Statyczna próba rozciągania

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 badań

Przygotowanie próbek do oraz sposób prowadzenia próby opisane są szczegółowo w normie :

PN-EN ISO 6892-1:2010- Metale -- Próba rozciągania -- Część 1: Metoda badania w temperaturze pokojowej

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.

 W czasie próby rejestruje się zależność przyrostu długości próbki od wielkości siły rozciągającej oraz rejestruje się granicę sprężystości, przewężenie próbki i siłę zrywającą próbkę. Naprężenia w próbce oblicza się dzieląc siłę rozciągającą przez pole przekroju poprzecznego próbki (uwzględniając przewężenie lub nie uwzględniając go).

Typowy wykres naprężenie-odkształcenie pokazuje rysunek 1. Początkowo wzrost naprężenia powoduje liniowy wzrost odkształcenia. W zakresie tym obowiązuje prawo Hooke'a. Po osiągnięciu naprężenia Re, zwanego granicą sprężystościmateriał 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 rozciąganieRm. Dalsze rozciąganie próbki powoduje jej zerwanie przy naprężeniu rozrywającymRu.
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 Rm, 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: Re, Rm, moduł Youngai współczynnik Poissona.

Rys. 1 Wykres statycznego rozciągania

Rys. 2 Przykład próbki wykorzystywanej w statycznej próbie rozciągania metali.

Rys. 3 Przykład próbki po rozciąganiu

Przykładowe zestawienie wyników dla próby rozciągania stali S355J2

S – gdy Rm osiąga wartość powyżej 520 [MPa] i zerwanie następuje w materiale rodzimym, NS – gdy Rm nie osiąga wartości 520 [MPa] i zerwanie następuje w SWC lub spoinie.

 Granice plastyczności R eH, REl

Granica plastyczności, czyli naprężenie, po osiągnięciu którego następuje wyraźny wzrost wydłużenia rozciąganej próbki bez wzrostu lub nawet przy spadku obciążenia :

gdzie:

Fe – siła obciążająca, odpowiadająca wyraźnej granicy plastyczności [kN]

So – pole przekroju poprzecznego próbki [mm2]

Na krzywej z wyraźną granicą plastyczności wyznaczamy wyraźną granicą plastyczności

Granica plastyczności jest uzależniona od typu krzywej rozciągania. Gdy na krzywej rozciągania nie ujawnia się wyraźna granica plastyczności, wyznacza się umowną granicę plastyczności.
Umowna granica plastyczności R0,2 jest to naprężenie, wywołujące w próbce wydłużenie trwałe równe 0,2% długości pomiarowej:

Wytrzymałość na rozciąganie Rm

Jest to stosunek maksymalnej siły Fm do pola przekroju pierwotnego próbki S0 daje wartość umownego, granicznego naprężenia rozciągającego, które nazywa się wytrzymałością na rozciąganie Rm:

gdzie:

Fm – największa siła uzyskana w czasie próby, zarejestrowana przez czujnik siły maszyny wytrzymałościowej [kN]

So – pole przekroju poprzecznego próbki [mm2]

-Wydłużenie względne

Wydłużenie względne (procentowe) A jest to stosunek trwałego wydłużenia bezwzględne-go długości ΔLu do początkowej długości pomiarowej próbki pomiarowej próbki po rozerwaniu L0 wyrażony w procentach:

 gdzie:

Lu – długość pomiarowa po rozerwaniu [mm]

Lo – początkowa długość pomiarowa próbki [mm]

-Względne wydłużenie równomierne

Względne wydłużenie równomierne Ar określa względne wydłużenie próbki odpowiadające równomiernemu odkształceniu, które zachodzi do momentu pojawienia się szyjki.

-Przewężenie

Względne przewężenie Z jest to stosunek różnicy pola początkowego, przekroju poprzecznego i pola przekroju poprzecznego w miejscu rozerwania próbki, do pola początkowego przekroju wyrażony w procentach:

gdzie:

So – pole przekroju początkowego próbki [mm2]

Su – pole przekroju próbki w miejscu zerwania [mm2]

Literatura

[1] Pod redakcją Prof. dr hab. inż. Jana Pilarczyka „Poradnik Inżyniera - Spawalnictwo” tom II, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2005r.

[2] Pod redakcją Prof. dr hab. inż. Jana Pilarczyka „Poradnik Inżyniera - Spawalnictwo” tom I, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2003r.

 Materiały własne