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 odpowiedzi 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?
Pomiar wydłużenia materiału w wyniku działania siły osiowej jest zwykle przeprowadzany 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 równomierne przenoszenie naprężeń rozciągających.
Obraz 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 w momencie, gdy próbka znajduje się bez obciążenia. Przy pierwszym przyłożeniu obciążenia można zaobserwować równomierne wydłużenie i zmniejszenie 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 osiągnięcia pęknięcia.
Wzór na wydłużenie na dowolnej długości L podczas próby rozciągania wynosi:
gdzie,
δ = wydłużenie, (w lub mm)
L0 = początkowa długość pomiarowa między znakami, (w lub mm)
L = długość między znakami w dowolnym punkcie podczas równomiernego wydłużania, (w lub mm)
Podczas próby rozciągania, odczyty przyłożonego obciążenia i wydłużenia długości pomiarowej są wykonywane 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, (sq. 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 złamaniu. Stosunek różnicy pomiędzy długością końcową i oryginalną do długości oryginalnej jest znany jako procent wydłużenia (%δ).
gdzie,
%δ = procent wydłużenia, (%)
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 wymagających 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 alternatyw .