laboratorium z materiałoznawstwa

LABORATORIUM Z
MATERIAŁOZNAWSTWA
1. Badanie własności mechanicznych metali.
25.02.2008
Mateusz Jaje
ZiIP 107
L16_b
1.Spis treści.
1.SPIS TREŚCI. ......................................................................................................................... 2
2.TEORIA ................................................................................................................................. 3
3.TREŚĆ ĆWICZENIA. ............................................................................................................... 6
4.PRZEBIEG ĆWICZEŃ. ............................................................................................................. 6
Doświadczenie 1. ................................................................................................................ 6
Doświadczenie 2. ................................................................................................................ 7
Doświadczenie 3. ................................................................................................................ 7
Tabela wyników. ................................................................................................................. 7
5.WNIOSKI .............................................................................................................................. 8
2
2.Teoria
Statyczna próba rozciągania – podstawowa metoda badań wytrzymałościowych dla metalowych
materiałów konstrukcyjnych.
W statycznej próbie rozciągania rozciąga się odpowiednio wykonany pręt o przekroju okrągłym
wykorzystując urządzenie zwane zrywarką. W czasie próby rejestruje się zależność przyrostu
długości próbki od wielkości siły rozciągającej oraz rejestruje się granicę sprężystości,
przewężenie próbki i siłę zrywającą próbkę. Naprężenia w próbce oblicza się dzieląc siłę
rozciągającą przez pole przekroju poprzecznego próbki (uwzględniając przewężenie lub nie
uwzględniając go).
Typowy wykres naprężenie-odkształcenie
pokazuje rysunek po lewej.
Początkowo wzrost naprężenia powoduje
liniowy wzrost odkształcenia. W zakresie tym
obowiązuje prawo Hooke'a. Po osiągnięciu
naprężenia Rsp, zwanego granicą sprężystości
materiał przechodzi w stan plastyczności, a
odkształcenie staje się nieodwracalne.
Przekroczenie granicy sprężystości, zauważalne
w okresie chwilowego braku przyrostu
naprężenia, powoduje przejście materiału w
stan plastyczny. Dalsze zwiększanie naprężenia
powoduje nieliniowy wzrost odkształcenia, aż
do momentu wystąpienia zauważalnego,
lokalnego przewężenia zwanego szyjką.
Naprężenie, w którym pojawia się szyjka,
zwane jest wytrzymałością na rozciąganie Rm. Dalsze rozciąganie próbki powoduje jej
zerwanie w punkcie zerwania Pz.
(Uwaga! Wykres przedstawia dwie linie. Przerywana pokazuje naprężenie rzeczywiste
obliczane przy uwzględnieniu przewężenia próbki. Linia ciągła pokazuje wykres naprężenia
obliczanego przy uwzględnieniu pola wyjściowego próbki. Czyni się tak, by zaobserwować
wartość Rm, będącą lokalnym maksimum krzywej).
Ten ogólny przypadek znacznie różni się dla różnych materiałów. Np. materiały sprężyste, jak
stale wysokowęglowe, żeliwa, stale sprężynowe, nigdy nie przechodzą w stan plastyczny, lecz
wcześniej ulegają zerwaniu. Dla wielu materiałów granica plastyczności jest trudna do
określenia, gdyż nie istnieje wyraźnie przejście z zakresu sprężystego do plastycznego.
Na podstawie wyników pomiarów statyczną próbą rozciągania można określić podstawowe
wielkości wytrzymałościowe materiału, jakimi są: Rsp, Re, Rm, moduł Younga i współczynnik
Poissona.
Granica sprężystości- Rsp to takie naprężenie, po przekroczeniu którego nie następuje
powrót - po zdjęciu obciążenia - do pierwotnej, nieodkształconej i wolnej od naprężeń postaci.
W materiale pozostają trwałe deformacje bądź to w wyniku uplastycznienia materiału (przejście
ze stanu sprężystego w plastyczny), bądź to w wyniku uszkodzeń lub wręcz dekohezji.
Oprócz granicy sprężystości, często wyróżnia się granicę proporcjonalności, czyli wartości
naprężeń dla których odkształcenia (jak też przemieszczenia) są liniową funkcją naprężeń.
3
Wytrzymałość na rozciąganie Rm- Jest to naprężenie odpowiadające największej sile
niszczącej Fm uzyskanej w czasie prowadzenia próby rozciągania, odniesionej do pierwotnego
przekroju poprzecznego tej próbki:
Rm = Fm / So [kG/mm2]
Górna granica plastyczności - naprężenie, po którego osiągnięciu następuje pierwszy
spadek siły rozciągającej próbkę.
Górna granica sprężystości określona jest wzorem:
Re - naprężenie w granicy plastyczności
Fe - siła obciążająca próbkę w granicy plastyczności
S - pole przekroju próbki pod działaniem siły Fe
Wydłużenie A jest to przyrost długości pomiarowej próbki po jej rozerwaniu
odniesiony do pierwotnej długości próbki wyrażony w procentach:
A=[(lu-lo)/ lo]*100%
Przewężenie Z jest to zmniejszenie pola powierzchni przekroju poprzecznego
próbki w miejscu rozerwania w odniesieniu do pola powierzchni jej przekroju pierwotnego:
Z=[(su-so)/ so]*100%
Dolna granica plastyczności jest to najmniejsze naprężenie rozciągające występujące
po przekroczeniu górnej granicy plastyczności.
Moduł Younga (E)- inaczej moduł odkształcalności liniowej albo moduł sprężystości
podłużnej (w układzie odniesienia SI). Wielkość uzależniająca odkształcenie liniowe ε
materiału od naprężenia σ jakie w nim występuje w zakresie odkształceń sprężystych.
Współczynnik Poissona (υ) jest stosunkiem odkształcenia poprzecznego do
odkształcenia podłużnego przy osiowym stanie naprężenia. Współczynnik Poissona jest
wielkością bezwymiarową i nie określa sprężystości materiału, a jedynie sposób w jaki się on
odkształca.
Jeżeli w przypadku materiału izotropowego w rozpatrywanym punkcie ciała wyróżnimy
kierunek m i jeżeli w tym punkcie jedynie naprężenie σm ≠ 0 (zaś pozostałe składowe
naprężenia są równe zero), to współczynnik Poissona:
ε - odkształcenie, n - dowolny kierunek prostopadły do m
Twardość – cecha ciał stałych świadcząca o podatności lub odporności na odkształcenia
powierzchni, zgniecenie jej lub zarysowanie, pod wpływem zewnętrznego nacisku. Twardość
materiału mierzy się za pomocą sklerometru i mikrotwardościomierza. Twardość jest istotną
4
charakterystyką materiałów konstrukcyjnych. Dla każdego z typu tych materiałów utworzono
odpowiednie metody klasyfikacji i pomiarów twardości.
Skala twardości Rockwella – zespół skal dla oznaczania twardości metali na podstawie
testu dokonanego metodą Rockwella. Twardość w skali Rockwella oznacza się HR.
Stosowanych jest kilka odmiennych skal, z których każda przeznaczona jest dla odmiennych
stopów metali:
Skale C i A stosuje się dla stali hartowanych.
Skale B i F stosuje się dla stali niehartowanych i metali nieżelaznych
Skale N i T stosuje się dla próbek o małych rozmiarach, bądź bardzo cienkich.
Przy podawaniu twardości określanej w skali Rockwella, w symbolu uwzględnia się metodę,
np. HRC dla metody C. Zakres skali Rockwella wynosi od 20 dla miękkich stopów do 100 dla
stali hartowanej.
Metoda Rockwella polega na pomiarze głębokości wcisku dokonanego wzorcowym stożkiem
diamentowym (o kącie wierzchołkowym 120°) dla skali C, A i N lub stalowej, hartowanej kulki
o średnicy 1,5875 mm (1/16") w metodach B, F i T przy użyciu odpowiedniego nacisku.
Metoda ta jest łatwa w użyciu i szybka, gdyż stosuje się przy niej specjalne przyrządy, które
same odczytują głębokość wgniecenia i określają twardość, bez konieczności dokonywania
dodatkowych pomiarów i obliczeń.
Udarność - odporność materiału na złamanie przy uderzeniu.
Miarą udarności zgodnie z PN jest stosunek energii zużytej na złamanie próbki za pomocą
jednorazowego uderzenia do przekroju poprzecznego próbki w miejscu karbu:
K - praca uderzenia [J]
S - powierzchnia początkowa przekroju w miejscu karbu cm2
Do wykonywania tych badań wykorzystuje się urządzenia umożliwiające przyłożenie dużej siły
w krótkim czasie, zwane zazwyczaj młotami udarowymi. Najczęściej spotykanym urządzeniem
jest młot Charpy'ego.
Schemat młota wahadłowego typu Charpy.
Źródła: wikipedia.org/ inne
5
3.Treść ćwiczenia.
Celem ćwiczenia jest przeanalizowanie właściwości mechanicznych poprzez statyczną próbę
rozciągania oraz pomiarów twardości i udarności.
4.Przebieg ćwiczeń.
Doświadczenie 1.
Przyrząd pomiarowy: Maszyna wytrzymałościowa do prób statycznych (zrywarka),
suwmiarka.
Próbka wykonana z stali niskowęglowej.
Wyniki pomiarów:
lo=30 mm, lu=38 mm
so=10.6*0,2=2,12, su=9,7*0,1=0,9
6
Doświadczenie 2.
Przyrząd pomiarowy- twardościomierz Rockwell.
Próbka wykonana ze stali niskowęglowej.
Wyniki pomiarów:
σ1= 7 HRC
σ2= 6 HRC
σ3= 5,5 HRC
σ4= 4 HRC
Doświadczenie 3.
Przyrząd- młot Charpy'ego.
Próbka wykonana ze stali niskowęglowej.
Wyniki pomiarów:
2,3 kN
σ = 48
Przełom kruchy
Tabela wyników.
Materiał
Stal niskowęglowa
lo
lu
so
30
su
mm2
mm
38
3.12
1.9
F
kN
2.33
σ
F/so
48
A
Z
%
26.7
-57.5
7
5.Wnioski
Stal niskowęglowa (zawartość węgla do około 0,3%) jest stalą miękką, kruchą. Przełom
kruchy. W doświadczeniu drugim, przeprowadzonym na twardościomierzu Rockwell,
zaobserwowaliśmy, iż im dalej od rdzenia próbki oddalaliśmy wgłębnik, tym bardziej spadała
twardość próbki. Nie zaobserwowaliśmy efektów brzegowych. W pierwszym doświadczeniu
próbka uległa sporemu wydłużeniu i przewężeniu, zgodnie ze spodziewanymi wynikami. Stal
niskowęglowa nie nadaje się do konstrukcji, na które działają spore obciążenia
8