BADANIA WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNYCH MATERIAŁÓW. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Transkrypt

1 BADANIA WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNYCH MATERIAŁÓW Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

2 Właściwości Fizyczne (gęstość, ciepło właściwe, rozszerzalność cieplna, przewodność cieplna i elektryczna, właściwości magnetyczne) Technologiczne (skrawalność, spawalność, lejność, plastyczność) Użytkowe (odporność na ścieranie, odporność na korozję chemiczną i elektrochemiczną, żaroodporność i żarowytrzymałość, odporność na działanie niskiej temperatury) Mechaniczne Właściwości mechaniczne Określają zdolność materiału do przenoszenia obciążeń Są przedmiotem znormalizowanych prób Normy: branżowe, państwowe, międzynarodowe, towarzystw lotniczych, okrętowych itp. 2

3 WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE 1. Właściwości mechaniczne określane metodami badań statycznych: próba rozciągania, ściskania, zginania 2. Twardość: statyczne próby twardości 3. Właściwości wyznaczane w próbach udarowych: udarność 4. Właściwości wyznaczane na podstawie prób zmęczeniowych: wytrzymałość zmęczeniowa 3

4 METALE PRÓBA ROZCIĄGANIA W TEMPERATURZE OTOCZENIA (PN-EN ) a) b) Próbki okrągłe (a) i płaskie (b) do próby rozciągania: 1) grubość, 2) szerokość, 3) średnica, 5) długość pomiarowa, 6)..., 7) długość całkowita, 9) przekrój poprzeczny, 12) uchwyty 4

5 Wykonanie próby. Uniwersalna maszyna wytrzymałościowa: 1) belka nośna, 2) cięgła, 3) tłok pierścieniowy, 4) rynienka do przeciekającego oleju, 5) tłok wewnętrzny, 6) cylinder roboczy, 7) belka poprzeczna, 8) płytki do ściskania, 9) stół do zginania, 10) uchwyt, 11) uchwyty klinowe, 12) próbka, 13) kolumny, 14) śruba 5 ustawienia zgrubnego, 15) ciężarek do cechowania

6 Maszyna wytrzymałościowa Zwick Z250 6

7 F m największa siła [N] F e (F eh, F el ) siła odpowiadająca granicy plastyczności [N] L 0 początkowa długość pomiarowa [mm] L u długość pomiarowa po rozerwaniu [mm] L u -L 0 wydłużenie po rozerwaniu [mm] 7

8 ΔL ΔL Krzywe rozciągania metali z wyraźną granicą plastyczności i bez wyraźnej granicy plastyczności: 1) miedź w stanie wyżarzonym, 2) stal niestopowa 0,12 % C, 3) stal niestopowa 0,45 % C, 4) stal niestopowa 0,9% C zahartowana 8

9 Właściwości określone w próbie rozciągania: Granica plastyczności R e = F e /S o [N/mm 2 ] Wytrzymałość na rozciąganie R m = F m /S o [N/mm 2 ] Wydłużenie względne A = 100 x ΔL/L o [%] Przewężenie Z = S/S 0 [%] F e siła obciążająca odpowiadająca wyraźnej granicy plastyczności [N] F 0,2 siła obciążająca wywołująca umowne wydłużenie trwałe wynoszące 0,2% długości pomiarowej [N] F m największa siła obciążająca w czasie próby [N] S o powierzchnia przekroju poprzecznego próbki na długości pomiarowej przed rozerwaniem [mm 2 ] ΔS zmiana powierzchni przekroju L o pierwotna długość pomiarowa próbki L u długość pomiarowa próbki po rozerwaniu ΔL = L u L o wydłużenie 9

10 PRÓBA ŚCISKANIA METALI przeprowadzana jest tylko dla materiałów kruchych. Przy ściskaniu materiałów ciągliwych nie można uzyskać zniszczenia próbki, gdyż następuje spęczanie i umocnienie wywołane odkształceniem plastycznym. Zapis wyznaczonych właściwości z indeksem c : np. R c wytrzymałość na ściskanie. PRÓBA ZGINANIA METALI stosowana jest tylko do materiałów kruchych w celu określenia wytrzymałości na zginanie R g. PRÓBY ROZCIĄGANIA METALI w podwyższonych i obniżonych temperaturach przeprowadza się, umieszczając próbkę w komorze o zadanej temperaturze. Zapis wyniki uwzględnia temperaturę próby, np. R 350ºC m wytrzymałość na rozciąganie wyznaczona w temperaturze 350º. 10

11 11

12 POMIARY TWARDOŚCI Przyczyny rozpowszechnienia pomiarów twardości: łatwość ustalenia związku między wynikami pomiaru twardości a wynikami prób innych właściwości mechanicznych szybkość, łatwość i dokładność pomiarów w małej objętości metalu. Zasada pomiaru twardości: wgniatanie wgłębnika przez określony czas i przy określonym obciążeniu, co powoduje miejscowe odkształcenie trwałe. Ogólna definicja twardości: miara oporu metalu przeciw odkształceniom trwałym powstającym wskutek wciskania wgłębnika. Ważniejsze sposoby pomiarów twardości: Brinella Rockwella Vickersa 12

13 Zasada pomiaru METALE POMIAR TWARDOŚCI SPOSOBEM BRINELLA (PN-EN ISO ) Obciążenie: 9, N Zapis wyniku pomiaru Np. 200 HB w wypadku standardowych warunków pomiaru: średnica kulki 10 mm siła obciążająca 3000 kg czas obciążenia 10 s 13

14 Zastosowanie sposóbu Brinella: pomiar twardości materiałów o stosunkowo małej twardości: stali wyżarzonych, żeliw, stopów metali nieżelaznych. Wada sposobu Brinella: stosunkowo mały zakres pomiarowy i duże rozmiary odcisku. Zaleta sposobu Brinella: twardość Brinella w wypadku niektórych stopów jest proporcjonalna do wytrzymałości na rozciąganie, co można wykorzystać do przybliżonej oceny wytrzymałości, np. dla: stali stopów miedzi stopów aluminium Rm = (0,34 0,36) HB Rm = (0,40 0,55) HB Rm = (0,240 0,30) HB 14

15 METALE POMIAR TWARDOŚCI SPOSOBEM ROCKWELLA (PN-EN ISO ) Zasada pomiaru Zapis wyniku pomiaru 100 HRB skala B 40 HRC skala C Obciążenie wstępne: 98 N Obciążenie główne: 1373 N dla skali C 883 N dla skali B Zalety pomiaru: szybkość wykonania szerszy niż przy sposobie Brinella zakres pomiarowy 15

16 Zasada pomiaru METALE POMIAR TWARDOŚCI SPOSOBEM VICKERSA (PN-EN ISO ) Zapis wyniku: 200 HV10 (przy obciążeniu 98 N) (10 KG) Obciążenie: 1, N Zalety pomiaru: duża dokładność szeroki zakres pomiarowy małe obciążenie wgłębnika, co pozwala na pomiar twardości cienkich elementów 16

17 METALE POMIAR MIKROTWARDOŚCI SPOSOBEM VICKERSA (PN-EN ISO ) Zasada pomiaru: identyczna z pomiarami makrotwardości sposobem Vickersa, lecz stosuje się dokładniej wykonany wgłębnik, mniejsze obciążenie wgłębnika, mniejszą chropowatość badanej powierzchni, dokładniejszy pomiar przekątnych odcisku Obciążenie: 0,0098 0,9807 N Badane elementy: igły, cienkie druty i taśmy, cienkie warstwy wierzchnie, składniki struktury stopów Przygotowanie powierzchni: polerowanie, trawienie Zapis wyniku: 200 HV0,1 (przy obciążeniu 0,981 N (0,1 KG) 17

18 METALE PRÓBA UDARNOŚCI SPOSOBEM CHARPY EGO (PN-EN ) b szerokość próbki a wysokość próbki a-h głębokość karbu l długość próbki L odległość między podporami Ustawienie próbki do próby udarności na młocie wahadłowym Charpy ego: 1) podpory próbki, 2) ostrze wahadła młota, 3) próbka 18

19 Młot wahadłowy Charpy ego 1) kadłub, 2) wahadło młota, 3) opór, 4) podziałka, 5) wskazówka, 6) próbka, 7) taśma hamulcowa, 8) drążek hamulca, ) kąt spadania wahadła młota, ) kąt wychylenia wahadła młota po złamaniu próbki 19

20 W czasie próby początkowa energia wahadła młota (K max =300 J) wychylonego o kąt α, przy jego swobodnym spadku zostaje zużyta na złamanie próbki (K) i na zamianę na energię kinetyczną K 1, powodującą wychylenie wahadła młota po złamaniu próbki o kąt β K=K max K 1 = m g R(cosβ-cosα) [J] K energia złamania próbki m masa wahadła młota [kg] g przyśpieszenie ziemskie = 9,82 [m/s 2 ] R odległość od osi wahadła młota do środka próbki ustawionej na podporach [mm] α kąt spadania wahadła młota [º] β kąt wychylenia wahadła młota po złamaniu próbki [º] Udarność wyznacza się jako pracę uderzenia (łamania próbki) odniesioną do powierzchni początkowej przekroju poprzecznego próbki w miejscu karbu S o : KCV próbka z karbem V KCU próbka z karbem U KC=K/ S o [J/cm 2 ] 20

21 Udział przełomu plastycznego [%] Praca łamania KV [J] 80 Udarność (praca łamania) jest miarą odporności materiału na udarowe obciążenie w danej temperaturze. Na podstawie badań udarności w pewnym zakresie temperatur, można określić temperaturę przejściową kruchości (próg kruchości). Próg kruchości wyznaczają dwa kryteria: Temperatura [ o C] 1. praca łamania 54 J (TT54). TT = transition temperature % przełomu kruchego na próbkach Charpy V (FATT50) FATT = fracture appearance transition temperature Temperatura [ o C] 21

22 BADANIA METALI NA ZMĘCZENIE Zmęczeniem nazywa się zniszczenie metalu spowodowane cyklicznie zmiennymi naprężeniami, znacznie mniejszymi od niszczącego naprężenia statycznego. Cykl naprężeń charakteryzują: średnie naprężenie cyklu: amplituda cyklu naprężeń: współczynnik asymetrii cyklu: gdzie: max górne naprężenie cyklu min dolne naprężenie cyklu 22

23 Rodzaje cykli naprężeń zależnie od współczynnika asymetrii cyklu a) symetryczny wahadłowy: max = - min, m =0, max, R=-1 b) dwustronny (niesymetryczny): a > m, 0>R>1 lub - <R<-1 c) jednostronny (tętniący): m > a, 1>R>0 lub 1<R< + d) odzerowo tętniący: max =0, R= ± lub min =0, R=0 23

24 PRÓBKI DO BADAŃ: okrągłe lub płaskie, o stałym lub zmiennym przekroju, z karbem V lub U. ZASADA PRÓBY ZMĘCZENIA: wielokrotne obciążenia próbki, wywołujące zmienny stan naprężeń. GRAFICZNE PRZEDSTAWIENIE WYNIKÓW BADAŃ SERII PRÓBEK: wykres Wöhlera. PODSTAWOWĄ CHARAKTERYSTYKĄ ZMĘCZENIOWĄ METALU: wytrzymałość na zmęczenie, czyli naprężenie, które nie doprowadza do zniszczenia próbki przy określonej podstawie próby zmęczeniowej N G (umownej liczbie cykli N), np. dla stali, żeliwa, staliwa 10 7 cykli. 24

25 Wykres Wöhlera Kółko ze strzałką oznacza próbkę niezłamaną, kółko bez strzałki oznacza próbkę złamaną w czasie próby. 25