background image

 

Ć

wiczenie 1 

STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA METALI 

Opracował: dr inż. Marek Gontarczyk 

1.   Wstęp 

Statyczna próba rozciągania metali (zwana dalej próbą rozciągania) jest jedną z podsta-

wowych prób stosowanych dla określenia własności mechanicznych metali. Z próby tej wy-
znacza  się  własności  wytrzymałościowe  i  plastyczne  (technologiczne)  badanego  materiału. 
Z badanego materiału (w postaci elementu, wyrobu hutniczego itp.) pobiera się próbki, które 
po zamocowaniu w maszynie wytrzymałościowej, poddaje się rozciąganiu – aż do zerwania. 
Próbę wykonuje się według Polskiej Normy: PN–EN 10002 – 1: 2004 Metale. Próba rozcią-
gania. Metoda badania w temperaturze otoczenia. 

2.   Cele ćwiczenia 

2.1.  Cel ogólny 

Celem  ogólnym  jest  zapoznanie  się  ze  sposobem  przeprowadzenia  próby  rozciągania, 

sposobem  prowadzenia  pomiarów,  nabycie  umiejętności  wyznaczania  wielkości  charaktery-
stycznych dla badanego materiału. 

2.2.  Cele szczególne 

Celami szczególnymi są: 
1.  Wyznaczenie wielkości charakteryzujących stal pod względem wytrzymałościowym 

(górnej granicy plastyczności R

eH

, dolnej granicy plastyczności R

eL

 i wytrzymałości 

na rozciąganie  R

m

)  oraz  plastycznym  (wydłużenia procentowego  po  rozerwaniu  A i 

przewężenia Z), 

2.  Wyznaczenie dla żeliwa szarego wytrzymałości na rozciąganie R

m

3.  Wykonanie dla próbki stalowej wykresów: 

σ

(

ε

), 

σ

rz

(

ε

), 





0

0

d

L

A

ε

i

(i), 

4.  Wykonanie dla próbki żeliwnej wykresu: 

σ

(∆L). 

3.   Definicje 

3.1.  Granica plastyczności 

Wyróżnia się dwie granice plastyczności: 

− górną granicę plastyczności: 

 

0

S

F

R

eH

eH

=

 [MPa = 10

6

 N/m

2

],  

(1) 

− dolną granicę plastyczności: 

 

0

S

F

R

eL

eL

=

[MPa], 

(2) 

gdzie: F

eH

 − siła w momencie, kiedy następuje jej pierwszy spadek [N]; F

eL

 − najmniejsza siła 

podczas  płynięcia  z  pominięciem ewentualnego  efektu  przejściowego  (rys.  1),  [N];  S

0

  −  po-

czątkowe pole przekroju poprzecznego próbki [m

2

]. 

 

background image

 

3.2.  Wytrzymałość na rozciąganie 

 

 

0

S

F

R

m

m

=

 [MPa], 

(3) 

gdzie: F

m

 – największa siła występująca w próbce, po przekroczeniu granicy plastyczności. 

Wielkości występujące w (1÷3) są naprężeniami (umownymi), odpowiadającymi charaktery-
stycznej wartości siły, odniesionej do początkowego przekroju poprzecznego próbki. 

 

3.3.  Wydłużenie procentowe po rozerwaniu 

Wydłużenie procentowe po rozerwaniu jest to trwałe wydłużenie długości pomiarowej po 

rozerwaniu, wyrażone w procentach początkowej długości pomiarowej 

 

 

%,

100

0

0

=

L

L

L

A

u

 

(4) 

gdzie:  L

u

  –  długość  pomiarowa  po  rozerwaniu  [mm];  L

0

  –  początkowa  długość  pomiarowa 

[mm], która dla próbki proporcjonalnej jest obliczana z zależności 

 

 

0

0

S

k

=

(5) 

gdzie:  k  –  współczynnik  proporcjonalności,  S

0

  –  początkowa  powierzchni  przekroju  po-

przecznego [m

2

]. 

 Dla  próbek  proporcjonalnych  współczynnik  proporcjonalności  k  wynosi  5,65  i  oznaczenie 
wydłużenia procentowego po rozerwaniu ma postać A. Jeżeli dla próbki proporcjonalnej po-

czątkowa długość pomiarowa L

0

 nie równa się 

0

65

5

S

,

, to należy przyjąć  

3

11,

=

. Wtedy  

oznaczenie wydłużenia procentowego po rozerwaniu ma postać A

11,3

.  Dla próbek niepropor-

cjonalnych, gdy zależność (5) nie jest spełniona, wydłużenie procentowe po rozerwaniu trze-
ba uzupełnić indeksem, który jest początkową długością pomiarową, np. dla  L

0

 = 80 mm po-

daje się w oznaczeniu: A

80 mm

3.4.  Przewężenie procentowe 

Przewężenie procentowe jest to największa zmiana powierzchni przekroju poprzecznego, 

która  następuje  podczas  próby,  wyrażona  w  procentach  początkowej  powierzchni  przekroju 
poprzecznego S

0

 

 

 

%,

100

0

0

=

S

S

S

Z

u

 

(6) 

gdzie  S

u

  jest  najmniejszą  powierzchnią  przekroju  poprzecznego  próbki  po  rozciąganiu  [m

2

]. 

Pole powierzchni S

u

 jest równe: 

 

4

2

u

u

d

S

π

=

 – dla próbek okrągłych, 

 

u

u

u

b

a

b

a

S

=

=

max

min

 – dla próbek płaskich. 

Wymiary: d

u

 , a

u

b

u

 są mierzone w miejscu zerwania [mm] (rys. 2). 

background image

 

 

Rys. 1. Siły podczas płynięcia – próbka stalowa 

 

 

Rys. 2. Wymiary przekroju poprzecznego próbek po zerwaniu:  

okrągłej (górny rysunek) i prostokątnej (dolny rysunek) 

4.   Rodzaje stosowanych próbek 

4.1.  Pobieranie, kształt i wymiary próbek 

Kształt i wymiary stosowanych próbek zależą od kształtu i wymiarów wyrobów metalo-

wych  podlegających  badaniu.  Próbkę  zwykle  wykonuje  się  z  wyrobu  lub  półwyrobu  przez 
obróbkę  mechaniczną  (ewentualnie  prasowanie  lub  odlanie).  Próbka  powinna  być  pobrana  i 
wykonana na podstawie odpowiednich norm przedmiotowych. I tak próbki z blach powinny 

N działek 

d

u

 

b

u

 

a

u

 

background image

 

być tak wycinane, aby rozciąganie zachodziło w kierunku zgodnym z kierunkiem walcowania 
lub prostopadle do niego. 

Wycinanie próbek należy prowadzić sposobem mechanicznym, należy unikać wycinania 

próbek palnikiem acetylenowym, a w przypadku takiej konieczności należy przewidzieć od-
powiednie naddatki na obróbkę mechaniczną, eliminującą strefy przegrzane. Końcowa obrób-
ka próbek powinna być wykonana za pomocą skrawania i szlifowania. 

Próbki  na  rozciąganie mają  na  ogół  pryzmatyczną część  roboczą  (z  wyjątkiem  próbki z 

ż

eliwa szarego) oraz części służące do mocowania w uchwytach maszyny (główki). 

W  zależności  od  kształtu  wyróżniamy  próbki:  –  z  główkami;  –  bez  główek  (wówczas 

skrajne części pryzmatycznej próbki służą do mocowania w uchwytach). 

Wyroby  o  niezmiennym  przekroju  poprzecznym  (profile,  pręty,  druty  itp.), jak  i  odlane 

próbki (np. żeliwo, metale nieżelazne) mogą być badane bez obróbki mechanicznej. 
W zależności od rodzaju przekroju poprzecznego wyróżniamy: 

1)  próbki o przekroju poprzecznym okrągłym, 
2)  próbki o przekroju poprzecznym prostokątnym, 
3)  próbki o przekroju poprzecznym niekołowym (takim, jak przekrój wyrobu). 

 

Zależnie od definicji długości pomiarowej wyróżniamy rodzaje próbek: 

1)  próbki  proporcjonalne,  dla  których  początkowa  długość  pomiarowa  jest  związana  z 

początkową powierzchnią przekroju poprzecznego za pomocą wzoru 

0

0

S

k

=

. Dla 

proporcjonalnych próbek pięciokrotnych wartość k jest równa: k = 5,65. Jeżeli otrzy-
muje się wynik L

0

 < 20 mm, to należy przyjąć k = 11,3 lub próbkę nieproporcjonalną, 

2)  próbki nieproporcjonalne, których długość L

0

 nie zależy od powierzchni przekroju po-

przecznego S

0

 , na przykład: L

0

 = 100 mm. 

Na rys. 3 przedstawiono: próbkę z drutu lub pręta, której  średnica d spełnia warunek ≥ 4 
mm (górny rysunek)  lub grubość spełnia warunek  ≥ 4 mm (środkowy rysunek); próbkę 
płaską o grubości a ≥ 3 mm (rysunek środkowy); próbkę po rozerwaniu, gdzie d

– jest śred-

nicą po rozerwaniu i S

u

 – najmniejszym polem przekroju poprzecznego próbki po rozerwaniu. 

 

 

Rys. 3. Wymiary próbek: okrągłej (górny rysunek), płaskiej (środkowy rysunek) 

 i okrągłej z przewężeniem (dolny rysunek) 

 

 

 

L

0

 

S

0

 

L

c

 

S

0

 

L

t

 

d

u

 

L

u

 

S

u

 

background image

 

4.2.  Próbki obrobione mechanicznie 

Jeżeli  przekrój  poprzeczny  próbki  zmienia  się,  to  powinna  ona  mieć  łagodne  przejście 

między długością roboczą, a główkami. Wielkość promienia przejścia powinna być ustalana 
w warunkach wykonania próbki. 

Długość robocza (długość części równoległej) L

c

, a w próbkach bez strefy przejścia, dłu-

gość pomiędzy uchwytami – powinna zawsze być większa od długości pomiarowej L

0

. Dłu-

gość robocza L

c

 powinna wynosić co najmniej: 

 

1) 

0

0

2

1

d

L

L

c

+

=

 

dla próbki o przekroju okrągłym, 

 

2) 

0

0

5

,

1

S

L

L

c

+

=

  dla próbki o wielokątnym przekroju poprzecznym. 

Długość całkowita próbki L

t

 zależy od rodzaju zamocowania próbki w uchwytach maszyny. 

Na ogół spełniona jest zależność L

t

 − L

c

 

> 2d (rys. 3). 

Kształt główek próbki może być dowolny, odpowiednio przystosowany do uchwytów maszy-
ny wytrzymałościowej. 

4.3.  Próbki nieobrobione mechanicznie 

Jeżeli próbkę stanowi odcinek wyrobu (nieobrobiony odcinek w kształcie pręta), to dłu-

gość próbki między uchwytami maszyny powinna być tak duża, aby wszystkie znaki pomia-
rowe mogły być naniesione w dostatecznie dużym odstępie od uchwytów maszyny. 

Próbki  odlane  powinny  mieć  łagodne  przejście  między  główkami,  a  długością  roboczą. 

Wymiary tego przejścia, jako bardzo ważne, powinny być ustalone w normie wyrobu. 
Długość robocza L

c

 powinna zawsze być większa od długości pomiarowej L

0

Kształt główek próbki może być dowolny, odpowiednio przystosowany do uchwytów maszy-
ny wytrzymałościowej. 

4.4.  Próbki stosowane w ćwiczeniu 

W ćwiczeniu zastosowano dwie próbki: 

−  dla stali węglowej konstrukcyjnej zwykłej jakości zastosowano próbkę okrągłą z głów-

kami, dziesięciokrotną, 

−  dla  żeliwa  szarego  zastosowano  próbkę  okrągłą  z  główkami,  bez  długości  pomiarowej 

(rys. 4). 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rys. 4. Próbka z żeliwa szarego 

 

 

D

 

L

0

 

L

t

 

d

0

 

d

 

r

 

25

background image

 

5.   Znakowanie początkowej długości pomiarowej 

Początkowa długość pomiarowa powinna być oznakowana drobnymi znakami liniowymi 

lub rysami (poprzecznie do osi próbki). Znaki te nie powinny działać jak karby, aby nie po-
wodowały  przedwczesnego  zerwania  próbki.  Odległości  między  znakami  najczęściej  równe 
są 5 mm lub 10 mm. Tworzona jest w ten sposób podziałka, służąca do zidentyfikowania po 
zerwaniu długości końcowej L

u

 odcinka pomiarowego. 

Dla  próbek  proporcjonalnych  obliczoną początkową  długość  pomiarową można  zaokrą-

glić  do  najbliższej  wielokrotności  5  mm  tak,  aby  różnica  między  obliczoną,  a  oznakowaną 
długością była mniejsza niż 10% L

0

Jeżeli długość robocza L

c

 jest znacznie większa od L

0

, to należy znakować kilka zacho-

dzących na siebie odcinków L

0

 (np. przy próbkach nieobrobionych mechanicznie). 

6.   Warunki przeprowadzania próby 

6.1.  Prędkość rozciągania 

Prędkości rozciągania zależą od rodzaju próby. 

6.1.1. Granica plastyczności 

−  górna granica plastyczności (R

eH

): w zakresie odkształceń sprężystych aż do górnej gra-

nicy plastyczności prędkość przemieszczania się trawersy maszyny powinna być możli-
wie  stała  i  mieścić  się  w  granicach  odpowiadających  szybkości  przyrostu  naprężenia 
próbki (patrz tabl. 1), 

−  dolna  granica  plastyczności  (R

eL

):  szybkość  odkształcania 

ε

  długości  roboczej  próbki 

powinna zawierać się w granicach: 0,00025 ÷ 0,0025 s

−1

. Jeżeli szybkości odkształcania 

nie da się dokładnie nastawić, to przed rozpoczęciem płynięcia należy nastawić szybkość 
przyrostu naprężenia. Szybkość ta w zakresie sprężystym nie może przekroczyć wartości 
podanych w tabl. 1 i nie może ulec zmianie do zakończenia płynięcia. Jeżeli w tej samej 
próbie wyznacza się dolną i górną granicę plastyczności, to obowiązują warunki podane 
dla dolnej granicy plastyczności. 

 

Tablica 1. Szybkość przyrostu naprężenia 

Szybkość przyrostu naprężenia 

[N/mm

2

⋅s

−1

Moduł sprężystości materiału 

[N/mm

2

min 

max 

<150000 

20 

≥150000 

60 

6.1.2. Wytrzymałość na rozciąganie Rm 

−  w zakresie plastycznym szybkość odkształcania nie powinna być większa niż 0,008 s

−1

−  w  zakresie  sprężystym  (gdy  nie  zachodzi  potrzeba  wyznaczania  granicy  plastyczności) 

dopuszczalna  prędkość  rozciągania  może  być  maksymalnie  taka,  jak  dla  zakresu  pla-
stycznego. 

6.2.  Sposób zamocowania 

Próbki  powinny  być  zamocowane  w  odpowiednich  uchwytach  (np.  klinowych,  we 

wkładkach  gwintowanych,  pierścieniach  dwudzielnych,  zaciskanych  hydraulicznie  itp.)  tak, 
aby było zapewnione osiowe działanie siły w próbce. Jest to szczególnie ważne przy badaniu 
materiałów kruchych, przy wyznaczaniu granicy plastyczności lub naprężeń granicznych. 

 

 

background image

 

6.3.  Maszyna wytrzymałościowa 

6.3.1. Wymagania stawiane maszynie wytrzymałościowej 

Maszyna wytrzymałościowa powinna być sprawdzana według normy PN-EN ISO 7500-1 

i spełniać wymagania co najmniej klasy 1. 
Konstrukcja maszyny powinna zapewniać spełnienie następujących warunków: 
−  zapewniać osiowe obciążenie próbki (poprzez konstrukcję uchwytów), 
−  zapewniać wzrost obciążenia w sposób ciągły, jednostajny, bez uderzeń i skoków, z moż-

liwością płynnej regulacji prędkości przyrostu odkształcenia, 

−  błąd wskazań siłomierza nie powinien przekraczać ±1% (klasa 1), 
−  zapewnić utrzymanie stałego obciążenia przez okres co najmniej 30 sek. 
Powyższym  warunkom  odpowiadają  maszyny  o  napędzie  mechanicznym  i  hydraulicznym. 
Na rys. 5 przedstawiono maszynę wytrzymałościową uniwersalną, o napędzie hydraulicznym, 
z siłomierzem uchylnym. 

14

15

1

13

2
3

12

10

11

9

8

7

5

6

4

Q

pompa 
olejowa

olej z 
pompy

 

Rys. 5. Schemat maszyny wytrzymałościowej, o napędzie hydraulicznym, 

z siłomierzem uchylnym 

6.3.2. Zasada działania maszyny 

Do cylindra (1) doprowadzany jest z pompy olej pod ciśnieniem p, które może być regu-

lowane przez obsługującego maszynę. Tłok cylindra (1) jest unoszony siłą parcia, będącą ilo-
czynem ciśnienia i pola powierzchni tłoka S

t

t

t

S

p

F

=

. Wraz z tłokiem jest unoszona rama 

(13),  której  częścią  jest  trawersa  (14)  z  górnym  uchwytem  (2),  w  którym  mocowana  jest 
próbka  (3).  Siła  F

t

  jest  tym  samym  siłą  rozciągającą  próbkę  (lub  ściskającą,  jeżeli  próbkę 

umieści się między trawersą, a górną belką maszyny (15)). Równocześnie olej pod ciśnieniem 
p  działa  na  tłoczek  (4)  cylindra  sterującego,  o  polu  przekroju  poprzecznego  S,  przesuwając 
tłoczek w dół. Siła F = p·S działająca na tłoczek jest równoważona przez ciężar Q za pośred-
nictwem ruchomego cylindra (5) na ramieniu uchylnym (6). Popychacz (7) powoduje przesu-
nięcie listwy zębatej (8), połączonej ze wskazówką siłomierza (9). W ten sposób możliwy jest 
odczyt  na  skali  siłomierza  aktualnej  wartości  siły  rozciągającej  próbkę.  Układ  rejestrujący, 
który  umożliwia  wykreślenie  wykresu  (10)  zależności  siły  rozciągającej  od  wydłużenia,  za-
wiera bęben (11) z nawiniętym papierem oraz pisak, mocowany na przedłużeniu listwy zęba-

background image

 

tej, przesuwający się poziomo. Bęben obraca się wskutek opasania go cięgnem (12), połączo-
nym z górnym uchwytem (2), w rezultacie względna zmiana odległości uchwytów maszyny, 
równa jest (w przybliżeniu) wydłużeniu ∆l próbki. Poziome przesunięcie pisaka (11) jest pro-
porcjonalne do bieżącej wartości siły rozciągającej. Z dwóch ruchów: obrotu bębna i pozio-
mego  przesunięcia  pisaka  otrzymuje  się  wypadkowy  ruch  pisaka  rejestrowany  na  papierze, 
stanowiący  wykres  rozciągania  próbki 

( )

l

F

F

=

.  Proporcjonalność  poziomego  przemiesz-

czenia pisaka do siły F jest zapewniona dzięki konstrukcji siłomierza uchylnego. Zmiana za-
kresu pracy maszyny (zakresu siłomierza) jest dokonywana przez zmianę obciążenia Q dźwi-
gni uchylnej (6). Zakres siłomierza należy tak dobrać, aby przewidywana maksymalna siła w 
czasie  próby  (F

m

)  była  większa  niż  1/3  zakresu  skali.  Wynika  to  ze  względu  na  to,  że  przy 

początkowej części zakresu wskazania siłomierza mogą być obarczone większym błędem. 

7.   Przeprowadzanie prób rozciągania  

7.1.  Czynności przed próbą rozciągania 

Czynności, które należy wykonać przed próbą rozciągania to: 

1)  zapoznanie się z wymaganiami normy PN–EN 10002-1:2004, 
2)  wykonanie  znaków  (nacięć)  w  odstępach  5  mm  na  części  walcowej  próbki  stalowej 

(na odcinku dłuższym, niż L

0

); 

3)  pomiar  średnicy  d

0

  próbki  –  w  dówch  prostopadłych  kierunkach,  przy  obu  końcach 

próbki; sprawdzenie wymiaru L

0

 i zapisanie wyników w tabeli pomiarowej, 

4)  dobranie odpowiedniego zakres siłomierza maszyny, założenie papieru na bęben ukła-

du rejestrującego, 

5)  zaciśnięcie próbki w uchwytach. 

7.2.  Czynności podczas próby 

Podczas próby rozciągania należy wykonać następujące czynności: 

1)  po włączeniu silnika zapewnić równomierny przyrost odkształcenia (naprężenia) przez 

regulację zaworem ilości dopływającego oleju do cylindra roboczego, 

2)  odnotować  i  zapisać  w  tabeli  pomiarowej  1  wartości  charakterystyczne  sił  (F

eH

,  F

eL

F

m

 dla stali lub F

m

 dla żeliwa), uzyskane podczas rozciągania; 

3)  pomierzyć (dla próbki stalowej, po przekroczeniu granicy plastyczności) dla około 10 

wartości sił, aktualną wartość średnicy próbki. 

7.3.  Pomiary po próbie rozciągania 

Po próbie rozciągania należy wykonać następujące czynności (pkt. 1÷3 dla próbki stalo-

wej, pkt. 3 dla próbki żeliwnej): 
1.  zmierzyć długość odcinka pomiarowego po zerwaniu (L

u

) – dla odcinka 5 – krotnego i 10 

– krotnego; zmierzyć średnicę próbki w miejscu największego przewężenia, 

2.  wykonać  pomiary  wydłużeń  –  do  wykresów: 





=

0

0

d

L

f

A

  (tabela  pomiarowa  3)  oraz  

ε

i

 = f(i) (tabela pomiarowa 4), 

3.  pomierzyć (z wykresów rozciągania 

( )

l

F

F

=

) współrzędne F i 

l

 w kilku punktach (w 

tym charakterystycznych) wykresów w celu sporządzenia wykresów rozciągania w ukła-
dzie 

σ

(

ε

) – dla stali oraz 

σ

(∆L) – dla żeliwa. 

 

background image

 

8.   Opis przebiegu próby rozciągania 

Przebieg próby rozciągania został zarejestrowany w postaci wykresu w układzie: 

siła (F) – wydłużenie (∆L). 

Uwaga  1:  Wydłużenie  

L  jest  wielkością narzucaną  przez  układ  regulacyjny z  siło-

mierzem.  Z tego  względu  

 L jest zmienną niezależną wykresów rozciągania; siła F 

jest wielkością wynikową i jest miarą oporu, jaki stawia materiał. 

Postać wykresu zależy od rodzaju badanego materiału. Dla stali węglowej konstrukcyjnej, o 
małej zawartości węgla, otrzymuje się typowy wykres, w którym można wyróżnić na ogół 5 
etapów (rys. 6). 

 

 

Rys. 6. Wykresy rozciągania: a) dla stali z wyraźną granicą plastyczności, 

b) bez wyraźnej granicy plastyczności 

W początkowym etapie rozciągania siła rozciągająca rośnie proporcjonalnie do wydłuże-

nia  (etap  1),  aż  do  osiągnięcia  tzw.  granicy  proporcjonalności 

0

S

F

H

H

=

σ

,  która  jest  granicą 

stosowalności prawa Hooke’a. 

Nieznacznie powyżej σ

H

 znajduje się granica sprężystości 

0

S

F

spr

spr

=

σ

 (na odcinku 

σ

H

 – 

σ

spr

 

charakterystyka materiału jest nieliniowo – sprężysta). 

Uwaga  2:  obie  wielkości 

σ

σ

σ

σ

H

  i 

σ

σ

σ

σ

spr

  należy  traktować  jako  wielkości  teoretyczne.  Nie 

mogą być one wyznaczone w sposób ścisły. Definiowane wielkości będące odpowied-
nikiem powy
ższych, np. określa się tzw. umowną granicę sprężystości, którą wyzna-
cza si
ę  przy  pewnym  odkształceniu  nieproporcjonalnym,  czyli  trwałym  (patrz  ćwi-
czenie 2). 
Powyżej 

σ

H

 do R

eH

, czyli do górnej granicy plastyczności (etap 2) powstające wydłużenie 

jest  w  przeważającej  części  sprężyste,  jednak  ze  stopniowo  rosnącym  udziałem  wydłużenia 
nieproporcjonalnego (trwałego). Graficzną interpretacją tego zjawiska jest stopniowe odchy-
lanie się wykresu rozciągania od linii prostej, przedstawiającej prawo Hooke’a (

σ

 = 

ε

). 

Etap 3 to płynięcie materiału próbki. Zjawisko to przebiega nierównomiernie w objętości 

próbki. Płynięcie, z punktu widzenia polikrystalicznej struktury materiału, w której występują 
fazy ferrytu i cementytu, polega na stopniowym niszczeniu siatki cementytu (fazy o większej 
sztywności) i przejmowaniu obciążenia przez ziarna ferrytu. Proces ten sprowadza się do po-
wstawania poślizgów w płaszczyznach usytuowanych pod kątem 45

0

 do osi próbki. Efektem 

background image

 

10 

tego są widoczne na powierzchni próbki (polerowanej) grupy linii, stanowiących obraz płasz-
czyzn  poślizgów.  Poślizgi  zachodzą  przez  pewien  czas,  po  którym  następuje  zahamowanie 
zjawiska, wskutek umocnienia materiału. 

W etapie 4 (od końca płynięcia do siły F

m

) w rezultacie umocnienia materiału, następuje 

ponowny wzrost obciążenia przy dalszym wydłużaniu próbki. W tym etapie następuje wyraź-
ne  odstępstwo  od  prawa  Hooke’a.  Występuje  tu  znaczna  przewaga  wydłużeń  trwałych  nad 
sprężystymi, a tym samym dużemu przyrostowi wydłużenia odpowiada mały przyrost obcią-
ż

enia. 

Przy osiągnięciu maksymalnego obciążenia F

m

 rozpoczyna się etap 5. Tworzy się w nim 

przewężenie, czemu towarzyszy spadek obciążenia. Kształtuje tzw. szyjka, w której następuje 
zerwanie. W etapie 5 wydłużenia trwałe powstają w strefie tworzącej się szyjki. 

Uwaga 3: na podstawie charakterystycznych wartości sił: F

eH

,

 

F

eL

 i F

m

 wyznaczamy 

wartości  R

eH

,

 

R

eL

  i  R

m

,  które  są  w  istocie  naprężeniami  umownymi  (inaczej  teore-

tycznymi, ponieważ siły są odniesione do przekroju początkowego próbki). Rzeczy-
wiste pole przekroju poprzecznego jest w ka
żdym z tych momentów próby mniejsze 
ni
ż S

0

. Niemniej, jako wielkości charakterystyczne dla materiału przyjmuje się war-

tości tych naprężeń teoretycznych. 

Dla oceny, jaka różnica występuje między wartościami naprężeń teoretycznych 

0

S

F

=

σ

 i 

rzeczywistych 

S

F

rz

=

σ

, gdzie S – bieżąca wartość przekroju poprzecznego próbki, wykony-

wany jest wykres naprężeń rzeczywistych: 

σ

rz

 = f(

ε

) (por. p. 9). 

Dla materiałów o niskich własnościach plastycznych i materiałów kruchych (stale stopo-

we, o dużej zawartości węgla, ulepszone cieplnie, a także żeliwo szare) może nie tworzyć się 
szyjka.  Odkształcenia  trwałe  są  małe,  nie  uwidacznia  się  wyraźna  granica  plastyczności 
(rys. 7). 

 

Rys. 7. Wykresy rozciągania: 1 – żeliwa szarego, 

2 – stali o różnej zawartości węgla i stali hartowanej 

9.   Wykonanie wykresu naprężeń rzeczywistych  

Wykres naprężeń rzeczywistych dla stali 

σ

rz

 = f(

ε

) wykonujemy dla etapu 4 umocnienia 

tj. od końca płynięcia do osiągnięcia siły maksymalnej. Robimy to w jednym układzie współ-
rzędnych z wykresem naprężeń teoretycznych na podstawie: 
− 

uprzednio wykonanego wykresu naprężeń teoretycznych 

σ

 = f(

ε

), 

− 

pomiarów bieżących wartości średnicy próbki d i odpowiadających im sił F

background image

 

11 

Wyznaczamy współrzędne kolejnych punktów wykresu następująco: obliczamy kolejno pole 

przekroju 

4

2

d

S

π

=

, naprężenie teoretyczne 

0

S

F

=

σ

 i rzeczywiste 

S

F

rz

=

σ

.

 Następnie na 

wykresie 

σ

 = f(

ε

) wyznaczamy punkt o rzędnej równej 

σ

. W ten sposób wyznaczamy odpo-

wiadającą wartość wydłużenia 

ε

. W tym samym momencie próby naprężenie rzeczywiste jest 

równe 

σ

rz

, co oznacza, że punkt wykresu otrzymamy na przecięciu rzędnej 

σ

rz

 oraz odciętej 

ε

 

(rys. 8). Wykres 

σ

rz

 = f(

ε

) uzupełniamy linią przerywaną w strefie tworzenia się szyjki, aż do 

punktu końcowego (momentu zerwania), w którym 

u

rz

S

F

=

σ

 

Rys. 8. Wyznaczanie punktu wykresu naprężeń rzeczywistych σ

rz

 

= f(ε) 

 

10.  Pomiar długości końcowej odcinka pomiarowego L

u

 

Dla obliczenia wydłużenia procentowego po rozerwaniu A należy zmierzyć długość koń-

cową odcinka pomiarowego (L

u

). Odcinek ten, przed próbą równy L

0

, został podzielony zna-

kami pomiarowymi na N części (działek). W tym celu należy: 
−  złożyć obie części rozerwanej próbki tak, aby ich osie tworzyły linię prostą, a powierzch-

nie przełomów części możliwie dobrze przylegały do siebie, 

−  ocenić, jaki rodzaj zerwania ma miejsce (symetryczne lub niesymetryczne). Za zerwanie 

symetryczne uważa się takie, gdy odległość między miejscem zerwania, a ostatnim zna-
kiem pomiarowym na próbce wynosi co najmniej jedną trzecią długości pomiarowej L

0

Odległości te określa się w liczbach działek, przy czym 1 działka (odległość między zna-
kami) jest równa 5 mm, 

−  pomierzyć odcinek L

u

 – dla zerwania symetrycznego: jednym przymiarem suwmiarki dla 

zerwania niesymetrycznego: zmierzyć długość odcinka w pełni symetrycznego L(n) (od-
cinek utworzony przez n działek); 

1) 

jeżeli liczba N – n jest parzysta, należy zmierzyć długość odcinka zawierającego 
n

1

 = ½ (N – n) działek – od końca odcinka w pełni symetrycznego, na dłuższej 

części próbki; wówczas L

u

 = L(n) + 2·L(n

1

);  

background image

 

12 

2) 

jeżeli liczba N – n jest nieparzysta, to należy zmierzyć 2 odcinki, zawierające n

2

 

= ½ (N – n –1) oraz n

3

 = ½ (N – n +1) działek, oba od końca odcinka w pełni 

symetrycznego,  na  dłuższej  części  próbki.  Wówczas  L

u

  =  L(n)  +  L(n

2

)  +  L(n

3

(por. rys. 9a i b). 

Uwagi: 
1.  Wydłu
żenie  po  rozerwaniu  (L

u

  –  L

0

)  powinno  być  mierzone  z  dokładnością  0,25 

mm, za pomocą narzędzia pomiarowego o działce elementarnej 0,1 mm. Wydłu-
żenie procentowe po rozerwaniu A należy zaokrąglić do 0,5%. 

2. Miejsce rozerwania próbki nie jest istotne i próbę uznaje się za ważną, jeżeli wy-

dłużenie  procentowe  po  rozerwaniu  osiąga  wartość  co  najmniej  wymaganą  (dla 
danego materiału, czy wyrobu). Nale
ży to podać w protokole wyrobu. 

3. Wydłużenie A może być mierzone na stałej długości (np. A

80

 mm) i przeliczane na 

proporcjonalną  długość  pomiarową  z  zastosowaniem  wzorów  i  tablic,  jeżeli  w 
normie wyrobu dopuszcza si
ę ten sposób i takie badanie uzgodniono przed próbą

Przykład  1.  Wyznaczyć  wydłużenie  procentowe  po  rozerwaniu  A  dla  próbki  o  średnicy  
d

0

 = 20 mm, pięciokrotnej, na której przed próbą wykonano znaki co 5 mm. Próbka rozerwała 

się na znaku („kresce”) i na krótszej części próbki można zmierzyć 4 działki (rys. 9a). 
1.  Liczba działek na odcinku pomiarowym: N = 5·d

0

 ⁄ 5mm = 5⋅20mm ⁄ 5mm = 20. 

2.  Liczba działek na krótszej części próbki: 4 dz. < N ⁄ 3 = 6,6 – zerwanie niesymetryczne. 
3.  Liczby  działek:  – odcinka w  pełni  symetrycznego  n =  2⋅4  =  8;  –  odcinka  mierzonego  na 

dłuższej części próbki, od końca odcinka w pełni symetrycznego: 
n

1

 = ½⋅(N – n) = 0.5⋅ (20 – 8) = 6 dz. 

4. Długość L

u

L

u

 = L(n) + 2·L(n

1

); jeżeli np. L(n) = 69,5 mm i L(n

1

) = 39,1 mm, to: L

u

 = 69,5 

+  2·39,1  =  147,7  mm;  A  =  (147,7  –  100)mm  ⁄  100  mm⋅100%  =  47,7%,  po zaokrągleniu:  
A

 = 48%. 

Przykład  2.  Wyznaczyć  wydłużenie  procentowe  po  rozerwaniu  A

11,3

  dla  próbki  płaskiej  o 

wymiarach  przekroju  poprzecznego:  a  =  5,2  mm,  b  =  18  mm,  dziesięciokrotnej,  na  której 
przed próbą wykonano znaki co 5 mm. Próbka rozerwała się w środku siódmej działki, licząc 
od główki (rys. 9b). 
1. Długość odcinka pomiarowego i liczba działek na odcinku pomiarowym: 

L

0

 = 11,3·√ 5,2·18,0 = 109,3 mm → L

0

 = 110 mm; N = 110mm ⁄ 5mm = 22. 

2.  Liczba  działek  na  krótszej  części  próbki:  6,5  dz.  <  22  ⁄  3  =  7,3  dz.  –  zerwanie  niesyme-

tryczne, 

3. Liczby działek:– odcinka w pełni symetrycznego n = 2⋅6,5 = 13; 

N

 – n = 22 – 13 = 9 dz. – liczby działek odcinków mierzonych na dłuższej części próbki, 

od końca odcinka w pełni symetrycznego: n

2

 = ½ (N – n – 1) = 0,5⋅(22 – 13 – 1) = 4, 

n

3

 = ½ (N – n + 1) = 0.5⋅(22 – 13 + 1) = 5.  

4. Długość L

u

L

u

 = L(n) + L(n

2

) + L(n

3

); jeżeli np. L(n) = 90 mm, L(n

2

)= 25,1 mm i L(n

3

) = 

30,2 mm, to: L

u

 = 90,0 + 25,1 + 30,2 = 145,3 mm; A = (145,3 – 110)mm ⁄ 110 mm⋅100% = 

32,1%, po zaokrągleniu: A = 32%. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

 

13 

 
 
 

 

 

 

 

 

 

 

Rys. 9. Zerwanie niesymetryczne: a) próbka okrągła (przykład 1); 

b) próbka o przekroju prostokątnym (przykład 2). 

11.  Wykonanie sprawozdania  

W sprawozdaniu należy umieścić: 

1)  tytuł ćwiczenia, 
2)  cele ćwiczenia, 
3)  definicje wielkości charakterystycznych, wyznaczanych dla stali konstrukcyjnej zwy-

kłej jakości oraz dla żeliwa szarego, 

4)  oznaczenia innych wielkości, związanych z próbkami oraz stosowanych przy oblicza-

niu naprężeń, 

5)  rysunki próbek: 

–  o przekroju okrągłym z główkami, 
–  o przekroju prostokątnym z główkami, 
–  o przekroju okrągłym – dla żeliwa szarego, 

6)  schemat maszyny wytrzymałościowej, 
7)  wyniki  pomiarów  zestawione  w  tabelach  pomiarowych  nr  2  ÷  4.  Pod  każdą  tabelą 

przedstawić przykład obliczenia wielkości z jednego wiersza (lub kolumny), 

8)  zestawienie wyników badań 2 próbek przy rozciąganiu i 2 przy ściskaniu (ćwiczenie nr 

2); 

9)  wniosek odnośnie żeliwa (na podstawie ilorazu 

m

c

R

R

), 

10) wykresy: 

– zbiorczy dla stali (

σ

 = f(

ε

); 

σ

rz

 = f(

ε

)) – format A4, 

– zbiorczy dla żeliwa(

σ

 = f(∆l) – format A4, 

– 



=

0

0

d

L

f

A

 – format A5, 

– 

ε

i

 = f (i) – format A5. 

 
 
 
 
 
 
 

N = 22  

a×b=5,2×18 mm 

b)

 

L(n) n=13  

L(n

2

) n

2

=4 

L(n

3

) n

3

=5 

N = 20  

d

0

=20 mm 

L(n) n=8  

L(n

1

) n

1

=6 

a)

 

background image

 

14 

Tabela pomiarowa 1. Zestawienie własności wytrzymałościowych i plastycznych materiałów 

Lp. 

Mate-

riał 

Rodzaj 

próby 

L

0

 

d

0

 

S

0

 

F

e

F

eL

F

eH

 

F

m

F

c

L

u

 

R

e

R

eL

R

eH

 

R

m

R

c

A

11,3 

d

u

 

− 

− 

− 

[mm]  [mm]  [mm

2

]  [kN]  [kN]  [mm]  [MPa]  [MPa]  [%] 

[%] 

[mm]  [%] 

stal 

rozcią-

ganie 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ż

eliwo 

rozcią-

ganie 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

stal 

ś

ciska-

nie 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ż

eliwo 

ś

ciska-

nie 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tabela pomiarowa 2. Wielkości mierzone i wynikowe – wykres naprężeń rzeczywistych 

d

0

 =           mm,  S

0

 

=           mm

2

 

Lp. 

0

S

F

=

σ

 

S

F

rz

=

σ

 

− 

[kN] 

[mm] 

[mm

2

[MPa] 

[MPa] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

… 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10 

 

 

 

 

 

 

Tabela pomiarowa 3. Wydłużenie procentowe jednostek pomiarowych: ε

i

 = f(i) 

i nr jednostki 

pomiarowej 

10 

L

0i

 [mm] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

ui

[mm] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

%

L

L

L

i

i

ui

i

100

0

0

=

ε

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tabela pomiarowa 4. Wydłużenie procentowe po rozerwaniu: 





=

0

0

d

L

f

A

 

L

0

/d

0

 [−] 

10 

L

0

 [mm] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

u

 [mm] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

%

L

L

L

A

u

100

0

0

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

 

15 

 

Literatura 

[1]  Bachmacz  W.:  Wytrzymałość  materiałów.  Badania  doświadczalne.  Skrypt  Politechniki  Częstochowskiej, 

Częstochowa 1973. 

[2]  Banasik M.: Ćwiczenia laboratoryjne z wytrzymałości materiałów. PWN, Warszawa 1977. 
[3]  Boruszak  A.,  Sykulski  R.,  Wrześniowski  K.:  Wytrzymałość  materiałów.  Doświadczalne  metody  badań. 

Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 1977. 

[4]   Dyląg Z., Orłoś Z.: Wytrzymałość zmęczeniowa materiałów. Warszawa. WNT 1962. 
[5]   Jastrzębski P., Mutermilch J., Orłoś W.: Wytrzymałość materiałów. Warszawa. Arkady 1985. 
[6]  Katarzyński S., Kocańda S., Zakrzewski M.: Badania właściwości mechanicznych metali. WNT, Warszawa 

1967. 

[7]   Łączkowski R.: Wytrzymałość materiałów. Gdańsk. WPG 1988. 
[8]  Mazurkiewicz  S.:  Laboratorium  z  wytrzymałości  materiałów.  Wydawnictwo  Politechniki  Krakowskiej, 

Kraków 1978. 

[9]   Niezgodziński  M.E.,  Niezgodziński  T.:  Wzory  wykresy  i  tablice  wytrzymałościowe.  Warszawa.  WNT 

1996.  

[10]  Orłoś Z.: Doświadczalna analiza odkształceń i naprężeń. PWN, Warszawa 1977. 
[11]  Walczyk Z.: Wytrzymałość materiałów. Gdańsk. WPG 1998.