Statyczna próba rozciągania metali – przebieg badania, wykres i wyznaczane właściwości

Statyczna próba rozciągania metali jest jednym z podstawowych badań właściwości mechanicznych materiałów metalowych. Polega na jednoosiowym rozciąganiu odpowiednio przygotowanej próbki ze ściśle kontrolowaną prędkością aż do określonego etapu badania, najczęściej do jej zerwania. Na podstawie zarejestrowanej siły i odkształcenia można wyznaczyć między innymi wytrzymałość na rozciąganie Rm, granicę plastyczności ReH i ReL, umowną granicę plastyczności Rp0,2 oraz wydłużenie A. Po zerwaniu próbki można również określić przewężenie Z. Próba rozciągania pozwala więc uzyskać kilka najważniejszych parametrów opisujących wytrzymałość i plastyczność metalu w ramach jednego badania.

Na czym polega statyczna próba rozciągania?

Próbkę mocuje się w uchwytach maszyny wytrzymałościowej, a następnie poddaje stopniowo zwiększanemu obciążeniu rozciągającemu. W czasie badania rejestrowane są przede wszystkim:

siła F działająca na próbkę,
wydłużenie lub przemieszczenie,
odkształcenie w określonej długości pomiarowej.

Na podstawie tych danych można utworzyć wykres siła–wydłużenie, a po odniesieniu wielkości do początkowych wymiarów próbki – inżynierską krzywą naprężenie–odkształcenie.

Co można wyznaczyć w próbie rozciągania?

W zależności od materiału, wyposażenia i przyjętej metody badania podczas statycznej próby rozciągania można określić między innymi:

Parametr	Znaczenie	Typowa jednostka
ReH	Górna granica plastyczności	MPa
ReL	Dolna granica plastyczności	MPa
Rp0,2	Umowna granica plastyczności dla 0,2% odkształcenia plastycznego	MPa
Rm	Wytrzymałość na rozciąganie	MPa
A	Wydłużenie procentowe po zerwaniu	%
Z	Przewężenie procentowe przekroju po zerwaniu	%

W odpowiednio prowadzonych badaniach mogą być wyznaczane również inne charakterystyki odkształcenia, takie jak wydłużenie przy maksymalnej sile czy całkowite wydłużenie przy maksymalnej sile.

Maszyna wytrzymałościowa

Badanie wykonuje się na maszynie wytrzymałościowej umożliwiającej kontrolowane przykładanie obciążenia i pomiar siły. Maszyna posiada układ pomiarowy oraz uchwyty dostosowane do rodzaju próbki. W zależności od wymaganych parametrów wykorzystuje się również ekstensometr, który mierzy zmianę długości określonego odcinka pomiarowego próbki z dużo większą dokładnością niż pomiar przemieszczenia samych uchwytów maszyny.

Dlaczego stosuje się ekstensometr?

Przemieszczenie uchwytów maszyny obejmuje nie tylko wydłużenie właściwej części próbki, ale może zawierać również odkształcenia elementów maszyny, uchwytów i innych części układu pomiarowego. Ekstensometr mierzy odkształcenie bezpośrednio na określonej długości pomiarowej próbki. Ma to szczególne znaczenie podczas wyznaczania parametrów takich jak Rp0,2 oraz innych wielkości wymagających dokładnego pomiaru niewielkich odkształceń.

Próbka do statycznej próby rozciągania

Próbka ma określoną geometrię dostosowaną do rodzaju badanego wyrobu. Stosuje się między innymi próbki:

okrągłe,
płaskie,
proporcjonalne,
nieproporcjonalne.

Próbka posiada część pomiarową o odpowiednio dobranym przekroju oraz części przeznaczone do zamocowania w uchwytach maszyny. Wymiary i sposób przygotowania próbki mają bezpośredni wpływ na prawidłowość oraz porównywalność wyników.

Początkowe pole przekroju S0

Przed rozpoczęciem badania określa się początkowe pole przekroju poprzecznego próbki: S₀ Dla próbki okrągłej o początkowej średnicy d₀: S₀ = πd₀²/4 Dla próbki płaskiej o szerokości b₀ i grubości a₀: S₀ = b₀ × a₀ Dokładny sposób wyznaczania pola przekroju zależy od geometrii próbki i wymagań stosowanej metody badania.

Początkowa długość pomiarowa L0

Na próbce określa się początkową długość pomiarową L₀. Jest to długość odniesienia wykorzystywana między innymi przy określaniu wydłużenia procentowego po zerwaniu. W próbkach proporcjonalnych długość pomiarowa jest związana z początkowym polem przekroju. Powszechnie stosowana zależność ma postać: L₀ = 5,65√S₀ W przypadku próbki okrągłej odpowiada to w przybliżeniu długości równej pięciokrotnej średnicy, co jest związane z historycznym oznaczeniem A5. Stosowane są również próbki o stałych długościach pomiarowych, dlatego wartości wydłużenia uzyskanych dla różnych geometrii nie należy porównywać bez uwzględnienia zastosowanej długości pomiarowej.

Naprężenie inżynierskie

Podstawowe naprężenie stosowane przy opracowywaniu wyników klasycznej próby rozciągania jest obliczane na podstawie początkowego pola przekroju S₀: σ = F/S₀ gdzie:

σ – naprężenie inżynierskie,
F – aktualna siła rozciągająca,
S₀ – początkowe pole przekroju próbki.

Jeżeli F podawane jest w N, a S₀ w mm², wynik otrzymujemy w: N/mm² = MPa

Odkształcenie inżynierskie

Odkształcenie inżynierskie można określić jako: ε = ΔL/L₀ = (L – L₀)/L₀ gdzie:

L₀ – początkowa długość pomiarowa,
L – aktualna długość pomiarowa,
ΔL – przyrost długości.

Odkształcenie jest wielkością bezwymiarową i może być również wyrażane procentowo.

Początek próby – zakres sprężysty

W początkowej części próby dla wielu metali występuje zakres, w którym naprężenie i odkształcenie są w przybliżeniu liniowo zależne. W idealizowanym liniowo-sprężystym zakresie obowiązuje prawo Hooke’a: σ = Eε gdzie E jest modułem Younga. Po usunięciu obciążenia w zakresie sprężystym próbka powraca zasadniczo do swoich początkowych wymiarów.

Moduł Younga E a próba rozciągania

Nachylenie odpowiednio określonego liniowo-sprężystego fragmentu krzywej naprężenie–odkształcenie jest związane z modułem Younga E: E = Δσ/Δε Precyzyjne wyznaczanie modułu sprężystości wymaga jednak odpowiedniej procedury, dokładnego pomiaru odkształcenia oraz spełnienia wymagań właściwej metody badawczej. Nie należy automatycznie traktować każdego wykresu z rutynowej próby rozciągania jako dokładnego pomiaru E.

Granica plastyczności

Po przekroczeniu zakresu sprężystego rozpoczyna się trwałe odkształcenie materiału. W niektórych metalach, szczególnie w części stali, można zaobserwować wyraźne zjawisko płynięcia i wyznaczyć:

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

Jeżeli materiał nie wykazuje wyraźnej granicy plastyczności, stosuje się umowne parametry, przede wszystkim Rp0,2.

Górna granica plastyczności ReH

ReH jest górną granicą plastyczności występującą w materiałach wykazujących charakterystyczne zjawisko płynięcia. W uproszczonym opisie odpowiada pierwszemu maksimum naprężenia związanemu z rozpoczęciem wyraźnego płynięcia materiału.

Dolna granica plastyczności ReL

Po osiągnięciu ReH naprężenie może się obniżyć, a odkształcenie plastyczne rozwija się przy niższym poziomie naprężenia. ReL oznacza dolną granicę plastyczności określaną zgodnie z kryteriami przyjętej metody badania. Jeżeli wyraźnie występują obie wartości, zwykle zachodzi: ReH > ReL

Umowna granica plastyczności Rp0,2

W wielu metalach przejście od zachowania sprężystego do plastycznego jest płynne i nie można jednoznacznie wyznaczyć ReH i ReL. Stosuje się wtedy między innymi umowną granicę plastyczności Rp0,2. Jest to naprężenie odpowiadające określonemu kryterium 0,2% odkształcenia plastycznego. Na wykresie wykorzystuje się linię przesuniętą względem części sprężystej o odkształcenie: ε = 0,002 i równoległą do odpowiednio określonego liniowego fragmentu sprężystego. Punkt przecięcia z krzywą pozwala wyznaczyć Rp0,2.

Odkształcenie plastyczne

Po przekroczeniu zakresu sprężystego część odkształcenia pozostaje po usunięciu obciążenia. Jest to odkształcenie plastyczne. W tym zakresie zmienia się mikrostruktura materiału, a w wielu metalach występuje umocnienie odkształceniowe. Do dalszego odkształcania próbki potrzebne jest wtedy zwiększanie obciążenia.

Umocnienie odkształceniowe

Podczas plastycznego odkształcania metalu zwiększa się między innymi gęstość dyslokacji, a ich dalszy ruch staje się trudniejszy. W rezultacie naprężenie potrzebne do kontynuowania odkształcenia może rosnąć. Zjawisko to określa się jako umocnienie odkształceniowe. Jest ono jednym z powodów wzrostu naprężenia na krzywej po rozpoczęciu płynięcia materiału.

Maksymalna siła Fm

Podczas dalszego rozciągania siła osiąga wartość maksymalną oznaczaną: F_m Na jej podstawie obliczana jest wytrzymałość na rozciąganie Rm: Rm = F_m/S₀ Rm jest więc największym naprężeniem inżynierskim osiągniętym w próbie rozciągania.

Wytrzymałość na rozciąganie Rm

Rm jest jednym z najczęściej podawanych parametrów mechanicznych metali. Jego jednostką jest: MPa = N/mm² Jeżeli przykładowo maksymalna siła wynosi: F_m = 50 000 N a początkowe pole przekroju: S₀ = 100 mm² to: Rm = 50 000/100 = 500 MPa

Czy Rm jest naprężeniem w chwili zerwania?

Nie. Rm odpowiada maksymalnej sile F_m odniesionej do początkowego pola przekroju S₀. W materiale ciągliwym po osiągnięciu maksymalnej siły może rozpocząć się wyraźne przewężenie próbki. Następnie siła rejestrowana przez maszynę może maleć, mimo że lokalne zachowanie materiału w obszarze przewężenia jest bardziej złożone. Próbka pęka więc zazwyczaj po osiągnięciu Rm, a niekoniecznie dokładnie w punkcie maksymalnej siły.

Powstawanie przewężenia

Po osiągnięciu maksymalnej siły odkształcenie może zacząć lokalizować się w jednym obszarze próbki. Powstaje przewężenie, czyli szyjka. W tym miejscu przekrój próbki zaczyna szybko się zmniejszać, a dalsze odkształcenie koncentruje się w coraz mniejszym obszarze. Przewężenie jest charakterystycznym etapem rozciągania wielu metali ciągliwych.

Zerwanie próbki

Ostatnim etapem próby jest powstanie i rozwój pęknięcia prowadzącego do całkowitego rozdzielenia próbki. Charakter przełomu zależy od materiału, jego mikrostruktury, temperatury, prędkości odkształcenia i stanu naprężenia. Materiały ciągliwe mogą wykazywać znaczne przewężenie i odkształcenie przed zerwaniem, podczas gdy materiały bardziej kruche mogą pękać przy znacznie mniejszym odkształceniu plastycznym.

Wydłużenie A po zerwaniu

Po zakończeniu próby obie części zerwanej próbki odpowiednio zestawia się i mierzy końcową długość pomiarową L_u. Wydłużenie procentowe po zerwaniu określa zależność: A = [(L_u – L₀)/L₀] × 100% Parametr A opisuje zdolność materiału do trwałego wydłużenia przed zerwaniem. A nie jest maksymalnym chwilowym wydłużeniem próbki podczas badania, lecz wartością określaną po zerwaniu zgodnie z odpowiednią procedurą.

Przewężenie Z

Po zerwaniu można również określić zmianę pola przekroju próbki w miejscu pęknięcia: Z = [(S₀ – S_u)/S₀] × 100% gdzie:

S₀ – początkowe pole przekroju,
S_u – minimalne pole przekroju po zerwaniu.

Z jest kolejną miarą plastyczności materiału, ale opisuje zmianę przekroju, podczas gdy A opisuje zmianę długości pomiarowej.

A i Z – dwie różne miary plastyczności

Parametr	Opisuje	Jednostka
A	Trwałe wydłużenie długości pomiarowej po zerwaniu	%
Z	Zmniejszenie pola przekroju w miejscu zerwania	%

Parametry są ze sobą związane z zachowaniem plastycznym materiału, ale nie są parametrami zamiennymi.

Typowy przebieg próby rozciągania metalu ciągliwego

W uproszczeniu przebieg badania można przedstawić następująco:

zamocowanie próbki,
przyłożenie niewielkiego obciążenia,
odkształcenie sprężyste,
rozpoczęcie odkształcenia plastycznego,
płynięcie materiału – jeżeli występuje wyraźna granica plastyczności,
umocnienie odkształceniowe,
osiągnięcie maksymalnej siły F_m i Rm,
lokalizacja odkształcenia i powstanie przewężenia,
rozwój pęknięcia,
zerwanie próbki,
pomiar wydłużenia A i przewężenia Z.

Dokładny kształt krzywej zależy od badanego materiału.

Krzywa naprężenie–odkształcenie

Jednym z najważniejszych rezultatów próby jest krzywa naprężenie–odkształcenie. Pozwala ona obserwować przejście materiału od zachowania sprężystego przez uplastycznienie i umocnienie aż do lokalizacji odkształcenia oraz zerwania. Na jednej krzywej można więc zobaczyć znacznie więcej informacji niż tylko pojedynczą wartość Rm.

Krzywa inżynierska a krzywa rzeczywista

Klasyczna krzywa inżynierska wykorzystuje początkowe wymiary próbki: σ = F/S₀ ε = (L – L₀)/L₀ Podczas dużego odkształcenia rzeczywisty przekrój próbki zmniejsza się, dlatego można również posługiwać się naprężeniem rzeczywistym: σ_rz = F/S gdzie S jest aktualnym polem przekroju. Odkształcenie rzeczywiste dla jednorodnego jednoosiowego wydłużania można zapisać jako: ε_rz = ln(L/L₀) Po rozpoczęciu przewężenia proste przeliczenie krzywej inżynierskiej na rzeczywistą wymaga szczególnej ostrożności, ponieważ odkształcenie przestaje być jednorodne.

Dlaczego naprężenie inżynierskie spada po osiągnięciu Rm?

Po rozpoczęciu przewężenia pole przekroju w szyjce szybko maleje. Jednocześnie całkowita siła potrzebna do dalszego rozciągania próbki może się zmniejszać. Ponieważ naprężenie inżynierskie jest nadal obliczane przy użyciu początkowego pola S₀, na wykresie obserwuje się spadek naprężenia po Rm. Nie oznacza to automatycznie, że lokalna rzeczywista odporność materiału na dalsze odkształcenie maleje w taki sam sposób.

Próbki proporcjonalne i nieproporcjonalne

Wartość wydłużenia po zerwaniu zależy od przyjętej długości pomiarowej i geometrii próbki. Z tego powodu rozróżnia się między innymi próbki:

proporcjonalne – długość pomiarowa jest związana z polem przekroju,
nieproporcjonalne – stosuje się określoną stałą długość pomiarową.

Przy porównywaniu wartości A trzeba więc znać zastosowaną długość pomiarową.

Wpływ prędkości odkształcenia

Wyniki próby rozciągania mogą zależeć od prędkości, z jaką materiał jest odkształcany. Dla wielu metali wzrost prędkości odkształcenia może powodować zmianę między innymi:

granicy plastyczności,
wytrzymałości,
wydłużenia,
charakteru pękania.

Dlatego metoda badania określa sposób kontrolowania szybkości prowadzenia próby.

Wpływ temperatury

Temperatura może silnie zmieniać właściwości otrzymywane podczas rozciągania. Wraz ze wzrostem temperatury dla wielu metali obserwuje się zmniejszenie granicy plastyczności i wytrzymałości oraz zmianę plastyczności. W niskiej temperaturze niektóre materiały mogą wykazywać zmniejszoną zdolność do odkształcenia plastycznego. Dlatego właściwości uzyskane w temperaturze pokojowej nie powinny być automatycznie stosowane do projektowania elementów pracujących w bardzo wysokiej lub bardzo niskiej temperaturze.

Wpływ kierunku pobrania próbki

Materiały walcowane, kute, ciągnione i wytwarzane innymi kierunkowymi procesami technologicznymi mogą wykazywać anizotropię. Wyniki próby mogą więc zależeć od orientacji próbki względem kierunku walcowania lub kucia. Szczególnie istotne może to być dla:

Przy porównywaniu wyników należy uwzględniać kierunek pobrania próbki, jeżeli ma on znaczenie dla badanego wyrobu.

Wpływ obróbki cieplnej

Obróbka cieplna może bardzo silnie wpływać na wyniki statycznej próby rozciągania. Hartowanie, odpuszczanie, wyżarzanie, przesycanie i starzenie mogą zmieniać między innymi:

Rm,
Re lub Rp0,2,
A,
Z.

Zmiany wynikają z modyfikacji mikrostruktury, wielkości ziarna, rodzaju faz i wydzieleń oraz innych mechanizmów umocnienia.

Wpływ obróbki plastycznej na zimno

Walcowanie, ciągnienie i inne procesy odkształcenia na zimno mogą powodować umocnienie odkształceniowe. Typowym skutkiem jest wzrost granicy plastyczności i wytrzymałości przy jednoczesnym ograniczeniu zdolności materiału do dalszego odkształcenia plastycznego. Zależność ta nie jest jednak identyczna dla wszystkich stopów i stanów materiału.

Statyczna próba rozciągania a twardość

Próba rozciągania i pomiar twardości są różnymi metodami badawczymi. Dla niektórych grup materiałów istnieją empiryczne zależności pomiędzy twardością i Rm, ale nie są one uniwersalne. Nie należy przeliczać twardości na Rm bez sprawdzenia zakresu stosowalności odpowiedniej zależności. Pomiar twardości nie zastępuje próby rozciągania, gdy wymagane jest bezpośrednie określenie właściwości takich jak Re, Rp0,2, A czy Z.

Statyczna próba rozciągania a próba udarności

Statyczna próba rozciągania i próba Charpy’ego dostarczają innych informacji. Próba rozciągania jest prowadzona w kontrolowanych warunkach jednoosiowego obciążenia i służy do określania właściwości wytrzymałościowych oraz plastycznych. Próba Charpy’ego wykorzystuje dynamiczne uderzenie próbki z karbem i określa energię pochłoniętą podczas jej złamania. Wysokie Rm nie oznacza automatycznie wysokiej energii pochłanianej podczas próby udarności.

Statyczna próba rozciągania a odporność na pękanie KIC

Rm, Re i Rp0,2 opisują zachowanie próbki bez celowo wprowadzonego ostrego pęknięcia w klasycznej próbie rozciągania. K_IC należy natomiast do mechaniki pękania i opisuje odporność materiału na inicjację niestabilnego pękania w określonych warunkach z udziałem istniejącego pęknięcia. Parametry te nie są zamienne i odpowiadają na inne pytania dotyczące bezpieczeństwa materiału i konstrukcji.

Próba rozciągania a wytrzymałość zmęczeniowa

Statyczna próba rozciągania wykorzystuje monotonicznie zmieniające się obciążenie, natomiast zmęczenie materiału wynika z wielokrotnie powtarzanych zmian obciążenia. Element może ulec zniszczeniu zmęczeniowemu przy maksymalnym nominalnym naprężeniu niższym od Rm, a w wielu przypadkach również niższym od jednoosiowej granicy plastyczności. Dlatego Rm nie może być traktowane jako bezpośrednia miara wytrzymałości zmęczeniowej.

Norma EN ISO 6892-1

Podstawową normą stosowaną do statycznej próby rozciągania materiałów metalowych w temperaturze pokojowej jest EN ISO 6892-1 – Metallic materials – Tensile testing – Part 1: Method of test at room temperature. Norma określa między innymi:

terminologię i oznaczenia,
wymagania dotyczące próbek,
pomiar wymiarów próbki,
warunki prowadzenia badania,
kontrolę szybkości badania,
sposób wyznaczania właściwości mechanicznych,
zasady opracowania wyników.

W przypadku badań prowadzonych w innych temperaturach stosuje się odpowiednie części serii ISO 6892.

Dlaczego prędkość prowadzenia próby jest określona normą?

Właściwości metalu mogą zależeć od prędkości odkształcenia. Zbyt szybkie lub różniące się między laboratoriami prowadzenie próby mogłoby utrudniać porównywanie wyników. Dlatego normy określają sposoby kontrolowania szybkości badania. W praktyce mogą być stosowane metody oparte między innymi na kontroli szybkości odkształcenia lub odpowiednich parametrów maszyny, zależnie od etapu badania i przyjętej procedury.

Wyniki próby rozciągania w świadectwie odbioru 3.1

Właściwości wyznaczane w próbie rozciągania należą do najczęściej spotykanych danych mechanicznych w świadectwach odbioru materiału 3.1. W zależności od gatunku, normy wyrobu, wymiaru i warunków dostawy dokument może zawierać między innymi:

Rm,
ReH lub ReL,
Rp0,2,
A,
inne wymagane właściwości.

Nie oznacza to, że każdy certyfikat 3.1 musi zawierać wszystkie wymienione parametry. Zakres badań wynika z odpowiedniej specyfikacji materiałowej i zamówienia.

Najczęstsze błędy przy interpretacji próby rozciągania

Do częstych błędów należą:

utożsamianie Rm z naprężeniem w chwili zerwania,
traktowanie Re i Rp0,2 jako zawsze identycznych parametrów,
porównywanie A bez uwzględnienia długości pomiarowej próbki,
utożsamianie A z przewężeniem Z,
traktowanie modułu Younga jako miary wytrzymałości,
porównywanie wyników otrzymanych w różnych temperaturach bez uwzględnienia warunków badania,
przeliczanie twardości na Rm poza zakresem ważności odpowiedniej zależności,
traktowanie właściwości statycznych jako bezpośredniej miary odporności zmęczeniowej lub odporności na pękanie.

Statyczna próba rozciągania – najważniejsze informacje

Statyczna próba rozciągania jest jednym z podstawowych badań właściwości mechanicznych metali.
Próbka jest poddawana kontrolowanemu jednoosiowemu rozciąganiu.
Podczas badania rejestruje się przede wszystkim siłę i odkształcenie.
Naprężenie inżynierskie oblicza się jako σ = F/S₀.
Odkształcenie inżynierskie określa zależność ε = ΔL/L₀.
W zależności od materiału można wyznaczyć ReH i ReL albo umowną granicę plastyczności, np. Rp0,2.
Wytrzymałość na rozciąganie oblicza się jako Rm = F_m/S₀.
Rm odpowiada maksymalnej sile, a nie musi odpowiadać chwili zerwania próbki.
Po osiągnięciu maksymalnej siły w wielu metalach ciągliwych powstaje przewężenie.
Po zerwaniu można określić wydłużenie A i przewężenie Z.
A i Z są różnymi miarami plastyczności materiału.
Ekstensometr umożliwia dokładny pomiar odkształcenia w określonej długości pomiarowej.
Krzywa inżynierska wykorzystuje początkowe pole przekroju S₀, dlatego należy odróżniać ją od krzywej naprężenia i odkształcenia rzeczywistego.
Wynik zależy między innymi od temperatury, prędkości odkształcenia, mikrostruktury, stanu materiału i kierunku pobrania próbki.
Próbę rozciągania metali w temperaturze pokojowej wykonuje się zgodnie z odpowiednią metodą określoną w EN ISO 6892-1.