Badania wytrzymałościowe

Statyczne i dynamiczne badanie właściwości mechanicznych
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie z podstawowymi metodami badania właściwości
mechanicznych na podstawie przeprowadzonej próby rozciągania oraz próby udarności.
W oparciu o przeprowadzone badania studenci zostaną zapoznani z podstawowymi
właściwościami wytrzymałościowymi i plastycznych materiału takimi jak; wytrzymałość na
rozciąganie, granica plastyczności, wydłużenie, przewężenie oraz udarność.
2. Wiadomości podstawowe
W badaniach właściwości mechanicznych poszukuje się zależności między siłą
działającą a skutkiem działania. Najczęściej wielkością mechaniczną charakteryzującą
oddziaływanie siły na materiał jest naprężenie wyrażone stosunkiem siły lub ogólniej
obciążenia do pola przekroju poprzecznego badanego obiektu.
 = F/S
Działaniu obciążeń oprócz naprężeń towarzyszy zawsze powstanie odkształceń metalu,
określane jako stosunek zmiany wymiarów elementu do jego wielkości początkowej.
 = L/lo
Wyniki badań właściwości mechanicznych zależą ściśle od warunków przeprowadzania
próby. W zależności od sposobu działania siły, badania właściwości mechanicznych można
podzielić na statyczne, przy których siła narasta z małą prędkością i dynamiczne
charakteryzujące się nagłym przyrostem obciążenia.
2.1. Statyczna próba rozciągania
Statyczna próba rozciągania jest podstawowym rodzajem badania metali mających
zastosowanie w technice i pozwala określić podstawowe właściwości metalu.
Próba polega na osiowym rozciąganiu próbek o ściśle określonych kształtach w uchwytach
maszyny wytrzymałościowej.
W próbkach stosowanych do badań można wyodrębnić część pomiarową poddawaną
rozciąganiu oraz części chwytowe umożliwiające zamocowanie w uchwytach maszyny
wytrzymałościowej i przeniesienia obciążenia.
Zasadniczo do próby rozciągania stosuje się próbki cylindryczne oraz płaskie.
Dla próbek cylindrycznych rozróżnia się:
próbki dziesięciokrotne tzn. takie w których długość odcinka pomiarowego lo = 10do oraz,
próbki pięciokrotne z lo = 5do.
Próbę rozciągania realizuje się poprzez przemieszczanie się jednej ze szczęk ze stałą
prędkością lub stałą szybkością narastania obciążania.
Podczas próby rejestruje się zależność przyrostu długości pomiarowej od siły rozciągającej, a
po skończonej próbie rozciągania wyznacza się właściwości wytrzymałościowe.
Kształt otrzymanego wykresu zależny jest od rodzaju i stanu badanego materiału.
Dla stali o niskiej zawartości węgla oraz metali o dużej plastyczności zasadniczo otrzymuje
się wykresy z wyraźną granicą plastyczności, zaś dla materiałów o wysokiej wytrzymałości
bez wyraźnej granicy plastyczności.
Wykres z wyraźną granicą plastyczności
Fm
FeH
Obciążenie [kN]
FeL
dl
Wydłużenie dl [mm]
Od chwili przyłożenia obciążenia wydłużenie próbki rośnie wprost proporcjonalnie do siły
obciążającej aż do osiągnięcia tzw. granicy proporcjonalności (sprężystości) prop. Po
przekroczeniu granicy proporcjonalności obserwowany jest wyraźny przyrost wydłużenia
próbki przy stałym lub wahającym się poziomie siły obciążającej. Odpowiada to granicy
plastyczności Re. Przy dalszym wzroście wydłużenia następuje przyrost siły ale już nie w
sposób proporcjonalny jak dla zakresu odkształceń sprężystych.
W chwili osiągnięcia wartości maksymalnej siły - Fm, powstaje lokalne przewężenie próbki,
zwane szyjką. Jest to przyczyną powolnego spadku siły. W końcowym momencie próby
próbka ulega zerwaniu. Po zerwaniu próbki mierzona jest długość odcinka pomiarowego oraz
wymiary lokalnego przewężenia (szyjki).
W oparciu o otrzymany wykres określamy następujące właściwości:
Wytrzymałość na rozciąganie jako naprężenie odpowiadające maksymalnej sile Fm
otrzymanej w czasie próby rozciągania odniesione do przekroju poprzecznego próbki So:
Rm = Fm/So
Granicę plastyczności jako naprężenie w próbce, przy osiągnięciu którego następuje
występuje wyraźny wzrost wydłużenia przy ustalonej lecz nieznacznie zmieniającej się sile
rozciągającej Fe:
Re = Fe/So,
Ze względu na zmianę naprężenia w zakresie granicy plastyczności wyodrębnia się górną
granicę plastyczności ReH i dolną granicę plastyczności ReL
ReH – naprężenie przy którym następuje pierwszy spadek siły,
ReL – najmniejsze naprężenie podczas płynięcia.
Wydłużenie względne Ap jako stosunek trwałego wydłużenia bezwzględnego próbki po
rozerwaniu do długości pomiarowej próbki
A = dL/Lo = (L0 - Lo)/Lo
Względne przewężenie próbki jako zmniejszenie przekroju poprzecznego próbki w miejscu
rozerwania próbki w odniesieniu do pola powierzchni jej pierwotnego przekroju.
Z = (Ao - Ak)/Ao
Wykres bez wyraźnej granicy plastyczności
F0,
Obciązenie [kN]
2
0,2 %
Wydłużenie [mm]
Dla materiałów które charakteryzują się brakiem występowania wyraźnej granicy
plastyczności wyznacza się tzw.:
Umowną granicę plastyczności R0,2, określaną jako naprężenie, które powoduje trwałe
odkształcenie plastyczne wynoszące 0,2 % długości początkowej odcinka pomiarowego.
R0,2 = F0,2/So
2.2. Próba udarności
Próba udarności jest najprostszą metodą badania odporności na pękanie. Próba polega
na złamaniu jednym uderzeniem spadającego młota wahadłowego, próbki z karbem w środku
i podpartej na oporach.
Do próby łamania stosowane są znormalizowane próbki o przekroju kwadratowym 10
x 10 mm z w połowie naniesionym karbem w:
kształcie litery V - o kącie 45 i głębokości 2 mm,
kształcie litery U – o szerokości 2 mm, głębokości 2 mm i promieniu dna karbu 1 mm.
Energia potencjalna wahadła W wychylonego na wysokości H, przy jego swobodnym spadku
zostaje zamieniona na energię kinetyczną, przy łamaniu próbki część energii jest zużyta na
pracę W złamania próbki, a pozostała część energii powoduje wychylenie wahadła na
wysokość h, stąd praca łamania może być określona ze wzoru:
Wu = W1 – W2 = G(H – h)
gdzie G – masa wahadła młota.
Udarność określana jest jako stosunek pracy łamania próbki Wu do przekroju poprzecznego
Ao w miejscu karbu
KC = Wu/Ao = G(H-h)/Ao [J/cm2]
Oznaczenie udarności jest uściślane przez podanie oznaczenia rodzaju karbu
KCV – udarność próbki z karbem w kształcie V,
KCU – udarność próbki z karbem w kształcie U.
Udarność metali i stopów technicznych zależy od składu chemicznego, struktury krystalicznej
oraz od temperatury badania. Na ogół wraz z obniżeniem temperatury zmniejsza się udarność
metali i stopów. Dla każdej stali występuje temperatura graniczna, po przekroczeniu której
udarność gwałtownie spada, jest to tzw. temperatura kruchości na zimno.
3. Przebieg ćwiczenia
Przed przystąpieniem do wykonywania ćwiczenia należy zapoznać się z niniejszym
opracowaniem, a następnie wykonać następujące czynności;
1. dokonać pomiarów badanych próbek tzn.:
- długości odcinka pomiarowego, grubości g i szerokości b lub do w przypadku próbek
okrągłych - dla próbek poddawanych rozciąganiu,
- nanieść znaki długości odcinka pomiarowego
- grubości g, szerokości a oraz g –dla próbek do udarności.
2. Zapisać uzyskane wymiary w tabeli pomiarów.
3. Przebieg próby
a) próba rozciągania
Zamontować próbkę w uchwytach maszyny,
Przeprowadzić próbę rozciągania
Po zerwaniu próbki zatrzymać maszynę wytrzymałościową i wydrukować wykres
rozciągania.
Zmierzyć długość po zerwaniu oraz wymiary przekroju poprzecznego próbki w miejscu
zerwania.
Obliczyć wartości Re, R0,2, Rm, A i Z.
b) próba udarności
Umieścić próbkę na oporach
4. Wytyczne do opracowania sprawozdania
W oparciu o przeprowadzone pomiary próbek, otrzymany wykres z próby rozciągania,
otrzymaną wartość pracy łamania z próby udarności sporządzić sprawozdanie, w którym
należy zawrzeć:
- nazwę oraz dane wykorzystywanych urządzeń,
- warunki przeprowadzenia badania,
- wyniki pomiarów,
- wnioski.
5. Przykładowe pytania kontrolne
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Wytrzymałość.
Granica plastyczności.
Umowna granica plastyczności.
Wydłużenie.
Praca łamania.
Udarność.
7. Literatura
Norma PN-EN 10002-1:2004
Norma PN-EN 10045-1:1994
Poradnik mechanika