background image

Statyczne i dynamiczne badanie właściwości mechanicznych 

 
1. Cel ćwiczenia 

Celem  ćwiczenia  jest  zapoznanie  z  podstawowymi  metodami  badania  właściwości 

mechanicznych na podstawie przeprowadzonej próby rozciągania oraz próby udarności. 

W  oparciu  o  przeprowadzone  badania  studenci  zostaną  zapoznani  z  podstawowymi 

właściwościami  wytrzymałościowymi i  plastycznych materiału  takimi jak; wytrzymałość na 
rozciąganie, granica plastyczności, wydłużenie, przewężenie oraz udarność.  

2. Wiadomości podstawowe 

W badaniach właściwości mechanicznych poszukuje się zależności między siłą 

działającą a skutkiem działania. Najczęściej wielkością mechaniczną charakteryzującą 
oddziaływanie siły na materiał jest naprężenie  wyrażone stosunkiem siły lub ogólniej 
obciążenia do pola przekroju poprzecznego badanego obiektu. 

 = F/S 

Działaniu obciążeń oprócz naprężeń towarzyszy zawsze powstanie odkształceń metalu, 

określane jako stosunek zmiany wymiarów elementu do jego wielkości początkowej. 

 = 

L/l

o

 

Wyniki  badań  właściwości  mechanicznych  zależą  ściśle  od  warunków  przeprowadzania 
próby. W zależności od  sposobu  działania siły, badania  właściwości mechanicznych można 
podzielić  na  statyczne,  przy  których  siła  narasta  z  małą  prędkością  i  dynamiczne 
charakteryzujące się nagłym przyrostem obciążenia. 

2.1. Statyczna próba rozciągania 
Statyczna  próba  rozciągania  jest  podstawowym  rodzajem  badania  metali  mających 

zastosowanie w technice i pozwala określić podstawowe właściwości metalu. 
Próba  polega  na  osiowym  rozciąganiu  próbek  o  ściśle  określonych  kształtach  w  uchwytach 
maszyny wytrzymałościowej. 
W  próbkach  stosowanych  do  badań  można  wyodrębnić  część  pomiarową  poddawaną 
rozciąganiu  oraz  części  chwytowe  umożliwiające  zamocowanie  w  uchwytach  maszyny 
wytrzymałościowej i przeniesienia obciążenia. 
Zasadniczo do próby rozciągania stosuje się próbki cylindryczne oraz płaskie.  
Dla próbek cylindrycznych rozróżnia się: 
próbki dziesięciokrotne tzn. takie w których długość odcinka pomiarowego  l

o

 = 10d

o

 oraz, 

próbki pięciokrotne z l

o

 = 5d

o

 
Próbę  rozciągania  realizuje  się  poprzez  przemieszczanie  się  jednej  ze  szczęk  ze  stałą 
prędkością lub stałą szybkością narastania obciążania. 
Podczas próby rejestruje się zależność przyrostu długości pomiarowej od siły rozciągającej, a 
po skończonej próbie rozciągania wyznacza się właściwości wytrzymałościowe.  
Kształt otrzymanego wykresu zależny jest od rodzaju i stanu badanego materiału. 
Dla stali o niskiej zawartości węgla oraz metali o dużej plastyczności zasadniczo otrzymuje 
się wykresy z wyraźną granicą plastyczności, zaś dla materiałów o wysokiej wytrzymałości 
bez wyraźnej granicy plastyczności.  
 
 
 
 
 

background image

Wykres z wyraźną granicą plastyczności 
 

Wydłużenie dl [mm]

O

b

ci

ąż

en

ie

 [k

N]

Fm

F

eH

F

eL

dl

 

Od  chwili  przyłożenia  obciążenia  wydłużenie  próbki  rośnie  wprost  proporcjonalnie  do  siły 
obciążającej  aż  do  osiągnięcia  tzw.  granicy  proporcjonalności  (sprężystości) 

prop

.  Po 

przekroczeniu  granicy  proporcjonalności  obserwowany  jest  wyraźny  przyrost  wydłużenia 
próbki  przy  stałym  lub  wahającym  się  poziomie  siły  obciążającej.  Odpowiada  to  granicy 
plastyczności  R

e

.  Przy  dalszym  wzroście  wydłużenia  następuje  przyrost  siły  ale  już  nie  w 

sposób proporcjonalny jak dla zakresu odkształceń sprężystych.  
W chwili osiągnięcia wartości maksymalnej siły - F

m

, powstaje lokalne przewężenie próbki, 

zwane  szyjką.  Jest  to  przyczyną  powolnego  spadku  siły.  W  końcowym  momencie  próby 
próbka ulega zerwaniu. Po zerwaniu próbki mierzona jest długość odcinka pomiarowego oraz 
wymiary lokalnego przewężenia (szyjki).  
W oparciu o otrzymany wykres określamy następujące właściwości: 

Wytrzymałość  na  rozciąganie  jako  naprężenie  odpowiadające  maksymalnej  sile  F

m

 

otrzymanej w czasie próby rozciągania odniesione do przekroju poprzecznego próbki S

o

R

m

 = F

m

/S

o

 

Granicę  plastyczności  jako  naprężenie  w  próbce,  przy  osiągnięciu  którego  następuje 
występuje  wyraźny  wzrost  wydłużenia  przy  ustalonej  lecz  nieznacznie  zmieniającej  się  sile 
rozciągającej F

e

R

e

 = F

e

/S

o,

 

Ze względu na zmianę naprężenia w zakresie granicy plastyczności wyodrębnia się górną 
granicę plastyczności  R

eH

 i dolną granicę plastyczności R

eL

 

R

eH

 – naprężenie przy którym następuje pierwszy spadek siły, 

R

eL

 – najmniejsze naprężenie podczas płynięcia. 

Wydłużenie względne A

p

 jako stosunek trwałego wydłużenia bezwzględnego próbki po 

rozerwaniu do długości pomiarowej próbki 

A = dL/L

o

 = (L

0

 - L

o

)/L

o

 

Względne przewężenie próbki jako zmniejszenie przekroju poprzecznego próbki w miejscu 
rozerwania próbki w odniesieniu do pola powierzchni jej pierwotnego przekroju. 

Z = (A

o

 - A

k

)/A

o

 

 

 

background image

Wykres bez wyraźnej granicy plastyczności  

Wydłużenie [mm]

O

b

ci

ąz

en

ie

 [k

N

]

0,2 % 

F

0,

2

 

Dla  materiałów  które  charakteryzują  się  brakiem  występowania  wyraźnej  granicy 
plastyczności wyznacza się tzw.: 
Umowną  granicę  plastyczności  R

0,2

,  określaną  jako  naprężenie,  które  powoduje  trwałe 

odkształcenie plastyczne wynoszące 0,2 % długości początkowej odcinka pomiarowego. 

R

0,2 

= F

0,2

/S

o

 

2.2. Próba udarności 

Próba udarności jest najprostszą metodą badania odporności na pękanie. Próba polega 

na złamaniu jednym uderzeniem spadającego młota wahadłowego, próbki z karbem w środku 
i podpartej na oporach. 

Do próby łamania stosowane są znormalizowane próbki o przekroju kwadratowym 10 

x 10 mm z w połowie naniesionym karbem w: 

kształcie litery V - o kącie 45

 i głębokości 2 mm, 

kształcie litery U – o szerokości 2 mm, głębokości 2 mm i promieniu dna karbu 1 mm. 

Energia potencjalna wahadła W wychylonego na wysokości H, przy jego swobodnym spadku 
zostaje  zamieniona  na  energię  kinetyczną,  przy  łamaniu  próbki  część  energii  jest  zużyta  na 
pracę  W  złamania  próbki,  a  pozostała  część  energii  powoduje  wychylenie  wahadła  na 
wysokość h, stąd praca łamania może być określona ze wzoru: 

W

u

 = W

1

 – W

2

 = G(H – h) 

gdzie G – masa wahadła młota. 

Udarność określana jest jako stosunek pracy łamania próbki W

u

 do przekroju poprzecznego 

A

o

 w miejscu karbu 

KC = W

u

/A

o

 = G(H-h)/A

o

  [J/cm

2

Oznaczenie udarności jest uściślane przez podanie oznaczenia rodzaju karbu 

KCV – udarność próbki z karbem w kształcie V, 
KCU – udarność próbki z karbem w kształcie U. 

Udarność metali i stopów technicznych zależy od składu chemicznego, struktury krystalicznej 
oraz od temperatury badania. Na ogół wraz z obniżeniem temperatury zmniejsza się udarność 
metali  i  stopów.  Dla  każdej  stali  występuje  temperatura  graniczna,  po  przekroczeniu  której 
udarność gwałtownie spada,  jest to tzw. temperatura kruchości na zimno.  

 

background image

 
 

3. Przebieg ćwiczenia 

Przed  przystąpieniem  do  wykonywania  ćwiczenia  należy  zapoznać  się  z  niniejszym 

opracowaniem, a następnie wykonać następujące czynności;  
1. dokonać pomiarów badanych próbek tzn.: 

-  długości odcinka pomiarowego, grubości g i szerokości b lub d

o

 w przypadku próbek 

okrągłych - dla próbek poddawanych rozciąganiu, 

-  nanieść znaki długości odcinka pomiarowego 
-  grubości g, szerokości a oraz g –dla próbek do udarności. 

2. Zapisać uzyskane wymiary w tabeli pomiarów. 
3. Przebieg próby 

a)  próba rozciągania 

Zamontować próbkę w uchwytach maszyny, 
Przeprowadzić próbę rozciągania 
Po  zerwaniu  próbki  zatrzymać  maszynę  wytrzymałościową  i  wydrukować  wykres 
rozciągania. 
Zmierzyć  długość  po  zerwaniu  oraz  wymiary  przekroju  poprzecznego  próbki  w  miejscu 
zerwania. 
Obliczyć wartości R

e

, R

0,2

, R

m

, A  i Z. 

b)  próba udarności 

Umieścić próbkę na oporach  
 
4. Wytyczne do opracowania sprawozdania 

W  oparciu  o  przeprowadzone  pomiary  próbek,  otrzymany  wykres  z  próby  rozciągania, 

otrzymaną  wartość  pracy  łamania  z  próby  udarności  sporządzić  sprawozdanie,  w  którym 
należy zawrzeć: 

nazwę oraz dane wykorzystywanych urządzeń, 

warunki przeprowadzenia badania, 

wyniki pomiarów, 

wnioski. 

 
5. Przykładowe pytania kontrolne 

1.  Wytrzymałość.  
2.  Granica plastyczności. 
3.  Umowna granica plastyczności. 
4.  Wydłużenie. 
5.  Praca łamania. 
6.  Udarność. 

 

7.  Literatura 

Norma PN-EN 10002-1:2004 
Norma PN-EN 10045-1:1994 
Poradnik mechanika