2.1. Próba statyczna rozciągania metali

1. Ogólna charakterystyka

Do właściwości wytrzymałościowych zaliczamy między innymi: wytrzymałość na rozciąganie, granice plastyczności, wydłużenie względne. Te wielkości, jak również przebieg zależności miedzy naprężeniami i odkształceniami wyznacza się w czasie statycznej próby rozciągania metali. Sposób przeprowadzenia tej próby został znormalizowany i obecnie podlega normie PN-EN 10002-1+AC1.

Do zalet próby na rozciąganie obok prostoty jej wykonania, należy zaliczyć uzyskanie jednorodnego i jednoosiowego stanu naprężenia w rozciąganej próbce do określonego etapu rozciągania oraz możliwość wyznaczenia szeregu wielkości charakteryzujących mechaniczne właściwości materiału i obserwacje procesu rozciągania próbki od stanu początkowego aż do jej zniszczenia.

2. Próbki

Próbę statyczną rozciągania przeprowadza się najczęściej przy zastosowaniu znormalizowanych próbek o przekroju kołowym lub prostokątnym (próbki płaskie). Próbki (e mogą być pobierane z wyrobów metalowych lanych, walcowanych, kutych, ciągnionych oraz wyciskanych.

Próbie rozciągania poddaje się również gotowe elementy konstrukcyjne jak: liny stalowe, łańcuchy, druty, taśmy oraz elementy spawane, zgrzewane, nitowane itp. które w czasie normalnej eksploatacji przenoszą obciążenia rozciągające. Jednorodne i jednoosiowe pole naprężeń w części pomiarowej próbki uzyskuje się przez wykonanie dostatecznie długiej części pomiarowej oraz łagodnych przejść między częścią pomiarową i uchwytową (dla spełnienia założeń zasady de Sant Venanta)

Miejsce, kierunek oraz sposób pobrania i przygotowania odcinków próbnych na próbki do rozciągania określają PN, normy przedmiotowe lub warunki techniczne zamówienia.

Próbki okrągłe dzieli się rut trzy grupy, w zależności od kształtu części chwytowej (główki):

3. próbki z główkami do chwytania w szczęki (rys. 2. la),

4. próbki z główkami do uchwytów pierścieniowych (rys. 2.Ib),

5. próbki z główkami gwintowanymi (rys. 2.1c).

Próbki płaskie dzielą się na dwie grupy:

]) próbki z główkami (rys. 2. J d),

2) próbki bez główek (rys. 2.1e).

Rys. 2.1. Próbki do próby rozciągania z metali plastycznych

W każdej z tych grup próbki mogą mieć różne długości pomiarowe L₀, proporcjonalne do średnicy d₀ próbki okrągłej lub pierwiastka kwadratowego S₀ powierzchni przekroju początkowego próbki płaskiej. W przypadku proporcjonalnych próbek okrągłych długość L₀ określa się wg wzoru:

L₀ = _Pd₀. (2.1)

Według normy współczynnik p może mieć wartości 5 i 10. W praktyce stosuje się najczęściej próbki 5-krotne. Odpowiednio dla próbek o przekroju niekołowym długości pomiarowe oblicza się wg wzoru:

L*=pl (2.2)

^dzie: p - krotność próbki (dla próbek okrągłych p = — ),

5"o [mm] - pole powierzchni pierwotnego przekroju poprzecznego próbki. Wartość 1.13 wynika z porównania pola przekroju Sq próbki płaskiej z polem przekroju próbki kołowej o średnicy do.

Ponieważ

Próbki do próby rozciągania z metali kruchych, na przykład z żeliwa (rys. 2.2), mają nieco inny kształt niż próbki z materiałów elastoplastycznych, co określają PN. Wynika to między innymi stąd, że rezygnuje się tu z pomiaru odkształceń po zerwaniu ze względu na małą zdolność do odkształceń tych materiałów. Kształt rozważanych próbek jest tak dobrany, aby zerwanie (pęknięcie) rozciąganej próbki nastąpiło zawsze w jej środkowej części. W niektórych przypadkach (np. drut) stosuje się próbki nieproporcjonalne, w których długość pomiarowa L_n nie zależy od pierwotnego przekroju poprzecznego próbki S₀.

Rys. 2.2. Próbki do próby rozciągania wykonane z metali kruchych: a, b) z żeliwa szarego,

c) z żeliwa ciągiiwego

Przed wykonaniem próby należy oznaczyć na próbkach długość pomiarową (z dokładnością ±1%) i podzielić ją na równe części (działki w odstępach co 5 lub 10 mm; ułatwia to późniejszy pomiar i obliczenie wydłużenia, Oznaczenia na próbkach winno wykonywać się tak, aby nie były one przyczyną działania karbu. Działki na próbkach można wykonywać ręcznie; najczęściej stosuje się specjalny aparat podziałowy.

Następnie należy dokonać pomiaru próbki za pomocą odpowiednich przyrządów pomiarowych (suwmiarka, mikromierz itp.), przy zachowaniu wymaganej przez PN dokładności (tablica 2.1). Wymiary poprzeczne próbki należy mierzyć co najmniej w trzech miejscach na długości, a przy próbkach o przekroju kołowym każdy pomiar przeprowadzić w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach. Do obliczeń należy przyjąć najmniejsze pole powierzchni przekroju poprzecznego próbki obliczone z dokładnością ±0,5%.

Tablica 2.1. Dokładność pomiaru [mm] dla zakresu i wymiarów podstawowych przekroju poprzecznego i długości próbki w mm

Wymiar	do, d„ dr		do. <lu		bo. bu		U L«
Rodzaj próbki	do<10	d0>10	a0<2	o0>2	b0<20	bo>20
okrągłe obrobione, płaskie co najmniej z dwóch stron obrobione	0,01	0,05	0,01	0,05	0,05	0,1		OJ
okrągłe (nieobrobione) z wyrobów walcowanych kutych i lanych	0,05	0,1	-	-	-	-

2.1.3. Maszyny wytrzymałościowe do prób rozciągania

Próbę statyczną rozciągania przeprowadza się na maszynach wytrzymałościowych zwanych zrywarkami. Obecnie zrywarki budowane są jako maszyny uniwersalne, pozwalające na wykonanie poza rozciąganiem prób ścinania, zginania, ściskania a przy użyciu dodatkowych urządzeń, szeregu innych prób. Przystosowane do tych maszyn komory grzejne i szafy chłodnicze umożliwiają prowadzenie badań "w szerokim zakresie temperatur. W każdej z tych maszyn można wyróżnić trzy zasadnicze zespoły: 1) korpus maszyny z urządzeniem zamocowującym próbkę,

6. układ napędowy,

7. urządzenie do pomiaru i rejestracji obciążeń i odkształceń.

Zadaniem układu napędowego jest wywołanie żądanego obciążenia i odkształcenia próbki z wymaganą prędkością (od 4 do 150 mm/min), oraz zapewnienie utrzymania stałego obciążenia (z dokładnością do 1 działki siłomierza w czasie co najmniej 30 s). Układy te winny działać bez uderzeń i skoków oraz zabezpieczać równomierność statycznego obciążenia i odciążenia.

Znane są dwa typowe rozwiązania konstrukcyjne układów napędowych: mechaniczny - śrubowy o wartości siły obciążającej do 100 kN oraz hydrauliczny do I MN więcej.

(a) Zrywarka uniwersalna z hydraulicznym układem napędzającym

Rys. 2.3. Zrywarka uniwersalna z hydraulicznym układem obciążającym: a) schemat, b)

widok

Na rysunku 2.3 pokazano schemat zrywarki z hydraulicznym układem napędzającym. Zasada działania tej maszyny jest następująca: do cylindra 5 tłoczony jest olej pod ciśnieniem p, którego wielkość jest regulowana za pomocą odpowiedniego zaworu dławiącego. Iloczyn ciśnienia p przez pole powierzchni A_r tłoka 6 daje siłę F - p-A_r unoszącą za pomocą belki 20 ramę ruchomą 3. Uzyskuje się w ten sposób rozciąganie próbki w głowicach uchwytowych 19, lub ściskanie próbki 27 pomiędzy płytami 23 albo zginanie belki 26 ułożonej na podporach 24. Śruby 25 służą do ustalenia wysokości położenia dolnej głowicy uchwytowej 19 przed założeniem próbki. Olej pod ciśnieniem p jest równocześnie tłoczony do cylindra 8 siłomierza dźwigniowo-uchylnego i naciska na tłok 9 o polu powierzchni A_p siłą Pp-p-Ap.

Siła działająca na tłoczek 9 jest przenoszona poprzez ramkę 7 na układ dźwigniowy 10 powodujący wychylenie ciężaru Q umieszczonego na końcu ramienia dźwigni U. (Zmianę zakresu pomiarowego siłomierza uzyskuje się przez zmianę ciężaru Q). Największa siła potrzebna przy rozciąganiu powinna być nie mniejsza niż 30% i nie większa niż 90% pełnego zakresu obciążeń.

Dokładność wskazań siłomierza winna wynosić ±1%. Równocześnie popychacz 12 powoduje przesuniecie listwy zębatej 13, która wprawiając w ruch koło zębate 14 uruchamia wskazówkę siłomierza 15. W ten sposób na skali siłomierza można odczytać wartości siły /•' działającej w danej chwili na badaną próbkę (element). Na końcu listwy 13 umieszczony jest pisak 16, wykonujący maszynowy wykres rozciągania (F=f(AL) na papierze (z odpowiednią podziałką) nawiniętym na bęben 17 układu rejestrującego. Pisak przesuwa się proporcjonalnie do działającej siły wzdłuż bębna 17. Obrót bębna 17 uzyskuje się za pomocą cięgna 18, które jest połączone z gómą głowicą, przechodzi przez krążek na dolnej głowicy 19 i jest nawinięte na bęben. Kąt obrotu bębna jest proporcjonalny do wydłużenia próbki. Ciężarek 21 zapewnia powrotny ruch bębna 17.

Zalety maszyny są następujące: możliwość uzyskania dużych sił, prosta i bezstopniowa regulacja prędkości odkształcenia poprzez zmianę ciśnienia, mała wrażliwość na uderzenia w momencie zerwania próbki (olej w cylindrach pełni funkcję amortyzatora) oraz stosunkowo małe wymiary tych zrywarek. Wadą jest natomiast niemożliwość utrzymania stałej wartości obciążenia przez dłuższy okres czasu, (b) Zrywarka uniwersalna z mechanicznym układem napędowym

Rys. 2.4. Zrywarka uniwersalna z mechanicznym układem obciążającym: a) schemat, b)

widok

Na rysunku 2.4 przedstawiono schemat zrywarki z mechanicznym układem napędowym. Zasada pracy maszyny jest następująca: silnik elektryczny 2, współpracujący z reduktorem poprzez przekładnię ślimak-ślimacznica 3, uruchamia obracającą się nakrętkę 4. Nakrętka 4 wprawia w ruch śrubę pociągową 5, która przemieszcza belkę 6, a wraz z nią dolna głowicę uchwytową 7. Próbka zamocowana w głowicach uchwytowych 7, 8 będzie rozciągana lub (przy zmianie kierunku obrotów) ściskana. Górna głowica 8 poprzez belkę 9 połączona jest za pomocą układu dźwigni 10 z dźwignią uchylną 11, a dalej z silu mierzeni (dźwigniowo-uchylnym) i urządzeniem wskazująco-rejestrującym, których zasadę działania opisano przy zrywarce z hydraulicznym układem obciążającym.

Zrywarki niezależnie od napędu mechanicznego mają również napęd ręczny 13, pozwalający na obciążenie próbki z przerwami w celu wykonania pomiaru odkształceń.

Dla zmniejszenia prędkości opadania dźwigni uchylnej (wahadła) 11, w chwili pęknięcia próbki w zrywarce jest zamontowany amortyzator olejowy 12.

Zaletami tego typu zrywarki są: możliwość utrzymania stałego obciążenia przez dłuższy okres, praca z małymi prędkościami odkształcenia przy dokładnie znanych wielkościach, prowadzenie badań materiałów o dużym wydłużeniu (np. guma lub tworzywa sztuczne) jak również możliwość szybkiej zmiany kierunku przesuwu uchwytów (rozciąganie, ściskanie). Do wad należy duża wrażliwość na uderzenie w momencie zerwania próbki, wynikająca z braku elementów amortyzujących w układzie obciążającym maszyny.

Obecnie stosowane zrywarki uniwersalne, niezależnie od sposobu napędu, posiadają szereg wad i nie mogą sprostać wysokim wymaganiom stawianym w naukowych badaniach tworzyw konstrukcyjnych. Do głównych wad tych maszyn należy zaliczyć: małą czułość i dokładność układu pomiarowego siły oraz brak możliwości rozciągania próbki ze ściśle określoną prędkością odkształceń. Niedogodności tych uniknięto przy konstruowaniu nowoczesnych maszyn wytrzymałościowych, które cechuje duża dokładność, a bogate wyposażenie dodatkowe umożliwia ich stosowanie do różnych celów. Do najnowocześniejszych maszyn tego typu należy zaliczyć maszyny firmy 1NSTRON (Anglia), ZW1CK (RFN), FRANK (RFN), SOILTEST (USA) oraz maszyny firmy DARTEC (Anglia).

2.1.4. Wykres rozciągania

W trakcie próby rozciągania może być automatycznie rejestrowana zależność obciążenia od odkształcenia F = f(AL), gdzie: siła obciążająca próbkę, Al - przyrost długości

pomiarowej próbki odpowiadającej sile F. Otrzymana krzywa jest nazywani) maszynowym wykresem rozciągania.

Znajomość krzywej rozciągania ma duże znaczenie dla oceny właściwości mechanicznych materiału. Jej przebieg szczególnie ściśle związany jest z właściwościami plastycznymi (zdolnością do odkształceń trwałych) materiału. Z uwagi na te własności można podzielić metale na dwie grupy:

8. wykazujące przy rozciąganiu znaczne wydłużenie trwałe (ciągliwe),

9. nie wykazujące wydłużeń trwałych (kruche).

Metale grupy a w dalszym ciągu można podzielić na dwie podgrupy:

• wykazujące wyraźną granicę plastyczności,

• nie wykazujące wyraźnej granicy plastyczności.

Każdej z wymienionych grup odpowiada pewien charakterystyczny typ krzywej rozciągania. Na rysunku 2.5a i b przedstawiono wykresy rozciągania metali wykazujących wyraźną granicę plastyczności. Na rysunkach tych pokazano wykresy rozciągania metali wykazujących górną i dolną granicę plastyczności (rys. 2.5bioraz wykres rozciągania metali wykazujących wyraźną granicę plastyczności, dla których nie można jednak wyróżnić górnej i dolnej granicy plastyczności (rys. 2.5^. Na rysunku 2.5c przedstawiono wykres rozciągania metali wykazujących odkształcenia trwałe, lecz nie wykazujących wyraźnej granicy plastyczności. Natomiast na rysunku 2.5d pokazano wykres rozciągania metali nie wykazujących przy rozciąganiu odkształceń trwałych.

Rys. 2.5, Wykresy rozciągania dla metali: a) wykazujących górną i doln^ granicę plastyczności, b) wykazujących wyraźna granicę plastyczności, c) bez wyraźnej granicy plastyczności, d) kruchych

Aby uniezależnić graficzny obraz próby rozciągania od wymiarów próbki, sporządza się krzywa rozciągania w układzie współrzędnych R, z, gdzie:

R = --- - naprężenie w próbce odniesione do przekroju początkowego S₍₎,

£ - ^' - względne wydłużenie próbki.

Sposób obliczania wartości R i e (So = consi, /.,> - row/Mskazuje. że krzywa rozciągania obrazująca zależności R = fj(e) zachowa ksztah krzywej F = f(AL). Wykres rozciągania w układzie współrzędnych R, e dla materiałów wykazujących wydłużenie trwale pokazano na rysunku 2.6 liniami ciągłymi. Wykres ten, mimo że powszechnie stosowany nie przedstawia rzeczywistej zależności pomiędzy naprężeniami powstałymi w próbce a jej odkształceniami. Rzeczywiste naprężenie w rozciąganej próbce należałoby obliczyć uwzględniając zmianę jej przekroju poprzecznego Sze wzoni

F

gdzie: S - jest polem przekroju próbki w chwili działania obciążenia F.

Ponieważ w czasie rozciągania zawsze będzie S < 5_y> więc o > R. Krzywą przedstawiającą zależności o = J:(e) pokazano na rysunku 2.6 linią przerywaną. Naprężenie rzeczywiste o stale wzrasta w miarę wzrostu odkształcenia.

Rys. 2.6. Wykresy naprężeń w funkcji odkształcenia

W przypadku wyznaczania modułu Younga, umownej granicy sprężystości lub umownej granicy plastyczności dokładność standardowa wykresu rozciągania jest niewystarczająca. Sporządza się wówczas dokładny wykres, obrazujący zależność siły i rzeczywistego wydłużenia odcinka próbki odpowiadającego bazie pomiarowej czujnika.

Przebieg próby rozciągania i towarzyszące jej charakterystyczne efekty można wyjaśnić, prowadząc obserwację zachowania się próbki oraz rozpatrując wynikający z próby wykres zależności między siłą rozciągającą F a wydłużeniem całkowitym A/ określonym dla jej długości pomiarowej. Początkowo, wydłużenia ze wzrostem obciążenia są bardzo małe, po odciążeniu próbka powraca do pierwotnej długości, nie można stwierdzić żadnych trwałych wydłużeń, wykres jest linią prostą. Potwierdza to ważność prawa Hooke'a w odniesieniu do odkształceń sprężystych. Przy dalszym wzroście obciążeń wykres zakrzywia się, co dowodzi odstępstwa od prawa Hooke'a i wiąże się z powstawaniem trwałych odkształceń. Po osiągnięciu pewnej wartości siły Fe siła mimo wzrastających wydłużeń nie tylko nie wzrasta ale może nawet chwilowo zmniejszyć się. Ponieważ, odkształcenia zachodzą tu bez wzrostu obciążenia, zachowanie materiału określa się jako płynięcie. Z chwilą rozpoczęcia płynięcia

na powierzchni próbek pojawiają się drobne bruzdy widoczne jako linie tzw. linie Liidersa lub Czemowa, nachylone do osi próbki pod kątem ok. 45°. Są to ślady gwałtownych wzajemnych przesunięć (poślizgów) cząstek materiału. Pojawiają się najpierw w jednym miejscu, a następnie rozszerzają się na całą pomiarową długość próbki. Przy dalszym trwaniu próby płynięcie ustaje, następuje tzw. umocnienie; dalszemu wzrostowi wydłużeń o charakterze plastycznym towarzyszy wzrost siły. Stosunek wydłużenia do siły nie jest już proporcjonalny. 2 chwilą osiągnięcia maksymalnej (w czasie trwania próby) wartości siły F„, w jednym miejscu próbki pojawia się gwałtowne zwężenie zwane szyjką.

Przekrój zmniejsza się w tym miejscu przy spadku obciążenia, aż w końcu pręt ulega pęknięciu.

Wykres rozciągania metali nie wykazujących wyraźnej granicy plastyczności nie posiada załamania charakterystycznego dla płynięcia plastycznego materiału. Odkształcenia plastyczne tych materiałów narastają stopniowo ze wzrostem obciążenia i krzywa rozciągania jest krzywą rosnącą aż do osiągnięcia siły maksymalnej F„. Po osiągnięciu jej, w próbce tworzy się szyjka i następuje spadek obciążenia aż do zerwania. Efekty towarzyszące powstawaniu szyjki są dla tych materiałów mniej wyraźne niż dla materiałów wykazujących wyraźną granicę plastyczności.

2.1.5. Wyznaczenie naprężeń cechujących właściwości mechaniczne materiału a) Wyraźna granica plastyczności - R_t

Wyraźna (fizyczna granica plastyczności R_e jest to naprężenie rozciągające, po osiągnięciu którego występuje wyraźny wzrost wydłużenia rozciąganej próbki bez wzrostu lub nawet przy krótkotrwałym spadku obciążenia (patrz rys. 2.5a). Przebieg krzywej rozciągania ulega wyraźnej zmianie przy jednoczesnym charakterystycznym ruchu wskazówki siłomierza (zatrzymanie się, oscylacja około pewnej wartości).

Rozważaną granicę oblicza się wg wzoru:

Wyraźna granica plastyczności może wystąpić tylko w pierwszym cyklu obciążenia próbki. Dla niektórych metali wykazujących płynięcie plastyczne można wyznaczyć górną granicę plastyczności R& oraz dolną granicę plastyczności (wielkości te pokazano na wykresach rozciągania przedstawionych na rys. 2.5)

al) Górna granica plastyczności -K,h

Naprężenie rozciągające, odpowiadające pierwszemu szczytowi obciążenia siły rozciągającej F_eit, po którym następuje jej spadek lub ustalenie, nazywane jest górną granicą plastyczności R_eii (patrz rys. 2.5a) i obliczane wg wzoru:

a2) Dolna granica plastyczności - R_fi.

Naprężenie rozciągające odpowiadające najmniejszej wartości siły f\._L > po którym następuje ciągły wzrost siły, nazywa się dolną granicą plastyczności {patrz rys. 2.5a), którą oblicza się wg wzoru:

Przy określeniu siły F_ei w przypadku występowania na wykresie więcej niż jednego minimum, należy pominąć pierwsze minimum (następujące bezpośrednio po osiągnięciu górnej granicy plastyczności).

b) Wytrzymałość na rozciąganie - R,„

Wytrzymałość na rozciąganie R_m jest to naprężenie rozciągające, przy którym odkształcenie przestaje być jednorodne, a siła obciążająca F uzyskuje maksymalną wartość F_m. W próbce tworzy się miejscowe przewężenie, czyli tzw. „szyjka". Pole naprężeń staje się również niejednorodne; w tych częściach, które zachowały kształt cylindryczny istnieje w dalszym ciągu stan jednoosiowy, w samej zaś szyjce stan naprężeń jest trójosiowy. Wartość R_m oblicza się wg wzoru

z dokładnością do 5 MPa, zaokrąglając jak przy R_en.

c) Naprężenie rozrywające - R„

Dla niektórych materiałów, które wykazują stan kruchości przy rozciąganiu R»_: pokrywa się z punktem odpowiadającym zniszczeniu próbki. Dla innych materiałów po osiągnięciu R_m następuje spadek obciążenia i próbka pęka przy sile obciążającej F„ .

Naprężenie rozrywające R_u jest to naprężenie rzeczywiste, występujące w przekroju poprzecznym S„ próbki w miejscu przewężenia (szyjki), w chwili jej rozerwania

d) Umowna granica sprężystości - Ro.w

Przez umowna granicę sprężystości /?<>.<>< rozumiemy taką wartość naprężenia rozciągającego, które wywołuje w próbce wydłużenie trwałe ,v = 0,05 % pierwotnej długości pomiarowej próbki I.₀. W technicznie uzasadnionych przypadkach dopuszcza się określenie granicy sprężystości przy wydłużeniu trwałym mniejszym niż 0,05 % (np. 0,005%). Wartość naprężenia wyznacza się ze wzoru:

e) Umowna granica plastyczności - Roi

Zarówno stale wysokowęglowe, jak i materiały kruche nie mają wyraźnej granicy plastyczności (rys. 2.5c). W tych przypadkach wprowadza się jako kryterium porównawcze dla praktycznej oceny materiałów umowną granicę plastyczności R0.1. Przez umowną granicę plastyczności Ro.: rozumiemy taką wartość naprężenia rozciągającego, które wywołuje w próbce umowie wydłużenie trwałe x = 0,2% pierwotnej długości pomiarowej próbki U- Do wyznaczenia lej granicy PN-EN 10002-1+AC Iza lec a stosowanie metod odciążenia i obciążenia.

Norma ta nie precyzuje pojęcia umownej granicy plastyczności. Wprowadza natomiast naprężenie graniczne przy umownym wydłużeniu trwałym

Siła F_x jest siłą obciążającą, wywołującą umowne wydłużenie trwałe (plastyczne) .v. Do pomiaru wydłużeń używa się tensometrów, które umożliwiają uchwycenie wartości Al. = 0,01 mm. Najczęściej jest to tensometr (mechaniczny) z czujnikami zegarowymi typu MK 3 (rys. 2.7a), w którym elementem mierzącym jest czujnik zegarowy 1. Tensometr ten mocuje się na próbce 8 za pomocą dwóch par ostrzy 2 i 3, z których dolna para 3 osadzona jest przegubowo. Ostrza górne 2 połączone są z korpusem 4 za pomocą łączników 5. Na dźwigniach 6 opierają się końcówki 7 czujników.

Rys. 2.7. Tensometr mechaniczny typu MK 3: a) widok, b) schemat

Jeżeli próbka wydłuży się na długości bazy o AL (rys. 2.7b) spowoduje to przesunięcie ostrza 3 o odcinek DDj i równoczesny obrót całej dźwigni. Ze względu na to, że dźwignia 6 jest równoramienna, odcinek DDi - EE_t = AL. Czujnik będzie więc mierzył bezpośrednio Al, z dokładnością do 0,01 mm. Siłę F„ odpowiadającą naprężeniu przy umownym wydłużeniu trwałym Rn, oblicza się wg wzoru:

Moduł sprężystości wzdłużnej (Moduł Younga)

Moduł sprężystości wzdłużnej E (moduł Younga) jest to stosunek przyrostu

naprężenia AR do odpowiadającego mu przyrostu wydłużenia jednostkowego Ae w zakresie,

w którym krzywa rozciągania jest linia prostą.

Moduł sprężystości wzdłużnej (moduł Younga) określa się z wykresu rozciągania jako tangens kąta nachylenia (a) prostoliniowej części wykresu do osi wydłużeń. Dla określenia wartości modułu Younga wyznaczamy na prostoliniowej części wykresu dwa punkty 0' i A_t (rys. 2.8).

Moduł Younga obliczamy ze wzoru:

Rys. 2.8. Schemat wyznaczania modułu sprężystości wzdłużnej

2.1.6. Odkształcenia próbki. Określenie własności plastycznych

(a) Względne wydłużenie A

Wydłużenie A to stosunek przyrostu długości pomiarowej próbki po jej rozerwaniu do pierwotnej długości pomiarowej próbki. Wydłużenie należy wyznaczyć wg wzorów:

- dla próbek proporcjonalnych

gdziep - wskaźnik oznaczający krótkości próbki. Na przykład Aj. A,o - oznacza odpowiednio wydłużenie próbki 5-krotnej i 10-krotnej. - oraz dla próbek nieproporcjonalnych

A oblicza się z dokładnością do 0,1% przy czyni wartości >0,05 nie uwzględnia się, wartości < 0,05 zaokrągla się do 0,1.

Pomiar długości próbki po rozerwaniu L_u przeprowadza się w len sposób, że składa się obie jej części tak, aby przylegały do siebie, a długość pomiarowa L„ była linią prostą. Jeżeli obie części nie przylegają do siebie, wówczas szczeliny wlicza się do długości pomiarowej /„„. Pomiar len winien być wykonany z dokładnością do 0.1 mm,

D(ugość pomiarową /.„ mierzy się pomiędzy dwoma skrajnymi ryskami naniesionymi przy pomiarze !.„ w przypadku, gdy miejsce rozerwania znajduje się w środkowej części odpowiadającej długości pomiarowej L₀ dla próbek proporcjonalnych 5-krotnych, lub ^[UL„ dla próbek proporcjonalnych dziesięciokrotnych oraz nieproporcjonalnych, kiórych io - 50 lub 80 mm.

Jeżeli zerwanie nastąpiło poza podanymi granicami, a procentowe wydłużenie jest mniejsze od oczekiwanego, należy wtedy przeprowadzić tzw. sztuczną symetrię, a długość pomiarową po zerwaniu L_u ustalić w następujący sposób:

Po złożeniu rozerwanej próbki mierzy się długość odcinka od skrajnego znaku A (rys. 2.9) na krótszym odcinku próbki do znaku B na odcinku dłuższym. Ilość działek, jaka mieści się pomiędzy znakiem A a miejscem zerwania, musi być równa ilości działek od miejsca rozerwania do znaku B_;*Następnie mierzy się długość odcinków DC i DC\

Rys. 2.9. Sposób pomiaru wydłużenia przy wprowadzeniu „sztucznej symetrii'

Rys. 2.10. Przykładowy wykres rozkładu wydłużeń poszczególnych działek po jej rozerwaniu

Powyższy sposób pomiaru spowodowany jest faktem, że największe wydłużenia trwałe powstają w okolicach szyjki. Bezpośredni pomiar L„ byłby obarczony zbyt dużym błędem, ponieważ obszar dużych odkształceń przechodziłby poza długość pomiarową. Na rysunku 2.10 pokazano wykres rozkładu wydłużeń poszczególnych działek próbki. Wykres ten wyjaśnia dlaczego wydłużenie - A_p zależy od krotności badanej próbki. Jak wynika z wykresu największe wydłużenia działek występują w obszarze szyjki i nie zależą od długości pomiarowej, lecz tylko od rodzaju materiału oraz średnicy (pola przekroju) próbki. Działki leżące dalej od miejsca pęknięcia wykazują bardzo zbliżone wydłużenia. Długość szyjki dla różnej długości próbek wykonanych z tego samego materiału oraz o tych samych wymiarach przekroju poprzecznego będzie w przybliżeniu niezmienna. Jej udział w wielkości sumarycznych wydłużeń będzie więc tym większy, im mniejsza jest długość pomiarowa próbki.

10. Względne wydłużenie równomierne - A,

Jesi to wydłużenie niezależne od długości pomiarowej próbki i mierzone z wyłączeniem wpływu wydłużenia w pobliżu miejscu rozerwania (próbki), wyrażone w procentach. Dla próbek okrągłych (w przybliżeniu) jego wartość odczytuje się z nomogr.unu załączonego do PN-EN 10002-1 + AC 1 lub oblicza się wg wzoru:

Wydłużenie równomierne A_r oblicza się z dokładnością do 0,1% przy czym wartości zaokrągla się jak przy A_p.

11. Względne przewężenie - Z

Jest to wyrażone w procentach zmniejszenie pola (powierzchni) przekroju poprzecznego próbki w miejscu rozerwania odniesione do pola jej pierwotnego przekroju. Przewężenie należy wyznaczyć dla próbki okrągłej przez pomiar średnicy d_u w miejscu największego zwężenia w szyjce. Średnicę należy mierzyć w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach, przy czym rozstrzygająca jest średnia arytmetyczna tych dwóch pomiarów. Przewężenie na próbce płaskiej należy wyznaczyć przez pomiar najmniejszej szerokości - b_u i najmniejszej grubości - a_u próbki w miejscu rozerwania (rys. 2.11).

Rys. 2.11. Wymiary próbki płaskiej w miejscu rozerwania

Przewężenie obliczamy według wzoru:

przy czym dla próbek okrągłych

2.1.7. Złomy próbek

Złomem (przełomem) nazywa się powierzchnię powstałą w wyniku trwałego

rozdzielenia się na części obciążonej próbki. Obserwacji) złomu próbki pozwala na określenie budowy krystalicznej materiału (gruba, drobna, warstwowa), co stanowić może przybliżoną ocenę jego jednorodności, jak również umożliwia wykrycie różnego rodzaju wad (wtrącenia niemetaliczne, pęknięcia, pęcherze gazowe, zawalcowania itp.). Sama powierzchnia, a właściwie jej kształt, świadczy o plastycznych własnościach materiału oraz o przyczynach powodujących pęknięcie.

Rozróżnia się na ogół trzy rodzaje złomów: 1) Złom rozdzielczy kruchy (rys. 2.12a) występuje wówczas, gdy naprężenia powstałe wewnątrz materiału przekroczą wartość sił przyciągania międzycząs teczko we go (sil spójności). Nie jest on poprzedzony odkształceniami trwałymi - plastyczny mi i jest zorientowany prostopadle do kierunku największego naprężenia rozciągającego lub największego wydłużenia. Powierzchnia złomu jest nierówna, szorstka i pozwala na wyodrębnienie poszczególnych ziam. Złom ten jest charakterystyczny dla materiałów kruchych.

Rys. 2.12. Typowe złomy próbek rozciąganych

12. Złom rozdzielczy wiązki (rys. 2.l2b) jest poprzedzony odkształceniem plastycznym próbki, co powoduje umocnienie materiału i wymaga dalszego zwiększenia obciążenia, które w efekcie doprowadza do zniszczenia w płaszczyźnie złomu rozdzielczego-kruchego. W tym przypadku występuje złom poślizgowy pobocznicy i rozdzielczy-kruchy rdzenia. Poprzedza go zawsze tworzenie się tak zwanej „szyjki". Złom tej jest charakterystyczny dla materiałów wykazujących zdolność do odkształceń sprężystych i plastycznych (np. stal niskowęglowa).

13. Złom poślizgowy (rys. 2.12c) powstaje pr/ez pokonanie sil spójności materiału w płaszczyznach poślizgów nachylonych pod kątem około 45° do osi próbki, co tłumaczy się kierunkiem występowania największych naprężeń stycznych w jednoosiowym stanic naprężeń.

Powierzclinia złomu jest gładka i trudno na niej stwierdzić budowę ziarnistą. Wynika to z wystąpienia dużych odkształceń plastycznych w płaszczyźnie ścięcia, co powoduje zniekształcenie ziam i silne zatarcie ich obrazu. Złom ten jest charakterystyczny dla materiałów plastycznych.

---