POLITECHNIKA WASZAWSKA WYDZIAŁ ELEKTYCZNY INSTYTUT ELEKTOTECHNIKI TEOETYCZNEJ I SYSTEMÓW INOMACYJNO-POMIAOWYCH ZAKŁAD WYSOKICH NAPIĘĆ I KOMPATYBILNOŚCI ELEKTOMAGNETYCZNEJ PACOWNIA MATEIAŁOZNAWSTWA ELEKTOTECHNICZNEGO ĆWICZENIE 4 BADANIE WŁASNOŚCI MECHANICZNYCH MATEIAŁÓW PZEWODOWYCH
1. Wprowadzenie Materiały przewodowe są specyficznym rodzajem materiałów przewodzących. Oprócz dobrych własności elektrycznych muszą także wykazywać dobre własności mechaniczne i termiczne. W materiałach tych przewodnictwo ma charakter czysto elektronowy i wyraża się zależnością: γ n e k gdzie: n koncentracja elektronów w materiale [m -3 ] e ładunek elektronów [C] k ruchliwość elektronów w materiale V s S m 1 Ω m Do materiałów przewodzących należą metale i ich stopy. Wartość przewodności tych materiałów jest uzależniona od kilku czynników, a mianowicie: a) rodzaju materiału i jego budowy b) czystości materiału, czyli zawartości obcych domieszek c) obróbki mechanicznej na zimno d) temperatury We wzorze /1/ zależnie od rodzaju materiału (przyczyna a), i w pewnym stopniu na skutek obecności domieszek (przyczyna b) zmienia się koncentracja elektronów (n), zarówno domieszki (przyczyna b), obróbka mechaniczna na zimno (przyczyna c) i wzrost temperatury (przyczyna d) wpływają na wzrost ruchliwości elektronów (k), czyli na uzyskiwaną skierowaną prędkość przemieszczania się elektronów, przypadającą na 1kV przyłożonego napięcia. W sumie obecność domieszek, obróbka na zimno i wzrost temperatury powodują pogorszenie konduktywności materiału.. Własności mechaniczne Zachowanie się materiałów przewodowych podczas pracy określamy za pomocą następujących parametrów : odkształcalność zdolność zmiany wymiarów geometrycznych pod wpływem obciążenia, sprężystość zdolność powrotu do pierwotnego kształtu po usunięciu obciążenia, plastyczność brak zdolności do powrotu do pierwotnego kształtu po usunięciu obciążenia, wytrzymałość graniczne naprężenie niszczące. Własności te określamy najczęściej wyznaczając: wytrzymałość na rozciąganie lub ściskanie, wytrzymałość na zginanie, udarność, twardość, ścieralność. 3. Wytrzymałość na rozciąganie Badanie wytrzymałości na rozciąganie lub ściskanie polega na odkształcaniu próbki materiału pod wpływem siły zewnętrznej, działającej w osi próbki. Próba rozciągania jest podstawowym źródłem informacji o mechanicznych własnościach materiału i możemy w ten sposób badać wszystkie nie kruche materiały. Próbę ściskania wykonujemy dla materiałów kruchych, które pękają w trakcie badania, a także dla materiałów plastycznych w celu otrzymania pełnej charakterystyki płynięcia pod obciążeniem. m /1/
Podstawowymi wielkościami mierzonymi w próbie rozciągania są: naprężenie σ S m gdzie: siła rozciągająca [N], S pole przekroju poprzecznego próbki [m ] odkształcenie ε l l0 l 100 100 l l 0 0 [%] gdzie: l 0 długość odcinka pomiarowego przed badaniem [m] l długość odcinka pomiarowego przy danym naprężeniu [m] Typowa krzywa rozciągania dla metali, otrzymywana w wyniku próby rozciągania wygląda następująco: P granica proporcjonalności, określająca największe naprężenie, do którego przebieg zależności δ f(ε) jest prostoliniowy i określony prawem Hooke a σ E ε. S granica sprężystości określająca największe naprężenie po usunięciu, którego próbka powraca do wymiarów początkowych. Q granica plastyczności po osiągnięciu, której materiał zaczyna płynąć. Następuje szybki wzrost odkształcenia przy małej zmianie naprężenia, a po usunięciu siły nie następuje powrót do pierwotnego kształtu. m maksymalna siła odkształcająca [N], u siła zrywająca [N], e siła na granicy plastyczności [N].
W przypadku, kiedy z charakterystyki f( l) wynika, że materiał nie posiada wyraźnej granicy plastyczności wyznacza się umowną granicę plastyczności ( e0, ). Określanie umownej granicy plastyczności obrazuje rysunek poniżej. e0, siła wyznaczana na krzywej rozciągania nie posiadającej wyraźnej granicy plastyczności przez poprowadzenie prostej równoległej do początkowego, prostoliniowego odcinka wykresu, l przechodzącej przez punkt na osi wydłużeń, odpowiadający wartości 0,%. l Najważniejszymi parametrami danego materiału przy próbie rozciągania są: Moduł sprężystości wzdłużnej (moduł Young a) określany do granicy proporcjonalności P na prostoliniowym odcinku charakterystyki σ f(ε). E σ ε m Wytrzymałość na rozciąganie (zerwanie) m m m S 0 m gdzie: m maksymalna siła odkształcająca [N] S 0 pole przekroju poprzecznego próbki przed próbą [m ] Wydłużenie względne przy zerwaniu ε r ε r l l r 0 100 [%] gdzie: l 0 długość odcinka pomiarowego przed badaniem [m] l r wydłużenie bezwzględne odcinka pomiarowego [m]
Materiał poddany próbie ściskania charakteryzują podobne wielkości, z tą różnicą, że próbka ulega skróceniu, a zamiast przewężenia występuje zgrubienie. Wytrzymałość na ściskanie ( c ) określa się jako graniczne naprężenie występujące w chwili pojawienia się w próbce pęknięć, rys lub innych objawów zniszczenia. Wytrzymałość na ściskanie bada się na niskich i krępych próbkach o kształcie walca, prostopadłościanu lub rurki tak, aby nie ulegały wyboczeniu. c m S0 m Kształty próbek do pomiaru wytrzymałości na rozciąganie. A metal B tworzywo sztuczne C ceramika D guma, kauczuk E papier, folia, tkanina 4. Wykonanie pomiarów Pomiaru dokonuje się na zrywarce zapewniającej jednostajny, osiowy ruch głowicy obciążającej próbkę, dokładny pomiar siły zrywającej i wydłużenia oraz zapis zależności f( l). Maszyna taka musi spełniać następujące wymogi: zapewniać osiowe zamocowanie próbki, posiadać płynną regulację prędkości rozciągania w zakresie 4-150 [mm/min], zapewniać dokładność wskazań siłomierza ±1%. Próbkami badanymi są odcinki drutu o długości 0,5m., nieprostowane, bez widocznych uszkodzeń, rys, pęknięć. Dopuszczalne jest prostowanie ręczne w sposób nieuszkadzający powierzchni próbek. Odcinek drutu mocowany jest osiowo w uchwytach zrywarki. Do jednego z uchwytów przykłada się siłę rozciągającą, narastającą równomiernie w czasie, aż do momentu zerwania. Odstęp początkowy między uchwytami zrywarki, a tym samym długość odcinka pomiarowego przed badaniem (l 0 ), wynosi 0,15m. Średnicę próbki przed zerwaniem (d 0 ) mierzy się w trzech miejscach odcinka pomiarowego, za pomocą mikroskopu warsztatowego i oblicza się średnią arytmetyczną z tych wyników (d 0śr ). Przed rozpoczęciem próby należy upewnić się, że miernik wydłużenia jest wyzerowany. Po ustaleniu prędkości rozciągania, nie większej niż 30 mm s i zwolnieniu hamulca rozpoczyna się proces rozciągania oraz rejestracji krzywej siła-wydłużenie.
W czasie trwania próby rozciągania należy obserwować miernik wydłużenia i zapamiętać jego wskazanie w momencie zerwania próbki ( l r ). Po zerwaniu próbki, ze skali siłomierza odczytuje się wartość maksymalnej siły odkształcającej ( m ). Następnie należy zmierzyć średnicę drutu w miejscu zerwania posługując się mikroskopem warsztatowym. Pomiaru dokonujemy dla obu części próbki (d u ), a wynik jest średnią arytmetyczną obu pomiarów (d uśr ). Zerwanie powinno nastąpić w obrębie odcinka pomiarowego. W innym przypadku próbę traktujemy jako nieważną, a doświadczenie powtarzamy. Otrzymane wyniki zapisujemy w tabeli. 5. Opracowanie wyników pomiarów Zarejestrowaną podczas próby krzywą f( l) należy wyskalować na podstawie zmierzonych wartości m oraz l r, a następnie odczytać wartości e lub e0,, m, u. Następnie należy obliczyć następujące wielkości: początkową powierzchnię przekroju próbki S 0 [m ], wytrzymałość na zerwanie m [N/m ] m m S0 m granicę plastyczności e [N/m ] (naprężenie, przy którym zaczyna się wyraźny wzrost wydłużenia próbki bez znacznego wzrostu obciążenia) e e S0 m naprężenie określające umowną granicę plastyczności e0, [N/m ], dla metali nie posiadających wyraźnej granicy plastyczności e 0, m e0, S0 powierzchnię najmniejszego przekroju próbki po zerwaniu S u [m ], naprężenie zrywające u [N/m ], występujące w miejscu przewężenia próbki w chwili zerwania u m u Su wydłużenie względne odcinka pomiarowego po zerwaniu ε r [%], moduł sprężystości wzdłużnej (moduł Younga) E [N/m ],
przewężenie względne po zerwaniu S r [%], jest to stosunek zmniejszenia powierzchni przekroju drutu w miejscu zerwania do przekroju początkowego S r S S S 0 u 0 100 [%] Uzyskane wyniki omówić i podać wnioski Do protokółu należy załączyć opisany i wyskalowany wykres krzywej rozciągania! Wymiary próbek Lp. Materiał d 0 d 0śr S 0śr l 0 d u d uśr l r [m] [m] [m ] [m] [m] [m] [m] 1 Własności mechaniczne drutów przy rozciąganiu statycznym Lp. 1 Materiał m e u m e u ε r S r E [N] [N] [N] [ N m ] [ N m ] [ N m ] [%] [%] [ N m ]
Załącznik 1 Cechy mechaniczne wybranych materiałów Materiał E [ N m ] m [ N m ] ε r [%] stal 00 10 9 300-1000 10 6 10-30 miedź 115 10 9 30-500 10 6 30-50 brąz 10 10 9 150-700 10 6 15 mosiądz 100 10 9 150-450 10 6 aluminium 70 10 9 90-10 10 6 30-45 cyna 47 10 9 15 10 6 70 ołów 16 10 9 15 10 6 50 wolfram 400 10 9 1700 10 6 diament 1100 10 9 1800 10 6 szkło 7 10 9 4000 10 6 4