Statyczna próba rozciągania metali, Laboratoria z Materials Physics

Pobierz Statyczna próba rozciągania metali i więcej Laboratoria w PDF z Materials Physics tylko na Docsity! *) za podstawę niniejszego opracowania przyjęto skrypt [1] Statyczna próba rozciągania metali Opracował : dr inż. Konrad Konowalski Szczecin 2015 r 2 1. Cel ćwiczenia Statyczna próba rozciągania dzięki posiadanym zaletom stała się podstawową i najbardziej rozpowszechnioną próbą w badaniach własności mechanicznych materiałów. Jest próbą łatwą do przeprowadzenia, daje możliwości obserwacji i rejestracji procesu rozciągania od początku obciążenia próbki aż do jej zniszczenia oraz możliwość wyznaczenia szeregu wskaźników charakteryzujących różnorodne własności materiału. Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z praktycznym sposobem przeprowadzenia statycznej próby rozciągania metali zgodnie z obowiązującą normą (EN ISO 6892-1:2009), używanymi do tego celu próbkami i maszynami wytrzymałościowymi oraz interpretacją i opracowaniem wyników próby. W czasie ćwiczenia należy przeprowadzić próbę rozciągania dla kilku próbek wykonanych z różnych metali, zbadać zachowanie się tych materiałów podczas rozciągania oraz wyznaczyć podstawowe wskaźniki, charakteryzujące własności wytrzymałościowe i plastyczne materiału. W szczególności wyznaczyć należy: wytrzymałość na rozciąganie Rm, wyraźną granicę plastyczności Re ( jeżeli występuje), naprężenie rozrywające Ru, wydłużenie względne A ( plastyczne), przewężenie względne Z ( plastyczne). 2. Opis próby 2.1. Próbki Do prób rozciągania używa się próbek obrabianych, okrągłych i płaskich oraz próbek w postaci odcinków materiału w stanie nieobrobionym. Próby rozciągania próbek wykonanych z materiałów sprężysto-plastycznych ujęto w normie EN ISO 6892-1:2009, a dla żeliwa szarego - w normie PN-EN 1561:2000. Próbki okrągłe (rys.1) zakończone mogą być chwytami (główkami) cylindrycznymi, gwintowanymi lub dostosowanymi do uchwytów pierścieniowych. Wielkością podstawową tych próbek jest pole przekroju początkowego S0. S0 = πd0 2 4 (1) 5 Rys.5. Widok próbki z materiału kruchego do próby rozciągania [6] 2.2. Rozciąganie próbek z materiałów sprężysto-plastycznych Przebieg próby rozciągania najlepiej charakteryzuje wykres rozciągania uzyskany z maszyny wytrzymałościowej, wyrażający zależność pomiędzy obciążeniem a towarzyszącym mu wydłużeniem próbki. Wykres ten powstaje w układzie współrzędnych: obciążenie F – wydłużenie całkowite L. Przykładowy wykres rozciągania dla materiału sprężysto-plastycznego, wykazującego wyraźną granicę plastyczności (stal miękka), przedstawiono na rys.6. Rys.6. Wykres rozciągania próbki z materiału sprężysto-plastycznego z wyraźną granicą plastyczności F m L F e H F s p r F H F e L F u F 1 2 3 4 5 6 0 6 Próbę rozciągania próbki ze stali niskowęglowej charakteryzuje wykres pokazany na rys. 6. Początkowo powstające odkształcenia są proporcjonalne (0-1) i sprężyste (0-2). Wykres przebiega zazwyczaj stromo, gdyż odkształcenia sprężyste są niewielkie. W tym zakresie obowiązuje praktycznie prawo Hooke’a. Dopiero po zjawieniu się odkształceń plastycznych, bezwzględna wartość wydłużenia zaczyna rosnąć szybciej. Początkowo odkształcenia plastyczne są nieznaczne (2-3), po czym następuje zaburzenie równowagi sił wewnętrznych i materiał zaczyna „ płynąć” (3-4). Próbka wydłuża się plastycznie na całej długości, przy czym obciążenie F nie wzrasta, a nawet maleje. Obserwując gładko szlifowaną powierzchnię próbki można zauważyć, że z chwilą rozpoczęcia płynięcia materiału, tzn. przy obciążeniu Fe, w pewnym miejscu pojawiają się charakterystyczne linie nachylone do osi próbki pod kątem około 45⁰. Linie te, zwane liniami Lűdersa - Czernowa, rozszerzają się następnie na całą długość pomiarową próbki. Są to ślady wzajemnych przesunięć części kryształów po płaszczyznach krystalograficznych. Przy dalszym trwaniu próby płynięcie ustaje i następuje umocnienie materiału. Odbywa to się przy dalszym wzroście siły obciążającej i znacznych wydłużeniach trwałych (4-5). Po osiągnięciu przez siłę wartości Fm (5), na próbce zaczyna tworzyć się w najsłabszym miejscu lokalne przewężenie, czyli tzw. „szyjka”. Narastanie odkształceń plastycznych w „szyjce” pokazano na rys.7. Rys.7. Narastanie odkształceń plastycznych w „szyjce” [7] Krzywa rozciągania zaczyna opadać (rys.6), po czym następuje rozerwanie próbki (6). 7 Na rys.8. pokazano wykres rozciągania próbki ze stali konstrukcyjnej stopowej. Materiał ten nie ma wyraźnej granicy plastyczności i nie występuje tutaj płynięcie materiału, charakterystyczne dla stali niskowęglowej. Stosowanie układu współrzędnych F-L do opisu próby jest niewygodne, ponieważ porównywanie wyników uzyskanych dla dwóch różnych materiałów wymagałoby stosowania próbek o takich samych przekrojach. Aby uniezależnić wyniki od przekroju próbki stosuje się układ współrzędnych: naprężenie  – wydłużenie jednostkowe ε, przy czym  = F S0 [ N mm2 ] (4) ε = L L0 (5) gdzie: S0 - pole pierwotnego przekroju próbki, L0 - pierwotna długość części pomiarowej próbki Wartość wydłużenia jednostkowego ε podaje się niekiedy w procentach. ε = L L0 100% (6) Rys.8. Wykres rozciągania próbki z materiału sprężysto-plastycznego, bez wyraźnej granicy plastyczności F m F u F p 0 ,2 F s p r F H F 0 1 2 3 4 5 L 10 Umowna granica plastyczności Rp - jest to naprężenie [ obliczone według wzoru (4)], odpowiadające sile F, wywołującej w próbce trwałe wydłużenie równe określonemu procentowi długości pomiarowej L0, np. Rp0,2. Rp0,2 = F0,2 S0 [ N mm2 ] (14) Rys.9.Wykres rozciągania stali miękkiej w układzie -ε Wytrzymałość na rozciąganie Rm - jest to naprężenie odpowiadające największej sile obciążającej Fm uzyskanej w czasie prowadzenia próby rozciągania, odniesionej do pierwotnego pola przekroju poprzecznego próbki Rm = Fm S0 [ N mm2 ] (15) R m ε R e H R s p r R H R e L R u  1 2 3 4 5 6 0 α 6’ 11 Naprężenie rozrywające - Ru jest to naprężenie występujące w przekroju poprzecznym próbki w miejscu przewężenia bezpośrednio przed rozerwaniem , obliczone z ilorazu siły w chwili rozerwania Fu i najmniejszego przekroju próbki Su po rozerwaniu Ru = Fu Su [ N mm2 ] (16) Oprócz wskaźników charakteryzujących własności wytrzymałościowe materiału norma przewiduje również wyznaczenie wskaźników charakteryzujących własności plastyczne badanego materiału. Wskaźnikami tymi są wydłużenie i przewężenie plastyczności próbki. Wydłużenie względne (plastyczne) po rozerwaniu – A jest to przyrost długości pomiarowej próbki mierzonej po rozerwaniu w odniesieniu do pierwotnej długości pomiarowej próbki, wyrażony w procentach A = Lu−L0 L0 100% (17) W wypadku proporcjonalnych próbek do badań dla których współczynnik proporcjonalności k≠5.65 oznaczenie A należy uzupełnić indeksem, który jest współczynnikiem proporcjonalności np. A11,3. W przypadku próbek nieproporcjonalnych symbol A należy uzupełnić indeksem, który jest początkową długością pomiarową, wyrażoną w milimetrach np. A80mm. Z = S0−Su S0 100% (18) Rys.10.Wyznaczenie długości pomiarowej Lu próbki po rozerwaniu 12 Przewężenie względne ( plastyczne) po rozerwaniu Z - jest to zmniejszenie powierzchni przekroju poprzecznego próbki w miejscu zerwania w odniesieniu do powierzchni jej pierwotnego przekroju, wyrażone w procentach. Na rys.10. przedstawiono ponownie złożone obie części rozerwanej próbki. Początkowa długość L0 odpowiadała pewnej liczbie działek o wartości 5 mm naniesionych na próbce. Długość pomiarowa próbki o średnicy np. d0=8 mm, przy współczynniku k=11.3, będzie wynosiła L0=80 mm, czyli 16 działek po 5mm. Dla ustalenia długości Lu odlicza się taką samą liczbę działek na próbce po rozerwaniu i mierzy suwmiarką długość odcinka Lu. Odcinek Lu należy tak dobierać, aby szyjka była jak najbliżej jego środka. Jeżeli próbka rozerwie się w pobliżu jednej z główek, wtedy długość Lu ustala się w sposób następujący. W obszarze szyjki (rys.10b) przyjmuje się odcinek a, położony symetrycznie i odpowiadający paru działkom. Połowie brakującej jeszcze liczbie działek odpowiada odcinek b. Gdyby z lewej strony zamiast główki rozciągała się dalej cylindryczna część próbki, rozkład wydłużeń z obu stron szyjki byłby symetryczny. W przypadku przeprowadzania prób rozciągania na maszynach wytrzymałościowych sterowanych komputerowo np. INSTRON 8501 lub INSTRON 8850, do pomiaru wydłużenia na długości pomiarowej stosuje się ekstensometry. Umożliwiają one znacznie dokładniejszy pomiar tego wydłużenia. Na rys.11 pokazano przykładowy sposób mocowania ekstensometru na długości pomiarowej próbki na maszynie wytrzymałościowej INSTRON 8850. Rys.11. Sposób mocowania ekstensometru na długości pomiarowej próbki. 15 2.3. Rozciąganie próbek z żeliwa i innych materiałów kruchych Próba statyczna rozciągania jest podstawową próbą wytrzymałościową żeliwa szarego i ma na celu określenie przede wszystkim jego wytrzymałości na rozciąganie Rm. Poniżej przedstawiono przykładowe oznaczenia żeliwa szarego i sferoidalnego według odpowiadających im norm. Oznaczenia żeliwa szarego wg PN-EN 1561:2012: EN-GJL 200 EN-GJL 250 EN-GJL 300 EN-GJL 350 Oznaczenia żeliwa sferoidalnego wg PN-EN 1563:2012: EN-GJS 400-18 EN-GJS 400-15 EN-GJS 400-12 EN-GJS 500-7 EN-GJS 600-3 EN-GJS 700-2 Rys.14.Wykres rozciągania żeliwa W zwykłej próbie rozciągania żeliwa i innych materiałów kruchych często rezygnuje się z pomiaru odkształceń po rozerwaniu próbki, gdyż są one ε  Rm 16 praktycznie biorąc równe zeru. Średnica próbki normalnej (rys.5.) jest zmienna w części pomiarowej i najmniejsza w środku, co gwarantuje, że w tym miejscu nastąpi rozerwanie. W protokóle próby oprócz Rm podaje się jeszcze uwagi dotyczące wyglądu zewnętrznego powierzchni oraz przełomu próbki (naderwanie, pęknięcie, porowatość, wtrącenia niemetaliczne itp.). Badania o charakterze naukowym wykazują, że wykresy rozciągania próbek wykonanych z żeliwa i innych materiałów kruchych mają zupełnie inny charakter niż wykresy otrzymywane dla materiałów sprężysto-plastycznych. W czasie przeprowadzania prób rozciągania w materiałach kruchych nie daje się zauważyć jakiejkolwiek granicy proporcjonalności lub plastyczności. Wykresem jest wtedy linia krzywa bez żadnych charakterystycznych punktów, kończąca się nagle w chwili rozerwania próbki. Rozerwanie zachodzi przy nieznacznym wydłużeniu trwałym. 2.4. Przełom próbki Przełomem (złomem) nazywa się powierzchnię powstałą w wyniku całkowitego rozdzielenia na części próbki obciążonej w dowolny sposób. Ze względu na mikrostrukturę przełomy podzielić można na: międzyziarniste, gdy rozdzielenie materiału nastąpiło na granicy ziarn krystalicznych; rozróżnia się przełomy gruboziarniste, drobnoziarniste i jedwabiste, wśródziarniste, przechodzące przez ziarna krystaliczne. Rys. 15. Podstawowe rodzaje przełomów próbek rozciąganych: a) przełom rozdzielczy kruchy, b) przełom rozdzielczy wiązki, c) przełom poślizgowy a) b) c) 17 Ze względu na makroskopowy charakter pęknięcia rozróżnia się przełomy rozdzielcze i poślizgowe. Przełom rozdzielczy powstaje w wyniku oderwania się jednej części próbki od drugiej i jest zorientowany prostopadle do kierunku największego naprężenia rozciągającego lub największego wydłużenia. Jeżeli przełom rozdzielczy nastąpi bez poprzedzających odkształceń plastycznych, lub jeżeli odkształcenia te są bardzo małe, to nazywa się przełomem rozdzielczym kruchym ( rys.15a) Rys. 16 . Przykłady przełomów próbek po próbach rozciągania [7,8,9] a) przełom rozdzielczy kruchy, b) przełom rozdzielczy wiązki c) przełomy rozdzielczy wiązki i poślizgowy d) przełom poślizgowy W przypadku, gdy poprzedzony jest większymi odkształceniami plastycznymi – to nosi nazwę przełomu rozdzielczego wiązkiego (rys.15b ). a) b) c) d) 20 Tablica 1 Numer próbki Materiał Własności mechaniczne Re[MPa] Rm[MPa Ru[MPa A[%] Z[%] Z pomiaru Z norm Z pomiaru Z norm Z pomiaru Z norm Z pomiaru Z norm Z pomiaru Z norm Literatura: 1. Grudziński Karol: Ćwiczenia laboratoryjne z Wytrzymałości Materiałów. Politechnika Szczecińska. Szczecin 1972 r. 2. Kowalewski Zbigniew: Ćwiczenia laboratoryjne z Wytrzymałości Materiałów. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa 2000 r 3. Katarzyński Stefan, Kocańda Stanisław, Zakrzewski Marek: Badanie własności mechanicznych metali. WNT Warszawa 1969 4. M. E Niezgodziński, T. Niezgodziński: Wzory wykresy i tablice wytrzymałościowe. WNT 1996r. 5. Wyrzykowski Jerzy W., Pleszakow Edward, Sieniawski Jan.: Odkształcanie i pękanie metali. WNT Warszawa 1999r. 6. http://www.imrtest.com/mechanical-testing 7. http://www.ara.com/Projects/SVO/popups/weld_geometry 8. http://oregonstate.edu/instruct/engr322/Homework/AllHomework/S10/EN GR322HW7.html 9. http://en.wikipedia.org/wiki/Ductility 21 Dodatek A Poniżej przedstawiono wykresy rozciągania próbek ze stali nisko-węglowej na maszynie wytrzymałościowej INSTRON 8850 otrzymane w programie BLUEHILL 2