Wytrzymałość na rozciąganie Rm – definicja, wzór, jednostka i badanie

Wytrzymałość na rozciąganie Rm jest jednym z podstawowych parametrów określających właściwości mechaniczne metali i stopów. Oznacza największe naprężenie inżynierskie osiągnięte podczas statycznej próby rozciągania. Parametr Rm jest powszechnie stosowany do charakteryzowania stali konstrukcyjnych, nierdzewnych, narzędziowych i żarowytrzymałych, a także stopów aluminium, niklu, tytanu, miedzi oraz innych materiałów metalowych.
Wytrzymałość na rozciąganie podawana jest najczęściej w MPa, przy czym 1 MPa = 1 N/mm².

Co oznacza Rm?

Symbol Rm oznacza wytrzymałość na rozciąganie. Jest to stosunek największej siły Fm zarejestrowanej podczas próby rozciągania do początkowego pola przekroju poprzecznego próbki S₀.
Rm = Fm / S₀
gdzie:

Rm – wytrzymałość na rozciąganie [MPa],
Fm – największa siła osiągnięta podczas próby [N],
S₀ – początkowe pole przekroju poprzecznego próbki [mm²].

Ponieważ 1 N/mm² odpowiada 1 MPa, wynik otrzymany przy zastosowaniu siły wyrażonej w niutonach i pola przekroju w mm² można bezpośrednio podać w MPa.

Przykład obliczenia Rm

Jeżeli podczas próby rozciągania maksymalna zarejestrowana siła wyniosła 50 000 N, a początkowe pole przekroju próbki wynosiło 50 mm², wytrzymałość na rozciąganie wynosi:
Rm = 50 000 N / 50 mm² = 1000 N/mm² = 1000 MPa
Oznacza to, że badany materiał osiągnął podczas próby wytrzymałość na rozciąganie równą 1000 MPa.

Rm a maksymalna siła Fm

Rm nie jest bezpośrednio wartością siły. Fm określa największą siłę zarejestrowaną podczas badania, natomiast Rm odnosi tę siłę do początkowego pola przekroju próbki.
Dzięki temu można porównywać właściwości próbek o różnych wymiarach. Sama informacja, że próbka wytrzymała obciążenie 50 kN lub 100 kN, niewiele mówi o właściwościach materiału bez znajomości jej przekroju.

Czy Rm oznacza naprężenie przy zerwaniu?

Rm nie należy utożsamiać z naprężeniem występującym dokładnie w chwili zerwania próbki.
W przypadku wielu materiałów ciągliwych po osiągnięciu maksymalnej siły Fm rozpoczyna się lokalizacja odkształcenia i powstawanie przewężenia, czyli szyjki. Pole rzeczywistego przekroju próbki w tym miejscu szybko się zmniejsza, a siła rejestrowana przez maszynę może spadać aż do zerwania.
Rm odpowiada więc maksymalnej wartości naprężenia inżynierskiego wyznaczonej na podstawie początkowego przekroju S₀, a nie rzeczywistemu naprężeniu w coraz mniejszym przekroju szyjki.

Rm a naprężenie inżynierskie i rzeczywiste

W standardowej próbie rozciągania Rm wyznacza się na podstawie początkowego pola przekroju S₀. Jest więc parametrem opartym na naprężeniu inżynierskim.
Naprężenie rzeczywiste uwzględnia natomiast aktualne pole przekroju próbki, które podczas odkształcenia plastycznego ulega zmianie. Szczególnie po rozpoczęciu przewężenia różnica pomiędzy naprężeniem inżynierskim i rzeczywistym może być znaczna.
Z tego powodu spadek naprężenia widoczny na inżynierskiej krzywej naprężenie–odkształcenie po osiągnięciu Rm nie oznacza, że materiał w obszarze przewężenia rzeczywiście przestaje się umacniać.

Rm a granica plastyczności Re

Wytrzymałość na rozciąganie Rm i granica plastyczności Re opisują inne etapy zachowania materiału podczas obciążania.
Granica plastyczności określa naprężenie związane z początkiem trwałego odkształcenia plastycznego, natomiast Rm określa największe naprężenie inżynierskie osiągnięte podczas próby rozciągania.
Dla typowych ciągliwych materiałów konstrukcyjnych zachodzi zależność:
Re < Rm
Po przekroczeniu Re materiał może nadal przenosić rosnące obciążenie dzięki między innymi umocnieniu odkształceniowemu, aż zostanie osiągnięta maksymalna siła odpowiadająca Rm.

Rm a umowna granica plastyczności Rp0,2

W przypadku materiałów, dla których nie występuje wyraźna granica plastyczności, stosuje się między innymi umowną granicę plastyczności Rp0,2.
Rp0,2 odpowiada naprężeniu powodującemu określone umowne trwałe odkształcenie plastyczne wynoszące 0,2%, natomiast Rm jest największym naprężeniem inżynierskim osiągniętym podczas próby.
Przykładowo w dokumentacji materiałowej można spotkać:

Rp0,2: min. 700 MPa,
Rm: 900–1100 MPa.

Nie oznacza to, że materiał ulega zniszczeniu po przekroczeniu 700 MPa. Oznacza to, że określony poziom trwałego odkształcenia występuje wcześniej niż osiągnięcie maksymalnej wytrzymałości na rozciąganie.

Rm a wydłużenie A

Rm określa wytrzymałość materiału, natomiast wydłużenie po zerwaniu A dostarcza informacji o jego zdolności do odkształcenia plastycznego przed zniszczeniem.
Materiał może posiadać bardzo wysoką wartość Rm, a jednocześnie stosunkowo niewielkie wydłużenie. Dlatego sam parametr Rm nie wystarcza do pełnej oceny zachowania materiału.
W kartach materiałowych często podaje się razem:

Rm – wytrzymałość na rozciąganie,
Re lub Rp0,2 – granicę plastyczności,
A – wydłużenie po zerwaniu,
Z – przewężenie.

Rm a twardość

Pomiędzy twardością a wytrzymałością na rozciąganie niektórych materiałów mogą występować użyteczne zależności empiryczne. Dotyczy to szczególnie określonych grup stali.
Nie oznacza to jednak istnienia jednego uniwersalnego wzoru pozwalającego dokładnie przeliczyć HBW, HV lub HRC na Rm dla każdego materiału.
Zależność zależy między innymi od rodzaju materiału, jego mikrostruktury, stanu obróbki oraz zakresu twardości. Jeżeli wymagane jest normowe określenie Rm, właściwą metodą pozostaje próba rozciągania, a nie przeliczenie wyniku pomiaru twardości.

Jak wyznacza się wytrzymałość na rozciąganie?

Rm wyznacza się podczas statycznej próby rozciągania. Odpowiednio przygotowana próbka zostaje zamocowana w uchwytach maszyny wytrzymałościowej i poddawana kontrolowanemu rozciąganiu.
Podczas badania rejestrowane są między innymi siła oraz odkształcenie próbki. Pozwala to określić nie tylko Rm, lecz również inne właściwości mechaniczne materiału.
W zależności od materiału i przebiegu próby można wyznaczyć między innymi:

ReH – górną granicę plastyczności,
ReL – dolną granicę plastyczności,
Rp0,2 – umowną granicę plastyczności,
Rm – wytrzymałość na rozciąganie,
A – wydłużenie po zerwaniu,
Z – przewężenie.

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

Rm na krzywej naprężenie–odkształcenie

Przebieg próby rozciągania można przedstawić za pomocą krzywej naprężenie–odkształcenie.
W uproszczeniu można na niej wyróżnić:

zakres odkształceń sprężystych,
początek odkształcenia plastycznego,
umocnienie odkształceniowe,
osiągnięcie maksymalnego naprężenia inżynierskiego Rm,
powstawanie przewężenia,
zerwanie próbki.

Położenie i przebieg poszczególnych obszarów zależą od rodzaju materiału i jego stanu.

Od czego zależy wartość Rm?

Wytrzymałość na rozciąganie nie jest wartością zależną wyłącznie od oznaczenia gatunku materiału. Na Rm mogą wpływać między innymi:

skład chemiczny materiału,
mikrostruktura,
obróbka cieplna,
obróbka plastyczna na zimno,
wielkość ziarna,
stan dostawy,
temperatura badania,
wymiary i postać wyrobu,
kierunek pobrania próbki,
warunki przeprowadzenia badania.

Dlatego dla tego samego gatunku stali w normach można znaleźć różne wymagane wartości Rm zależne na przykład od grubości produktu i stanu obróbki cieplnej.

Wpływ obróbki cieplnej na Rm

Obróbka cieplna może bardzo znacząco zmieniać wytrzymałość na rozciąganie stali.
Hartowanie prowadzi do powstania struktury o wysokiej twardości i wytrzymałości, ale zwykle wymaga późniejszego odpuszczania. Poprzez zmianę temperatury odpuszczania można kształtować relację pomiędzy wytrzymałością, twardością, plastycznością i udarnością.
Dlatego podawanie wartości Rm bez informacji o stanie obróbki materiału może być niewystarczające.

Wpływ obróbki plastycznej na zimno na Rm

Odkształcenie plastyczne na zimno może powodować umocnienie odkształceniowe. W jego wyniku zazwyczaj wzrastają wytrzymałość i twardość materiału, natomiast jego zdolność do dalszego odkształcenia plastycznego może się zmniejszać.
Zjawisko to ma duże znaczenie między innymi dla blach, taśm, drutów, prętów ciągnionych oraz elementów formowanych na zimno.

Wpływ temperatury na Rm

Wytrzymałość na rozciąganie zależy również od temperatury badania. W wielu metalach wraz ze wzrostem temperatury następuje zmniejszenie wytrzymałości.
W przypadku elementów pracujących w wysokiej temperaturze wartość Rm określona w temperaturze pokojowej nie wystarcza do oceny ich przydatności. Konieczne może być uwzględnienie właściwości w temperaturze pracy oraz odporności materiału na pełzanie.

Czy wyższe Rm oznacza lepszy materiał?

Nie. Wyższa wartość Rm oznacza większą wytrzymałość na rozciąganie w określonych warunkach badania, ale nie oznacza automatycznie lepszego materiału.
W zależności od zastosowania równie ważne lub ważniejsze mogą być:

Dobór materiału powinien więc opierać się na zestawie właściwości odpowiadających rzeczywistym warunkom pracy elementu.

Rm – najważniejsze informacje

Rm oznacza wytrzymałość na rozciąganie.
Rm jest maksymalnym naprężeniem inżynierskim osiągniętym podczas statycznej próby rozciągania.
Rm oblicza się jako Fm / S₀.
Wartość podawana jest najczęściej w MPa lub N/mm².
1 MPa = 1 N/mm².
Rm nie jest tym samym co Re ani Rp0,2.
Rm nie należy utożsamiać z naprężeniem rzeczywistym w chwili zerwania próbki.
Na Rm wpływają między innymi mikrostruktura, obróbka cieplna, obróbka plastyczna, temperatura oraz stan materiału.
Wysokie Rm nie oznacza automatycznie wysokiej plastyczności, udarności ani odporności na pękanie.
Podstawową metodą wyznaczania Rm jest statyczna próba rozciągania.