Właściwości mechaniczne są niezbędne do opisania zachowania materiału po przyłożeniu obciążenia. Wiele testów, takich jak rozciąganie, ściskanie, uderzanie, zginanie, ścinanie, skręcanie i testy twardości, zostało opracowanych w celu obserwacji reakcji materiału na przyłożoną siłę zewnętrzną. Właściwości te są ważne dla projektantów inżynierii, aby wybrać odpowiednie materiały do różnych zastosowań.
Co to jest wydłużenie materiału?
Dłużenie jest miarą odkształcenia, które występuje przed ostatecznym pęknięciem materiału poddanego obciążeniu rozciągającemu. W miarę przyłożenia tego obciążenia następuje wzrost długości i równomierne zmniejszenie pola przekroju poprzecznego, przy czym materiał zachowuje stałą objętość. Wydłużenie w wyniku rozszerzenia może również wystąpić, gdy materiał poddany jest wzrostowi temperatury lub gdy na materiał działa jednocześnie siła osiowa i wysoka temperatura.
Jak mierzy się wydłużenie?
Miarę wydłużenia materiału w wyniku działania siły osiowej przeprowadza się zazwyczaj za pomocą standardowej próby rozciągania. Pasek lub pręt o określonej długości i jednolitym przekroju poprzecznym, zamocowany na jednym końcu, poddawany jest obciążeniu rozciągającemu wzdłuż osi próbki. Na próbce umieszczonej w uchwytach maszyny wytrzymałościowej nanoszone są znaki pomiarowe określające długość pomiarową. Obciążenie osiowe zwiększa się stopniowo i obserwuje się wydłużenie próbki do momentu mechanicznego rozerwania lub pęknięcia materiału. Próba ta jest zazwyczaj normalizowana, realizowana przy stałej prędkości obciążenia i ma charakter niszczący. Długość pomiarowa lub kalibracyjna musi być wystarczająco długa, aby zapewnić, że naprężenie rozciągające jest przenoszone równomiernie.
Zdjęcie 1 dla odniesienia. Źródło: https://www.admet.com/wp-content/uploads/2017/07/ductile-specimen-shape-during-testing.png
Typowy przebieg próby rozciągania rozpoczyna się od próbki znajdującej się w stanie bez obciążenia. Przy początkowym przyłożeniu obciążenia można zaobserwować równomierne wydłużenie i zmniejszenie pola przekroju poprzecznego. Proces ten trwa do momentu osiągnięcia maksymalnej wartości obciążenia. Następnie pojawia się szyjka, co powoduje, że kolejne odkształcenia stają się niejednorodne i zachodzą jedynie w obrębie szyjki. Lokalne naprężenie rzeczywiste nadal rośnie wraz ze zmniejszaniem się powierzchni szyjki, aż do pęknięcia.
Wzór na wydłużenie na dowolnej długości L podczas próby rozciągania jest następujący:
gdzie,
δ = wydłużenie, (w lub mm)
L0 = początkowa długość pomiarowa między znakami, (w lub mm)
L = długość pomiędzy znakami w dowolnym punkcie podczas równomiernego wydłużania, (w lub mm)
Podczas próby rozciągania, odczyty przyłożonego obciążenia i wydłużenia długości pomiarowej są dokonywane jednocześnie. Dane te mogą być wykreślone na wykresie zwanym krzywą naprężenie-odkształcenie. Krzywa naprężenie-odkształcenie jest niezbędna do zrozumienia właściwości materiału, ponieważ pokazuje podstawowy związek pomiędzy naprężeniem inżynierskim a odkształceniem inżynierskim.
Wzór na naprężenie inżynierskie, pokazujący wpływ przyłożonego obciążenia na pierwotną powierzchnię przekroju poprzecznego, jest następujący:
gdzie,
σ = naprężenie inżynierskie, (lb/sq. in lub MPa)
P = przyłożone obciążenie, (lb lub N)
A0 = pierwotna powierzchnia przekroju poprzecznego, (kw. in lub sq. mm)
Odkształcenie inżynierskie, z drugiej strony, jest mierzone jako stosunek wydłużenia do długości pomiarowej:
gdzie,
ε = odkształcenie inżynierskie, (bez jednostki)
δ = wydłużenie w dowolnym punkcie podczas etapu równomiernego wydłużania, (w lub mm)
L0 = początkowa długość pomiarowa między znakami (w lub mm)
Co to jest procentowe wydłużenie?
Załóżmy, że mamy pręt, który został poddany próbie wytrzymałości na rozciąganie. Używając ekstensometru, możemy zmierzyć pierwotną długość pomiarową Lo i końcową długość pomiarową Lf po szyjce i pęknięciu. Stosunek różnicy długości końcowej i pierwotnej do samej długości pierwotnej nazywamy procentowym wydłużeniem (%δ).
gdzie,
%δ = wydłużenie procentowe, (%)
Lf = końcowa długość próbki, (w lub mm)
Lo = oryginalna długość próbki, (w lub mm)
Ta miara reprezentuje właściwość materiału zwaną plastycznością.
Dlaczego warto obliczyć wydłużenie materiału?
Wykonanie próby rozciągania w celu określenia wydłużenia różnych materiałów jest ważne w celu oceny ich możliwych zastosowań. Na przykład, materiały o dużym wydłużeniu – tj. dobrej plastyczności – są krytyczne w komponentach, które wymagają pochłaniania energii przez odkształcenia plastyczne, takich jak bariery przeciwuderzeniowe i zderzaki.
W przypadku procesów produkcyjnych, znajomość tej właściwości jest niezbędna do wdrożenia metryk kontroli jakości.
Dla inżynierów materiałowych i produkcyjnych, takie właściwości są badane w celu oceny słabości i ograniczeń materiału w celu jego ulepszenia i zbadania alternatywnych rozwiązań.