie są one sprzężone z układem pomiarowym maszyny wytrzymałościowej umożliwiając rejestrację odkształceń w trakcie badań.

Przyrządy i urządzenia umożliwiające dokładny pomiar zmiany długości bazy pomiarowej próbki lub elementu konstrukcji noszą ogólną nazwę tensometrów, zaś zespół odpowiednich metod pomiarowych nazywa się tensometrią. Tensometry charakteryzują się dwiema podstawowymi wielkościami: bazą tensometru i przełożeniem tensometru. W zależności od wielkości bazy ( długości mierzonej ) rozróżnia się: tensometry o małej bazie ( 0,5 - 3 mm ), służące do pomiarów lokalnych w miejscach spiętrzenia naprężeń; tensometry o średniej bazie ( 3 - 25 mm ), do pomiarów przy równomiernym rozkładzie naprężeń i tensometry o dużej bazie ( powyżej 25 mm ), stosowane przy pomiarach większych konstrukcji i pomiarach własności mechanicznych materiałów. Przełożeniem tensometru nazywa się stosunek długości drogi przebytej przez wskaźnik urządzenia rejestrującego do odpowiadającej tej drodze zmiany długości bazy. Przy zastosowaniu różnych systemów mechanicznych, optycznych i elektrycznych przekładni uzyskuje się znaczne przełożenia pozwalające mierzyć bardzo małe odkształcenia. W zależności od zasady działania i sposobu przełożenia rozróżnia się następujące tensometry: mechaniczne, mechaniczno - optyczne, elektryczne i inne. Z tensometrów mechanicznych najpopularniejszymi są:

a) tensometr Martensa - Kennedy'ego,

b) tensometr typ Mk 3 z czujnikami zegarowymi,

c) tensometr Huggenbergera.

Kształt próbki do badań

Na ogół próbkę, do badań mają część uchwytową, która jest szersza niż część równoległa (rys. 1.11) Przejście od części równoległej próbki o długości L, do części uchwytowej próbek powinno mieć promień co najmniej 20 mm. Szerokość części uchwytowej próbek powinna wynosić co najmniej 20 mm, lecz nie więcej niż 40 mm. Po uzgodnieniu, próbkę może też stanowić pasek o równoległych bokach. W wypadku wyrobów o szerokości mniejszej lub równej 20 mm, szerokość próbki może być równa szerokości wyrobu.

Wymiary próbki do badań

Długość części równoległej próbki powinna wynosić co najmniej L₀ + b/2.

W wypadku prób rozjemczych długość części równoległej próbki do badań zawsze powinna być równa L₀+ 2b, jeżeli wymiary materiału są wystarczające.

W wypadku próbek do badań w postaci paska o szerokości poniżej 20 mm, o ile w normie wyrobu nie postanowiono inaczej, początkowa długość pomiarowa powinna być równa 50 mm. Dla tego rodzaju próbek do badań, wolna odległość między uchwytami maszyny wytrzymałościowej powinna być równa L₀+ 3b.

Rozróżnia się dwa rodzaje próbek nieproporcjonalnych, których wymiary poda­no w tablicy 1.3. W wypadku, gdy szerokość próbek do badań jest równa szerokości wyrobu, po­czątkowa powierzchnia przekroju poprzecznego S₀ powinna być obliczona na pod­stawie zmierzonych wymiarów próbki do badań.

Przygotowanie próbek do badań

Próbki powinny być lak przygotowane, aby nie miało to wpływu na własności metalu. Wszystkie obszary, które przy przygotowaniu próbki uległy umocnieniu przez ścinanie lub nagniatanie, powinny być usunięte przez obróbkę mechaniczną.

W wypadku bardzo cienkich materiałów zaleca się wyciąć paski o równej sze­rokości i zebrać je w wiązkę, przedzielając na przemian papierem odpornym na olej chłodząco-smarujący.

Wartość podana w tabeli 1.3, na przykład ± 0.09 mm dla nominalnej szerokości 12.5 mm oznacza, że żadna próbka do badań nie może mieć szerokości przekracza­jącej dwie podane niżej wartości, jeżeli nominalna wartość początkowej po­wierzchni przekroju poprzecznego S₀ będzie zastosowana do obliczeń jako wartość nominalna, bez ich pomiaru:

12.5 mm ( 0.09 mm - 12.59 mm

12.5 mm - 0.09 mm - 12.41 mm