Pobierz Statyczna próba jednoosiowego rozciągania. i więcej Ćwiczenia w PDF z Meccanica Dei Solidi tylko na Docsity! Przedmiot: Badanie własności mechanicznych materiałów Wykładowca: dr inż. Łukasz Cieniek Autor opracowania: dr inż. Łukasz Cieniek Ćwiczenie nr 3 Statyczna próba jednoosiowego rozciągania. Umocnienie odkształceniowe, roztworowe i przez rozdrobnienie ziarna Czas przewidywany na wykonanie ćwiczenia: 2 15 godz. zegarowe Cel ćwiczenia • Zapoznanie się ze sposobem przeprowadzania statycznej próby rozciągania • Praktyczne przeprowadzenie próby rozciągania na próbkach wskazanych przez prowadzącego • Wyznaczenie na podstawie statycznej próby rozciągania parametrów wytrzymałościowych (granica plastyczności Re, wytrzymałość na rozciąganie Rm) i plastycznych (wydłużenie procentowe po zerwaniu A i przewężenie Z) materiału • Zapoznanie się z metodami umocnienia metali Wiadomości wymagane do zaliczenia Przed przystąpieniem do wykonania ćwiczenia należy znać i rozumieć pojęcia: naprężenie, odkształcenie, umieć narysować i omówić wykres zależności naprężenia od odkształcenia dla podstawowych rodzajów materiałów (metale. Polimery, ceramiki), wiedzieć jakie parametry określane są w statycznej próbie rozciągania, wiedzieć jakie rodzaje próbek stosowane są w próbie rozciągania, umieć omówić rodzaje umocnienia i wiedzieć dlaczego umocnienie przez rozdrobnienie ziarna jest korzystne w przypadku stali na konstrukcje. Wykonanie ćwiczenia 1. Korzystając z norm oraz instrukcji obsługi należy zapoznać się z obsługą i zasadą działania maszyny wytrzymałościowej. 2. Zaplanowanie eksperymentu. Przeprowadzenie próby rozciągania próbek z miedzi i mosiądzu. 3. Wyznaczenie granicy plastyczności, wytrzymałości na rozciąganie, wydłużenia i przewężenia badanych materiałów. Literatura: [1] M. Blicharski: Wstęp do inżynierii materiałowej. WNT Warszawa 2003 [2] M. Blicharski: Odkształcanie i pękanie. UWN-D Kraków 2002 [3] M. Blicharski: Inżynieria materiałowa. Stal. WNT 2004 [4] M. Blicharski: Inżynieria materiałowa. WNT Warszawa 2014 [5] PN-EN ISO 6892-1:2010 Metale. Próba rozciągania. Część 1: Metoda badania w temperaturze otoczenia. Ćwiczenie nr 3: Statyczna próba jednoosiowego rozciągania. Umocnienie odkształceniowe, roztworowe i przez rozdrobnienie ziarna 2 Ogólna charakterystyka statycznej próby rozciągania (PN-EN ISO 6892-1:2010) Podstawową metodą badań własności mechanicznych metali jest statyczna próba rozciągania, która umożliwia określenie własności wytrzymałościowych i plastycznych badanych materiałów. Próba polega na powolnym rozciąganiu odpowiednio przygotowanej próbki zamocowanej w szczękach maszyny wytrzymałościowej. Sprzęt służący do przeprowadzenia próby rozciągania jest standardowy we wszystkich laboratoriach wytrzymałościowych. Każda maszyna wytrzymałościowa jest wyposażona w dynamometr pozwalający na odczyt siły działającej na próbkę, oraz rejestrator, zapisujący zmiany długości ∆l części pomiarowej próbki l0 i wartości statycznie przykładanego obciążenia F. Taki wykres dla materiału plastycznego (np. aluminium) przedstawiono schematycznie na rysunku 1. Rys. 1. Zależność obciążenia od wydłużenia dla metali plastycznych, np. aluminium Aby możliwe było porównanie wykresów rozciągania uzyskanych dla próbek o różnych wymiarach wykresy normalizuje się. Normalizacja polega na tym, że obciążenie F zastępuje się naprężeniem nominalnym σn 0 n S F=σ gdzie S0 – pole przekroju poprzecznego próbki w stanie wyjściowym w obszarze pomiarowym. Wydłużenie ∆l zastępuje się natomiast odkształceniem nominalnym (εn) 0 n l l∆=ε gdzie l0 – długość pomiarowa próbki w stanie wyjściowym. O bc ią ż en ie , F Wydłużenie, l∆ Ćwiczenie nr 3: Statyczna próba jednoosiowego rozciągania. Umocnienie odkształceniowe, roztworowe i przez rozdrobnienie ziarna 5 Parametry określane w próbie rozciągania Parametry określane w próbie rozciągania przedstawiono na rysunku 5. Rys. 5. Wielkości określane z próby rozciągania: Rp0,2; Rm; A Należą do nich: umowna granica plastyczności - Rp0,2 Granica plastyczności Re - największe naprężenie nominalne w próbie rozciągania, do osiągnięcia którego materiał jedynie nieznacznie odkształca się trwale (plastycznie). Wyróżnia się umowną granicę plastyczności, która jest równa naprężeniu nominalnemu odpowiadającemu działaniu siły rozciągającej wywołującej w próbce odkształcenie trwałe wynoszące 0,2% (Rp0,2): 0 2,0 2,0 S F Rp = gdzie: F0,2 – siła powodująca wydłużenie trwałe 0,2%; W przypadku materiałów charakteryzujących się zmniejszaniem naprężeń po rozpoczęciu odkształcenia trwałego mówi się o występowaniu wyraźnej granicy plastyczności i wyróżnia się górną i dolną granicę plastyczności (rysunek 6). Górna granica plastyczności (ReH) jest wyrażona przez maksymalne naprężenie nominalne poprzedzające zmniejszenie naprężeń, natomiast dolna granica plastyczności (ReL) – przez naprężenie nominalne w zakresie zmniejszenia naprężeń. σn εn 0,2% A zerwanie Rp0,2 Rm Ćwiczenie nr 3: Statyczna próba jednoosiowego rozciągania. Umocnienie odkształceniowe, roztworowe i przez rozdrobnienie ziarna 6 wytrzymałość na rozciąganie - Rm 0 m m S F R = gdzie: Fm – siła maksymalna; S0 – przekrój początkowy próbki; wydłużenie procentowe po rozerwaniu - A %100 l ll A 0 0u −= gdzie: lu – długość pomiarowa po rozerwaniu. Z próby można również określić przewężenie procentowe - Z %100 S SS Z 0 u0 −= gdzie: Su – pole najmniejszego przekroju próbki po rozerwaniu. Umowna granica plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie są miarami wytrzymałości materiału, natomiast wydłużenie i przewężenie są miarami ciągliwości (plastyczności). Wyraźna granica plastyczności W przypadku niektórych stali niskowęglowych na wykresie zależności naprężenia od odkształcenia występuje wyraźna granica plastyczności (rysunek 6). Taki kształt krzywej dla stali jest spowodowany obecnością w strukturze atomów międzywęzłowych węgla i azotu, które tworząc skupiska wokół dyslokacji (atmosfery) utrudniają ich poślizg. Do wystąpienia znaczącego poślizgu dyslokacji są konieczne naprężenia ReH.. Dalsze odkształcenie zachodzi już przy mniejszych naprężeniach ReL, pochodzących od przyłożonej siły, ponieważ uruchomione przy ReH dyslokacje tworzą na napotkanych przeszkodach spiętrzenia, co prowadzi do wytworzenia dodatkowych naprężeń, ułatwiających pokonywanie przeszkód. W ocenie własności materiałów korzysta się z wartości dolnej granicy plastyczności, gdyż wartość ReH jest bardzo czuła, między innymi na sposób przeprowadzania próby. Ćwiczenie nr 3: Statyczna próba jednoosiowego rozciągania. Umocnienie odkształceniowe, roztworowe i przez rozdrobnienie ziarna 7 Rys. 6. Zależność naprężenia od odkształcenia dla materiału wykazującego wyraźną granicę plastyczności Krzywe rozciągania różnią się znacznie zależnie od rodzaju materiału (rysunek 7), stanu w jakim znajduje się materiał (rysunek 8) oraz temperatury (rysunek 9). W przypadku materiałów kruchych, takich jak szkło i ceramika, zniszczenie próbki następuje przed rozpoczęciem odkształcenia plastycznego, wobec czego wartości Re i Rm są dla tych materiałów bardzo zbliżone. N ap rę że n ie , M P a Odkształcenie 0 0 0,1 0,2 0,3 100 200 300 400 500 N ap rę że n ie , M P a Odkształcenie 0 0 0,002 0,004 100 200 300 N ap rę że n ie , M P a Odkształcenie 1% polimer kruchy T << Tg polimer o ograniczonej plastyczności T = 0,8 Tg polimer termoplastyczny T = Tg T >> Tg T - temperatura zeszklenia (witryfikacji) g (a) (b) (c) Ćwiczenie nr 3: Statyczna próba jednoosiowego rozciągania. Umocnienie odkształceniowe, roztworowe i przez rozdrobnienie ziarna 10 wydzieleniowe lub cząstkami fazy dyspersyjnej, przez rozdrobnienie ziarna. Ćwiczenie nr 3: Statyczna próba jednoosiowego rozciągania. Umocnienie odkształceniowe, roztworowe i przez rozdrobnienie ziarna 11 Umocnienie roztworowe Dyslokacje oddziałują z atomami rozpuszczonymi, gdyż wokół obu defektów występują pola odkształceń sprężystych. Jeżeli pola odkształceń są tego samego znaku, to defekty odpychają się, natomiast jeżeli mają znaki przeciwne, to przyciągają się. Oba typy oddziaływań zmniejszają ruchliwość dyslokacji. Jeżeli ruchliwość dyslokacji w ciele stałym jest ograniczona przez atomy domieszki w roztworze, to uzyskane umocnienie jest nazywane umocnieniem roztworowym (przez tworzenie roztworu) a stop roztworem. Dobrym przykładem umocnienia roztworowego jest dodatek cynku do miedzi. W tym przypadku większe atomy cynku wytwarzają naprężenia w strukturze krystalicznej miedzi. Naprężenia te oddziałują z polem naprężeń dyslokacji, dlatego ich poślizg jest trudniejszy. Efekt oddziaływania rośnie ze wzrostem różnicy w średnicach atomów osnowy i domieszki. W roztworze stałym o stężeniu c odległość między atomami domieszki w płaszczyźnie poślizgu jest proporcjonalna do c-1/2. Przyrost granicy plastyczności ∆σr spowodowany domieszką w roztworze można zapisać w postaci: ∆σr ~ c 1/2 Wpływ zawartości Zn na własności mosiądzu (stopu miedzi z cynkiem) przedstawiono na rysunku 10. Zwykle ze wzrostem wytrzymałości wydłużenie maleje. Wpływ cynku na własności mosiądzu jest pod tym względem wyjątkowy, gdyż ze wzrostem jego zawartości rośnie wytrzymałość i wydłużenie mosiądzu. Rys.10. Wpływ zawartości cynku w stopach miedzi z cynkiem na: a) wytrzymałość na rozciąganie; b) wydłużenie Umocnienie dyslokacyjne (odkształceniowe) Odkształcenie plastyczne materiałów krystalicznych jest zwykle realizowane dzięki przemieszczaniu się dyslokacji. W strukturach krystalicznych metali jest wiele systemów poślizgu. Ćwiczenie nr 3: Statyczna próba jednoosiowego rozciągania. Umocnienie odkształceniowe, roztworowe i przez rozdrobnienie ziarna 12 Dyslokacje z przecinających się płaszczyzn poślizgu przeszkadzają sobie wzajemnie w ruchu poślizgowym, co prowadzi do ich spiętrzenia i gromadzenia się. Rezultatem jest umocnienie odkształceniowe. W procesie walcowania cienkich blach jest ono niewygodne, gdyż prowadzi do szybkiej utraty plastyczności przez blachę oraz do znacznego wzrostu energii wymaganej do walcowania. W celu przywrócenia plastyczności należy zatrzymać proces walcowania i blachę wyżarzyć (nagrzać w celu usunięcia zmagazynowanych podczas walcowania dyslokacji). Umocnienie dyslokacyjne jest bardzo często pożądane, gdyż stanowi ważną metodę umocnienia metali. Zależność między umocnieniem odkształceniowym i odkształceniem przedstawiono na rysunku 11. Przyrost granicy plastyczności spowodowany odkształceniem ∆σd jest proporcjonalny do pierwiastka kwadratowego z gęstości dyslokacji ρ. ∆σd = βGb ρ gdzie: β – stała G – moduł sprężystości postaciowej Wpływ gęstości dyslokacji na granicę plastyczności żelaza przedstawiono na rysunku 12. Zależność między umocnieniem odkształceniowym i odkształceniem w temperaturze otoczenia dla stali niestopowej zawierającej 0,4% C, miedzi i mosiądzu przedstawiono na rysunku 13. Rys. 11. Zależność naprężeń płynięcia plastycznego σ od wielkości odkształcenia ε