Statyczna próba rozciągania jest najpowszechniej stosowaną próbą wytrzymałościową przy doborze materiałów na konstrukcje. Jest to próba łatwa do wykonania, dość dokładna i wszechstronna. Próbę tę przeprowadza się zgodnie z normą    PN-91/H-04310.

Próby statyczne cechuje mała prędkość wzrostu naprężenia. Wzrost prędkości rozciągania znacznie zwiększa granicę plastyczności metalu, w mniejszym zaś stopniu zwiększa wytrzymałość na rozciąganie.

Podczas statycznej próby rozciągania próbkę poddaje się rozciąganiu za pomocą wolno rosnącej siły F, czemu towarzyszy wzrost długości próbki.

Celem próby statycznego rozciągania jest wyznaczenie:

-        umownej granicy sprężystości,

-        wyraźnej 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

gdzie:              - naprężenie              [MPa]

e - wydłużenie względne [%]

E – współczynnik sprężystości wzdłużnej, zwany także modułem Younga

Współczynnik ten jest jedną z podstawowych stałych materiałowych charakteryzujących własności mechaniczne materiałów krystalicznych. wyznacza się go jako stosunek przyrostu naprężenia ∆R [MPa] do odpowiadającego mu wydłużenia jednostkowego z wzoru

Umowną granicę sprężystości R0,05 wyznacza się jako naprężenie rozciągające wywołujące w próbce umowne wydłużenie trwałe x = 0,05% z wzoru 

              [MPa]

gdzie:              F0,05 – 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 Re, 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:              Fe – siła obciążająca odpowiadająca wyraźnej granicy plastyczności [N]

Pewne materiały nie wykazują wyraźnej granicy plastyczności. Dla nich wyznacza się umowną granicę plastyczności R0,2 jako naprężenie rozciągające wywołujące w próbce umowne wydłużenie trwałe x = 0,2% z wzoru

              [MPa]

gdzie:              F0,2 – 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 Rm. wyznaczoną ze wzoru

              [MPa]

gdzie:              Fm. – największa siła obciążająca osiągnięta w czasie próby [N]

              Dla metali mniej ciągliwych próbka rozrywa się zaraz po osiągnięciu Fm. Dla metali ciągliwych po przekroczeniu Fm. następuje szybki wzrost przewężenia miejscowego, czyli tworzenie się na próbce tzw. szyjki, przy czym jednocześnie występuje spadek obciążenia do wartości Fu. Naprężenie rzeczywiste występujące w przekroju poprzecznym próbki w miejscu przewężenia w chwili rozerwania nazywa się naprężeniem rozrywającym Ru wyznaczonym ze wzoru

              [MPa]

gdzie:              Fu – siła obciążająca w chwili rozerwani próbki [N]

              Su –powierzchnia najmniejszego przekroju poprzecznego próbki po rozerwaniu [mm2]

              Oprócz wyżej wymienionych własności wytrzymałościowych próba rozciągania pozwala wyznaczyć własności plastyczne metalu:

-        wydłużenie Ap jako stosunek trwałego wydłużenia bezwzględnego próbki po rozerwaniu ∆L do długości pomiarowej próbki L0, wyznaczony dla próbek ze wzoru

   [%]

gdzie:              Lu – 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

                              [%]

Wykres rozciągania

Na rysunku l.l przedstawiono wykres rozciągania dla materiału plastycznego z wyraźną granicą plastyczności (np. stali węglowej). Jak widać podczas rozciągania tego typu materiałów można wyróżnić kilka charakterystycznych etapów. Na po­czątku materiał pracuje w tzw. zakresie liniowo-spreżystym (odcinek O-A). Obowią­zuje tu prawo Hooke'a, czyli liniowa zależność pomiędzy działającym obciążeniem, a wydłużeniem próbki. Wraz ze wzrostem obciążenia następuje niewielki wzrost wydłużenia próbki, która po odciążeniu wraca do pierwotnego kształtu, czyli nic po­wstają jeszcze odkształcenia trwałe (nieodwracalne), występują jedynie odkształce­nia sprężyste (odwracalne). W punkcie A siła rozciągająca osiąga wartość Fu, po przekroczeniu której wykres rozciągania z liniowego przechodzi w nieliniowy. Jest to zakres nicliniowo-sprężystej pracy materiału (odcinek A-B). Nie występują od­kształcenia trwałe, ale nie obwiązuje już prawo Hooke'a. W punkcie H siła osiąga wartość Fm po przekroczeniu której materiał przestaje być sprężysty. Próbka obciążoną siłą nie większą niż Fs nie odzyskuje pierwotnych wymiarów po obciążeniu, czyli ulega trwałemu odkształceniu.

W tym momencie materiał przechodzi z zakresu sprężystego w zakres plastyczny. Na odcinku B-D obserwuje się wydłużanie próbki bez wzrostu obciążenia lub na­wet przy jego chwilowym spadku, najczęściej dochodzi do oscylacji obciążenia w niewielkim zakresie. Ten zakres pracy nazywany jest tzw. „płynięciem materia­łu". Na powierzchni próbki pojawiają się drobne bruzdy widoczne jako linie (tzw. linie Lüdersa-Czernowa), nachylone do osi próbki pod kątem około 45°. Linie te są śladami gwałtownych, wzajemnych przesunięć cząstek materiału względem siebie w płaszczyznach działania maksymalnych naprężeń stycznych. Pojawiają się po­czątkowo w jednym miejscu, rozszerzając później na całą objętość próbki. Przy dalszym obciążaniu „płynięcie" ustaje, na skutek tzw. „umocnienia materiału" spowodowanego przez przegrupowanie cząstek materiału powodujące przeciw­działanie wzrostowi zewnętrznego obciążenia. Odcinek D-E nowi nazwę „krzywej umocnienia". Obserwowany jest znaczny wzrost wydłużenia o charakterze pla­stycznym przy niewielkie wzroście siły. W momencie osiągnięcia ekstremum na wykresie rozciągania, na próbce pojawia się gwałtowne zwężenie zwane szyjką. Jednocześnie w punkcie E osiągnięta zostaje nośność próbki odpowiadająca sile Fm.

Na rysunku 1.2 przedstawiono wykres rozciągania dla materiału bez wyraźnej granicy plastyczności (np. stali stopowej). Pierwszy odcinek wykresu (O-A) jest prostoliniowy, widoczny jest mały wzrost wydłużenia proporcjonalny do działają­cego obciążenia. Materiał pracuje w zakresie liniowo-sprężystym. Przy dalszym wzroście obciążenia następuje zakrzywienie wykresu (odcinek A-B), materiał prze­chodzi w zakres plastyczny. W punkcie B osiągnięta zostaje nośność próbki na rozciąganie, co odpowiada sile maksymalnej Fm. Dalszemu wzrostowi wydłużenia towarzyszy spadek siły (odcinek B-C) aż do momentu zerwania próbki przy sile obciążającej F„ < Fm.

W celu standaryzacji wielkości wyznaczonych podczas prób rozciągania, wykres rozciągania podaje się we współrzędnych σ(ε), czyli umownych naprężeń normalnych σ w funkcji odkształceń ε, określonych zgodnie ze wzorami:

ε=∆LL0              σ=FS0

gdzie: ΔL – przyrost długości próbki,  L0 – pierwotna długość próbki, F – siła ,

S0 – pierwotne pole przekroju próbki.

Typy złomów próbek metalowych:

Złom poślizgowy

(materiały mało plastyczne lub kruche)

Złom poślizgowy z uwidocznieniem stożków

(materiały  plastyczne)

Złom rozdzielczy lub kruchy

Materiały i urządzenia pomiarowe

Podstawowym urządzeniem stosowanym podczas próby rozciągania jest maszyna wytrzymałościowa zwana inaczej zrywarką. Na rysunku 1.7 pokazano zdjęcie uniwersalnej maszyny wytrzymałościowej firmy Instron o napędzie serwohydraulicznym. Maszyna jest sterowana przez komputer klasy PC i umożliwia realizację różnych prób wytrzymałościowych, np. ściskania czy zginania. Możliwe jest także przeprowadzanie prób zmęczeniowych, relaksacji, pełzania oraz pomiarów z zakresu mechaniki pękania materiałów. Poprzez zastosowanie specjalnych uchwytów oraz tzw. ...