Wytrzymałość stali

Jak wyznacza się wytrzymałość stali, jakie są granice wytrzymałości. 

Wytrzymałość stali na rozciąganie, wyznaczana dla pewnych charakterystycznych zakresów odkształcenia materiału, jest określana jako odpowiednie granice (rys.1), a więc: granica proporcjonalności R_p, granica sprężystości R_s, granica plastyczności R_0,2, umowna granica wytrzymałości na rozciąganie R_m, rzeczywista granica na rozrywanie R_u. Te wielkości są wyznaczane w statycznej próbie rozciągania, z której otrzymuje się wykres σ=f(ε).

Rys.1 Wykres rozciągania σ=f(ε)

Do przeprowadzenia statycznej próby rozciągania należy pobrać próbki z wyrobów hutniczych. Najczęściej wycina się je palnikiem acetylenowo - tlenowym w określonych miejscach przekroju poprzecznego wyrobu (w 1/3 wysokości środnika lub 1/3 stopki w ceowniku, zetowniku i kątowniku, a w 1/6 szerokości stopki w dwuteowniku i teowniku). Próbki mają nadmiar szerokości po 2÷3mm z każdej strony. Naddatek ten usuwa się stosując obróbkę skrawaniem (obróbkę wiórową) w celu otrzymania nie tylko dokładnych wymiarów próbki, ale również w celu pozbycia się materiału ze zmienioną strukturą z powodu przegrzania podczas cięcia. Wykonuje się próbki albo o przekroju kołowym o średnicy d0, albo o przekroju prostokątnym o bokach a0 x b0 (rys.2). Na obrobionej wiórowo próbce, w jej części środkowej, nanosi się miarę pomiarową o długości l0 =kd0, gdzie k jest tzw. krotnością próbki, wynoszącą najczęściej 5 lub 10. W przypadku próbki prostokątnej długość bazy pomiarowej ustala się na podstawie średnicy równoważnej:

a).

b).

Rys.2 Kształty próbek do statycznego rozciągania:

a). próbka okrągła z główkami, b). próbka płaska z główkami

Podczas rozciągania próbki w maszynie wytrzymałościowej (zrywarce) rejestruje się w sposób ciągły (automatycznie) siłę P oraz długość l=l+Δl. W celu porównywania wyników badań na próbkach o różnych przekrojach i różnych polach S z tego samego materiału, robi się przeskalowanie wykresu do innego układu współrzędnych, a mianowicie:

- na osi rzędnych odkłada się naprężenie umowne

,

- na osi odciętych odkłada się odkształcenie jednostkowe

,

traktowane jako równomierne na całej długości bazy.

Wykres rozciągania (w układzie σ - ε) próbek z czystego Fe lub Al. charakteryzuje się tym, że jest to krzywa ciągła gładka (tzn. o ciągłej pochodnej), jak to pokazano na rys.1. Cztery charakterystyczne granice wytrzymałości określa się następująco:

• granica proporcjonalności R_p jest to takie naprężenie, do którego obowiązuje prawo Hooke’a , skąd łatwo wyznacza się moduł Younga , mierząc σ i ε w dowolnym punkcie tego odcinka,

• granica sprężystości R_s jest to takie naprężenie, od którego po odciążeniu wykres wraca do punktu początkowego 0,

• umowna granica plastyczności R_0,2 jest to takie naprężenie, które wywołuje równomierne wydłużenie trwałe bazy pomiarowej o 0,2%,

• wytrzymałość na rozciąganie R_m jest największym naprężeniem umownym, jakie wytrzymuje materiał.

Granica wytrzymałości, a także moduły sprężystości podłużnej i poprzecznej czystego metalu nie są wystarczające dla elementów nośnej konstrukcji. Dlatego produkuje się stopy, dobierając rodzaje i ilości pierwiastków stopowych tak, aby uzyskać odpowiednie właściwości stopu, tzn. R_e , R_m , A₅ , E. Taka działalność naukowa nazywa się inżynierią materiałową.

Najczęściej stosowana na konstrukcje stal niskowęglowa, gatunku S235 (St3), jest stalą miękką z wyraźną granicą plastyczności (rys. 3). Wyraźna granica plastyczności nazywana jest też fizyczną granicą plastyczności.