Statyczna próba rozciągania

Statyczne próby rozciągania sprawdzają materiały takie jak stal pod kątem ich ostatecznej wytrzymałości na rozciąganie. Znormalizowane próbki do prób rozciągania umożliwiają wyciągnięcie wniosków na temat właściwości i zachowania przy rozciąganiu odpowiednich materiałów.

Statyczne próby rozciągania są znormalizowanymi, kwazistatycznymi metodami testowania, w których mierzone są określone właściwości materiałowe. Są to metody niszczące, ponieważ badane próbki są często obciążane powyżej granicy plastyczności. Testy materiałowe odbywają się za pomocą maszyn do statycznych prób rozciągania i uniwersalnych maszyn testujących. Urządzenia wyświetlają jednowymiarowe ruchy na krzywej naprężenie-odkształcenie i krzywej siła-przemieszczenie. Ustalone parametry dostarczają informacji o właściwościach i zachowaniu badanych materiałów podczas rozciągania. Wybór maszyny testującej zależy od odpowiednich wymagań. Zakres maszyn obejmuje zarówno systemy stołowe (3 kN), systemy 50 kN wyposażone w podwójne wrzeciono, jak i maszyny do statycznych prób rozciągania o dużej nośności od 300 kN do 2000 kN.

Normy mające zastosowanie do maszyn do prób rozciągania to ogólna norma DIN 51222, DIN EN ISO 6892-1 i DIN EN ISO 7500-1 dla materiałów metalowych oraz ISO 5893 dla tworzyw sztucznych i gumy. Norma DIN 50125 określa, które wymagania mają zastosowanie do materiałów próbki do statycznej próby rozciągania. W przypadku naprężenia niszczącego dla niektórych materiałów stosowana jest długość pomiarowa, a dla innych materiałów stosowany jest współczynnik proporcjonalności. Celem procedury testowej jest na przykład ustalenie, jakie obciążenie materiał może wytrzymać bez deformacji plastycznej i przy jakiej sile materiał ulega zniszczeniu. Ponadto określono właściwości i zachowanie deformujące twardej pianki, miękkiej elastycznej pianki, gumy i kompozytów wzmocnionych włóknami.

Przekrój zastosowanej próbki zależy od wybranego oryginalnego materiału. Jeśli stal ma dużą objętość, z litego materiału wytwarzana jest próbka o okrągłym przekroju poprzecznym. Do testów materiałowych blach metalowych wymagana jest płaska próbka do rozciągania (o przekroju prostokątnym lub kwadratowym). Ta procedura testowa jest preferowana w inżynierii mechanicznej, ponieważ pozwala również na wyciągnięcie wniosków na temat innych rodzajów obciążeń.

Statyczne próby rozciągania mogą być wykonywane za pomocą dotykowych (zaciskowych ekstensometrów) i bezdotykowych systemów pomiarowych. W przypadku ekstensometrów zaciskowych do próbki przykładane są co najmniej dwa ostrza. Mierzą one wydłużenie artefaktu zaciśniętego między nimi. Obecnie pomiary bezdotykowe wykonywane są za pomocą cyfrowych ekstensometrów optycznych. Czujnik umieszczony w urządzeniu pomiarowym rejestruje wydłużenie. Takie urządzenia pomiarowe mają tę zaletę, że mogą również precyzyjnie rejestrować bardzo szybkie odkształcenia. Niektóre modele nadają się również do pomiaru bardzo gorących materiałów. Ekstensometry te mogą być również używane do niszczących testów rozciągania, ponieważ mają wystarczającą odległość od artefaktu.

Tradycyjną statyczną próbą rozciągania jest tzw. próba zrywania: Znormalizowana próbka jest zaciskana w maszynie wytrzymałościowej i wraz ze wzrostem obciążenia rozciągającego jest rozciągana aż do pęknięcia lub rozerwania. Używane są tylko artefakty o małym przekroju. Odkształcenie próbki odbywa się bez wstrząsów i przy niskiej prędkości. Podczas testu mierzona jest siła oddziałująca na artefakt oraz wydłużenie w zakresie pomiarowym. Maszyna do testów statycznych generuje krzywą siła-przemieszczenie i wyświetla ją na monitorze komputera.

Maszyny do statycznych prób rozciągania zawierają stałą i ruchomą trawersę, która jest napędzana przez jedno lub dwa wrzeciona. Napęd działa hydraulicznie lub elektrycznie. Przed statyczną próbą rozciągania definiowana jest prędkość trawersy, a próbka jest mocowana między trawersami za pomocą uchwytów. Następnie trawersa jest przesuwana ze stałą prędkością w jednym kierunku, aż do rozerwania materiału. Urządzenie testujące rejestruje deformację próbki, a także wymaganą siłę za pomocą trawersy lub ekstensometru. Następnie naprężenie rozciągające i odkształcenie są obliczane poprzez odniesienie odczytanych wartości do wymiarów próbki do statycznej próby rozciągania. Naprężenie rozciągające jest określane na podstawie przekroju przed testem. Odkształcenie niszczące jest obliczane na podstawie przemieszczenia trawersy.

W innych statycznych próbach rozciągania części lub próbki poddawane są działaniu siły rozciągającej do momentu osiągnięcia wymaganego obciążenia testowego. Jest to nieniszcząca statyczna próba rozciągania. Takie testy materiałowe są przeprowadzane w celu zapewnienia, że załadowana część spełnia wymagania techniczne. Ponieważ dalsze przetwarzanie zmienia właściwości materiałowe, materiał zostać ponownie przetestowany w późniejszym czasie.

Na podstawie krzywej naprężenie-odkształcenie wygenerowanej po statycznej próbie rozciągania określane są następujące parametry:

• Ostateczna wytrzymałość na rozciąganie
• Moduł Younga
• Granica plastyczności (dolna, górna)
• Granica plastyczności
• Odkształcenie niszczące
• Jednorodne odkształcenie
• Przewężenie
  

Rozróżnia się górną i dolną granicę plastyczności. Górna granica plastyczności opisuje punkt, w którym próbka odkształca się plastycznie po raz pierwszy. Włókna materiału rozrywają się. Powoduje to zmniejszenie naprężeń i trwałe wydłużenie próbki. Dolna granica plastyczności opisuje punkt po pierwszej deformacji, w którym spadek naprężenia rozciągającego jest największy. Następnie naprężenie rozciągające ponownie wzrasta w sposób ciągły. W przypadku próbek o wyraźnej granicy plastyczności naprężenie zmniejsza się przed pęknięciem: odkształcenie nadal rośnie, gdy materiał zaczyna się uginać. W przypadku materiałów bez wyraźnej granicy plastyczności, takich jak stale formowane na zimno i walcowane na zimno, pęknięcie występuje w zakresie wytrzymałości na rozciąganie. Materiały takie jak niestopowa stal konstrukcyjna (St 37) mają wyraźną granicę plastyczności.

Statyczne próby rozciągania są stosowane w wielu gałęziach przemysłu, obecnie często wspierane przez bezkontaktowe, optyczne urządzenia pomiarowe z kamerą. Te urządzenia pomiarowe zapewniają bardziej precyzyjne wyniki pomiarowe i nadają się również do testów, w których próbka jest niszczona.