pobierz - Zakład Wysokich Napięć i Kompatybilności
Transkrypt
pobierz - Zakład Wysokich Napięć i Kompatybilności
POLITECHNIKA WARSZAWSKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY INSTYTUT ELEKTROTECHNIKI TEORETYCZNEJ I SYSTEMÓW INFORMACYJNO-POMIAROWYCH ZAKŁAD WYSOKICH NAPIĘĆ I KOMPATYBILNOŚCI ELEKTROMAGNETYCZNEJ PRACOWNIA MATERIAŁOZNAWSTWA ELEKTROTECHNICZNEGO ĆWICZENIE 4 BADANIE WŁASNOŚCI MECHANICZNYCH MATERIAŁÓW PRZEWODOWYCH 1. Wprowadzenie Materiały przewodowe są specyficznym rodzajem materiałów przewodzących. Oprócz dobrych własności elektrycznych muszą także wykazywać dobre własności mechaniczne i termiczne. W materiałach tych przewodnictwo ma charakter czysto elektronowy i wyraża się zależnością: γ=nek gdzie: S = 1 m Ω⋅m /1/ n – koncentracja elektronów w materiale [m-3] e – ładunek elektronów [C] 2 m k – ruchliwość elektronów w materiale V⋅s Do materiałów przewodzących należą metale i ich stopy. Wartość przewodności tych materiałów jest uzależniona od kilku czynników, a mianowicie: a) rodzaju materiału i jego budowy b) czystości materiału, czyli zawartości obcych domieszek c) obróbki mechanicznej na zimno d) temperatury We wzorze /1/ zależnie od rodzaju materiału (przyczyna a), i w pewnym stopniu na skutek obecności domieszek (przyczyna b) zmienia się koncentracja elektronów (n), zarówno domieszki (przyczyna b), obróbka mechaniczna na zimno (przyczyna c) i wzrost temperatury (przyczyna d) wpływają na wzrost ruchliwości elektronów (k), czyli na uzyskiwaną skierowaną prędkość przemieszczania się elektronów, przypadającą na 1kV przyłożonego napięcia. W sumie obecność domieszek, obróbka na zimno i wzrost temperatury powodują pogorszenie konduktywności materiału. 2. Własności mechaniczne Zachowanie się materiałów przewodowych podczas pracy określamy za pomocą następujących parametrów : • odkształcalność – zdolność zmiany wymiarów geometrycznych pod wpływem obciążenia, • sprężystość – zdolność powrotu do pierwotnego kształtu po usunięciu obciążenia, • plastyczność – brak zdolności do powrotu do pierwotnego kształtu po usunięciu obciążenia, • wytrzymałość – graniczne naprężenie niszczące. Własności te określamy najczęściej wyznaczając: • wytrzymałość na rozciąganie lub ściskanie, • wytrzymałość na zginanie, • udarność, • twardość, • ścieralność. 3. Wytrzymałość na rozciąganie Badanie wytrzymałości na rozciąganie lub ściskanie polega na odkształcaniu próbki materiału pod wpływem siły zewnętrznej, działającej w osi próbki. Próba rozciągania jest podstawowym źródłem informacji o mechanicznych własnościach materiału i możemy w ten sposób badać wszystkie nie kruche materiały. Próbę ściskania wykonujemy dla materiałów kruchych, które pękają w trakcie badania, a także dla materiałów plastycznych w celu otrzymania pełnej charakterystyki płynięcia pod obciążeniem. Podstawowymi wielkościami mierzonymi w próbie rozciągania są: • naprężenie σ= gdzie: N m 2 S – pole przekroju poprzecznego próbki [m2] F – siła rozciągająca [N], • F S odkształcenie ε= l − l0 ∆l ⋅ 100 = ⋅ 100 l0 l0 [%] gdzie: l0 – długość odcinka pomiarowego przed badaniem [m] l – długość odcinka pomiarowego przy danym naprężeniu [m] Typowa krzywa rozciągania dla metali, otrzymywana w wyniku próby rozciągania wygląda następująco: P – granica proporcjonalności, określająca największe naprężenie, do którego przebieg zależności δ = f(ε) jest prostoliniowy i określony prawem Hooke’a → σ = E⋅ε. S – granica sprężystości określająca największe naprężenie po usunięciu, którego próbka powraca do wymiarów początkowych. Q – granica plastyczności po osiągnięciu, której materiał zaczyna płynąć. Następuje szybki wzrost odkształcenia przy małej zmianie naprężenia, a po usunięciu siły nie następuje powrót do pierwotnego kształtu. Fm – maksymalna siła odkształcająca [N], Fe – siła na granicy plastyczności [N]. Fu –siła zrywająca [N], W przypadku, kiedy z charakterystyki F=f(∆l) wynika, że materiał nie posiada wyraźnej granicy plastyczności wyznacza się umowną granicę plastyczności (Re0,2). Określanie umownej granicy plastyczności obrazuje rysunek poniżej. Fe0,2 – siła wyznaczana na krzywej rozciągania nie posiadającej wyraźnej granicy plastyczności przez poprowadzenie prostej równoległej do początkowego, prostoliniowego odcinka wykresu, przechodzącej przez punkt na osi wydłużeń, odpowiadający wartości ∆l = 0,2% . l Najważniejszymi parametrami danego materiału przy próbie rozciągania są: • Moduł sprężystości wzdłużnej (moduł Young’a) określany do granicy proporcjonalności P na prostoliniowym odcinku charakterystyki σ = f(ε). • E= σ N ε m2 Wytrzymałość na rozciąganie (zerwanie) Rm Rm = Fm S0 N m2 gdzie: Fm – maksymalna siła odkształcająca [N] S0 – pole przekroju poprzecznego próbki przed próbą [m2] • Wydłużenie względne przy zerwaniu εr εr = ∆l r ⋅ 100 l0 [%] gdzie: l0 – długość odcinka pomiarowego przed badaniem [m] ∆lr – wydłużenie bezwzględne odcinka pomiarowego [m] Materiał poddany próbie ściskania charakteryzują podobne wielkości, z tą różnicą, że próbka ulega skróceniu, a zamiast przewężenia występuje zgrubienie. Wytrzymałość na ściskanie (Rc) określa się jako graniczne naprężenie występujące w chwili pojawienia się w próbce pęknięć, rys lub innych objawów zniszczenia. Wytrzymałość na ściskanie bada się na niskich i krępych próbkach o kształcie walca, prostopadłościanu lub rurki tak, aby nie ulegały wyboczeniu. Rc = Fm S0 N m2 Kształty próbek do pomiaru wytrzymałości na rozciąganie. A – metal B – tworzywo sztuczne C – ceramika D – guma, kauczuk E – papier, folia, tkanina 4. Wykonanie pomiarów Pomiaru dokonuje się na zrywarce zapewniającej jednostajny, osiowy ruch głowicy obciążającej próbkę, dokładny pomiar siły zrywającej i wydłużenia oraz zapis zależności F = f(∆l). Maszyna taka musi spełniać następujące wymogi: • zapewniać osiowe zamocowanie próbki, • posiadać płynną regulację prędkości rozciągania w zakresie 4-150 [mm/min], • zapewniać dokładność wskazań siłomierza ±1%. Próbkami badanymi są odcinki drutu o długości 0,25m., nieprostowane, bez widocznych uszkodzeń, rys, pęknięć. Dopuszczalne jest prostowanie ręczne w sposób nieuszkadzający powierzchni próbek. Odcinek drutu mocowany jest osiowo w uchwytach zrywarki. Do jednego z uchwytów przykłada się siłę rozciągającą, narastającą równomiernie w czasie, aż do momentu zerwania. Odstęp początkowy między uchwytami zrywarki, a tym samym długość odcinka pomiarowego przed badaniem (l0), wynosi 0,15m. Średnicę próbki przed zerwaniem (d0) mierzy się w trzech miejscach odcinka pomiarowego, za pomocą mikroskopu warsztatowego i oblicza się średnią arytmetyczną z tych wyników (d0śr). Przed rozpoczęciem próby należy upewnić się, że miernik wydłużenia jest wyzerowany. N i zwolnieniu hamulca Po ustaleniu prędkości rozciągania, nie większej niż 30 2 mm ⋅ s rozpoczyna się proces rozciągania oraz rejestracji krzywej siła-wydłużenie. W czasie trwania próby rozciągania należy obserwować miernik wydłużenia i zapamiętać jego wskazanie w momencie zerwania próbki (∆lr). Po zerwaniu próbki, ze skali siłomierza odczytuje się wartość maksymalnej siły odkształcającej (Fm). Następnie należy zmierzyć średnicę drutu w miejscu zerwania posługując się mikroskopem warsztatowym. Pomiaru dokonujemy dla obu części próbki (du), a wynik jest średnią arytmetyczną obu pomiarów (duśr). Zerwanie powinno nastąpić w obrębie odcinka pomiarowego. W innym przypadku próbę traktujemy jako nieważną, a doświadczenie powtarzamy. Otrzymane wyniki zapisujemy w tabeli. 5. Opracowanie wyników pomiarów Zarejestrowaną podczas próby krzywą F = f(∆l) należy wyskalować na podstawie zmierzonych wartości Fm oraz ∆lr, a następnie odczytać wartości Fe lub Fe0,2, Fm, Fu. Następnie należy obliczyć następujące wielkości: • początkową powierzchnię przekroju próbki S0 [m2], • wytrzymałość na zerwanie Rm [N/m2] Rm = Fm S0 N m 2 • granicę plastyczności Re [N/m2] (naprężenie, przy którym zaczyna się wyraźny wzrost wydłużenia próbki bez znacznego wzrostu obciążenia) Fe S0 Re = N m 2 • naprężenie określające umowną granicę plastyczności Re0,2 [N/m2], dla metali nie posiadających wyraźnej granicy plastyczności Re 0, 2 = Fe 0, 2 S0 N m 2 • powierzchnię najmniejszego przekroju próbki po zerwaniu Su [m2], • naprężenie zrywające Ru [N/m2], występujące w miejscu przewężenia próbki w chwili zerwania Ru = Fu Su N m 2 • wydłużenie względne odcinka pomiarowego po zerwaniu εr [%], • moduł sprężystości wzdłużnej (moduł Younga) E [N/m2], • przewężenie względne po zerwaniu ∆Sr [%], jest to stosunek zmniejszenia powierzchni przekroju drutu w miejscu zerwania do przekroju początkowego ∆S r = S0 − Su ⋅ 100 S0 [%] Uzyskane wyniki omówić i podać wnioski Do protokółu należy załączyć opisany i wyskalowany wykres krzywej rozciągania! Wymiary próbek Lp. d0 Materiał [m] d0śr S0śr [m] 2 [m ] l0 du duśr ∆lr [m] [m] [m] [m] 1 2 Własności mechaniczne drutów przy rozciąganiu statycznym Lp. 1 2 Materiał Fm Fe Fu [N] [N] [N] Rm N [ m2 ] Re N [ m2 ] Ru N [ m2 ] εr ∆Sr [%] [%] E N [ m2 ] Załącznik 1 Cechy mechaniczne wybranych materiałów Materiał N E [ m2 ] N R m [ m2 ] εr [%] stal 200 ⋅ 109 300-1000 ⋅ 106 10-30 miedź 115 ⋅ 109 230-500 ⋅ 106 30-50 brąz 120 ⋅ 109 150-700 ⋅ 106 15 mosiądz 100 ⋅ 109 150-450 ⋅ 106 aluminium 70 ⋅ 109 90-120 ⋅ 106 30-45 cyna 47 ⋅ 109 15 ⋅ 106 70 ołów 16 ⋅ 109 15 ⋅ 106 50 wolfram 400 ⋅ 109 1700 ⋅ 106 2 diament 1100 ⋅ 109 1800 ⋅ 106 72 ⋅ 109 4000 ⋅ 106 szkło 4