1. Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze sposobem przeprowadzenia próby statycznej rozciągania metali, używanymi do tego celu próbkami oraz interpretacją i opracowaniem wyników prób.

2. Część teoretyczna.

Cel przeprowadzania prób 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.

Rodzaje próbek stosowanych do próby rozciągania.

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 (L_o) wybiera się niezależnie od początkowej powierzchni przekroju poprzecznego (S_o).

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 (L_o).

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 (L_c) powinna być zawsze większa od początkowej długości pomiarowej. 

Przykład próbek wykorzystywanych w statycznej próbie rozciągania metali.

Dla stali podstawowymi rodzajami próbek są:

- próbki okrągłe z główkami gwintowanymi wkręcanymi w uchwyty maszyny wytrzymałościowej: jest to najpewniejszy sposób mocowania, uniemożliwiający poślizgi próbki w uchwytach,

- próbki okrągłe z główkami do chwytania w szczęki

- próbki okrągłe do chwytania w uchwyty pierścieniowe

- próbki płaskie

Lo - początkowa długość pomiarowa,

Lc - długość robocza,

Lt - długość całkowita próbki,

do - średnica próbki na długości roboczej Lc,

D - średnica próbki w części chwytowej próbki o długości m.

Podstawowe właściwości mechaniczne materiałów wyznaczane w próbie rozciągania.

Celem próby statycznego rozciągania jest wyznaczenie:

• umownej granicy sprężystości,

• wyraźnej, dolnej, górnej 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 (głosi ono, że odkształcenie ciała pod wpływem działającej na niego siły jest wprost proporcjonalne do tej siły). Współczynnik między siłą, a odkształceniem jest często nazywany współczynnikiem (modułem) sprężystości.

gdzie
- naprężenie [MPa]

ε - wydłużenie względne [%]

E - współczynnik sprężystości wzdłużnej, zwany także modułem Younga

Współczynnik sprężystości jest jedną z podstawowych stałych materiałowych charakteryzujących własności mechaniczne materiałów krystalicznych. Wyznacza się go jako stosunek przyrostu naprężenia do odpowiadającego mu wydłużenia jednostkowego. Jednostką modułu Younga jest paskal, czyli N/m2. Moduł Younga jest hipotetycznym naprężeniem, które wystąpiłoby przy dwukrotnym wydłużeniu próbki materiału, przy założeniu, że jej przekrój nie ulegnie zmianie (założenie to spełnione jest dla hipotetycznego materiału o współczynniku Poissona υ = 0).

Współczynnik Poissona (ν) - jest stosunkiem odkształcenia poprzecznego do odkształcenia podłużnego przy osiowym stanie naprężenia. Współczynnik Poissona jest wielkością bezwymiarową
i nie określa sprężystości materiału, a jedynie sposób w jaki się on odkształca.

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]

- górna granica plastyczności R_eh - naprężenie rozciągające w momencie nagłego wydłużenia, od którego występuje krótkotrwały spadek siły.

- dolna granica plastyczności R_el - najmniejsze naprężenie rozciągające występujące po przekroczeniu górnej granicy plastyczności.

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

[%]

Zachowanie się materiału podczas rozciągania. Przebiegi krzywej rozciągania dla różnych materiałów.

Powyższy rysunek przedstawia wykres naprężeń podczas statycznej próby rozciągania dla materiałów plastycznych. Początkowo wzrost przykładanej siły powoduje liniowy wzrost odkształcenia, aż do osiągnięcia granicy proporcjonalności R_H. W zakresie tym obowiązuje prawo Hooke'a . Następnie po osiągnięciu wyraźnej granicy sprężystości R_sp materiał przechodzi w stan plastyczny, a odkształcenie staje się nieodwracalne. Jeżeli niemożliwe było określenie wyraźnej granicy sprężystości to wyznacza się umowną granicę sprężystości R_0,05%. Dalsze zwiększanie naprężenia powoduje nieliniowy wzrost odkształcenia, aż do momentu wystąpienia zauważalnego, lokalnego przewężenia zwanego szyjką. Naprężnie, w którym pojawia się szyjka, zwane jest wytrzymałością na rozciąganie R_m. Dalsze rozciąganie próbki powoduje jej zerwanie przy naprężeniu zrywającym R_u (Wykres przedstawia dwie linie. Przerywana pokazuje naprężenie rzeczywiste obliczane przy uwzględnieniu przewężenia próbki. Linia ciągła pokazuje stosunek uzyskiwanych sił do przekroju początkowego. Czyni się tak, by zaobserwować wartość R_m, będącą lokalnym maksimum krzywej). Ten ogólny przypadek znacznie różni się dla różnych materiałów. Przykładowo materiały kruche 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. Wyznacza się wtedy umowną granicę plastyczności R_0,2%. W przypadku wystąpienia widocznego płynięcia badanego materiału wyznacza się górną R_eH i dolną granicę plastyczności R_eL.

Poniżej przedstawiono przykładowe wykresy rozciągania dla różnych materiałów

materiały z wyraźną granicą plastyczności

(metale kolorowe, stal miękka, stale wyżarzone,

miękkie metale)

materiały bez wyraźnej granicy plastyczności

(stopy, stale twarde)

materiały kruche

(stale wysokowęglowe, żeliwo,

materiały ceramiczne)

Wykresy rozciągania materiałów nie posiadających wyraźnej granicy plastyczności

---