Właściwości przy rozciąganiu wskazują jak materiał będzie reagował na siły przyłożone przy rozciąganiu. Próba rozciągania jest podstawową próbą mechaniczną, w której starannie przygotowana próbka jest obciążana w bardzo kontrolowany sposób z jednoczesnym pomiarem przyłożonego obciążenia i wydłużenia próbki na pewnym odcinku. Próba rozciągania jest stosowana do wyznaczania modułu sprężystości, granicy sprężystości, wydłużenia, granicy proporcjonalności, zmniejszenia powierzchni, wytrzymałości na rozciąganie, granicy plastyczności, granicy plastyczności i innych właściwości rozciągania.
Głównym produktem próby rozciągania jest krzywa zależności obciążenia od wydłużenia, która jest następnie przekształcana w krzywą zależności naprężenia od odkształcenia. Ponieważ zarówno naprężenie inżynierskie jak i odkształcenie inżynierskie uzyskuje się poprzez podzielenie obciążenia i wydłużenia przez stałe wartości (informacje o geometrii próbki), krzywa obciążenie-wydłużenie będzie miała taki sam kształt jak krzywa naprężenie-odkształcenie inżynierskie. Krzywa naprężenie-odkształcenie odnosi przyłożone naprężenie do powstałego odkształcenia, a każdy materiał ma swoją własną, unikalną krzywą naprężenie-odkształcenie. Typowa inżynierska krzywa naprężenie-odkształcenie jest pokazana poniżej. Jeżeli stosuje się naprężenie rzeczywiste, oparte na rzeczywistym polu przekroju poprzecznego próbki, stwierdza się, że krzywa naprężenie-odkształcenie wzrasta w sposób ciągły aż do pęknięcia.
Region liniowo-sprężysty i stałe sprężyste
Jak widać na rysunku, naprężenie i odkształcenie początkowo wzrastają z liniową zależnością. Jest to liniowo-sprężysta część krzywej i wskazuje, że nie nastąpiło odkształcenie plastyczne. W tym obszarze krzywej, gdy naprężenie zostanie zmniejszone, materiał powróci do swojego pierwotnego kształtu. W tym liniowym obszarze, linia jest zgodna z zależnością określoną jako prawo Hooke’a, gdzie stosunek naprężenia do odkształcenia jest stały.
Nachylenie linii w tym regionie, gdzie naprężenie jest proporcjonalne do odkształcenia i nazywane jest modułem sprężystości lub modułem Younga. Moduł sprężystości (E) określa właściwości materiału, który poddawany jest naprężeniom, odkształca się, a następnie powraca do pierwotnego kształtu po usunięciu naprężeń. Jest to miara sztywności danego materiału. Aby obliczyć moduł sprężystości , wystarczy podzielić naprężenie przez odkształcenie w materiale. Ponieważ naprężenie nie ma jednostek, moduł będzie miał takie same jednostki jak naprężenie, takie jak kpi lub MPa. Moduł sprężystości odnosi się w szczególności do sytuacji, w której element jest rozciągany siłą rozciągającą. Moduł ten jest interesujący, gdy trzeba obliczyć, jak bardzo pręt lub drut rozciąga się pod wpływem obciążenia rozciągającego.
Istnieje kilka różnych rodzajów modułów w zależności od sposobu, w jaki materiał jest rozciągany, zginany lub w inny sposób zniekształcany. Gdy element poddawany jest czystemu ścinaniu, na przykład pręt cylindryczny poddawany skręcaniu, moduł ścinania opisuje liniowo-sprężystą zależność naprężenie-odkształcenie.
Odkształceniu osiowemu zawsze towarzyszą odkształcenia poprzeczne o przeciwnym znaku w dwóch kierunkach wzajemnie prostopadłych do odkształcenia osiowego. Odkształcenia, które wynikają ze zwiększenia długości oznaczane są jako dodatnie (+), a te, które wynikają ze zmniejszenia długości oznaczane są jako ujemne (-). Stosunek Poissona jest definiowany jako ujemna wartość stosunku odkształcenia bocznego do odkształcenia osiowego dla jednoosiowego stanu naprężenia.
Stosunek Poissona jest czasami również definiowany jako stosunek wartości bezwzględnych odkształcenia bocznego i osiowego. Stosunek ten, podobnie jak odkształcenie, jest bezjednostkowy, ponieważ oba odkształcenia są bezjednostkowe. Dla naprężeń w zakresie sprężystości, stosunek ten jest w przybliżeniu stały. Dla idealnie izotropowego materiału sprężystego współczynnik Poissona wynosi 0,25, ale dla większości materiałów wartość ta mieści się w zakresie od 0,28 do 0,33. Ogólnie rzecz biorąc, dla stali współczynnik Poissona będzie miał wartość około 0,3. Oznacza to, że jeśli istnieje jeden cal na cal odkształcenia w kierunku, w którym przyłożone jest naprężenie, będzie 0,3 cala na cal odkształcenia prostopadłego do kierunku, w którym przyłożona jest siła.
Tylko dwie stałe sprężystości są niezależne, więc jeśli dwie stałe są znane, trzecia może być obliczona przy użyciu następującego wzoru:
E = 2 (1 + n) G.
| Gdzie: | E | = | modulus sprężystości (moduł Younga) |
| n | = | Współczynnik Poissona | |
| G | = | moduł sztywności (moduł ścinania). |
Kilka dodatkowych stałych sprężystości, z którymi można się spotkać, to moduł objętościowy (K) i stałe Lame’a (m i l). Moduł objętościowy jest używany do opisania sytuacji, w której kawałek materiału jest poddawany wzrostowi ciśnienia ze wszystkich stron. Zależność pomiędzy zmianą ciśnienia a powstałym odkształceniem to właśnie moduł sprężystości. Stałe Lame’a są wyprowadzane z modułu sprężystości i współczynnika Poissona.
Kolejna granica plastyczności
W materiałach plastycznych w pewnym momencie krzywa naprężenie-odkształcenie odbiega od zależności prostoliniowej i prawo nie ma już zastosowania, ponieważ odkształcenie wzrasta szybciej niż naprężenie. Od tego momentu w próbie rozciągania, w próbce pojawia się pewne trwałe odkształcenie i materiał reaguje plastycznie na każdy dalszy wzrost obciążenia lub naprężenia. Po usunięciu obciążenia materiał nie powróci do stanu pierwotnego, bez naprężeń. W materiałach kruchych odkształcenie plastyczne jest niewielkie lub nie występuje wcale, a materiał pęka w pobliżu końca liniowo-sprężystej części krzywej.
W przypadku większości materiałów występuje stopniowe przejście od zachowania sprężystego do plastycznego, a dokładny punkt, w którym zaczyna występować odkształcenie plastyczne, jest trudny do określenia. Dlatego stosuje się różne kryteria rozpoczęcia plastyczności w zależności od czułości pomiarów odkształcenia i zamierzonego zastosowania danych. (patrz tabela) Dla większości zastosowań w projektowaniu inżynierskim i specyfikacjach stosuje się granicę plastyczności. Granica plastyczności jest definiowana jako naprężenie wymagane do wytworzenia niewielkiej ilości odkształcenia plastycznego. Przesunięta granica plastyczności to naprężenie odpowiadające punktowi przecięcia krzywej naprężenie-odkształcenie i linii równoległej do sprężystej części krzywej przesuniętej o określone odkształcenie (w USA przesunięcie wynosi zwykle 0,2% dla metali i 2% dla tworzyw sztucznych).
W Wielkiej Brytanii, granica plastyczności jest często określana jako naprężenie próbne. Wartość przesunięcia wynosi albo 0,1% albo 0,5%
Aby określić granicę plastyczności przy użyciu tego przesunięcia, należy znaleźć punkt na osi odkształcenia (oś x) o wartości 0,002, a następnie narysować linię równoległą do linii naprężenie-odkształcenie. Linia ta przetnie linię naprężenia-odkształcenia nieco po tym, jak zacznie się ona zakrzywiać, a to przecięcie jest definiowane jako granica plastyczności z przesunięciem 0,2%. Dobrym sposobem patrzenia na granicę plastyczności z przesunięciem jest to, że po obciążeniu próbki do granicy plastyczności z przesunięciem 0,2%, a następnie jej rozładowaniu, będzie ona o 0,2% dłuższa niż przed próbą. Mimo, że granica plastyczności ma reprezentować dokładny punkt, w którym materiał ulega trwałemu odkształceniu, 0,2% wydłużenie jest uważane za dopuszczalną ilość poświęcenia ze względu na łatwość określenia granicy plastyczności.
Niektóre materiały, takie jak żeliwo szare lub miękka miedź, nie wykazują zachowania liniowo-sprężystego. Dla tych materiałów zwykłą praktyką jest definiowanie granicy plastyczności jako naprężenia wymaganego do wytworzenia pewnej całkowitej ilości odkształceń.
- Prawdziwa granica sprężystości jest bardzo niską wartością i jest związana z ruchem kilkuset dyslokacji. Mikropomiary odkształceń są wymagane do wykrycia odkształceń rzędu 2 x 10 -6 in/in.
- Granica proporcjonalności jest to najwyższe naprężenie, przy którym naprężenie jest wprost proporcjonalne do odkształcenia. Uzyskuje się ją przez obserwację odchylenia od prostoliniowej części krzywej naprężenie-odkształcenie.
- Granica sprężystości jest to największe naprężenie, które materiał może wytrzymać bez żadnego mierzalnego trwałego odkształcenia pozostającego po całkowitym zwolnieniu obciążenia. Wyznacza się ją stosując żmudną procedurę badania z przyrostowym obciążeniem i odciążeniem. Przy czułości pomiaru odkształcenia stosowanej zazwyczaj w badaniach inżynierskich (10-4in/in), granica sprężystości jest większa niż granica proporcjonalności. Wraz ze wzrostem czułości pomiaru odkształcenia, wartość granicy sprężystości maleje, aż w końcu staje się równa rzeczywistej granicy sprężystości wyznaczonej na podstawie pomiarów mikroodkształceń.
- Granica plastyczności jest to naprężenie wymagane do wytworzenia małej określonej wielkości odkształcenia plastycznego. Granica plastyczności uzyskana metodą offsetową jest powszechnie stosowana do celów inżynierskich, ponieważ pozwala uniknąć praktycznych trudności związanych z pomiarem granicy sprężystości lub granicy proporcjonalności.
Ultimate Tensile Strength
Najwyższa wytrzymałość na rozciąganie (UTS) lub, prościej, wytrzymałość na rozciąganie, to maksymalny poziom naprężenia inżynierskiego osiągnięty w próbie rozciągania. Wytrzymałość materiału to jego zdolność do wytrzymania sił zewnętrznych bez pękania. W przypadku materiałów kruchych, UTS znajduje się na końcu liniowo-sprężystej części krzywej naprężenie-odkształcenie lub w pobliżu granicy sprężystości. W materiałach ciągliwych, UTS będzie znacznie poza częścią sprężystą do części plastycznej krzywej naprężenie-odkształcenie.
Na powyższej krzywej naprężenie-odkształcenie, UTS jest najwyższym punktem, w którym linia jest chwilowo płaska. Ponieważ UTS jest oparta na naprężeniu inżynierskim, często nie jest tożsama z wytrzymałością na zerwanie. W materiałach plastycznych następuje utwardzenie odkształceniowe i naprężenie będzie wzrastać aż do momentu pęknięcia, ale krzywa naprężenie-odkształcenie może wykazywać spadek poziomu naprężenia przed wystąpieniem pęknięcia. Jest to wynikiem tego, że naprężenie inżynierskie jest oparte na oryginalnym obszarze przekroju poprzecznego i nie uwzględnia szyjki, która często występuje w próbce. Wartość UTS może nie być w pełni reprezentatywna dla najwyższego poziomu naprężeń, które materiał może wytrzymać, ale wartość ta i tak nie jest zazwyczaj stosowana w projektowaniu komponentów. W przypadku metali ciągliwych, obecna praktyka projektowa zakłada stosowanie granicy plastyczności do wymiarowania elementów statycznych. Jednakże, ponieważ UTS jest łatwa do wyznaczenia i dość powtarzalna, jest przydatna do celów specyfikacji materiału i kontroli jakości. Z drugiej strony, dla materiałów kruchych, projekt komponentu może być oparty na wytrzymałości materiału na rozciąganie.
Miary plastyczności (wydłużenie i zmniejszenie powierzchni)
Plastyczność materiału jest miarą stopnia, w jakim materiał odkształca się przed pęknięciem. Plastyczność jest ważnym czynnikiem przy rozważaniu operacji formowania, takich jak walcowanie i wyciskanie. Stanowi ona również wskazówkę, jak bardzo widoczne może być uszkodzenie komponentu spowodowane przeciążeniem, zanim dojdzie do jego pęknięcia. Plastyczność jest również używana jako miara kontroli jakości do oceny poziomu zanieczyszczeń i właściwego przetwarzania materiału.
Konwencjonalnymi miarami ciągliwości są odkształcenie inżynierskie przy pęknięciu (zwykle nazywane wydłużeniem) oraz zmniejszenie powierzchni przy pęknięciu. Obie te właściwości uzyskuje się poprzez ponowne dopasowanie próbki po pęknięciu i pomiar zmiany długości i powierzchni przekroju poprzecznego. Wydłużenie jest to zmiana długości osiowej podzielona przez pierwotną długość próbki lub jej części. Jest ono wyrażone w procentach. Ponieważ znaczna część odkształcenia plastycznego jest skoncentrowana w obszarze szyjki próbki do rozciągania, wartość wydłużenia zależy od długości pomiarowej, na której dokonywany jest pomiar. Im mniejsza długość pomiarowa, tym większy udział w obliczeniach będzie miało duże, zlokalizowane odkształcenie w obszarze szyjki. Dlatego przy podawaniu wartości wydłużenia należy podać długość pomiarową.
Jednym ze sposobów na uniknięcie komplikacji związanych z szyjką jest oparcie pomiaru wydłużenia na jednolitym odkształceniu do punktu, w którym zaczyna się szyjka. Czasami działa to dobrze, ale niektóre inżynierskie krzywe naprężenie-odkształcenie są często dość płaskie w pobliżu maksymalnego obciążenia i trudno jest dokładnie określić naprężenie, gdy zaczyna się szyć.
Zmniejszenie powierzchni to zmiana powierzchni przekroju poprzecznego podzielona przez pierwotną powierzchnię przekroju poprzecznego. Zmiana ta jest mierzona w obszarze szyjki próbki. Podobnie jak wydłużenie, jest ono zazwyczaj wyrażone w procentach.
Jak wcześniej omówiono, rozciąganie jest tylko jednym ze sposobów, w jaki materiał może być obciążony. Inne sposoby obciążenia materiału obejmują ściskanie, zginanie, ścinanie i skręcanie, i istnieje szereg standardowych testów, które zostały ustanowione w celu scharakteryzowania, jak materiał zachowuje się w tych innych warunkach obciążenia. Bardzo pobieżne wprowadzenie do niektórych z tych innych właściwości materiału zostanie przedstawione na następnej stronie.