Temat 1 (2 godziny): Próba statyczna rozciągania metali

Transkrypt

1 Temat 1 (2 godziny): Próba statyczna rozciągania metali 1.1. Wstęp Próba statyczna rozciągania jest podstawowym rodzajem badania metali, mających zastosowanie w technice i pozwala na określenie własności mechanicznych metali. Doświadczenie to polega na osiowym rozciąganiu próbek o ściśle określonych kształtach mocowanych w uchwytach specjalnych maszyn zwanych maszynami wytrzymałościowymi lub zrywarkami, pozwalającymi w sposób ciągły zwiększać siłę od zera do wartości, przy której następuje zerwanie próbki. Próba ta jest objęta Polską Normą PN-EN AC Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest wyznaczenie na podstawie statycznej próby rozciągania wielkości wytrzymałościowych takich jak granica wytrzymałości na rozciąganie, granica plastyczności, naprężenia rozrywającego oraz wielkości charakteryzujących materiał pod względem plastycznym: wydłużenie względne wyrażone w procentach i przewężenie względne również wyrażone w procentach Rodzaje stosowanych próbek W celu przeprowadzenia próby rozciągania materiału należy przygotować próbkę, która powinna być wykonana w sposób określony przez odpowiednie normy przedmiotowe. Tak na przykład, próbki z blach powinny być tak wycinane, by ich rozciąganie zachodziło w kierunku zgodnym z kierunkiem walcowania lub prostopadłym do niego. Próbki powinny być wycinane sposobem mechanicznym. Należy unikać używania palnika acetylenowego, aby nie spowodować miejscowego przegrzania, zmieniającego własności wytrzymałościowe i plastyczne materiału. Ostateczna obróbka próbek może się odbywać tylko za pomocą skrawania oraz szlifowania. Każda próbka ma pryzmatyczną część pomiarową oraz części służące do mocowania w uchwytach maszyny wytrzymałościowej. Przejścia od części pomiarowej do główek muszą być łagodne. Dla stali podstawowymi rodzajami próbek są: próbki okrągłe z główkami gwintowanymi wkręcanymi w uchwyty maszyny wytrzymałościowej (rys. 1.1 a): jest to najpewniejszy sposób mocowania, uniemożliwiający poślizgi próbki w uchwytach, próbki okrągłe z główkami do chwytania w szczęki (rys. 1.1 b), próbki okrągłe do chwytania w uchwyty pierścieniowe (rys. 1.1 c), próbki płaskie (rys. 1.2). a) b)

2 c) Rys Próbki okrągłe stosowane do przeprowadzania statycznej próby rozciągania L o początkowa długość pomiarowa, L c długość robocza, L t długość całkowita próbki, d o średnica próbki na długości roboczej L c, D średnica próbki w części chwytowej próbki o długości m. Wymiarem podstawowym próbek okrągłych jest średnica d o, od której zależy początkowa długość pomiarowa L o : L o = nd o, (1.1) gdzie: n krotność próbki, zalecaną wartością krotności jest n = 5. d o średnica próbki, może przyjmować wartości: 5, 10 lub 20 mm. W przypadku próbek o innych przekrojach niż okrągły, długość pomiarowa jest obliczana przez porównanie pola S przekroju poprzecznego próbki o innym przekroju niż okrągły z polem przekroju poprzecznego próbki o przekroju okrągłym S o: S, = d 4 2 0, d o = 4S = 1,13 S (1.2) Długość pomiarowa określana jest podobnie jak dla próbki o przekroju okrągłym: L 0 n, dla n 5 L o 5, 65 S (1.3) d o

3 Rys Próbka płaska z główkami 1.4. Wykres rozciągania Wykres rozciągania rejestrowany jest w układzie siła wydłużenie (F l) w trakcie próby rozciągania. Próba nazywana jest statyczną, choć obciążenie narasta z określoną prędkością. Na rysunku 1.3 przedstawiono przykładowy wykres rozciągania próbki okrągłej wykonanej ze stali niskowęglowej. Kształt wykresu zależy od rodzaju materiału. Dla porównania wykresów rozciągania we współrzędnych siła-wydłużenie należałoby stosować próbki o identycznych wymiarach. Aby tego uniknąć korzysta się z wielkości niezależnych od wymiarów próbki: F naprężenie w przekroju prostopadłym do osi próbki: [MPa] (1.4) L wydłużenie względne (1.5) L 0 Wykres f ( ) przedstawiony jest na rysunku 1.4, linia na tym wykresie ilustruje naprężenia rzeczywiste obliczone jako iloraz aktualnej siły obciążającej F do pola przekroju poprzecznego próbki. Na początku próby wydłużenie rośnie wprost proporcjonalnie do siły obciążającej, aż do osiągnięcia tzw. granicy proporcjonalności R : R H = F H [MPa], S0 przekrój początkowy próbki (1.6) Jest to graniczne naprężenie, do którego ma zastosowanie prawo Hooke'a. Do tej granicy odkształcenia są małe, a po odciążeniu próbka wraca do pierwotnej długości. Nieco wyżej niż granica proporcjonalności R H znajduje się granica sprężystości R s : R = s F s [MPa] (1.7) Jest to graniczne naprężenie, po przekroczeniu którego próbka po zdjęciu obciążenia już nie wróci do wymiarów początkowych, zaczynają się pojawiać odkształcenia trwałe. Odcinek wykresu R H R s nie jest już linią prostą, co jest odstępstwem od prawa Hooke'a. Odkształcenia nadal mają charakter sprężysty, po zdjęciu obciążenia zanikają. Wyznaczenie granicy proporcjonalności R H oraz granicy sprężystości R s jest możliwe dopiero z zastosowaniem odpowiednio czułych przyrządów pomiarowych (tensometrów). Powyżej granicy sprężystości R s występuje wyraźna granica plastyczności: R e = F e [MPa] (1.8) H

4 Jest to naprężenie, przy którym pojawia się wyraźny przyrost wydłużenia próbki, przy prawie stałej wartości siły F e, a nawet przy jej spadku. Ponieważ odkształcenia zachodzą tu bez wzrostu obciążenia zachowanie materiału określamy jako płynięcie. W momencie osiągnięcia granicy plastyczności na polerowanej powierzchni próbki można dostrzec szereg linii przebiegających pod kątem do osi próbki. Są to linie poślizgów cząstek materiału 4 względem siebie. Poślizgi te trwają pewien czas, po czym następuje umocnienie materiału. Przy dalszym wzroście siły obciążającej zachodzi znaczne wydłużenie próbki, przy czym jest wyraźny brak proporcjonalności między siłą a wydłużeniem. Po osiągnięciu wartości maksymalnej F m możemy określić wytrzymałość na rozciąganie R m : R m = F m [MPa] (1.9) Rys Wykres rozciągania stali niskowęglowej Jest to naprężenie, które odpowiada maksymalnej sile uzyskanej w trakcie rozciągania. Po przekroczeniu siły maksymalnej F m, przy dalszym wzroście wydłużenia, w najsłabszym miejscu próbka zaczyna się przewężać. Formuje się tzw. szyjka i próbka pęka przy wartości siły F u. Naprężenie odpowiadające tej sile to naprężenie rozrywające R u : R u = F u [MPa] (1.10) S u Jest to naprężenie, które występuje w przewężeniu próbki tuż przed jej rozerwaniem. Naprężenie rozrywające R u nie ma znaczenia praktycznego i w atestach materiałowych nie jest podawane. Na podstawie wyników próby rozciągania wyznacza się również wskaźniki charakteryzujące własności plastyczne materiału badanej próbki: względne wydłużenie próbki po rozerwaniu A p, jest to stosunek przyrostu długości pomiarowej próbki po zerwaniu do jej długości początkowej wyrażony w procentach: Lu Lo A p = 100%, (1.11) Lo p krotność próbki;

5 względne przewężenie próbki po rozerwaniu Z, jest to stosunek zmniejszenia powierzchni przekroju poprzecznego próbki w miejscu rozerwania do jej powierzchni początkowej wyrażony w procentach: So Su Z = 100 % (1.12) S o Rys Wykres rozciągania stali niskowęglowej Rys Charakterystyczne przewężenie (szyjka) tworzące się przy rozciąganiu próbek wykonanych z materiału sprężysto-plastycznego

6 1.5. Przebieg ćwiczenia: zmierzyć średnicę próbki d 0 przy pomocy suwmiarki, określić krotność próbki, wyskalować próbkę na przyrządzie lub ręcznie, przygotować maszynę do próby rozciągania: wybrać odpowiedni zakres maksymalnej siły, sprawdzić uchwyty i urządzenie rejestrujące wykres rozciągania, umocować próbkę w uchwytach maszyny, uruchomić maszynę i obserwować przebieg rozciągania; po zerwaniu próbki zmierzyć za pomocą suwmiarki średnicę d 0 (lub szerokość a u i wysokość b u próbek płaskich) oraz długość pomiarową L u po rozerwaniu; wyniki wpisać do protokółu pomiarów Opracowanie wyników badań Sprawozdanie powinno zawierać: określenie celu próby, rysunki próbek przed zerwaniem i po zerwaniu, wykres rozciągania otrzymany z maszyny wytrzymałościowej, protokół pomiarów, tabela protokółu dostępna jest na pulpicie monitora komputerowego pod nazwą rozciąganie.xls, wnioski.

7 Protokół pomiarów: statyczna próba rozciągania Próbka nr: Materiał: próbka przed zerwaniem próbka po zerwaniu Krotność próbki n = d o = [mm] d u = [mm] a o = [mm] a u = [mm] b o = [mm] b u = [mm] L o = [mm] L u = [mm] S o = [mm 2 ] S u = [mm 2 ] Warunki wykonania próby Zrywarka Zakres siłomierza [kn] Dokładność odczytu Posuw roboczy [mm/min] Wartości sił obciążających F e = F m = F u = Wyniki próby R e = [MPa] R m = [MPa] R u = [MPa] A = [%] Z = [%] Uwagi dotyczące przełomu i inne Podpis wykonującego ćwiczenie: