Początek

Skrypty Ciekawe strony  

Zaliczanie

   
 

 

Statyczna próba rozciągania.

I.Cel ćwiczenia.

Próba statyczna rozciągania dzięki posiadanym zaletom stała się podstawową i najbardziej 

rozpowszechnioną próbą w badaniach własności mechanicznych materiałów. Jest próbą łatwą 

do przeprowadzenia, daje możliwość obserwacji i rejestracji procesu rozciągania od początku 

obciążenia próbki aż do jej zniszczenia oraz możliwość wyznaczenia szeregu wskażników 

charakteryzujących różnorodne własności materiału.

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z praktycznym sposobem przeprowadzenia próby 

statycznej rozciągania metali zgodnie z obowiązującymi normami: PN - 91 / H - 04310 -próba 

statyczna rozciągania metali, używanymi do tego celu próbkami, przyrządami i maszynami 

wytrzymałościowymi oraz interpretacją i opracowaniem wyników prób.

W czasie ćwiczenia można przeprowadzić następujące próby:

a) próbę zwykłą rozciągania ( bez tensometru mechanicznego ) próbek okrągłych,

b) próbę ścisłą rozciągania ( z użyciem tensometru mechanicznego lub innego ) próbek okrągłych.

W próbie zwykłej rozciągania wyznacza się:

Rm - wytrzymałość na rozciąganie,

Re - wyrażną granicę plastyczności,

Ru - naprężenie rozrywające,

A - wydłużenie względne próbki po zerwaniu,

Z - przewężenie względne w miejscu rozerwania próbki.

Natomiast w próbie ścisłej oprócz R , R , A i Z wyznacza się dodatkowo:

Rx - naprężenie graniczne przy umownym wydłużeniu trwałym x ( granicę sprężystości ),

R0,2 - umowną granicę plastyczności

E - moduł sprężystości wzdłużnej ( moduł Younga ).

 

II.Wiadomości uzupełniające.

1.Próbki.

Do próby rozciągania używa się próbek obrabianych okrągłych i płaskich oraz próbek w postaci 

odcinków materiału w stanie nieobrobionym.Kształty probek i ich wymiary dla materiałów 

sprężysto - plastycznych ujęto w normie PN - 91 / H - 04310, Dla żeliwa szarego w normie PN 

- 63 / H - 83108.

Próbki okrągłe ( rys. 1.1 ) zakończone mogą być chwytami ( główkami ) cylindrycznymi, 

gwintowanymi lub dostosowanymi do chwytów pierściwniowych.

 

 

 

 

 

 

 

Rys.1.1.Próbki okrągłe na rozciąganie z materiału sprężysto - plastycznego:

a) z główkami do chwytania w szczękach,

b) z główkami do pierścieni,

c) z główkami gwintowanymi

Wielkością podstawową tych próbek jest średnica do. Długość pomiarowa Lo części 

środkowej próbki, na której obserwuje się odkształcenia jest wielokrotnością średnicy do.

Lo = n x do

Według normy współczynnik n może mieć wartości 4, 5, 8 i 10. W praktyce stosuje się 

najczęściej próbki 5 i 10 - krotne.

Próbki płaskie ( rys.1.2 ) mogą być z główkami lub bez główek

 

Rys.1.2.Próbki płaskie na rozciąganie:

a ) z główkami , b ) bez główek.

Wielkością podstawową tych próbek jest ich grubość ao, czyli odległość między powierzchniami 

walcowymi, które nie podlegają obróbce. Długość pomiarową Lo próbki płaskiej ustala się z 

zależności:

dla próbek 5 - ciokrotnych Lo = 5,65 x So

dla próbek 10 - ciokrotnych Lo = 11,3 x So

gdzie:

So = ao x bo - pole przekroju poprzecznego próbki przed obciążeniem

ao i bo - rzeczywiste wymiary poprzeczne próbki

 

W przypadku rozciągania próbek z żeliwa rezygnuje się zazwyczaj z pomiaru odkształceń po

zerwaniu. Nie wprowadza się zatem długości pomiarowej Lo. Kształty próbek normalnych z 

żeliwa szarego pokazano na rys.1.3.

Rys. 1.3. Próbka na rozciąganie z żeliwa szarego.

Oprócz próbek normalnych norma przewiduje jeszcze próbki specjalne do badań naukowych, 

które podobnie jak probki z materiałów sprężysto - plastycznych mają odcinek Lo, na którym 

bada sie wydłużenie.

2. Pojęcia podstawowe.

Przebieg próby rozciągania najlepiej charakteryzuje wykres maszynowy, wyrażający zależność 

pomiędzy obciążeniami a towarzyszącymi im wydłużeniami. Wykres ten sporządza urządzenie 

samopiszące maszyny w układzie współrzędnych obciążenie F - wydłużenie całkowite 

DL.Przykłady wykresów rozciągania przedstawiono na rys.1.4.

Próbę rozciągania stali niskowęglowej charakteryzuje wykres przedstawiony na rys. 4a. 

Początkowo powstające odkształcenia są proporcjonalne ( 0 - 1 ) i sprężyste ( 0 - 2 ). Wykres 

przebiega w tej części stromo, gdyż odkształcenia sprężyste są niewielkie. W tym zakresie 

obowiązuje praktycznie prawo Hooke'a. Dopiero przy zjawianiu się odkształceń plastycznych 

bezwzględna wartość wydłużenia zaczyna rosnąć szybciej. Początkowo odksztełcenia plastyczne 

są nieznaczne (2 - 3), po czym następuje zaburzenie równowagi sił wewnętrznych i materiał 

zaczyna płynąć (3 - 4).Próbka wydłuża się plastycznie na całej długości, przy czym obciążenie 

nie wzrasta , a nawet maleje. Obserwując gładko szlifowaną powierzchnię próbki można 

zauważyć, że z chwilą rozpoczęcia płynięcia materiału, tzn. przy obciążeniu Fe, w pewnym 

miejscu pojawiają się charakterystyczne linie nachylone do osi próbki pod kątem 45o. Linie te, 

zwane liniami Ludersa - Czernowa, rozszerzają sie następnie na całą długość pomiarową 

próbki.Są to ślady wzajemnych przesunięć części kryształów po płaszczyznach 

krystalograficznych. Przy dalszym trwaniu próby płynięcie ustaje i następuje umocnienie 

materiału. Odbywa się to przy dalszym wzroście siły obciążającej i znacznych wydłużeniach 

trwałych (4 - 5). Po osiągnięciu przez siłę wartości Fm (5), na probce zaczyna się twożyć w 

najsłabszym miejscu lokalne przewężenie czyli tzw. szyjka. krzywa rozciągania zaczyna opadać 

po czym następuje zerwanie próbki (6).

Rys.1.4.Wykres rozciągania materiału sprężysto plastycznego.

 

Stosowanie układu współrzędnych siła F - wydłużenie całkowite Dl do opisu próby jest 

niewygodne, ponieważ porównywanie wyników uzyskanych dla dwóch różnych materiałów 

możliwe jest tylko wówczas, gdy próbki są jednakowe. aby uniezależnić wyniki od przekroju 

próbki stosuje się układ współrzędnych naprężenie s - wydłużenie jednostkowe e, przy czym:

= F / So   [Pa]   lub   [MPa],

= L / Lo

gdzie:

So - pole pierwotnego przekroju próbki,

Lo - pierwotna długość części pomiarowej próbki.

Układ s - e zatem jest niezależny od wymiarów próbki. Ponieważ jest wprost proporcjonalne 

do F, a do L, przy czym So i Lo są wielkościami stałymi, zatem wykres rozciągania w układzie

- e można otrzymać wprost z wykresu maszynowego przez zmianę skali rzędnych i odciętych.

Na podstawie wykresu rozciągania można określić następujące wskaźniki wytrzymałościowe:

Granica proporcjonalności Rpr jest naprężeniem granicznym stosowalności prawa Hooke'a.

Granica sprężystości Rspr jest naprężeniem granicznym, poniżej którego odkształcenie jest 

sprężyste. Obie granice, zarówno proporcjonalności jak i sprężystości, są wielkościami 

umownymi, gdyż ściśle rzecz biorąc odkształcenie plastyczne występuje już przy niewielkich 

odkształceniach, ale jest bardzo małe. Praktycznie określa się tzw. umowną granicę sprężystości, 

tj. takie naprężenie, które wywołuje w próbce wydłużenie trwałe równe 0,05 % długości 

pomiarowej Lo próbki:

R0,05 = F0,05 / So [Pa] lub [MPa]

Wyraźna granica plastyczności Re jest to naprężenie, po osiągnięciu którego występuje wyraźny 

wzrost wydłużenia rozciąganej próbki bez wzrostu lub nawet przy spadku obciążenia:

Re = Fe / So [Pa] lub [MPa]

Jeżeli w czasie próby rozciągania występuje spadek obciążenia, to naprężenie odpowiadające 

największemu obciążeniu przed następnym spadkiem określa się jako górną granicę 

plastyczności ReH, a naprężenie odpowiadające największemu spadkowi jako dolną granicę 

plastyczności ReL. Granica plastyczności jest jednym z najważniejszych wskaźników 

charakteryzujących własności wytrzymałościowe materiałów konstrukcyjnych, z tego też 

względu dla tych metali, które nie mają wyraźnej granicy plastyczności wyznacza się wielkość 

zastępczą, tzw. umowną granicę plastyczności.

Umowna granica plastyczności R0,2 jest naprężeniem granicznym wywołującym trwałe 

wydłużenie względne x = 0,2 %:

R0,2 = F0,2 / So [Pa] lub [MPa]

Moduł sprężystości wzdłużnej ( moduł Younga ) E jest to stosunek naprężenia do 

odpowiadającego mu wydłużenia jednostkowego e w zakresie, w którym krzywa rozciągania 

jest linią prostą. Do obliczenia modułu służy wzór:

E = Ds / De [Pa] lub [MPa]

gdzie:

Ds i De są przyrostami naprężenia i odpowiadającego mu odkształcenia w zakresie 10 90 % 

naprężenia będącego umowną granicą sprężystości

Wytrzymałość na rozciąganie Rm jest to naprężenie odpowiadające największej sile obciążającej 

Fm, uzyskanej w czasie prowadzenia próby rozciągania, odniesionej do pierwotnego przekroju 

poprzecznego próbki:

Rm = Fm / So [Pa] lub [MPa]

Naprężenie rozrywające Ru jest to naprężenie rzeczywiste, występujące w przekroju 

poprzecznym próbki w miejscu przewężenia bezpośrednio przed rozerwaniem, obliczone z 

ilorazu siły w chwili rozerwania Fu i najmniejszego przekroju próbki S po rozerwaniu:

Ru = Fu / So [Pa] lub [MPa]

Oprócz wskaźników charakteryzujących własności wytrzymałościowe materiału norma 

przewiduje również wyznaczenie wskaźników charakteryzujących własności plastyczne 

badanego materiału. Wskaźnikami tymi są wydłużenie i przewężenie plastyczne próbki.

Wydłużenie względne ( trwałe ) A jest to stosunek przyrostu długości pomiarowej próbki 

mierzonego po zerwaniu w odniesieniu do pierwotnej długości pomiarowej próbki, wyrażony w 

procentach: 

A = Lu - Lo / Lo 100%

W praktyce przy symbolu A oznaczającym wydłużenie daje się wskaźnik cyfrowy oznaczający 

krotność próbki. Na przykład A5, A10 - oznaczają odpowiednio wydłużenie próbki 

proporcjonalnej 5 - krotnie i 10 - krotnie, a A100 - próbki nieproporcjonalnej o Lo = 100 mm.

Przewężenie względne ( trwałe ) Z jest to stosunek największego zmniejszenia powierzchni 

przekroju poprzecznego próbki w miejscu zerwania do pierwotnego przekroju próbki wyrażony 

w procentach:

Z = So - Su / So 100%

Długość pomiarową próbki po zerwaniu Lu mierzy się po zestawieniu obu części próbki. 

Sposób pomiaru długości Lo ilustruje rys.1.5. Ideą tego sposobu jest symetryczne ( naturalne lub 

sztuczne ) umiejscowienie szyjki w stosunku do skrajnych punktów określających długość 

pomiarową próbki. Dla poszczególnych przypadków długość pomiarowa próbki po zerwaniu Lu 

wyraża się następująco:

- dla zerwania w środku długości próbki Lu = a,

- dla zerwania skrajnego na znaku Lu = a + 2 b,

- dla zerwania skrajnego między znakami Lu = a + b + c.

Sposób określenia pola przekroju po zerwaniu nie nastręcza żadnych wątpliwości, gdyż pomiar 

średnicy du jest oczywisty.

Rys.1.5.Wyznaczanie długości pomiarowej próbki po zerwaniu

w oparciu o naturalną i sztuczną symetrię.

Natomiast dla próbki płaskiej wskutek deformacji jej kształtu pole przekroju poprzecznego 

określa się jako Su = au bu, a pomiar wielkości au i bu ilustruje rys. 1.6.

3.Przełom próbki.

Przełomem ( złomem ) nazywa się powierzchnię powstałą w wyniku całkowitego rozdzielenia się 

na części próbki obciążonej w dowolny sposób. Obserwacja przełomów próbek pozwala na 

określenie budowy krystalicznej materiału, co stanowić może przybliżoną ocenę jego 

jednorodności, jak również umożliwić wykrycie różnego rodzaju wad ( wtrącenia niemetaliczne, 

pęknięcia, pęcherze gazowe). Sama powierzchnia i ukształtowanie się przełomu próbki wyraźnie 

świadczą o plastycznych własnościach materiału oraz o czynnikach powodujących pęknięcia.

 

Rys.1.6.Wymiary próbki płaskiej po zerwaniu.

 

Ze względu na mikrostrukturę przełomy można podzielić na:

a) międzyziarniste, gdy rozdzielenie materiału nastąpiło na granicy ziarn krystalicznych, przy czym 

rozróżnia się przełomy gruboziarniste, drobnoziarniste i jedwabiste,

b) wśródziarniste, przechodzące przez ziarna krystaliczne.

Ze względu na makroskopowy charakter pęknięcia rozróżnia się przełomy rozdzielcze i 

poślizgowe.

Przełom rozdzielczy powstaje w wyniku oderwania się jednej części próbki od drugiej i jest 

zorientowany prostopadle do kierunku największego naprężenia rozciągającego lub 

największego wydłużenia. Jeżeli przełom rozdzielczy nastąpi bez poprzedzających odkształceń 

plastycznych lub jeżeli odkształcenia te są bardzo małe, to nazywa się przełom rozdzielczym 

kruchym ( rys. 1.7a ). W przypadku, gdy poprzedzony jest większymi odkształceniami 

plastycznymi - to nosi nazwę przełomu rozdzielczego wiązkiego ( rys.1.7b ).

Rys.1.7.Podstawowe rodzaje przełomów próbek rozciąganych:

a) przełom rozdzielczy kruchy,

b) przełom rozdzielczy wiązki,

c) przełom poślizgowy.

 

Przełom poślizgowy ( rys.1.7c ) powstaje w płaszczyznach największych poślizgów ( w 

płaszczyznach występowania największych naprężeń stycznych ). Charakteryzuje się on tym, że 

powierzchnia jego jest gładka i nie można na niej stwierdzić budowy ziarnistej. Pochodzi to stąd, 

że odkształcenia plastyczne występujące w płaszczyźnie ścięcia są tak duże, iż powodują 

zniekształcenie ziaren i silne zatarcie ich obrazu. Jeżeli natomiast powierzchnia złomu jest 

nierówna, szorstka i dają się wyodrębnić na niej poszczególne ziarna, to jest to przełom 

rozdzielczy. W przypadku rozciągania ( próbki ze stali węglowej ) typowy przełom próbek 

posiada poślizgowe ścięcie bocznicy i przełom rozdzielczy rdzenia ( rys.1.8d i e ).

Przełomy próbek płaskich różnią się istotnie od przełomów próbek okrągłych, odzwierciedlając 

w mniejszym lub większym stopniu warstwową budowę materiału ( płaszczyzny walcowania ).

 

Rys.1.8. a), b), c) schemat powstawania przełomu w próbce rozciąganej ze stali miękkiej,

d) przełom próbki ze stali miękkiej ( około 0,1 % C ),

e) przełom próbki ze stali o większej zawartości węgla ( około 0,45 % ).

 

4.Urządzenia do pomiaru odkształceń.

 

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.

 

III.Przebieg ćwiczenia.

1.Próba zwykła.

1.Przygotować arkusze protokółu oraz odpowiednie normy w zależności od rodzaju 

otrzymanych próbek

2.Narysować próbkę i zapisać dane: nr kolejny próbki, materiał, wymiary. Średnicę próbki 

należy zmierzyć w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach przy pomocy mikrometru z 

dokładnością do 0,01 mm. Wycechować próbkę na przyrządzie i oznaczyć jej długość 

pomiarową.

3.Ustalić skalę siłomierza i przygotować maszynę tzn. założyć odpowiednie uchwyty w 

zależności od rodzaju próbki oraz ustawić zakres skali siłomierza i prędkość odkształcenia 

próbki. Skala powinna być tak dobrana, aby największa siła Fm potrzebna przy rozciąganiu 

próbki przekroczyła 40 % pełnego zakresu obciążenia. Orientacyjną wartość siły zrywającej 

oblicza się ze wzoru Fm = So Rm, gdzie Rm przyjmuje się z tablic lub szacunkowo.

4.Umocować próbkę w uchwytach maszyny i obserwować przebieg rozciągania notując Fe, Fm 

oraz Fu.

5.Zmierzyć suwmiarką wymiary poprzeczne próbki w przekroju szyjki, oraz długość pomiarową 

Lu. Wyniki pomiarów wpisać do protokółu. Narysować próbkę po rozerwaniu i złożeniu.

6.Wykonać obliczenia Re, Rm, Ru, A i Z wg wzorów.

7.Narysować w protokóle wykres rozciągania i zapisać uwagi dotyczące przełomu.

2.Próba ścisła.

 

1.Przygotować arkusz protokołu pomiarów oraz odpowiednią normę.

2.Zapisać w protokóle dane dotyczące próbki, maszyny wytrzymałościowej i tensometru.

3.Przygotować maszynę wytrzymałościową tak jak dla próby zwykłej.

4.Umocować próbkę w uchwytach i obciążyć wstępnie siłą Fw wynoszącą ok. 10 % wartości 

siły wywołującej granicę plastyczności ( F0,2 ), ale aby nie wywoływała naprężenia większego 

od 50 MPa dla stali i 30 MPa dla metali nieżelaznych.

5.Założyć na próbkę tensometr i obciążając stopniowo próbkę ( ręcznie ) notować wskazania 

przyrządu do pomiaru wydłużeń. Zaleca się stopniowanie obciążeń o 1/10 siły odpowiadającej 

przypuszczalnej granicy plastyczności, z tym, że powyżej granicy proporcjonalności wartość 

stopniowego obciążenia powinna być mniejsza, aby umożliwić dokładne wykreślenie krzywej 

rozciągania w miejscu zakrzywienia. Obciążać należy nieco ponad obciążenia odpowiadające 

przypuszczalnej granicy plastyczności, a następnie obciążać stopniowo ( co ok. 1/10 F0,2 )do 

obciążenia wstępnego, notując wskazania tensometru.

6.Na papierze milimetrowym, w układzie współrzędnych prostokątnych, wykreślić krzywą 

rozciągania i prostą odciążania, która powinna być równoległa do początkowej części wykresu 

rozciągania. Skalę rzędnej ( siła F ) i odciętej ( wskazania tensometru w działkach t ) należy tak 

dobrać, aby kąt nachylenia krzywej rozciągania do osi odciętych w zakresie odkształceń 

proporcjonalnych mieścił się w granicach od 50o do 70o.

 

7.Wyznaczyć wartości R0,2, E, Rm, Ru, A, Z ze wzorów ( 3 ), ( 4 ), ( 5 ), ( 6 ), ( 7 ) i ( 8 ).

 

IV.Uwagi do sprawozdania.

1.Próba zwykła.

Sprawozdanie powinno zawierać:

1/ określenie celu próby,

2/ definicje wyznaczanych wskaźników: Re, Rm, Ru, A, Z,

3/ protokoły pomiarów,

4/ zestawienie wyników próby w postaci tablicy wg podanego niżej wzoru ( tabl.1 ).

 

Tablica 1

Własności mechaniczne stali węglowej konstrukcyjnych

zwykłej jakości ogólnego przeznaczenia.

 

 

Nr

próbki

Materiał

Fe

[N]

Re

[MPa]

Fm

[N]

Rm

[MPa]

Fu

[N]

Ru

[MPa]

A

%

Z

%

 

 

5/ dyskusję otrzymanych wyników zawierają:

- omówienie własności wytrzymałościowych i plastycznych badanych materiałów ujawnionych w 

czasie próby,

- porównanie wyznaczonych wartości wskaźników z analogicznymi wielkościami wziętymi z 

norm lub podręczników,

- charakterystykę otrzymanych przełomów,

- omówienie dokładności przeprowadzonych pomiarów,

- uwagi i wnioski.

 

2.Próba ścisła.

Sprawozdanie powinno zawierać :

1/ określenie celu próby,

2/ definicje wyznaczanych wskaźników,

3/ protokół pomiarów,

4/ opracowany wykres rozciągania,

5/ zestawienie wyników próby w postaci tablicy wg podanego wzoru ( tabl. 2 ).

Tablica 2

Własności mechaniczne stali węglowych konstrukcyjnych wyższej jakości.

Nr

próbki

Materiał

Re

[MPa]

Rm

[MPa]

Ru

[MPa]

A

%

Z

%

Rx

[MPa]

R0,2

[MPa]

E

[MPa]

                   

 

6/ dyskusję wyników, a w szczególności:

- omówienie wyznaczonej charakterystyki materiału ( wykresu rozciągania ),

- omówienie własności wytrzymałościowych i plastycznych badanego materiału oraz porównanie 

ich z wartościami zaczerpniętymi z normy,

- charakterystykę przełomu,

- ocenę przyjętej metody pomiarów ( źródła błędów ),

- uwagi i wnioski.