Wyniki próby rozciągania stali i krzywe naprężenie–odkształcenie

Co faktycznie mierzy próba rozciągania stali

Próba rozciągania stali jest kontrolowanym eksperymentem, w którym metalowa próbka jest rozciągana wzdłuż jednej określonej osi, aż osiągnie granicę plastyczności, odkształci się, utworzy przewężenie i zazwyczaj pęknie. Maszyna rejestruje siłę i przemieszczenie; przedstawianą krzywą naprężenie–odkształcenie oblicza się na podstawie tych pomiarów oraz wymiarów zmierzonych przed badaniem i po nim. Nie jest to bezpośredni ranking gatunków stali niezależny od konfiguracji badania.

Próbka, oś obciążenia i badanie w temperaturze pokojowej

Odcinek pomiarowyOdcinek pomiarowy Zwężona część próbki do rozciągania między końcami mocowanymi w uchwytach, w której powinny zachodzić odkształcenie i pękanie.

Próbka ma zwężony odcinek, zwany odcinkiem pomiarowym, znajdujący się między szerszymi końcami mocowanymi w uchwytach maszyny wytrzymałościowej. Jej początkowe pole przekroju poprzecznego, $A_0$, oraz początkową długość pomiarową, $L_0$, należy zmierzyć przed rozpoczęciem obciążania. Próbki mogą mieć przekrój okrągły lub płaski, a ich wymiary, kształt przejść, układ uchwytów i długość pomiarowa są określone w odpowiedniej normie. Płaska próbka wycięta równolegle do kierunku walcowania nie musi wykazywać takiego samego wydłużenia jak próbka wycięta poprzecznie do tego kierunku, ponieważ walcowanie może powodować kierunkowe różnice w mikrostrukturze i reakcji mechanicznej.

Oś obciążenia powinna przebiegać przez zamierzoną oś środkową próbki. Nieosiowość wprowadza zginanie, przez co jedna strona odcinka pomiarowego może doświadczać większego naprężenia niż druga. Maszyna mierzy wówczas reakcję odzwierciedlającą zarówno rozciąganie, jak i niezamierzone zginanie. Na wynik mogą również wpływać poślizg w uchwytach, niewłaściwie obrobione przejście, uszkodzenie powierzchni lub nieprawidłowo zaznaczona długość pomiarowa.

ASTM E8/E8M-21 obejmuje badania rozciągania materiałów metalowych w temperaturze pokojowej. Zawiera procedury wyznaczania granicy plastyczności, wydłużenia w zakresie płynięcia, wytrzymałości na rozciąganie, wydłużenia i przewężenia. Norma ISO 6892-1:2019 również określa metodę badania rozciągania materiałów metalowych w temperaturze pokojowej oraz definiuje właściwości mechaniczne, które można uzyskać w tym badaniu. „Temperatura pokojowa” jest zatem częścią opisu badania, a nie założeniem, które można pominąć. Wynik uzyskany dla nagrzanej próbki lub w badaniu w piecu wysokotemperaturowym dotyczy innego warunku badania.

Średnia szybkość odkształcenia (s^-1)

Próbka jest obciążana monotonicznie, ale znaczenie ma również szybkość obciążania. Maszyna wytrzymałościowa może sterować prędkością trawersy, szybkością odkształcenia lub innym parametrem związanym z szybkością, zależnie od normy i procedury. Dane NIST dla stali ASTM A1008 obejmują średnie szybkości odkształcenia wynoszące ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ i ${10}^{-1}{\text{s}}^{-1}$. Wartości te dzielą cztery rzędy wielkości. Przy większych szybkościach zmierzone naprężenie płynięcia może się zmieniać, a pozorna granica plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie mogą ulegać przesunięciu.

Właściwości mechaniczne wyznaczane na podstawie badania

Naprężenie inżynierskie oblicza się jako iloraz siły i początkowego pola przekroju poprzecznego próbki:

$${\sigma }_{\mathrm{eng}}=\frac{F}{A_0}.$$

Odkształcenie inżynierskie jest zmianą długości pomiarowej podzieloną przez jej wartość początkową:

$${\epsilon }_{\mathrm{eng}}=\frac{L-L_0}{L_0}.$$

Michigan Technological University i Georgia Tech opisują te konwencje, stosując tę samą początkową wartość pola przekroju i początkową długość pomiarową. W konsekwencji naprężenie inżynierskie nie uwzględnia w sposób ciągły zmniejszania się pola przekroju w miarę zwężania próbki.

Wydłużenie w punkcie plastycznościWydłużenie w punkcie plastyczności Plastyczne wydłużenie występujące w mierzalnym przedziale odkształcenia, podczas którego naprężenie inżynierskie pozostaje prawie stałe lub przebiega zgodnie z charakterystycznym wzorcem punktu plastyczności.

Początkowy prostoliniowy odcinek krzywej wskazuje na sprężyste zachowanie proporcjonalne. DOE Fundamentals Handbook identyfikuje granicę proporcjonalności, granicę plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie i punkt pęknięcia na typowej inżynierskiej krzywej dla stali konstrukcyjnej. Granicę plastyczności można wyznaczyć na podstawie wyraźnego punktu płynięcia albo za pomocą określonej metody umownego przesunięcia, najczęściej przy odkształceniu umownym 0,2%, gdy nie występuje wyraźny punkt płynięcia. Niektóre stale wykazują wydłużenie w zakresie płynięcia: próbka wydłuża się plastycznie w mierzalnym przedziale odkształcenia, podczas gdy naprężenie pozostaje niemal stałe lub zmienia się w charakterystyczny sposób. ASTM E8/E8M-21 wyraźnie uwzględnia wydłużenie w zakresie płynięcia wśród wielkości wyznaczanych w badaniu.

Wytrzymałość na rozciąganie, w wielu sprawozdaniach nazywana również ostateczną wytrzymałością na rozciąganie, jest maksymalną wartością naprężenia inżynierskiego. Występuje przed rozpoczęciem lokalnego przewężenia lub w przybliżeniu w chwili jego rozpoczęcia. Po powstaniu przewężenia rzeczywiste pole przekroju w przewężeniu nadal się zmniejsza, podczas gdy naprężenie inżynierskie wciąż oblicza się z użyciem $A_0$; dlatego przedstawiana krzywa może opadać, nawet gdy lokalne naprężenie rzeczywiste rośnie. Materiał laboratoryjny MIT z 2004 roku rozróżnia wytrzymałość na rozciąganie odczytywaną z inżynierskiej krzywej naprężenie–odkształcenie od rzeczywistej wytrzymałości na rozciąganie, która uwzględnia zmniejszenie pola przekroju.

Wydłużenie jest trwałym zwiększeniem określonej długości pomiarowej po pęknięciu, wyrażonym w procentach. Jego wartość silnie zależy od długości pomiarowej: na krótkim odcinku pomiarowym może wystąpić większa część lokalnego przewężenia, co często daje inny wynik procentowy niż w przypadku dłuższego odcinka. Przewężenie oblicza się na podstawie początkowego pola przekroju i najmniejszego końcowego pola przekroju w obszarze pęknięcia. Opisuje ono lokalne zmniejszenie przekroju i nie jest wymienne z wydłużeniem.

W eksperymencie Syracuse University dotyczącym stali węglowej 1018 zastosowano płaskie próbki do badań rozciągania zgodne z ASTM w celu wyznaczenia naprężenia przy granicy plastyczności, naprężenia maksymalnego i naprężenia przy rozerwaniu. Przykład ten pokazuje, dlaczego nawet dobrze znane oznaczenie, takie jak 1018, musi być uzupełnione informacjami o próbce i procedurze.

Dlaczego wyniku nie można oddzielić od metody badania

Podana wartość, taka jak „granica plastyczności stali: 350 MPa”, jest niekompletna. Odbiorca potrzebuje informacji o gatunku i stanie wyrobu, geometrii próbki, kierunku obciążenia, początkowym polu przekroju, długości pomiarowej, temperaturze, szybkości odkształcenia lub wymaganiu dotyczącym prędkości maszyny, zastosowanym ekstensometrze lub sposobie pomiaru przemieszczenia, definicji granicy plastyczności oraz odpowiedniej normie.

Technika pomiaru może zmienić krzywą. W badaniach NIST stali ASTM A1008 zastosowano cyfrową korelację obrazu do wyznaczania przemieszczenia i odkształcenia przy podanych szybkościach odkształcenia, zamiast polegać wyłącznie na przemieszczeniu trawersy. Przemieszczenie trawersy obejmuje podatność maszyny i uchwytów; nie jest automatycznie równoznaczne z odkształceniem w obrębie odcinka pomiarowego. National Bureau of Standards odnotowało również, że naprężenia umowne w stalach nierdzewnych i metalach nieżelaznych mogą zależeć od wcześniejszego odkształcenia plastycznego, przerw w obciążaniu, naprężeń wewnętrznych i umocnienia przez zgniot.

Przy jeszcze większych szybkościach różnica staje się wyraźniejsza. W raporcie NIST dotyczącym stali konstrukcyjnej przedstawiono krzywe przy dużych szybkościach odkształcenia dla stali stosowanej na słupy obwodowe, o określonej granicy plastyczności wynoszącej 50 ksi. Krzywych tych nie można bezpośrednio porównywać z krzywą uzyskaną w powolnym badaniu laboratoryjnym w temperaturze pokojowej, tak jakby znaczenie miał wyłącznie gatunek stali. Wynik badania jest pomiarem właściwości stali wraz ze ściśle określoną próbką, metodą i warunkami. Po usunięciu tych definicji liczba traci znaczenie inżynierskie.

Jak oblicza się naprężenie nominalne i odkształcenie nominalne

Maszyna wytrzymałościowa rejestruje siłę i przemieszczenie, ale do sporządzenia wykresu naprężenie–odkształcenie konieczne jest przeliczenie tych pomiarów z wykorzystaniem określonych wymiarów próbki. Powszechnie nanoszone na wykres wielkości nominalne odnoszą się do próbki przed obciążeniem, a nie do jej nieustannie zmieniającego się kształtu. Takie podejście ułatwia obliczenia i porównywanie wyników, pod warunkiem że podane są geometria próbki, długość pomiarowa, norma badania i metoda pomiaru.

Naprężenie nominalne: siła podzielona przez początkowe pole przekroju

Naprężenie nominalne oblicza się jako przyłożoną siłę rozciągającą podzieloną przez początkowe pole przekroju poprzecznego próbki:

$${\sigma }_e=\frac{F}{A_0}$$

W tym równaniu ${\sigma }_e$ oznacza naprężenie nominalne, $F$ — siłę rozciągającą, a $A_0$ — pole przekroju poprzecznego zmierzone przed rozpoczęciem badania. W przypadku płaskiej próbki prostokątnej:

$$A_0=w_0{t}_0$$

gdzie $w_0$ oznacza początkową szerokość próbki, a $t_0$ — jej początkową grubość. W przypadku próbki okrągłej:

$$A_0=\frac{\pi d_0^2}{4}$$

gdzie $d_0$ oznacza początkową średnicę.

Siłę zwykle rejestruje się w niutonach (N), natomiast pole może być podawane w milimetrach kwadratowych (mm²). Otrzymane naprężenie ma wówczas jednostkę N/mm², która jest liczbowo równa meg Pascalom (MPa), ponieważ $1{\text{N/mm}}^2=1\text{MPa}$. Jeżeli siła jest wyrażona w kiloniutonach, a pole w milimetrach kwadratowych, przed obliczeniem wartości w MPa siłę należy przeliczyć na niutony. Naprężenie może być również podawane w paskalach lub funtach na cal kwadratowy (psi), jednak przeliczenie jednostek musi być przeprowadzone w sposób spójny.

Zastosowanie $A_0$ jest celowe. Podczas rozciągania próbki stalowej jej pole przekroju poprzecznego zwykle zmniejsza się wskutek skurczu sprężystego, a następnie odkształcenia plastycznego. Po rozpoczęciu lokalnego przewężenia zmniejszenie pola koncentruje się w mniejszym obszarze. Naprężenie nominalne nie przelicza mianownika w każdej chwili; nadal dzieli zmierzoną siłę przez pole istniejące przed obciążeniem. Konwencja ta zapewnia wspólny stan odniesienia dla każdego punktu wykresu.

Wynik ten nie jest taki sam jak naprężenie rzeczywiste. Naprężenie rzeczywiste wykorzystuje chwilowe pole przekroju, zwykle zapisywane jako ${\sigma }_t=F/A$, gdzie $A$ oznacza aktualne lokalne pole przekroju. W rezultacie krzywa nominalna może opadać po osiągnięciu maksymalnej siły, nawet gdy lokalne naprężenie w obszarze przewężenia nadal rośnie. Materiały laboratoryjne Massachusetts Institute of Technology z 2004 roku rozróżniają wytrzymałość na rozciąganie uzyskaną z nominalnej krzywej naprężenie–odkształcenie od rzeczywistej wytrzymałości na rozciąganie, która uwzględnia zmniejszenie pola przekroju.

Odkształcenie nominalne: wydłużenie podzielone przez początkową długość pomiarową

Odkształcenie nominalne jest zmianą długości pomiarowej podzieloną przez początkową długość pomiarową:

$${\epsilon }_e=\frac{L-L_0}{L_0}$$

Georgia Institute of Technology podaje równoważny zapis ${\epsilon }_e=(l-l_0)/l_0$. W tych równaniach $L_0$ lub $l_0$ oznacza początkową długość pomiarową, a $L$ lub $l$ — zmierzoną długość pomiarową podczas badania. Ich różnica, $L-L_0$, jest wydłużeniem.

Odkształcenie nie ma jednostki fizycznej, ponieważ jest ilorazem długości i długości. Zwykle zapisuje się je jako liczbę dziesiętną albo mnoży przez 100 i podaje w procentach. Wydłużenie wynoszące 0,25 mm przy początkowej długości pomiarowej równej 50,00 mm daje:

$${\epsilon }_e=\frac{0.25}{50.00}=0.005$$

czyli 0,5% odkształcenia nominalnego.

Początkowa długość pomiarowa pozostaje w mianowniku nawet po wydłużeniu próbki, ponieważ odkształcenie nominalne jest znormalizowaną zmianą odniesioną do geometrii początkowej. Dzięki temu podana wartość zależy od określonej długości pomiarowej, a nie wyłącznie od przemieszczenia trawersy maszyny. Wydłużenie o 2 mm oznacza odkształcenie wynoszące 4% na długości pomiarowej 50 mm, ale tylko 2% na długości 100 mm. Zatem wyników dotyczących wydłużenia nie można odpowiedzialnie porównywać, gdy definicje długości pomiarowej są różne.

Michigan Technological University definiuje odkształcenie nominalne jako przemieszczenie podzielone przez początkową długość pomiarową, natomiast naprężenie nominalne jako obciążenie podzielone przez początkowe pole przekroju poprzecznego. Definicje te są proste, ale można je odtworzyć tylko wtedy, gdy znane są $L_0$, $A_0$ oraz sposób pomiaru przemieszczenia.

Jednostki, wymiary próbki i przetwarzanie danych

Przetwarzanie danych rozpoczyna się przed pierwszym odczytem siły. Operator rejestruje typ próbki, jej szerokość, grubość lub średnicę oraz długość pomiarową, a następnie oblicza $A_0$ na podstawie określonych wymiarów. Maszyna wytrzymałościowa dostarcza wartości siły w funkcji czasu lub przemieszczenia. Ekstensometr, tensometr lub układ optyczny dostarcza wartości zmiany długości pomiarowej. Każdą zarejestrowaną parę wartości przelicza się z wykorzystaniem $F/A_0$ i $(L-L_0)/L_0$, uzyskując nominalną krzywą naprężenie–odkształcenie.

Znaczenie ma sposób pomiaru przemieszczenia. Przemieszczenie trawersy obejmuje odkształcenia w uchwytach, ramie maszyny i innych elementach, podczas gdy ekstensometr mierzy określony odcinek pomiarowy. Cyfrowa korelacja obrazów może optycznie mierzyć przemieszczenie i lokalne pola odkształceń. Badania stali ASTM A1008 przeprowadzone przez NIST obejmowały średnie szybkości odkształcenia ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ i ${10}^{-1}{\text{s}}^{-1}$, przy czym do pomiaru przemieszczenia i odkształcenia wykorzystano cyfrową korelację obrazów. Otrzymana krzywa jest zatem związana zarówno z szybkością obciążania, jak i z metodą pomiaru.[1][1] Standard Specification for Tension Testing of Metallic Materials. ASTM International. ASTM International standard, 2021.[2][2] Metallic materials — Tensile testing — Part 1: Method of test at room temperature. International Organization for Standardization. ISO standard, 2019.[3][3] Properties of Metals. U.S. Department of Energy. DOE Fundamentals Handbook reference.

ASTM E8/E8M-21 obejmuje badania metali w warunkach rozciągania w temperaturze pokojowej oraz odnosi się do granicy plastyczności, wydłużenia w punkcie plastyczności, wytrzymałości na rozciąganie, wydłużenia i przewężenia. Norma ISO 6892-1:2019 również określa badania metali w warunkach rozciągania w temperaturze pokojowej oraz uzyskiwane w ich wyniku właściwości mechaniczne. Normy te definiują więcej niż same równania: regulują geometrię próbki, osiowość, długość pomiarową, szybkość obciążania i procedury raportowania. Typowa krzywa dla stali konstrukcyjnej przedstawiona przez U.S. Department of Energy zawiera oznaczenia granicy proporcjonalności, granicy plastyczności, wytrzymałości maksymalnej i punktu pęknięcia, jednak każde z tych oznaczeń zależy od opisanego wcześniej procesu pomiaru i przetwarzania danych. Odtwarzalność krzywej jest ograniczona do poziomu odtwarzalności wymiarów i metod, które leżą u podstaw jej osi.

Odczytywanie inżynierskiej krzywej naprężenie–odkształcenie

Krzywa rozciągania jest zapisem reakcji określonej próbki na narastające obciążenie. Nie stanowi uniwersalnego rankingu gatunków stali. Uzyskany wynik zależy od kształtu próbki, początkowego pola przekroju, długości pomiarowej, szybkości obciążania, zastosowanej metody pomiaru za pomocą ekstensometru lub przemieszczenia, normy badania oraz przyjętej konwencji obliczania naprężenia i odkształcenia.

W przypadku inżynierskiej krzywej naprężenie–odkształcenie naprężenie inżynierskie wynosi

$${\sigma }_{\mathrm{eng}}=\frac{F}{A_0}$$

gdzie $F$ jest przyłożonym obciążeniem, a $A_0$ — początkowym polem przekroju próbki. Odkształcenie inżynierskie wynosi

$${\epsilon }_{\mathrm{eng}}=\frac{L-L_0}{L_0}$$

gdzie $L_0$ jest początkową długością pomiarową, a $L$ — zmierzoną długością pomiarową podczas obciążania. Definicje te podano w materiałach dydaktycznych Michigan Technological University oraz Georgia Institute of Technology. Ponieważ początkowe pole i długość pozostają w mianownikach, krzywa nie przedstawia bezpośrednio zmieniającego się miejscowego naprężenia i odkształcenia po rozpoczęciu przewężania próbki.

ASTM E8/E8M-21 obejmuje badania rozciągania materiałów metalicznych w temperaturze pokojowej oraz wyznaczanie granicy plastyczności, wydłużenia w punkcie płynięcia, wytrzymałości na rozciąganie, wydłużenia i zmniejszenia pola przekroju. ISO 6892-1:2019 określa metodę badania rozciągania w temperaturze pokojowej oraz definiuje właściwości mechaniczne, które można za jej pomocą wyznaczyć. Krzywą należy zatem analizować łącznie z dokumentacją badania, a nie w oderwaniu od niej.

Odpowiedź sprężysta i granica proporcjonalności

W punkcie początkowym zarówno obciążenie, jak i odkształcenie wynoszą zero. W pierwszej części krzywej naprężenie wzrasta w przybliżeniu proporcjonalnie do odkształcenia. Jeżeli w tym obszarze usunie się obciążenie, próbka powraca do pierwotnych wymiarów, z wyjątkiem niewielkich błędów doświadczalnych. Jest to odkształcenie sprężyste: wiązania atomowe ulegają przemieszczeniu, lecz w materiale nie powstała trwała zmiana kształtu.

Nachylenie tego początkowego odcinka prostoliniowego jest modułem Younga $E$:

$$E=\frac{\Delta \sigma }{\Delta \epsilon }$$

W przypadku stali badanej w zwykłych warunkach nachylenie to zazwyczaj wynosi około 200 GPa, choć zmierzona wartość może zależeć od ustawienia próbki, dokładności ekstensometru, temperatury oraz wybranego zakresu danych. Nie należy go mylić z granicą plastyczności. Moduł opisuje sztywność, natomiast granica plastyczności opisuje naprężenie związane z początkiem odkształcenia plastycznego lub z jego określoną wartością.

DOE Fundamentals Handbook określa koniec ściśle liniowej części jako granicę proporcjonalności. Za tym punktem krzywa może nadal wykazywać częściowo sprężysty charakter, lecz nie jest już dokładnie proporcjonalna. Próbka odciążona nieco powyżej granicy proporcjonalności może odzyskać większość odkształcenia, zachowując jednak niewielkie trwałe wydłużenie. Po rozpoczęciu odkształcenia plastycznego odkształcenie całkowite można przedstawić jako sumę odkształcenia sprężystego i plastycznego:

$${\epsilon }_{\mathrm{total}}={\epsilon }_{\mathrm{elastic}}+{\epsilon }_{\mathrm{plastic}}$$

Rozróżnienie to ma znaczenie przy interpretacji wydłużenia. Odkształcenie widoczne na maszynie wytrzymałościowej jest odkształceniem całkowitym; podczas odciążania zanika wyłącznie jego składowa sprężysta.

Granica plastyczności i wydłużenie w punkcie płynięcia

Płynięcie oznacza przejście do znacznego płynięcia plastycznego. W przypadku stali z wyraźnym punktem płynięcia krzywa może wzrosnąć do górnej granicy plastyczności, opaść do dolnej granicy plastyczności, a następnie przebiegać przez względnie płaski obszar. Związane z tym wydłużenie nazywa się wydłużeniem w punkcie płynięcia. Próbka nadal się wydłuża, podczas gdy naprężenie inżynierskie zmienia się nieznacznie, a pasma Lüdersa mogą rozprzestrzeniać się na całej długości pomiarowej.

Zachowanie to jest często związane z niektórymi stalami niskowęglowymi, w tym z określonymi wyrobami blaszanymi i konstrukcyjnymi, lecz nie należy zakładać jego występowania dla każdego gatunku stali ani dla każdego protokołu badania. Stal wykazująca ciągłe płynięcie może nie mieć wyraźnej górnej ani dolnej granicy plastyczności. Zgniot, historia wyżarzania, węgiel i azot międzywęzłowy, starzenie, geometria próbki oraz szybkość odkształcania mogą zmieniać cechę związaną z punktem płynięcia lub powodować jej zanik.

Jeżeli nie można zmierzyć wyraźnego punktu płynięcia, norma może określać metodę przesunięcia. Znane naprężenie umownej granicy plastyczności przy odkształceniu trwałym 0,2% uzyskuje się przez poprowadzenie linii równoległej do początkowego odcinka sprężystego, przesuniętej o odkształcenie równe 0,002; punkt jej przecięcia z krzywą wyznacza raportowaną wartość. Określeń „granica plastyczności” i „naprężenie umownej granicy plastyczności przy odkształceniu trwałym 0,2%” nie należy traktować jako zamiennych, chyba że właściwa norma i sprawozdanie jasno wskazują taką odpowiedniość. Raport National Bureau of Standards dotyczący naprężeń umownej granicy plastyczności w stalach nierdzewnych i metalach nieżelaznych dokumentuje wpływ wcześniejszego odkształcenia plastycznego, przerw w badaniu, naprężeń wewnętrznych i umocnienia przez zgniot na takie pomiary.

Po osiągnięciu granicy plastyczności narasta odkształcenie plastyczne. Odciążenie w dowolnym punkcie powoduje sprężysty powrót, lecz próbka pozostaje dłuższa, a po dostatecznym obciążeniu także węższa niż początkowo. Ponowne obciążenie może przebiegać po przesuniętej ścieżce wskutek umocnienia przez zgniot.

Wytrzymałość na rozciąganie, przewężenie i pękanie

Po wydłużeniu w punkcie płynięcia — lub w przypadku ciągłego płynięcia, gdy nie występuje plateau — krzywa na ogół ponownie wzrasta, ponieważ umocnienie odkształceniowe zwiększa naprężenie wymagane do dalszego odkształcenia plastycznego. Najwyższe naprężenie inżynierskie stanowi wytrzymałość na rozciąganie (UTS), określaną w DOE Fundamentals Handbook jako wytrzymałość graniczna. Oblicza się ją z wykorzystaniem początkowego pola $A_0$, mimo że próbka uległa już wydłużeniu, a jej przekrój zmienił się.

W punkcie UTS zwykle rozpoczyna się odkształcenie miejscowe. W odcinku pomiarowym powstaje przewężenie, skupiające odkształcenie w mniejszym obszarze. Rzeczywiste pole przekroju w przewężeniu szybko się zmniejsza, dlatego miejscowe naprężenie rzeczywiste może nadal wzrastać, nawet gdy krzywa inżynierska opada. Opadająca gałąź nie oznacza zatem, że miejscowe naprężenie oporu materiału po prostu zanikło; odzwierciedla ona wykorzystanie początkowego pola w obliczeniach naprężenia inżynierskiego.

Materiały dydaktyczne MIT z 2004 r. dotyczące laboratorium materiałów budowlanych i konstrukcyjnych rozróżniają wytrzymałość na rozciąganie odczytywaną z krzywej inżynierskiej od rzeczywistej wytrzymałości na rozciąganie, która uwzględnia zmniejszenie pola przekroju. Rozróżnienie to jest szczególnie istotne przy porównywaniu ciągliwych stali o różnych długościach pomiarowych lub różnych wartościach zmniejszenia pola przekroju.

Ostatnim punktem jest pękanie, wskazywane przez DOE Fundamentals Handbook po obszarze przewężenia. Raportowane wydłużenie i zmniejszenie pola przekroju silnie zależą od długości pomiarowej, geometrii próbki, położenia pęknięcia oraz sposobu ponownego dopasowania przełamanych części. Na przykład w doświadczeniu Syracuse University dotyczącym stali węglowej 1018 wykorzystano płaskie próbki do rozciągania zgodne z ASTM w celu wyznaczenia naprężenia plastyczności, naprężenia maksymalnego i naprężenia przy zerwaniu; wartości te opisują określoną konfigurację badania, a nie abstrakcyjną właściwość zależną wyłącznie od gatunku.

Szybkość odkształcania i metoda pomiaru również zmieniają krzywą. NIST przedstawił wyniki badań stali ASTM A1008 przy średnich szybkościach odkształcania ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ i ${10}^{-1}{\mathrm{s}}^{-1}$, wykorzystując cyfrową korelację obrazu do pomiaru przemieszczenia i odkształcenia. NIST opublikował również krzywe uzyskane przy dużych szybkościach odkształcania dla stali na słupy obwodowe o określonej granicy plastyczności wynoszącej 50 ksi. Krzywych uzyskanych w tych warunkach nie należy bezpośrednio porównywać z wynikami powolnego badania w temperaturze pokojowej, opartego na pomiarze ekstensometrem, bez uprzedniego sprawdzenia normy i definicji.

Granica plastyczności, naprężenie odpowiadające trwałemu odkształceniu i znaczenie terminu „uplastycznienie”

„Yield” nie oznacza jednej uniwersalnej cechy każdej krzywej naprężenie–odkształcenie dla stali. Opisuje przejście od odkształcenia w przeważającej mierze odwracalnego do odkształcenia, które pozostaje po odciążeniu, jednak podana wartość zależy od tego, jak to przejście się ujawnia oraz jakiej reguły wymaga norma badawcza. ASTM E8/E8M-21 obejmuje badania metali na rozciąganie w temperaturze pokojowej oraz wyznaczanie granicy plastyczności, wydłużenia w punkcie plastyczności, wytrzymałości na rozciąganie, wydłużenia i przewężenia. ISO 6892-1:2019 określa porównywalną metodę badania na rozciąganie w temperaturze pokojowej, jednak definicje i wymagania dotyczące raportowania nadal należy odczytywać z właściwej normy, a nie wyprowadzać na podstawie znajomego wykresu.

Typowe wielkości inżynierskie już same narzucają określoną konwencję. Naprężenie inżynierskie wynosi $F/A_0$, gdzie $F$ jest siłą, a $A_0$ początkowym polem przekroju poprzecznego próbki; odkształcenie inżynierskie wynosi $(l-l_0)/l_0$ i opiera się na początkowej długości pomiarowej $l_0$. Michigan Technological University i Georgia Tech opisują te definicje. Podana granica plastyczności dotyczy zatem próbki, geometrii, definicji długości pomiarowej, prędkości obciążania, układu pomiarowego i określonej interpretacji, a nie abstrakcyjnej krzywej oderwanej od badania.

Zjawisko punktu plastyczności a zdefiniowana granica plastyczności

Niektóre stale niskowęglowe wykazują wyraźne zjawisko punktu plastyczności. Krzywa osiąga górną granicę plastyczności, następnie opada i przechodzi w stosunkowo płaski zakres odkształcenia plastycznego. Podczas tego wydłużenia wzdłuż długości pomiarowej mogą przemieszczać się pasma Lüdersa. W takim przypadku materiał zdaje się „uplastyczniać” w wyniku rozpoznawalnego zdarzenia, dlatego zgodnie z właściwą metodą można podać górną lub dolną granicę plastyczności, wydłużenie w punkcie plastyczności oraz wielkości pokrewne.

Inne stale nie wykazują gwałtownego spadku obciążenia. Stale nierdzewne, wiele gatunków stali o podwyższonej wytrzymałości oraz stale badane w innych warunkach mogą przechodzić stopniowo od odkształcenia sprężystego do plastycznego. Nie ma jednej uzasadnionej podstawy do wybrania pojedynczego punktu wyłącznie przez poszukiwanie załamania krzywej. Granica proporcjonalności, wyznaczająca koniec ścisłej proporcjonalności między naprężeniem a odkształceniem, również nie jest automatycznie granicą plastyczności. U.S. Department of Energy w podręczniku Fundamentals Handbook umieszcza granicę proporcjonalności, granicę plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie i punkt pęknięcia na typowej inżynierskiej krzywej dla stali konstrukcyjnej, lecz etykiety te oznaczają odrębne właściwości.

Rozróżnienie to ma znaczenie, ponieważ krzywa może wyglądać gładko, a mimo to prowadzić do formalnie zdefiniowanej wartości granicy plastyczności. ASTM E8/E8M-21 dopuszcza raportowanie oparte na zjawisku punktu plastyczności, gdy zjawisko to występuje, oraz określa procedury stosowane w przypadku jego braku. ISO 6892-1:2019 również definiuje właściwości mechaniczne możliwe do uzyskania w badaniu, jednak jego metoda i wybrany parametr kontrolują wynik. Sam wykres nie pozwala ustalić, którą definicję zastosowano.

Naprężenie odpowiadające trwałemu odkształceniu i konstrukcje z przesunięciem

Naprężenie odpowiadające trwałemu odkształceniu zapewnia powtarzalny odpowiednik w sytuacji, gdy nie występuje wyraźny punkt plastyczności. W badaniu rejestruje się krzywą obciążania, a następnie określa naprężenie wywołujące po odciążeniu określone odkształcenie trwałe. Typową konstrukcją jest metoda przesunięcia o 0,2%: od odkształcenia wynoszącego 0,002 prowadzi się linię równoległą do początkowego nachylenia sprężystego, a jej przecięcie z krzywą wyznacza naprężenie odpowiadające trwałemu odkształceniu 0,2%, często oznaczane $R_{p0.2}$ w notacji stosowanej w normach ISO. Dokładny symbol, wartość przesunięcia, sposób wyznaczania nachylenia oraz procedura akceptacji zależą od normy i specyfikacji materiałowej.

Jest to konstrukcja obliczeniowa, a nie nagłe zdarzenie fizyczne występujące dokładnie przy odkształceniu 0,2%. Naprężenie odpowiadające trwałemu odkształceniu 0,2% oraz dolna granica plastyczności odpowiadają na różne pytania. Pierwsze określa, jakie naprężenie odpowiada zdefiniowanemu kryterium odkształcenia resztkowego; drugie identyfikuje cechę zaobserwowanej odpowiedzi materiału na obciążenie. Nazywanie obu tych wielkości po prostu „granicą plastyczności” może ukrywać tę różnicę.

Raport National Bureau of Standards dotyczący naprężeń odpowiadających trwałym odkształceniom w stalach nierdzewnych i metalach nieżelaznych pokazuje, dlaczego wyniki tego rodzaju wymagają starannej interpretacji. Wcześniejsze odkształcenie plastyczne może zmienić późniejszą krzywą obciążania, a próbka pozostawiona na pewien czas przed ponownym obciążeniem może wykazać inne naprężenie odpowiadające trwałemu odkształceniu niż próbka badana bez przerwy. Na pozorny początek odkształcenia trwałego wpływa również naprężenie wewnętrzne: resztkowe naprężenia rozciągające i ściskające mogą sprawić, że w jednym kierunku uplastycznienie rozpocznie się wcześniej niż w drugim. Podane naprężenie odpowiadające trwałemu odkształceniu jest zatem zależne od historii próbki, a nie wyłącznie od składu stopu.

Wybory dotyczące pomiaru dodają kolejną warstwę złożoności. W badaniach NIST zgodnych z ASTM A1008 zastosowano średnie prędkości odkształcenia ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ i ${10}^{-1}{\text{s}}^{-1}$, a do pomiaru przemieszczenia i odkształcenia wykorzystano cyfrową korelację obrazu. Są to zasadniczo różne badania, nawet gdy nominalny gatunek materiału pozostaje taki sam. Odczyt przemieszczenia trawersy może obejmować podatność maszyny i uchwytów, podczas gdy ekstensometr zamocowany na bazie pomiarowej lub system cyfrowej korelacji obrazu mierzy inną wielkość.

Umocnienie odkształceniowe, przerwy odpoczynkowe i naprężenie wewnętrzne

Po początkowym płynięciu plastycznym stal zazwyczaj ulega umocnieniu odkształceniowemu: dalsze odkształcenie plastyczne wymaga zwiększającego się naprężenia, ponieważ wzajemne oddziaływania dyslokacji zwiększają opór przeciw odkształceniu. Dlatego krzywa wznosi się po plateau granicy plastyczności lub po przecięciu odpowiadającym naprężeniu trwałego odkształcenia. Wznoszenie to nie stanowi kolejnego punktu plastyczności. Jest ono zmianą naprężenia płynięcia materiału, którego mikrostruktura i stan naprężeń wewnętrznych uległy już zmianie.

Po odciążeniu umocnionej odkształceniowo próbki część jej odkształcenia ulega odzyskaniu, lecz odkształcenie plastyczne pozostaje. Ponowne obciążenie może przebiegać po przesuniętej ścieżce sprężystej i prowadzić do wyższego pozornego naprężenia odpowiadającego trwałemu odkształceniu. Przerwa odpoczynkowa może umożliwić procesy zdrowienia lub zmiany związane ze starzeniem odkształceniowym, dlatego późniejsza odpowiedź materiału nie musi odpowiadać odpowiedzi przy natychmiastowym ponownym obciążeniu. Raport National Bureau of Standards dotyczący naprężeń odpowiadających trwałym odkształceniom traktuje te efekty jako podstawowe zmienne eksperymentalne, a nie drobne zakłócenia.

Dlatego stwierdzenie, że „stal A ma wyższą granicę plastyczności niż stal B”, ma znaczenie tylko wtedy, gdy obie wartości uzyskano przy zastosowaniu tej samej normy badawczej, temperatury, prędkości odkształcenia, geometrii próbki, definicji długości pomiarowej i kryterium granicy plastyczności. Na przykład raport NIST dotyczący stali konstrukcyjnej przedstawia krzywe przy dużych prędkościach odkształcenia dla stali na słupy obwodowe o określonej granicy plastyczności wynoszącej 50 ksi; oznaczenie to nie sprawia, że wartość ta jest wymienna z naprężeniem odpowiadającym trwałemu odkształceniu 0,2% uzyskanym w badaniu prowadzonym powoli. Granica plastyczności jest zdefiniowaną wielkością raportowaną, zastosowaną do zmierzonej odpowiedzi materiału. Bez obu tych elementów liczba jest niepełna.

Krzywe inżynierskie a rzeczywiste krzywe naprężenie–odkształcenie

Wykres z próby rozciągania nie przedstawia jednej, samoistnie oczywistej właściwości materiału. Jego kształt zależy częściowo od tego, w jaki sposób siła, wydłużenie i wymiary próbki są przeliczane na naprężenie i odkształcenie. Norma ASTM E8/E8M-21 obejmuje badanie materiałów metalowych w warunkach rozciągania w temperaturze pokojowej oraz wyznaczanie granicy plastyczności, wydłużenia w punkcie płynięcia, wytrzymałości na rozciąganie, wydłużenia i przewężenia. Norma ISO 6892-1:2019 określa porównywalną metodę badania materiałów metalowych w warunkach rozciągania w temperaturze pokojowej oraz definiuje uzyskiwane na jej podstawie właściwości mechaniczne. Żadna z tych norm nie eliminuje konieczności określenia, przy użyciu której konwencji naprężenie–odkształcenie przedstawiono wyniki.

Naprężenie inżynierskie oblicza się jako iloraz przyłożonej siły i początkowego pola przekroju poprzecznego próbki:

$${\sigma }_{\mathrm{eng}}=\frac{F}{A_0}$$

Odkształcenie inżynierskie wykorzystuje początkową długość pomiarową:

$${\epsilon }_{\mathrm{eng}}=\frac{L-L_0}{L_0}$$

Definicje te są przedstawiane w materiałach dydaktycznych Michigan Technological University i Georgia Tech, gdzie Georgia Tech zapisuje naprężenie inżynierskie jako $F/A_0$, a odkształcenie inżynierskie jako $(l-l_0)/l_0$. Podczas próby próbka może stać się znacznie cieńsza i dłuższa, ale w obliczeniach inżynierskich nadal wykorzystuje się $A_0$ i $L_0$. Takie podejście ułatwia porównywanie wyników, pod warunkiem że podane zostaną również geometria próbki, długość pomiarowa, norma i procedura badania.

Dlaczego naprężenie inżynierskie może spadać po rozpoczęciu tworzenia się przewężenia

Przed rozpoczęciem tworzenia się przewężenia odkształcenie jest w przybliżeniu jednorodne na całej długości pomiarowej. Cały odcinek pomiarowy o zmniejszonym przekroju przenosi obciążenie, a umocnienie odkształceniowe może zwiększać siłę wymaganą do dalszego wydłużania. Na krzywej inżynierskiej powoduje to wzrost naprężenia po przekroczeniu granicy plastyczności aż do osiągnięcia przez obciążenie wartości maksymalnej. Podzielenie tego maksymalnego obciążenia przez $A_0$ daje inżynierską wytrzymałość na rozciąganie, często nazywaną wytrzymałością na rozciąganie lub wytrzymałością maksymalną.

Tworzenie się przewężenia zmienia sposób odkształcania. Lokalny obszar zaczyna kurczyć się szybciej niż pozostała część długości pomiarowej, tworząc w przewężeniu mniejsze pole przekroju poprzecznego. Od tego momentu próbka nie odkształca się już jednorodnie. Umocnienie odkształceniowe nadal zwiększa lokalne naprężenie płynięcia, lecz zmniejszające się pole przekroju może powodować spadek całkowitego obciążenia szybszy niż wzrost naprężenia potrzebnego do dalszego odkształcania materiału wskutek umocnienia. Ponieważ maszyna wytrzymałościowa rejestruje obciążenie, a naprężenie inżynierskie jest po prostu obciążeniem podzielonym przez niezmienne $A_0$, przedstawione na wykresie naprężenie inżynierskie spada.

Spadek ten nie oznacza, że odkształcanie ustało ani że materiał nagle utracił całą odporność na lokalne płynięcie plastyczne. Oznacza, że zmniejszyło się całkowite obciążenie przenoszone przez próbkę. Materiał znajdujący się lokalnie wewnątrz przewężenia może nadal doświadczać wzrostu naprężenia i odkształcenia. U.S. Department of Energy Fundamentals Handbook wskazuje granicę proporcjonalności, granicę plastyczności, wytrzymałość maksymalną i punkt pęknięcia na typowej inżynierskiej krzywej naprężenie–odkształcenie dla stali konstrukcyjnej; opadająca gałąź między wytrzymałością maksymalną a pęknięciem jest zatem cechą wybranego sposobu przedstawienia wyników, a nie bezpośrednią mapą jednorodnego zachowania materiału w każdym miejscu próbki.

Rozróżnienie to ma znaczenie przy porównywaniu gatunków materiału lub badań. Stal o większej inżynierskiej wytrzymałości na rozciąganie nie musi automatycznie przenosić większego naprężenia lokalnego na każdym etapie odkształcania po rozpoczęciu przewężenia. Wynik zależy również od początkowego pola przekroju, kształtu próbki, długości pomiarowej, prędkości obciążania, osiowości oraz miejsca, w którym mierzone jest odkształcenie.

Chwilowe pole przekroju i naprężenie rzeczywiste

Naprężenie rzeczywiste wykorzystuje pole przekroju przenoszące obciążenie w danej chwili:

$${\sigma }_{\mathrm{true}}=\frac{F}{A_i}$$

gdzie $A_i$ jest chwilowym polem przekroju poprzecznego. Odkształcenie rzeczywiste definiuje się zazwyczaj przez całkowanie przyrostowego wydłużenia względem aktualnej długości:

$${\epsilon }_{\mathrm{true}}=\ln \left(\frac{L}{L_0}\right)$$

W przypadku jednorodnego odkształcenia wielkości inżynierskie i rzeczywiste można powiązać za pomocą zależności:

$${\sigma }_{\mathrm{true}}={\sigma }_{\mathrm{eng}}(1+{\epsilon }_{\mathrm{eng}})$$

oraz

$${\epsilon }_{\mathrm{true}}=\ln (1+{\epsilon }_{\mathrm{eng}})$$

Przeliczenia te są użyteczne tylko wtedy, gdy odkształcenie pozostaje wystarczająco jednorodne i spełnione są wymagane założenia. Nie stanowią one uniwersalnej korekty dla każdego punktu po rozpoczęciu przewężenia.[4][4] Civil Engineering Materials Laboratory: Laboratory 2. Massachusetts Institute of Technology. MIT OpenCourseWare laboratory material, 2004.

Materiał referencyjny MIT z 2004 r., dotyczący laboratorium materiałów inżynierii lądowej, wyraźnie rozróżnia wytrzymałość na rozciąganie wyznaczaną z inżynierskiej krzywej naprężenie–odkształcenie od rzeczywistej wytrzymałości na rozciąganie, która uwzględnia zmniejszenie pola przekroju. Różnica może być duża w pobliżu pęknięcia, ponieważ lokalne pole przekroju w przewężeniu może być znacznie mniejsze niż $A_0$. Jeśli na początkowe pole przekroju $100{\text{mm}}^2$ działa siła 20 kN, naprężenie inżynierskie wynosi 200 MPa. Jeśli rzeczywiste pole przekroju przewężenia w tej chwili wynosi $50{\text{mm}}^2$, nominalne lokalne naprężenie rzeczywiste obliczone na podstawie tego pola wynosi 400 MPa. Obie wartości opisują tę samą siłę, lecz opierają się na różnych definicjach pola przekroju.

Pomiar $A_i$ nie jest prosty. Ekstensometr może mierzyć średnie wydłużenie na długości pomiarowej, podczas gdy cyfrowa korelacja obrazu może odwzorowywać lokalne pola przemieszczeń i odkształceń. W ramach prac dotyczących stali ASTM A1008 NIST przeprowadził badania przy średnich prędkościach odkształcenia wynoszących ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ i ${10}^{-1}{\text{s}}^{-1}$, wykorzystując cyfrową korelację obrazu do pomiaru przemieszczeń i odkształcenia. Pozorna krzywa odzwierciedla zatem zarówno reakcję materiału, jak i wybraną metodę pomiaru oraz prędkość odkształcenia.

Odkształcenie jednorodne, przewężenie i interpretacja po przewężeniu

Konwencjonalne przeliczenie danych inżynierskich na rzeczywiste dane naprężenie–odkształcenie jest najbardziej uzasadnione w zakresie odkształcenia jednorodnego i do momentu rozpoczęcia tworzenia się przewężenia. Maksymalne obciążenie inżynierskie wyznacza zwykle początek rozproszonego przewężenia podczas rozciągania, choć lokalne zachowanie i struktura materiału mogą komplikować tę interpretację. Przed tym punktem jedno pole przekroju i jeden pomiar długości pomiarowej mogą w uzasadniony sposób reprezentować znaczną część aktywnej próbki.

Po rozpoczęciu przewężenia pole odkształcenia staje się silnie zlokalizowane. Przekrój poprzeczny zmienia się wzdłuż przewężenia, na powierzchni pojawia się krzywizna, a stan naprężenia nie jest już czysto jednoosiowy. Materiał w pobliżu przewężenia może doświadczać naprężeń poprzecznych oprócz naprężenia osiowego. W konsekwencji pomnożenie naprężenia inżynierskiego przez $1+{\epsilon }_{\mathrm{eng}}$ po osiągnięciu maksymalnego obciążenia nie odtwarza wiarygodnej lokalnej krzywej naprężenie rzeczywiste–odkształcenie.

Przeliczenie po rozpoczęciu przewężenia wymaga odpowiednich lokalnych danych dotyczących geometrii i odkształcenia, na przykład zmieniającej się minimalnej średnicy lub pola przekroju przewężenia, lokalnych pomiarów odkształcenia, a w razie potrzeby także korekty uwzględniającej krzywiznę przewężenia i wynikający z niej trójosiowy stan naprężenia. Pomiar pola przekroju w miejscu pęknięcia może wspierać obliczenia przewężenia, lecz nie odtwarza całej historii odkształcania po rozpoczęciu przewężenia. Bezkrytyczne stosowanie równań dla odkształcenia jednorodnego może zatem prowadzić do przypisania fizycznie mylących wartości opadającej gałęzi krzywej.

W sprawozdaniach należy określić, czy krzywe mają charakter inżynierski, czy rzeczywisty, w jaki sposób mierzono pole przekroju i odkształcenie oraz w którym miejscu przewężenie unieważnia założenia o jednorodności. Precyzja ta jest szczególnie ważna przy porównywaniu typowych wyników w temperaturze pokojowej z danymi uzyskanymi przy dużych prędkościach odkształcenia; przykładowo sprawozdanie NIST dotyczące stali konstrukcyjnej przedstawia krzywe dla dużych prędkości odkształcenia dla stali na słupy obwodowe o określonej granicy plastyczności wynoszącej 50 ksi. Etykieta krzywej to dopiero początek. Jej definicje oraz warunki badania decydują o znaczeniu przedstawionych liczb.

Jak szybkość odkształcenia zmienia raportowaną odpowiedź stali

Szybkość odkształcenia to szybkość, z jaką odkształcana jest próbka rozciągana, zwykle wyrażana w sekundach odwrotnych (s⁻¹). W każdym opisie badania należy ją podawać obok gatunku stali, geometrii próbki, temperatury oraz konwencji naprężenie–odkształcenie. Krzywa zmierzona przy ${10}^{-5}{\text{s}}^{-1}$ nie jest automatycznie porównywalna z krzywą zmierzoną przy ${10}^{-1}{\text{s}}^{-1}$, nawet jeśli obie próbki pochodziły z tego samego wytopu stali.

Przyczyna jest zarówno fizyczna, jak i proceduralna. Odkształcenie plastyczne wymaga przemieszczania się dyslokacji, a ich ruch zależy od czasu dostępnego na pokonanie przeszkód, powstanie lokalnych koncentracji naprężeń oraz rozprzestrzenienie się odkształcenia na długości pomiarowej. W związku z tym raportowana krzywa może zmieniać się w zakresie płynięcia, w nachyleniu po przekroczeniu granicy plastyczności, w zakresie wytrzymałości na rozciąganie oraz w pozornej ciągliwości. Wielkość każdej z tych zmian należy ustalić dla danego materiału i warunków badania; nie należy traktować jej jako uniwersalnego odsetka odnoszącego się do wszystkich stali.

Seria badań szybkości odkształcenia NIST dla ASTM A1008

NIST badał stal ASTM A1008 przy średnich szybkościach odkształcenia wynoszących 10^-5, 10^-3 oraz 10^-1 s^-1. Strong evidence

Badanie przeprowadzone przez National Institute of Standards and Technology przedstawia to porównanie na konkretnym przykładzie stali ASTM A1008. Badania wykonano przy średnich szybkościach odkształcenia wynoszących ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ oraz ${10}^{-1}{\text{s}}^{-1}$. Szybkości te obejmują cztery rzędy wielkości, choć oznaczenia badań wskazują na trzy dyskretne warunki, a nie na ciągłe prawo materiałowe. Uzyskane dane pokazują, dlaczego podpis pod krzywą, który pomija szybkość odkształcenia, jest niekompletny.

Najwolniejszy wariant odpowiada odkształceniu narastającemu przez stosunkowo długi czas, podczas gdy ${10}^{-1}{\text{s}}^{-1}$ oznacza znacznie szybsze odkształcanie. Zmiana nie ogranicza się jedynie do przesunięcia wykresu w poziomie. Początek uplastycznienia i późniejsza odpowiedź podczas płynięcia mogą ulec przesunięciu, a kształt krzywej może się zmienić w miarę lokalizowania się odkształcenia plastycznego. Wartość granicy plastyczności uzyskana przy jednej szybkości może zatem różnić się od wartości otrzymanej przy innej szybkości, nawet jeśli zastosowano te same obliczenia naprężenia inżynierskiego.

NIST zastosował również cyfrową korelację obrazów (DIC) do pomiaru przemieszczenia i odkształcenia. Ten szczegół ma znaczenie. Sygnał przemieszczenia trawersy obejmuje podatność maszyny i może uwzględniać odkształcenie poza zamierzoną długością pomiarową; DIC umożliwia pomiar lokalnego przemieszczenia powierzchni i ujawnienie koncentracji odkształcenia. Dwa laboratoria mogą zatem raportować różniące się wyglądem krzywe odkształcenia, ponieważ mierzyły różne wielkości fizyczne, a nie dlatego, że stal zachowywała się odmiennie.

Zwyczajowe definicje inżynierskie nadal pozostają istotne. Naprężenie inżynierskie jest ilorazem siły i początkowego pola przekroju poprzecznego próbki, $F/A_0$, natomiast odkształcenie inżynierskie jest ilorazem zmiany długości pomiarowej i jej wartości początkowej, $(l-l_0)/l_0$, zgodnie z opisem Georgia Tech i Michigan Technological University. Definicje te nie eliminują zależności od szybkości odkształcenia. Ustalają jedynie sposób przekształcania zmierzonej siły i przemieszczenia na współrzędne przedstawiane na wykresie.

Wrażliwość na szybkość odkształcenia w zakresie uplastycznienia i płynięcia

Uplastycznienie jest szczególnie wrażliwe na sposób przeprowadzenia i interpretacji badania. Norma ASTM E8/E8M-21 obejmuje badania rozciągania w temperaturze pokojowej oraz wyznaczanie granicy plastyczności, wydłużenia w punkcie płynięcia, wytrzymałości na rozciąganie, wydłużenia i przewężenia. Wartość granicy plastyczności może być wyznaczana na podstawie wyraźnego punktu płynięcia, płaskiego odcinka płynięcia lub metody odkształcenia przesuniętego, zależnie od odpowiedzi materiału i procedury raportowania. Jeżeli szybkość odkształcenia zmienia przejście od odkształcenia sprężystego do plastycznego, wybrana miara granicy plastyczności może się zmienić jeszcze przed uwzględnieniem dalszego przebiegu krzywej płynięcia.

Po uplastycznieniu szybkość odkształcenia może wpływać na naprężenie wymagane do podtrzymania płynięcia plastycznego. W szybszym badaniu próbka może wymagać większego naprężenia przy danym odkształceniu plastycznym niż w badaniu wolniejszym. Stwierdzenie to opisuje rodzaj odpowiedzi analizowanej w serii NIST dotyczącej ASTM A1008, a nie stałą regułę obowiązującą dla każdego gatunku stali, każdej temperatury czy każdego przedziału szybkości. Wpływ może również różnić się w zależności od miejsca na krzywej: niewielka zmiana w pobliżu granicy plastyczności nie pozwala przewidzieć zmiany w zakresie jednorodnego płynięcia, tworzenia się szyjki ani odkształcenia przy pękaniu.

Kolejnym źródłem pozornej wrażliwości na szybkość odkształcenia jest miejsce pomiaru. Jeżeli odkształcenie uśrednia się na długiej długości pomiarowej, lokalna szyjka może zostać „rozmyta” w raportowanej wartości odkształcenia. Jeżeli DIC śledzi mniejszy obszar, lokalizacja odkształcenia pojawia się wcześniej i jest silniej zaznaczona. Naprężenie inżynierskie wykorzystuje również początkowe pole przekroju, dlatego nie pokazuje chwilowej utraty pola przekroju podczas tworzenia się szyjki. MIT odróżnia tę inżynierską wytrzymałość na rozciąganie od rzeczywistej wytrzymałości na rozciąganie, która uwzględnia zmniejszenie pola przekroju. Szybkość odkształcenia, definicję odkształcenia i konwencję dotyczącą pola przekroju należy zatem analizować łącznie.

Badania quasi-statyczne a dane uzyskane przy dużych szybkościach odkształcenia

Większość zwykłych badań rozciągania w temperaturze pokojowej ma charakter quasi-statyczny. ASTM E8/E8M-21 oraz ISO 6892-1:2019 definiują metody badań materiałów metalowych w temperaturze pokojowej, jednak zastosowanie metody znormalizowanej nie sprawia, że każdy wynik jest niezależny od szybkości odkształcenia. Na raportowaną odpowiedź nadal wpływają prędkość badania, metoda sterowania szybkością odkształcenia, długość pomiarowa, układ ekstensometryczny lub DIC oraz wybrana definicja właściwości.

Badania konstrukcyjne przy dużych szybkościach odkształcenia stanowią odrębne zagadnienie. Raport NIST dotyczący stali konstrukcyjnej przedstawia krzywe naprężenie–odkształcenie przy dużej szybkości odkształcenia dla stali słupa obwodowego o określonej granicy plastyczności wynoszącej 50 ksi. Krzywe te opisują warunki obciążenia znacznie odbiegające od rutynowego laboratoryjnego badania rozciągania. Ich celem jest przedstawienie odpowiedzi stali podczas szybkiego odkształcania, istotnej dla analizy zdarzeń konstrukcyjnych, a nie zastąpienie krzywej kwalifikacyjnej uzyskanej w temperaturze pokojowej.

Krzywej quasi-statycznej nie należy nakładać na ten zbiór danych uzyskanych przy dużej szybkości odkształcenia i interpretować jako prostego rankingu wytrzymałości. Próbki, szybkości obciążania, oprzyrządowanie, a potencjalnie także procedury przetwarzania krzywych mogą się różnić. Nawet jeśli na obu wykresach zastosowano naprężenie inżynierskie i odkształcenie inżynierskie, zgodność tych osi nie oznacza zgodności warunków eksperymentu.

Praktyczna zasada jest rygorystyczna: krzywe należy porównywać wyłącznie wtedy, gdy szybkości odkształcenia są takie same, albo trzeba wyraźnie podać te szybkości i omówić różnicę jako część wyniku. Wartość uzyskana w badaniu rozciągania bez podania szybkości odkształcenia jest pomiarem częściowym.

Pomiar odkształcenia: przemieszczenie trawersy, ekstensometria i cyfrowa korelacja obrazu

Maszyna wytrzymałościowa nie mierzy odkształcenia bezpośrednio, chyba że zostanie wyposażona w urządzenie do pomiaru odkształcenia lub zostanie zastosowana metoda optyczna. Jej podstawowym pomiarem jest siła, natomiast trawersa rejestruje, jaką drogę przebywa ruchomy element maszyny. Odległość tę można przeliczyć na odkształcenie pozorne, ale nie jest ona automatycznie wydłużeniem stalowego odcinka pomiarowego.

Odkształcenie na długości pomiarowej a przemieszczenie maszyny

Odkształcenie inżynierskie definiuje się na podstawie określonej długości pomiarowej:

$${\epsilon }_{\mathrm{eng}}=\frac{L-L_0}{L_0}$$

gdzie $L_0$ jest początkową długością pomiarową, a $L$ jest bieżącą odległością między znakami pomiarowymi. Naprężenie inżynierskie wykorzystuje początkowe pole przekroju poprzecznego:

$${\sigma }_{\mathrm{eng}}=\frac{F}{A_0}$$

Definicje te podano w materiałach dydaktycznych Michigan Technological University i Georgia Tech, gdzie naprężenie inżynierskie zapisuje się jako $F/A_0$, a odkształcenie inżynierskie jako $(L-L_0)/L_0$. Określona długość pomiarowa ma znaczenie. Dłuższa długość pomiarowa uśrednia odkształcenie na większej ilości materiału i zwykle prowadzi do innej wartości zgłaszanego wydłużenia niż krótsza długość pomiarowa, szczególnie po rozpoczęciu przewężania.

Przemieszczenie trawersy obejmuje więcej niż samo wydłużenie próbki. Część ruchu wynika ze sprężystego odkształcenia ramy obciążającej, uchwytów, gwintowanych elementów mocujących, czujnika siły i innych elementów maszyny. Podatność tego układu może powodować zawyżenie obliczonego odkształcenia, jeśli odczyt przemieszczenia trawersy zostanie bezpośrednio podzielony przez długość pomiarową próbki. Osadzenie próbki w uchwytach i poślizg stanowią dodatkowe źródło pozornego wydłużenia. Nawet niewielki ruch w szczękach może wyraźnie wpływać na wynik w przypadku krótkiej próbki lub początkowej części krzywej odpowiadającej małym odkształceniom.

Na wynik wpływa również ustawienie próbki. Zginanie wywołane mimośrodowym obciążeniem może sprawić, że jedna strona próbki wydłuży się bardziej niż druga, natomiast tarcie lub nierównomierne zamocowanie może powodować redystrybucję naprężeń w pobliżu odcinków przejściowych. Maszyna może zatem rejestrować gładki przebieg siła–przemieszczenie, nawet jeśli odcinek pomiarowy nie odkształca się równomiernie. Ekstensometry ograniczają te problemy, mierząc odległość między dwoma punktami znajdującymi się bezpośrednio na próbce. Nadal należy jednak kontrolować ich długość pomiarową, sposób zamocowania, klasę dokładności i moment odłączenia.

ASTM E8/E8M-21 obejmuje badania rozciągania materiałów metalicznych w temperaturze pokojowej oraz odnosi się do granicy plastyczności, wydłużenia w punkcie plastyczności, wytrzymałości na rozciąganie, wydłużenia i przewężenia. ISO 6892-1:2019 określa metodę badania rozciągania materiałów metalicznych w temperaturze pokojowej oraz definiuje właściwości, które można na jej podstawie wyznaczyć. Żadna z tych norm nie przekształca drogi przebytej przez trawersę w uniwersalną wartość odkształcenia: raportowana właściwość nadal zależy od geometrii próbki, definicji długości pomiarowej, konfiguracji stanowiska badawczego i procedury pomiarowej.

Różnica ta staje się szczególnie istotna po osiągnięciu wytrzymałości na rozciąganie. Naprężenie inżynierskie nadal wykorzystuje $A_0$, mimo że przekrój próbki uległ zmniejszeniu. Materiały laboratorium materiałowego MIT z 2004 roku rozróżniają tę inżynierską wytrzymałość na rozciąganie od prawdziwej wytrzymałości na rozciąganie, która uwzględnia zmieniające się pole przekroju poprzecznego. Przemieszczenie trawersy staje się również niedokładnym opisem lokalnego odkształcenia po utworzeniu przewężenia, ponieważ wydłużenie koncentruje się w niewielkim obszarze, zamiast rozkładać się równomiernie na całej długości pomiarowej.

Cyfrowa korelacja obrazu w badaniu NIST

W ramach badania stali ASTM A1008 National Institute of Standards and Technology zastosował cyfrową korelację obrazu (DIC) do pomiaru przemieszczenia i odkształcenia. DIC śledzi ruch wzoru na powierzchni, rejestrowanego na kolejnych obrazach. Oprogramowanie porównuje niewielkie obszary obrazu, często nazywane podobszarami, i oblicza ich przemieszczenie między klatkami; pochodne przestrzenne tych przemieszczeń umożliwiają wyznaczenie pól odkształceń.

Metoda ta różni się od pojedynczego odczytu z ekstensometru. Ekstensometr mierzy zmianę odległości między określonymi punktami, natomiast DIC może obliczać przemieszczenie w wielu punktach na całej widocznej powierzchni próbki. W badaniu NIST analizowano średnie szybkości odkształcenia wynoszące ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ i ${10}^{-1}{\mathrm{s}}^{-1}$. Ponieważ zarówno szybkość odkształcenia, jak i technika pomiaru wpływają na rejestrowaną odpowiedź, uzyskanych krzywych nie należy traktować jako niezależnego od warunków badania rankingu materiałów.

DIC nie zastępuje pomiaru siły wykonywanego przez maszynę wytrzymałościową. Siła nadal pochodzi z czujnika siły, a obliczenie naprężenia nadal wymaga określenia pola powierzchni. DIC dostarcza natomiast pomiaru odkształcenia z rozdzielczością przestrzenną, który można połączyć z pomiarem siły w celu określenia, gdzie próbka się wydłuża, uplastycznia lub koncentruje odkształcenie. Jest to metoda stosowana w określonych badaniach, w tym w badaniu stali ASTM A1008 przeprowadzonym przez NIST, a nie wymóg nakazujący stosowanie obrazowania optycznego w każdym badaniu rozciągania zgodnym z ASTM.

Lokalne pola odkształceń w pobliżu przewężenia i pęknięcia

Przed uplastycznieniem odkształcenie może być niemal równomierne wzdłuż prawidłowo ustawionego odcinka pomiarowego. Odkształcenie plastyczne może przez pewien czas pozostawać szeroko rozłożone, zwłaszcza w próbce o stabilnej geometrii i odpowiednim stanie powierzchni. Później odkształcenie staje się nierównomierne. Powstaje przewężenie, lokalne pole przekroju poprzecznego maleje, a lokalne odkształcenie rośnie szybciej niż średnie odkształcenie na długości pomiarowej.

Konwencjonalny ekstensometr podaje wartość uśrednioną na swojej długości pomiarowej. Wartość ta może ukrywać wąskie pasmo, w którym zachodzi większość wydłużenia plastycznego. DIC bezpośrednio ujawnia tę zmianę: mapy odkształcenia osiowego pokazują początek lokalizacji, jej przemieszczanie się lub rozwój oraz gwałtowną koncentrację wokół przewężenia. W pobliżu pęknięcia pole odkształceń może zmieniać się gwałtownie na odległościach znacznie mniejszych niż początkowa długość pomiarowa. Końcowe wydłużenie zmierzone po złożeniu przełamanych połówek próbki nie jest zatem równoważne lokalnemu odkształceniu na powierzchni pęknięcia.

Różnica ta wyjaśnia również, dlaczego krzywa może opadać po osiągnięciu inżynierskiej wytrzymałości na rozciąganie, podczas gdy materiał w pobliżu przewężenia nadal ulega umocnieniu. Obciążenie maleje, ponieważ zmniejszenie pola przekroju przewyższa wzrost lokalnego naprężenia płynięcia. Interpretacja oparta na naprężeniu prawdziwym wymaga uwzględnienia zmieniającego się pola przekroju, natomiast pełnopolowy pomiar optyczny pomaga wskazać, gdzie zachodzą zmniejszenie tego pola i koncentracja odkształcenia. Typowa krzywa dla stali konstrukcyjnej przedstawiona przez U.S. Department of Energy oznacza granicę proporcjonalności, granicę plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie i punkt pęknięcia, lecz punkty te nabierają znaczenia tylko wtedy, gdy zdefiniowane są podstawowe pomiary przemieszczenia i pola przekroju.

Geometria próbek, normy i źródła rozrzutu wyników badań

Krzywa rozciągania jest częściowo zapisem właściwości próbki i układu badawczego, a nie tylko gatunku stali. Dwa laboratoria mogą zbadać nominalnie identyczną stal węglową 1018 i podać różne wartości granicy plastyczności, wytrzymałości na rozciąganie lub naprężenia przy zerwaniu, jeśli zastosują różne pomiary przekroju, długości pomiarowe, prędkości odkształcania albo metody wykrywania odkształcenia. Eksperyment Syracuse University dotyczący stali węglowej 1018 pokazuje tę zależność, wykorzystując płaskie próbki rozciągane zgodne z ASTM do wyznaczenia granicy plastyczności, wytrzymałości na rozciąganie i naprężenia przy zerwaniu. Wartości te mają znaczenie wyłącznie wtedy, gdy podano obok nich wymiary próbki oraz zasady obliczeń.

ASTM E8/E8M-21 obejmuje badania rozciągania materiałów metalicznych w temperaturze pokojowej oraz wyznaczanie granicy plastyczności, wydłużenia w punkcie płynięcia, wytrzymałości na rozciąganie, wydłużenia i przewężenia. ISO 6892-1:2019 określa metodę badania rozciągania w temperaturze pokojowej i definiuje właściwości mechaniczne, które można na jej podstawie uzyskać. Normy te są ze sobą powiązane, jednak wynik opisany wyłącznie jako „wytrzymałość na rozciąganie według ASTM” lub „wydłużenie według ISO” jest niepełny, chyba że podano również typ i wymiary próbki, prędkość badania oraz metodę raportowania.

Płaskie próbki ASTM i wymiary odcinka pomiarowego

Płaska próbka ASTM ma szerszy korpus, zwężony odcinek pomiarowy oraz poszerzone końce służące do mocowania. Zwężony odcinek powinien obejmować miejsce pęknięcia, natomiast promienie przejściowe ograniczają koncentrację naprężeń między długością pomiarową a barkami próbki. Konfiguracje standardowe i zmniejszone mają różne szerokości, grubości, długości pomiarowe oraz wymiary końców. Często spotykana geometria płaskiej próbki ASTM wykorzystuje długość pomiarową 50 mm i szerokość odcinka pomiarowego 12,5 mm, jednak nie należy zakładać, że wymiary te dotyczą każdej próbki. Podaną w eksperymencie Syracuse geometrię płaskiej próbki ASTM należy zachować wraz z wynikami, zamiast zastępować ją ogólnym opisem „próbka w kształcie wiosełka”.

Długość pomiarowa nie jest tym samym co całkowita długość metalowego paska. Jest to początkowa długość wyznaczona przez naniesione znaczniki lub ekstensometr, na której oblicza się odkształcenie inżynierskie. Odkształcenie inżynierskie wynosi

$${\epsilon }_{\mathrm{eng}}=\frac{L-L_0}{L_0},$$

gdzie $L_0$ jest początkową długością pomiarową. Większa długość pomiarowa zazwyczaj rozkłada mierzone odkształcenie na większą ilość materiału i może prowadzić do niższej podanej wartości procentowego wydłużenia, gdy w końcowym odkształceniu dominuje ten sam obszar z przewężeniem. W związku z tym „wydłużenie 18%” nie ma jednoznacznego znaczenia bez podania podstawy w postaci długości pomiarowej.

Na wynik wpływają również grubość i szerokość próbki. Niewielki błąd w którymkolwiek z tych wymiarów zmienia obliczone początkowe pole przekroju, a tym samym wszystkie wartości naprężenia inżynierskiego. Ślady obróbki, zadziory, nacięcia krawędzi, przegrzanie, resztkowe umocnienie przez zgniot oraz korozja mogą zainicjować pęknięcie przedwcześnie. Próbka wycięta poprzecznie do kierunku walcowania może nie zachowywać się tak samo jak próbka wycięta wzdłużnie, ponieważ walcowanie zmienia teksturę oraz rozmieszczenie wtrąceń i defektów.

Pomiar pola przekroju, osiowość i mocowanie

Naprężenie inżynierskie wykorzystuje początkowe pole przekroju:

$${\sigma }_{\mathrm{eng}}=\frac{F}{A_0}.$$

Jest to konwencja opisana przez Michigan Technological University i Georgia Tech, w której $A_0$ mierzy się przed obciążeniem. Początkowe pole przekroju należy wyznaczyć w odcinku pomiarowym, stosując wzorcowane przyrządy oraz zapisane wartości grubości i szerokości, a nie nominalne wymiary z rysunku. Jeśli próbka jest zwężająca się, odkształcona lub lokalnie zbyt mała, pomiar tylko w jednym miejscu może ukryć przekrój decydujący o wyniku. Wielokrotne pomiary wzdłuż długości pomiarowej umożliwiają weryfikację.

Równie ważne jest osiowe ustawienie próbki. Oś podłużna próbki powinna pokrywać się z osią obciążenia. Nieosiowość kątowa lub nierównomierne mocowanie wprowadzają zginanie, wskutek czego jedna krawędź przenosi większe naprężenie niż druga. Powstała krzywa może wykazywać przedwczesne uplastycznienie lub pęknięcie, mimo że średnia siła mierzona przez maszynę wydaje się prawidłowa. Uchwyty muszą utrzymywać poszerzone końce bez poślizgu, zgniatania ani uszkadzania zwężonego odcinka. Uchwyty ząbkowane mogą uszkodzić cienką próbkę płaską, natomiast niewystarczające zamocowanie może powodować przemieszczenie, które ekstensometr interpretuje jako odkształcenie.

W protokole badania należy określić rodzaj ekstensometru lub metodę pomiaru przemieszczenia, jego długość pomiarową oraz punkt jego usunięcia, jeśli ma to zastosowanie. W badaniach stali ASTM A1008 przeprowadzonych przez NIST zastosowano cyfrową korelację obrazu i analizowano średnie prędkości odkształcania ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ oraz ${10}^{-1}{\mathrm{s}}^{-1}$. Zmiana prędkości i zmiana metody pomiaru są częścią opisanego eksperymentu, a nie szczegółami dotyczącymi jedynie zaplecza laboratoryjnego. Stali konstrukcyjnej o określonej granicy plastyczności 50 ksi, badanej przy dużej prędkości odkształcania, jak opisano w raporcie NIST dotyczącym stali konstrukcyjnych, nie można bezpośrednio porównywać z krzywą uzyskaną w powolnym badaniu laboratoryjnym bez zaznaczenia tej różnicy.

Wydłużenie i przewężenie po zerwaniu

Wydłużenie często oblicza się po zerwaniu, dopasowując do siebie przełamane części i mierząc końcową odległość między znacznikami długości pomiarowej:

$$A=\frac{L_f-L_0}{L_0}\times 100\%.$$

Jest to całkowite wydłużenie na określonej długości pomiarowej. Obejmuje ono równomierne wydłużenie przed powstaniem przewężenia oraz miejscowe wydłużenie w obrębie przewężenia. Obszar w pobliżu przełomu może ulec znacznemu wydłużeniu, podczas gdy niektóre części długości pomiarowej wydłużają się bardzo nieznacznie. Dlatego krótka długość pomiarowa obejmuje większą część odkształcenia w obszarze przewężenia i może dać wyższy procent wydłużenia niż dłuższa długość pomiarowa w przypadku tej samej przełamanej próbki.

Przewężenie mierzy zmniejszenie pola przekroju w obszarze przewężenia:

$$\mathrm{RA}=\frac{A_0-A_f}{A_0}\times 100\%,$$

gdzie $A_f$ jest najmniejszym polem przekroju w miejscu przełomu. Nie jest ono inną nazwą wydłużenia. Ciągliwa próbka stali 1018 może wykazywać znaczne przewężenie, nawet jeśli zmierzone wydłużenie na długości pomiarowej różni się od wartości podanej w innym raporcie.

Naprężenie przy zerwaniu w eksperymencie Syracuse również należy określić wraz z podstawą obliczeń — zwykle jest to obciążenie przy zerwaniu podzielone przez początkowe pole przekroju, jeśli jest to wartość inżynierska. Rzeczywiste naprężenie przy zerwaniu wykorzystuje natomiast zmniejszone pole przekroju w obszarze przewężenia. MIT rozróżnia wytrzymałość na rozciąganie wyznaczoną z krzywej inżynierskiej od rzeczywistej wytrzymałości na rozciąganie, która uwzględnia zmniejszenie pola przekroju. Dlatego w każdym protokole badania należy podać długość pomiarową, $A_0$, końcowe pole przekroju, jeśli zostało wykorzystane, położenie przełomu, metodę pomiaru odkształcenia oraz informację, czy naprężenie i odkształcenie są wielkościami inżynierskimi, czy rzeczywistymi.

Jak raportować i porównywać wyniki próby rozciągania stali

Krzywa rozciągania jest porównywalna tylko w takim stopniu, w jakim porównywalne są informacje do niej dołączone. Wykres przedstawiający naprężenie w funkcji odkształcenia może ukrywać różnice w kształcie próbki, długości pomiarowej, prędkości badania, umiejscowieniu ekstensometru oraz przyjętej definicji naprężenia. Różnice te mogą zmieniać pozorną granicę plastyczności, wysokość maksimum wytrzymałości na rozciąganie oraz podane wydłużenie, mimo że sama stal pozostaje niezmieniona.

Minimalne informacje towarzyszące krzywej

Każda krzywa powinna wskazywać dokładne oznaczenie gatunku stali, zgodnie z dostarczoną lub określoną specyfikacją, na przykład ASTM A1008, ASTM A36, SAE J403 1018 lub EN 1.4301. Znaczenie ma również postać wyrobu: blacha cienka, blacha gruba, pręt, drut, rura lub próbka obrobiona mechanicznie, pobrana z wyrobu spawanego, niekoniecznie wykażą taką samą odpowiedź. W miarę dostępności należy odnotować oznaczenie wytopu lub partii, a także grubość lub średnicę, stan powierzchni oraz wszelką obróbkę cieplną.

Należy określić orientację próbki względem kierunku walcowania, kucia, wyciskania lub spawania. Określenia „wzdłużna” i „poprzeczna” nie są wzajemnie zamiennymi etykietami. Należy podać geometrię próbki: przekrój płaski lub okrągły, szerokość, grubość lub średnicę, wymiary odcinka zredukowanego, szczegóły dotyczące części chwytowych i promieni przejścia oraz początkową długość pomiarową $L_0$. Wartość wydłużenia jest niepełna bez podania długości pomiarowej. Podanego wydłużenia 25% przy długości pomiarowej 50 mm nie można bezpośrednio porównywać z wartością 25% zmierzoną na innej długości.

Należy podać obowiązującą normę badania i jej wydanie. ASTM E8/E8M-21 obejmuje badanie rozciągania materiałów metalowych w temperaturze pokojowej oraz wyznaczanie granicy plastyczności, wydłużenia przy granicy plastyczności, wytrzymałości na rozciąganie, wydłużenia i przewężenia. ISO 6892-1:2019 określa metodę badania rozciągania materiałów metalowych w temperaturze pokojowej oraz definiuje właściwości mechaniczne możliwe do wyznaczenia w tym badaniu. Normy te dotyczą podobnych pomiarów, jednak ich wymagania dotyczące próbek, metody sterowania, zasady obliczeń i konwencje raportowania nadal trzeba sprawdzić, zamiast traktować je jako identyczne.

Temperatura powinna być podana obok krzywej, a nie w osobnym przypisie. Należy podać temperaturę badania oraz wskazać, czy była ona kontrolowana, czy tylko mierzona. Należy podać szybkość odkształcenia, prędkość przesuwu trawersy, szybkość narastania naprężenia lub tryb sterowania, w tym punkt, w którym maszyna zmieniła sterowanie z siły na sterowanie odkształceniem. W badaniach stali ASTM A1008 przeprowadzonych przez NIST analizowano średnie szybkości odkształcenia ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ i ${10}^{-1}{\mathrm{s}}^{-1}$, wykorzystując jednocześnie cyfrową korelację obrazu do pomiaru przemieszczenia i odkształcenia. Szybkość oraz metoda pomiaru były zmiennymi eksperymentalnymi.

Należy opisać sposób uzyskania odkształcenia: ekstensometr, przemieszczenie trawersy, cyfrowa korelacja obrazu lub wartość obliczona. Przemieszczenie trawersy obejmuje odkształcenie maszyny i uchwytów; nie jest automatycznie odkształceniem na długości pomiarowej. Należy podać długość pomiarową ekstensometru, jego rozdzielczość, moment odłączenia oraz informację, czy uchwycono miejscowe przewężenie.

Osie należy opisać jako wielkości umowne lub rzeczywiste. Naprężenie umowne wynosi $F/A_0$, gdzie $F$ oznacza siłę, a $A_0$ początkowe pole przekroju; odkształcenie umowne wynosi $(L-L_0)/L_0$, zgodnie z opisem Michigan Technological University i Georgia Tech. Naprężenie rzeczywiste wykorzystuje chwilowe pole przekroju, a odkształcenie rzeczywiste sumuje przyrostowe zmiany długości. MIT rozróżnia wytrzymałość na rozciąganie wyznaczaną z krzywej umownej od rzeczywistej wytrzymałości na rozciąganie, która uwzględnia zmniejszenie pola przekroju.

Raport powinien definiować sposób określania granicy plastyczności lub naprężenia umownej granicy plastyczności: górna lub dolna granica plastyczności, naprężenie przy umownym odkształceniu plastycznym 0,2%, inna wartość przesunięcia, granica proporcjonalności albo wartość uzyskana za pomocą określonego algorytmu. Należy podać wytrzymałość na rozciąganie, wydłużenie równomierne, jeśli zostało zmierzone, całkowite wydłużenie wraz z długością pomiarową, przewężenie oraz obserwacje dotyczące przełomu. Należy odnotować położenie przewężenia, wargi ścinania, przełom kielichowo-stożkowy, rozszczepienie, delaminację oraz informację, czy przełom wystąpił wewnątrz odcinka pomiarowego.

Porównywanie gatunków bez mieszania definicji

Nie należy klasyfikować gatunków, umieszczając na jednym wykresie krzywe uzyskane w różnych procedurach i uznając stal, dla której przebiega najwyższa linia, za najsilniejszą. Krzywa uzyskana dla pręta o przekroju okrągłym i krzywa dla blachy mogą odzwierciedlać różne orientacje oraz warunki ograniczenia odkształcenia. Krótka długość pomiarowa może dawać inne całkowite wydłużenie niż długa. Duża szybkość odkształcenia może zwiększać zmierzone naprężenie płynięcia; wyniki NIST dla stali ASTM A1008 przy szybkościach ${10}^{-5}$, ${10}^{-3}$ i ${10}^{-1}{\mathrm{s}}^{-1}$ pokazują, dlaczego szybkość musi być podawana razem z wynikiem. Krzywe uzyskane przez NIST przy dużych szybkościach odkształcenia dla stali na słupy obwodowe, o określonej granicy plastyczności wynoszącej 50 ksi, odpowiadają na inne pytanie inżynierskie niż quasi-statyczne badanie w temperaturze pokojowej.

Konwencje dotyczące pola przekroju mogą odwrócić pozorne wnioski po wystąpieniu przewężenia. Naprężenie umowne nadal jest obliczane jako siła podzielona przez $A_0$, dlatego po osiągnięciu maksymalnej siły zwykle maleje. Naprężenie rzeczywiste wykorzystuje zmniejszający się przekrój i może nadal rosnąć w części zakresu przewężenia. Nazywanie maksimum krzywej umownej „rzeczywistą wytrzymałością na rozciąganie” prowadzi do pomieszania dwóch różnych wielkości.

Normy określają również sposób pomiaru granicy plastyczności, naprężenia umownej granicy plastyczności, wydłużenia i przewężenia. U.S. Department of Energy wskazuje granicę proporcjonalności, granicę plastyczności, wytrzymałość graniczną i punkt przełomu na typowej krzywej umownej, jednak wymienione punkty nie określają jednej uniwersalnej procedury obliczeniowej. Porównanie gatunków jest uzasadnione tylko wtedy, gdy postać próbki, kierunek, temperatura, szybkość, definicje i norma są zgodne albo gdy różnice zostały wyraźnie skorygowane i odpowiednio zastrzeżone.

Uporządkowany proces interpretacji

Należy rozpocząć od surowego pliku siła–przemieszczenie, a nie od opublikowanego obrazu. Trzeba sprawdzić częstotliwość próbkowania, zerowe obciążenia, osadzenie próbki w uchwytach, odłączenie ekstensometru, podatność maszyny oraz wszelkie pominięte lub wygładzone dane. Należy potwierdzić, że jednostki siły i przemieszczenia nie zostały przeliczone dwukrotnie.

Następnie należy zweryfikować dane wymiarowe. Trzeba ponownie zmierzyć lub sprawdzić zarejestrowaną szerokość, grubość lub średnicę, początkowe pole przekroju, długość pomiarową oraz końcowe minimalne pole przekroju. Niewielkie błędy pola przekroju wpływają na każdą wartość naprężenia umownego; błędy długości pomiarowej wpływają na odkształcenie i wydłużenie.

Następnie należy odtworzyć krzywą z danych surowych, stosując podane definicje wielkości umownych lub rzeczywistych. Należy oznaczyć granicę proporcjonalności, granicę plastyczności lub naprężenie umownej granicy plastyczności, maksymalną siłę, wydłużenie równomierne, punkt przełomu i przewężenie zgodnie z zadeklarowaną metodą. Te punkty należy porównać z raportem, a nie tylko z narysowaną linią.

Na końcu należy przeanalizować niepewność i miejsce uszkodzenia. Należy uwzględnić rozrzut wyników badań powtórnych, niepewność wymiarów, dokładność ekstensometru, zmiany temperatury oraz zmiany szybkości. Nie należy przyjmować wyjaśnienia metalurgicznego, dopóki nie zostaną sprawdzone artefakty badania, orientacja próbki oraz obserwacje dotyczące przewężenia lub przełomu. Dopiero wtedy różnice można przypisać składowi chemicznemu, procesowi technologicznemu, mikrostrukturze lub umocnieniu odkształceniowemu.

Źródła

1. [1]ASTM International. Standard Specification for Tension Testing of Metallic Materials. ASTM International standard, 2021. https://store.astm.org/e0008_e0008m-21.html
2. [2]International Organization for Standardization. Metallic materials — Tensile testing — Part 1: Method of test at room temperature. ISO standard, 2019. https://www.iso.org/standard/78322.html
3. [3]U.S. Department of Energy. Properties of Metals. DOE Fundamentals Handbook reference. https://engineeringlibrary.org/reference/properties-of-metals-doe-handbook
4. [4]Massachusetts Institute of Technology. Civil Engineering Materials Laboratory: Laboratory 2. MIT OpenCourseWare laboratory material, 2004. https://ocw.mit.edu/courses/1-103-civil-engineering-materials-laboratory-spring-2004/e9253657127a6630f10b61b392b1d2d9_lab_2.pdf