Właściwości mechaniczne metali i stali – parametry, oznaczenia i metody badań

Właściwości mechaniczne metali i stali określają zachowanie materiału pod wpływem działających na niego obciążeń. Pozwalają ocenić między innymi jego wytrzymałość, plastyczność, sprężystość, sztywność, twardość, udarność, odporność zmęczeniową oraz odporność na pękanie. Są jednymi z podstawowych kryteriów stosowanych przy doborze materiałów do określonych zastosowań konstrukcyjnych i przemysłowych.
Do najczęściej podawanych parametrów należą wytrzymałość na rozciąganie Rm, granica plastyczności Re lub Rp0,2, wydłużenie A, przewężenie Z, moduł Younga E, udarność KV/KU oraz twardość HBW, HV i HRC.
Wartości właściwości mechanicznych nie zależą wyłącznie od gatunku materiału. Wpływają na nie również jego skład chemiczny, mikrostruktura, stan dostawy, obróbka cieplna, obróbka plastyczna, temperatura badania, kierunek pobrania próbki oraz wymiary wyrobu.

Najważniejsze właściwości mechaniczne metali i stali

Wytrzymałość na rozciąganie Rm

Wytrzymałość na rozciąganie Rm jest jednym z podstawowych parametrów określających właściwości mechaniczne materiału. Odpowiada największemu naprężeniu inżynierskiemu osiągniętemu podczas statycznej próby rozciągania.
Rm oblicza się ze wzoru:
Rm = Fm / S₀
gdzie:

• Rm – wytrzymałość na rozciąganie,
• Fm – największa siła osiągnięta podczas próby,
• S₀ – początkowe pole przekroju poprzecznego próbki.

Wartość Rm podawana jest najczęściej w MPa, przy czym 1 MPa = 1 N/mm². Rm nie należy utożsamiać z naprężeniem występującym dokładnie w chwili zerwania próbki. W przypadku materiałów ciągliwych maksymalna siła może zostać osiągnięta przed powstaniem przewężenia i ostatecznym zerwaniem materiału.

Granica plastyczności Re, ReH i ReL

Granica plastyczności określa naprężenie związane z przejściem materiału od zachowania sprężystego do trwałego odkształcenia plastycznego.
W materiałach wykazujących wyraźne zjawisko płynięcia można określać:

• ReH – górną granicę plastyczności,
• ReL – dolną granicę plastyczności.

Po przekroczeniu granicy plastyczności materiał po usunięciu obciążenia nie powraca całkowicie do pierwotnych wymiarów.

Umowna granica plastyczności Rp0,2

Nie wszystkie materiały wykazują wyraźną granicę plastyczności. W takich przypadkach stosuje się między innymi umowną granicę plastyczności Rp0,2.
Rp0,2 określa naprężenie odpowiadające trwałemu odkształceniu plastycznemu wynoszącemu 0,2% długości pomiarowej próbki po odciążeniu.
Parametr ten jest często stosowany między innymi dla stali nierdzewnych, stopów niklu, stopów aluminium i innych materiałów, dla których nie można jednoznacznie wyznaczyć klasycznej granicy plastyczności.

Wydłużenie po zerwaniu A

Wydłużenie po zerwaniu A jest jednym z podstawowych parametrów określających plastyczność materiału. Wartość A określa procentowy trwały przyrost długości pomiarowej próbki po jej zerwaniu w stosunku do początkowej długości pomiarowej.
Wydłużenie oblicza się ze wzoru:
A = ((L_u – L₀) / L₀) × 100%
gdzie:

• L₀ – początkowa długość pomiarowa próbki,
• L_u – długość pomiarowa po zerwaniu.

W dokumentacji materiałowej można spotkać różne oznaczenia wydłużenia, między innymi A oraz historycznie stosowane oznaczenia takie jak A5. Wartości oznaczone według różnych długości pomiarowych nie powinny być automatycznie porównywane bez uwzględnienia geometrii próbki i warunków badania.

Przewężenie Z

Przewężenie Z określa procentowe zmniejszenie pola przekroju poprzecznego próbki w miejscu jej zerwania. Jest kolejnym, obok wydłużenia A, parametrem pozwalającym ocenić zdolność materiału do odkształcenia plastycznego przed zniszczeniem.
Przewężenie oblicza się ze wzoru:
Z = ((S₀ – S_u) / S₀) × 100%

Moduł Younga E

Moduł Younga E, nazywany również modułem sprężystości podłużnej, określa sztywność materiału w zakresie liniowo-sprężystym. Im większa wartość modułu Younga, tym mniejsze odkształcenie sprężyste występuje przy określonym naprężeniu.
Moduł Younga nie jest tym samym co wytrzymałość materiału. Materiał może posiadać wysoką wartość Rm, nie wykazując odpowiednio większej wartości modułu Younga.

Współczynnik Poissona ν

Współczynnik Poissona ν opisuje zależność pomiędzy odkształceniem poprzecznym i podłużnym materiału podczas jego sprężystego rozciągania lub ściskania. Jest wielkością bezwymiarową.

Moduł Kirchhoffa G

Moduł Kirchhoffa G, nazywany również modułem sprężystości poprzecznej lub modułem ścinania, określa zależność pomiędzy naprężeniem stycznym a odkształceniem postaciowym w zakresie sprężystym.

Udarność i energia łamania KV oraz KU

Próba udarowego zginania pozwala określić zdolność materiału do pochłaniania energii podczas gwałtownego obciążenia. W badaniach metodą Charpy’ego stosuje się próbki z określonym rodzajem karbu. W zależności od rodzaju karbu spotykane są między innymi oznaczenia KV oraz KU.
Wynik próby wyrażany jest zazwyczaj w J i oznacza energię pochłoniętą podczas złamania próbki. Parametr ten ma szczególne znaczenie przy ocenie materiałów pracujących w niskiej temperaturze oraz konstrukcji narażonych na obciążenia dynamiczne.

Twardość materiału

Twardość określa odporność materiału na miejscowe odkształcenie, najczęściej powodowane wciskaniem wgłębnika.
Do najczęściej stosowanych metod badania twardości metali należą:

• HBW – twardość Brinella,
• HV – twardość Vickersa,
• HRC – twardość Rockwella w skali C,
• HRB – twardość Rockwella w skali B,
• HK – twardość Knoopa.

Wartości uzyskane różnymi metodami nie są bezpośrednio równoważne. W określonych przypadkach można stosować tablice przeliczeniowe, z uwzględnieniem ich zakresu i ograniczeń.

Wytrzymałość zmęczeniowa

Zmęczenie materiału jest procesem prowadzącym do inicjacji i rozwoju pęknięcia pod wpływem wielokrotnie powtarzających się lub zmiennych obciążeń. Do uszkodzenia zmęczeniowego może dojść przy naprężeniach znacznie niższych od wytrzymałości na rozciąganie Rm.
Na trwałość zmęczeniową wpływają między innymi:

• wartość i charakter obciążenia,
• liczba cykli,
• stan powierzchni,
• karby i koncentracja naprężeń,
• mikrostruktura materiału,
• temperatura,
• środowisko pracy.

Charakterystykę zmęczeniową materiałów przedstawia się często za pomocą krzywych Wöhlera (S-N).

Odporność na pękanie K_IC

Odporność na pękanie opisuje zdolność materiału zawierającego pęknięcie lub inną nieciągłość do przeciwstawienia się dalszemu rozwojowi pęknięcia. Jednym z parametrów mechaniki pękania jest K_IC, czyli krytyczna wartość współczynnika intensywności naprężeń w warunkach płaskiego stanu odkształcenia.

Wytrzymałość na ściskanie

Wytrzymałość na ściskanie opisuje zachowanie materiału pod wpływem obciążenia powodującego jego ściskanie. Znaczenie tego parametru zależy od rodzaju materiału. W przypadku materiałów kruchych może stanowić jeden z podstawowych parametrów wytrzymałościowych, natomiast ciągliwe metale podczas ściskania mogą ulegać znacznym odkształceniom bez klasycznego zerwania próbki.

Wytrzymałość na zginanie

Wytrzymałość na zginanie opisuje zachowanie materiału podczas obciążenia powodującego jego zginanie. Próby zginania wykorzystuje się między innymi do oceny materiałów, spoin oraz gotowych elementów.

Wytrzymałość na ścinanie

Ścinanie występuje wtedy, gdy na materiał działają siły powodujące powstawanie naprężeń stycznych. Odporność na ścinanie ma znaczenie między innymi w przypadku śrub, sworzni, nitów i innych elementów połączeń mechanicznych.

Pełzanie materiałów

Pełzanie jest zależnym od czasu odkształceniem materiału występującym pod wpływem długotrwałego działania naprężenia, szczególnie w podwyższonej temperaturze.
W przypadku materiałów przeznaczonych do pracy w wysokiej temperaturze sama wartość Rm określona w temperaturze pokojowej jest niewystarczająca do oceny przydatności materiału.
Analizuje się między innymi:

• odkształcenie pełzania,
• czas do zerwania,
• wytrzymałość na pełzanie,
• granicę pełzania,
• zależność właściwości od temperatury i czasu.

Parametry pełzania mają szczególne znaczenie dla materiałów stosowanych w energetyce, kotłach, rurociągach wysokotemperaturowych, turbinach i instalacjach przemysłowych.

Sprężystość, plastyczność, ciągliwość i kruchość

Sprężystość oznacza zdolność materiału do powrotu do pierwotnych wymiarów po usunięciu obciążenia, jeżeli materiał pozostawał w zakresie odkształceń sprężystych.
Plastyczność oznacza zdolność materiału do trwałego odkształcenia bez utraty spójności.
Ciągliwość opisuje zdolność materiału do znacznego odkształcenia plastycznego przed zniszczeniem.
Kruchość oznacza skłonność materiału do pękania przy stosunkowo niewielkim odkształceniu plastycznym.
Nie są to pojęcia zamienne z Rm, Rp0,2 czy twardością. Materiały o podobnej wytrzymałości na rozciąganie mogą wykazywać zupełnie inną plastyczność, udarność lub odporność na pękanie.

Rm, Rp0,2 i A – jak czytać właściwości mechaniczne stali?

W kartach materiałowych bardzo często można spotkać zestaw parametrów:

• Rm – wytrzymałość na rozciąganie,
• Rp0,2 – umowna granica plastyczności,
• A – wydłużenie po zerwaniu.

Parametry te opisują różne cechy materiału i powinny być analizowane łącznie. Przykładowy zapis Rm 900–1100 MPa, Rp0,2 min. 700 MPa, A min. 10% oznacza, że materiał osiąga określoną wytrzymałość na rozciąganie, posiada określoną minimalną umowną granicę plastyczności oraz zachowuje wymaganą zdolność do odkształcenia przed zerwaniem.

Wpływ obróbki cieplnej na właściwości mechaniczne

Właściwości mechaniczne tego samego gatunku stali mogą zmieniać się w szerokim zakresie w zależności od zastosowanej obróbki cieplnej. Hartowanie może prowadzić do znacznego zwiększenia twardości i wytrzymałości, ale jednocześnie do zmniejszenia plastyczności i udarności. Odpuszczanie pozwala kształtować kompromis pomiędzy twardością, wytrzymałością i ciągliwością. Wyżarzanie może natomiast prowadzić między innymi do zmniejszenia twardości, usunięcia naprężeń lub zmian mikrostruktury materiału.
Z tego względu wartości właściwości mechanicznych powinny być zawsze rozpatrywane razem ze stanem dostawy i historią obróbki materiału.

Wpływ temperatury na właściwości mechaniczne

Właściwości mechaniczne metali zmieniają się wraz z temperaturą. W podwyższonej temperaturze mogą następować między innymi zmniejszenie granicy plastyczności i wytrzymałości, zmiana modułu sprężystości oraz pojawienie się istotnego pełzania.
W niskiej temperaturze niektóre materiały mogą natomiast wykazywać zmniejszenie zdolności do odkształcenia plastycznego i wzrost podatności na kruche pękanie. Dlatego wartości właściwości mechanicznych powinny być odnoszone do temperatury, w której zostały określone.

Statyczna próba rozciągania metali

Jednym z najważniejszych badań właściwości mechanicznych jest statyczna próba rozciągania. Podczas badania próbka jest rozciągana w kontrolowanych warunkach, a urządzenie rejestruje działającą siłę i odkształcenie.
Na podstawie wyników można określić między innymi:

• wytrzymałość na rozciąganie Rm,
• granicę plastyczności Re,
• umowną granicę plastyczności Rp0,2,
• wydłużenie A,
• przewężenie Z.

Jedną z podstawowych norm dotyczących próby rozciągania metali w temperaturze pokojowej jest EN ISO 6892-1.

Właściwości mechaniczne a dobór materiału

Nie istnieje jedna właściwość mechaniczna pozwalająca określić, czy dany materiał jest lepszy od innego. Materiał o bardzo wysokiej wytrzymałości na rozciąganie może posiadać niewystarczającą udarność. Materiał bardzo twardy może być podatny na kruche pękanie, a materiał o niższej wytrzymałości może być korzystniejszy tam, gdzie wymagana jest duża plastyczność lub odporność zmęczeniowa.
Przy doborze materiału należy więc analizować jednocześnie między innymi:

• wytrzymałość,
• granicę plastyczności,
• plastyczność,
• twardość,
• udarność,
• odporność zmęczeniową,
• odporność na pękanie,
• temperaturę pracy,
• odporność na pełzanie,
• warunki środowiskowe i korozyjne.

Właściwości mechaniczne – wykaz

• Wytrzymałość na rozciąganie Rm
• Granica plastyczności Re, ReH i ReL
• Umowna granica plastyczności Rp0,2
• Wydłużenie A i A5
• Przewężenie Z
• Moduł Younga E
• Współczynnik Poissona ν
• Moduł Kirchhoffa G
• Udarność KV i KU – próba Charpy’ego
• Twardość metali – HBW, HRC, HRB, HV i Knoop
• Wytrzymałość zmęczeniowa i zmęczenie materiałów
• Odporność na pękanie K_IC
• Wytrzymałość na ściskanie
• Wytrzymałość na zginanie
• Wytrzymałość na ścinanie
• Pełzanie materiałów i właściwości mechaniczne w wysokiej temperaturze
• Statyczna próba rozciągania metali
• Krzywa naprężenie–odkształcenie