Temat 1 (2 godziny): Próba statyczna rozciągania metali 1.1. Wstęp Próba statyczna rozciągania jest podstawowym rodzajem badania metali, mających zastosowanie w technice i pozwala na określenie własności mechanicznych metali. Doświadczenie to polega na osiowym rozciąganiu próbek o ściśle określonych kształtach mocowanych w uchwytach specjalnych maszyn zwanych maszynami wytrzymałościowymi lub zrywarkami, pozwalającymi w sposób ciągły zwiększać siłę od zera do wartości, przy której następuje zerwanie próbki. Próba ta jest objęta Polską Normą PN-EN 10002-1+AC1 1.2. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest wyznaczenie na podstawie statycznej próby rozciągania wielkości wytrzymałościowych takich jak granica wytrzymałości na rozciąganie, granica plastyczności, naprężenia rozrywającego oraz wielkości charakteryzujących materiał pod względem plastycznym: wydłużenie względne wyrażone w procentach i przewężenie względne również wyrażone w procentach. 1.3. Rodzaje stosowanych próbek W celu przeprowadzenia próby rozciągania materiału należy przygotować próbkę, która powinna być wykonana w sposób określony przez odpowiednie normy przedmiotowe. Tak na przykład, próbki z blach powinny być tak wycinane, by ich rozciąganie zachodziło w kierunku zgodnym z kierunkiem walcowania lub prostopadłym do niego. Próbki powinny być wycinane sposobem mechanicznym. Należy unikać używania palnika acetylenowego, aby nie spowodować miejscowego przegrzania, zmieniającego własności wytrzymałościowe i plastyczne materiału. Ostateczna obróbka próbek może się odbywać tylko za pomocą skrawania oraz szlifowania. Każda próbka ma pryzmatyczną część pomiarową oraz części służące do mocowania w uchwytach maszyny wytrzymałościowej. Przejścia od części pomiarowej do główek muszą być łagodne. Dla stali podstawowymi rodzajami próbek są: próbki okrągłe z główkami gwintowanymi wkręcanymi w uchwyty maszyny wytrzymałościowej (rys. 1.1 a): jest to najpewniejszy sposób mocowania, uniemożliwiający poślizgi próbki w uchwytach, próbki okrągłe z główkami do chwytania w szczęki (rys. 1.1 b), próbki okrągłe do chwytania w uchwyty pierścieniowe (rys. 1.1 c), próbki płaskie (rys. 1.2). a) b)
c) Rys. 1.1. Próbki okrągłe stosowane do przeprowadzania statycznej próby rozciągania L o początkowa długość pomiarowa, L c długość robocza, L t długość całkowita próbki, d o średnica próbki na długości roboczej L c, D średnica próbki w części chwytowej próbki o długości m. Wymiarem podstawowym próbek okrągłych jest średnica d o, od której zależy początkowa długość pomiarowa L o : L o = nd o, (1.1) gdzie: n krotność próbki, zalecaną wartością krotności jest n = 5. d o średnica próbki, może przyjmować wartości: 5, 10 lub 20 mm. W przypadku próbek o innych przekrojach niż okrągły, długość pomiarowa jest obliczana przez porównanie pola S przekroju poprzecznego próbki o innym przekroju niż okrągły z polem przekroju poprzecznego próbki o przekroju okrągłym S o: S, = d 4 2 0, d o = 4S = 1,13 S (1.2) Długość pomiarowa określana jest podobnie jak dla próbki o przekroju okrągłym: L 0 n, dla n 5 L o 5, 65 S (1.3) d o
Rys. 1.2. Próbka płaska z główkami 1.4. Wykres rozciągania Wykres rozciągania rejestrowany jest w układzie siła wydłużenie (F l) w trakcie próby rozciągania. Próba nazywana jest statyczną, choć obciążenie narasta z określoną prędkością. Na rysunku 1.3 przedstawiono przykładowy wykres rozciągania próbki okrągłej wykonanej ze stali niskowęglowej. Kształt wykresu zależy od rodzaju materiału. Dla porównania wykresów rozciągania we współrzędnych siła-wydłużenie należałoby stosować próbki o identycznych wymiarach. Aby tego uniknąć korzysta się z wielkości niezależnych od wymiarów próbki: F naprężenie w przekroju prostopadłym do osi próbki: [MPa] (1.4) L wydłużenie względne (1.5) L 0 Wykres f ( ) przedstawiony jest na rysunku 1.4, linia na tym wykresie ilustruje naprężenia rzeczywiste obliczone jako iloraz aktualnej siły obciążającej F do pola przekroju poprzecznego próbki. Na początku próby wydłużenie rośnie wprost proporcjonalnie do siły obciążającej, aż do osiągnięcia tzw. granicy proporcjonalności R : R H = F H [MPa], S0 przekrój początkowy próbki (1.6) Jest to graniczne naprężenie, do którego ma zastosowanie prawo Hooke'a. Do tej granicy odkształcenia są małe, a po odciążeniu próbka wraca do pierwotnej długości. Nieco wyżej niż granica proporcjonalności R H znajduje się granica sprężystości R s : R = s F s [MPa] (1.7) Jest to graniczne naprężenie, po przekroczeniu którego próbka po zdjęciu obciążenia już nie wróci do wymiarów początkowych, zaczynają się pojawiać odkształcenia trwałe. Odcinek wykresu R H R s nie jest już linią prostą, co jest odstępstwem od prawa Hooke'a. Odkształcenia nadal mają charakter sprężysty, po zdjęciu obciążenia zanikają. Wyznaczenie granicy proporcjonalności R H oraz granicy sprężystości R s jest możliwe dopiero z zastosowaniem odpowiednio czułych przyrządów pomiarowych (tensometrów). Powyżej granicy sprężystości R s występuje wyraźna granica plastyczności: R e = F e [MPa] (1.8) H
Jest to naprężenie, przy którym pojawia się wyraźny przyrost wydłużenia próbki, przy prawie stałej wartości siły F e, a nawet przy jej spadku. Ponieważ odkształcenia zachodzą tu bez wzrostu obciążenia zachowanie materiału określamy jako płynięcie. W momencie osiągnięcia granicy plastyczności na polerowanej powierzchni próbki można dostrzec szereg linii przebiegających pod kątem do osi próbki. Są to linie poślizgów cząstek materiału 4 względem siebie. Poślizgi te trwają pewien czas, po czym następuje umocnienie materiału. Przy dalszym wzroście siły obciążającej zachodzi znaczne wydłużenie próbki, przy czym jest wyraźny brak proporcjonalności między siłą a wydłużeniem. Po osiągnięciu wartości maksymalnej F m możemy określić wytrzymałość na rozciąganie R m : R m = F m [MPa] (1.9) Rys. 1.3. Wykres rozciągania stali niskowęglowej Jest to naprężenie, które odpowiada maksymalnej sile uzyskanej w trakcie rozciągania. Po przekroczeniu siły maksymalnej F m, przy dalszym wzroście wydłużenia, w najsłabszym miejscu próbka zaczyna się przewężać. Formuje się tzw. szyjka i próbka pęka przy wartości siły F u. Naprężenie odpowiadające tej sile to naprężenie rozrywające R u : R u = F u [MPa] (1.10) S u Jest to naprężenie, które występuje w przewężeniu próbki tuż przed jej rozerwaniem. Naprężenie rozrywające R u nie ma znaczenia praktycznego i w atestach materiałowych nie jest podawane. Na podstawie wyników próby rozciągania wyznacza się również wskaźniki charakteryzujące własności plastyczne materiału badanej próbki: względne wydłużenie próbki po rozerwaniu A p, jest to stosunek przyrostu długości pomiarowej próbki po zerwaniu do jej długości początkowej wyrażony w procentach: Lu Lo A p = 100%, (1.11) Lo p krotność próbki;
względne przewężenie próbki po rozerwaniu Z, jest to stosunek zmniejszenia powierzchni przekroju poprzecznego próbki w miejscu rozerwania do jej powierzchni początkowej wyrażony w procentach: So Su Z = 100 % (1.12) S o Rys. 1.4. Wykres rozciągania stali niskowęglowej Rys. 1.5. Charakterystyczne przewężenie (szyjka) tworzące się przy rozciąganiu próbek wykonanych z materiału sprężysto-plastycznego
1.5. Przebieg ćwiczenia: zmierzyć średnicę próbki d 0 przy pomocy suwmiarki, określić krotność próbki, wyskalować próbkę na przyrządzie lub ręcznie, przygotować maszynę do próby rozciągania: wybrać odpowiedni zakres maksymalnej siły, sprawdzić uchwyty i urządzenie rejestrujące wykres rozciągania, umocować próbkę w uchwytach maszyny, uruchomić maszynę i obserwować przebieg rozciągania; po zerwaniu próbki zmierzyć za pomocą suwmiarki średnicę d 0 (lub szerokość a u i wysokość b u próbek płaskich) oraz długość pomiarową L u po rozerwaniu; wyniki wpisać do protokółu pomiarów. 1.6. Opracowanie wyników badań Sprawozdanie powinno zawierać: określenie celu próby, rysunki próbek przed zerwaniem i po zerwaniu, wykres rozciągania otrzymany z maszyny wytrzymałościowej, protokół pomiarów, tabela protokółu dostępna jest na pulpicie monitora komputerowego pod nazwą rozciąganie.xls, wnioski.
Protokół pomiarów: statyczna próba rozciągania Próbka nr: Materiał: próbka przed zerwaniem próbka po zerwaniu Krotność próbki n = d o = [mm] d u = [mm] a o = [mm] a u = [mm] b o = [mm] b u = [mm] L o = [mm] L u = [mm] S o = [mm 2 ] S u = [mm 2 ] Warunki wykonania próby Zrywarka Zakres siłomierza [kn] Dokładność odczytu Posuw roboczy [mm/min] Wartości sił obciążających F e = F m = F u = Wyniki próby R e = [MPa] R m = [MPa] R u = [MPa] A = [%] Z = [%] Uwagi dotyczące przełomu i inne Podpis wykonującego ćwiczenie: