Próba rozciągania

 Charakterystyka i zadania próby rozciągania.

Statyczna próba rozciągania jest podstawową próbą badań własności mechanicznych metali. Sposób wyznaczania wszystkich własności wytrzymałościowych i plastycznych za pomocą rozciągania ujęty jest normą PN-80/H 04310. Próba taka realizuje najprostszy stan naprężeń, jaki powstaje przy prostym rozciąganiu.

Badanie wytrzymałościowe w trakcie tej próby polega na osiowym rozciąganiu próbki odpowiednio ukształtowanej na maszynie wytrzymałościowej zwanej zrywarką. Podłączony siłomierz wskazuje siłę panującą w każdej chwili w próbce, inne zaś urządzenie (np. czujnik, tensometr) umożliwia odczytanie całkowitego wydłużenia próbki. W czasie trwania próby rejestrujemy siły panujące w próbce i odpowiadające im wydłużenia całkowite próbki. Wartości te, przeniesione na układ współrzędnych, w których na osi pionowej odkładamy siłę F, a na osi poziomej wydłużenie Dl, dają tzw. wykres rozciągania. W większości maszyn wykres ten jest rysowany samoczynnie przez odpowiednie urządzenie samopiszące.

 

Próbki do badań

 

Próbki wykonywane są metodą prasowania lub odlewania i są one wyrobami bądź półwyrobami. Przekroje próbek mogą być okrągłe, kwadratowe, prostokątne bądź pierścieniowe.

Próbką proporcjonalną nazywamy taką próbkę, której początkowa długość pomiarowa jest związana z początkową powierzchnią jej przekroju zależnością:

 

Rys. Próbka do badania

 

Jeżeli przekrój poprzeczny próbki nie jest stały na całej jej długości, lecz zmienia się to przejścia powinny mieć łagodny charakter, aby nie występowało zjawisko karbu czyli spiętrzenia naprężeń.

Główki próbek czyli elementy mocujące próbkę w zrywarce mogą mieć dowolny kształt zależny od uchwytu maszyny. Początkowa długość próbki powinna być na niej oznakowana znakami liniowymi lub delikatnymi rysami.

Próbkę mocuję się w ten sposób aby siła rozciągająca zrywarki była równoległa do osi próbki.

 

 Rys. Próbka po badaniu

Wykres rozciągania.

 

  Rys. Wykres rozciągania

 

Pierwsza część wykresu od 0 do punktu H jest odcinkiem linii prostej. W tym zakresie obciążeń wydłużenie jest proporcjonalne do obciążenia. Proporcjonalność ta kończy się w punkcie H, który odpowiada sile F_h. Punkt ten jest granicą proporcjonalności.

Następny odcinek wykresu H-E ma przebieg krzywoliniowy. W tym zakresie wydłużenie wzrasta szybciej niż obciążenie.

Przy sile F_e (punkt E) próbka „płynie”. Jej wydłużenie powiększa się bez widocznego wzrostu siły rozciągającej. Punkt E na wykresie obrazuje granicę plastyczności.

Na odcinku EM materiał staje się odporniejszy na odkształcenie, dalsze wydłużenie próbki następuje już więc przy wzrastającym obciążeniu. Punktowi M odpowiada największa siła przenoszona przez próbkę w czasie całej próby rozciągania. Jednocześnie punkt ten obrazuje wytrzymałość na rozciąganie badanej próbki.

Po przekroczeniu punktu M zmienia się charakter odkształcenia, gdyż dotychczas odkształcała się cała próbka, natomiast teraz tworzy się przewężenie czyli „szyjka”. Wydłużenie zachodzi teraz przy coraz mniejszej sile (bo mniejsze jest pole przekroju próbki), aż wreszcie w punkcie U przy sile Fu następuje zerwanie.

  Rys. Wykres rozciągania otrzymany na maszynie wytrzymałościowej

 

Charakterystyczne parametry badanego materiału uwidocznione na wykresie rozciągania.

• granica proporcjonalności R_h – jest to naprężenie, po przekroczeniu którego materiał nie wykazuje proporcjonalności między przyrostem obciążenia i przyrostem wydłużenia.

 

 

• granica plastyczności R_e - to naprężenie, po osiągnięciu którego występuje wyraźny wzrost wydłużenia rozciąganej próbki bez wzrostu lub nawet przy spadku obciążenia.

• wytrzymałość na rozciąganie R_m – jest to stosunek największej siły F_mprzenoszonej przez próbkę do początkowego pola S_o przekroju próbki. Dla stali zwykłej jakości wynosi ok. 400 Mpa.

• naprężenie rozrywające Ru – jest to stosunek siły F_u, przy której następuje zerwanie próbki, do pola S_u przekroju próbki w miejscu zerwania.

 

 

•  umowna granica sprężystości R_0,05 – jest to naprężenie wywołujące w próbce wydłużenie trwałe równe 0,05% początkowej długości pomiarowej l.

• umowna granica plastyczności R_0,2 – to naprężenie wywołujące w próbce wydłużenie trwałe równe 0,2% początkowej długości pomiarowej l.

• wydłużenie jednostkowe – zależy od kształtu próbki, a szczególnie od stosunku jej długości do przekroju poprzecznego. Dla stali niskowęglowych wydłużenie wynosi ok. 25%.

 

 

 

• przewężenie względne – im większa jego wartość tym bardziej odkształcony jest materiał. Dla stali o małej zawartości węgla przewężenie wynosi ok. 65%.

 

 

 Rys. Próbka po zerwaniu

Rozciąganie:

 

Statyczna próba rozciągania – podstawowa metoda badań wytrzymałościowych materiałów konstrukcyjnych.
W statycznej próbie rozciągania rozciąga się odpowiednio wykonany pręt o przekroju okrągłym wykorzystując urządzenie zwane zrywarką. W czasie próby rejestruje się zależność przyrostu długości próbki od wielkości siły rozciągającej oraz rejestruje się granice sprężystości, przewężenie próbki i siłę zrywającą próbkę. Naprężenia w próbce oblicza się dzieląc siłę rozciągającą przez pole poprzeczne próbki (uwzględniając przewężenie lub nie uwzględniając go).

Typowy wykres naprężenie-odkształcenie pokazuje rysunek. Początkowo wzrost naprężenia powoduje liniowy wzrost odkształcenia. W zakresie tym obowiązuje prawo Hokkeya Po osiągnięciu naprężenia R_e, 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. Czyni się tak, by zaobserwować wartość R_m, będącą lokalnym maksimum krzywej).
Ten ogólny przypadek znacznie różni się dla różnych materiałów. Np. materiały sprężyste, jak stale wysokowęglowe, żeliwa, stale sprężynowe, nigdy nie przechodzą w stan plastyczny, lecz wcześniej ulegają zerwaniu. Dla wielu materiałów granica plastyczności jest trudna do określenia, gdyż nie istnieje wyraźnie przejście z zakresu sprężystego do plastycznego.
Na podstawie wyników pomiarów statyczną próbą rozciągania można określić podstawowe wielkości wytrzymałościowe materiału, jakimi są: R_e,R_m,moduł younga współczynnik pojsona

Przykład próbki wykorzystywanej w statycznej próbie rozciągania metali.