1.Porównanie umownych wykresów rozciągania i ściskania.

Próba ściskania materiałów elastoplastycznych jest jak gdyby odwróceniem (w granicach R_e) próby rozciągania.

Prostoliniowa część wykresu ściskania jest niemal równa co do wielkości tejże części przy rozciąganiu.

Następnie wykres zakrzywia się podobnie jak przy rozciąganiu, to znaczy wklęsłością ku osi odkształceń, po czym w punkcie odpowiadającym granicy plastyczności przy ściskaniu wytwarza się także stan niestateczny. Stan ten ustala się na przestrzeni znacznie krótszej aniżeli przy rozciąganiu, nie dając możliwości do odróżnienia górnej i dolnej granicy plastyczności, a ich przypadkowe pojawienie przypisuje się raczej sprężystemu oddziaływaniu maszyny.

2. Porównanie rzeczywistych wykresów rozciągania i ściskania.

Przebiegi rzeczywistych krzywych rozciągania i ściskania są odmienne, gdyż wykres rozciągania-leży powyżej wykresu umownego-w tej próbie przekrój poprzeczny próbki ulega przewężeniu-więc naprężenia rosną, a wykres ściskania-leży poniżej wykresu umownego-w tej próbie rzeczywisty przekrój poprzeczny próbki ulega powiększeniu-więc naprężenia maleją.

3. Punkty charakterystyczne na umownym wykresie ściskania (granice) i ich definicje.

Naprężenia-określenie własności wytrzymałościowych, na krzywej ściskania wyróżniamy następujące punkty charakterystyczne

1. Umowna granica sprężystości R_C0,01-jest to naprężenie, którego osiągnięcie powoduje trwałe skrócenie próbki o 0,01% początkowej długości pomiarowej.

Umowną granicę sprężystości R_C0,01 wyznacza się na podstawie siły obciążającej F_C0,01 określonej metodą kolejnego obciążania i odciążania próbki w obecności ekstensometru lub za pomocą metody wykreślnej.

2. Umowna granica plastyczności R_C0,2-jest to naprężenie, którego osiągnięcie powoduje trwałe skrócenie próbki o 0,2% początkowej długości pomiarowej.

Siłę obciążającą F_C0,2, określa się z wykresu F=f(ΔL), sporządzonego na podstawie pomiaru skróceń lub metodą kolejnego obciążania i odciążania próbki w obecności ekstensometru. Umowną granicę plastyczności wyznacza się dla materiałów elastoplastycznych nie wykazujących wyraźnej granicy plastyczności.

3. Wyraźna granica plastyczności R_PC-jest to naprężnie, przy którym następuje wyraźne skrócenie próbki bez wzrostu obciążenia.

Siła obciążająca F_PC jest równa co do wartości sile, przy której następuje wyraźne zatrzymanie lub cofnięcie wskazówki siłomierza i zakrzywienie wykresu ściskania. Wyraźną granicę plastyczności R_PC wyznacza się dla materiałów elastoplastycznych.

4. Wytrzymałość na ściskanie R_C-jest to naprężenie odpowiadające sile niszczącej próbkę.

Siła obciążająca F_C jest równa co do wartości sile, przy której następuje wyraźne cofnięcie wskazówki siłomierza (spadek obciążenia) i zniszczenie (pęknięcie) tj. złom próbki.

5. Współczynnik sprężystości podłużnej przy ściskaniu E_C-jest to stosunek naprężenia do wywołanego tym naprężeniem skrócenia w zakresie odkształceń sprężystych.

tj.

Odkształcenia-określenie wartości plastycznych, w próbie ściskania oznaczamy

1. Skrócenie bezwzględne ΔL-jest to różnica między pierwotną długością pomiaroą próbki L₀, a długością pomiarową zmierzoną po jej odkształceniu L_1.

2. Skrócenie względne A_C-jest to stosunek skrócenia bezwzględnego ΔL do pierwotnej długości pomiarowej próbki L₀

4. Wykresy ściskania stali, żeliwa i metali kolorowych.

Kształt krzywych ściskania w zakresie naprężeń umownych lub rzeczywistych uzależniony jest ściśle od wielu parametrów technologicznych procesów ściskania m.in. od:

• Własności mechanicznych, tj.plastyczności i wytrzymałości ściskanego metalu

• Warunku smukłości, tj.stosunku wymiarów h₀/d₀ ściskanej próbki

• Wielkości tarcia na powierzchniach czołowych płyt naciskowych

• Stopnia gniotu-inaczej skrócenia próbki przy ściskaniu

Dla materiałów plastycznych o niskiej wytrzymałości-jakimi są ołów, aluminium, cynk, miedź czy stal niestopowa (niskowęglowa), końcami krzywych ściskania są dowolne punkty, w których próba została przerwana. Wyznaczenie wytrzymałości na ściskanie R_C materiałów elastoplastycznych jest praktycznie niemożliwe. Dla materiałów kruchych-np. żeliwa, próba zostaje przerwana w momencie złomu próbki.

5.Wpływ zawartości węgla w stali na umowny wykres ściskania.

W stali niestopowej wraz ze zwiększeniem zawartości węgla lub przy umocnieniu przez powierzchniowe nawęglanie lub zahartowanie, jednocześnie obniża się jej plastyczność i wzrasta wytrzymałość, a zatem zmienia się kształt wykresu ściskania. Dlatego stal niskowęglowa (miękka) ma wyraźną granicę plastyczności R_PC, wysokowęglowa (ok.0,5% C, twarda) wykazuje umowną granicę plastyczności R_C0,2, a umocniona pozwala na wyznaczenie jej wytrzymałości na ściskanie R_C.

6. Wpływ warunku smukłości próbki h₀/d₀ na umowny wykres ściskania.

7. Wpływ warunku smukłości próbki h₀/d₀ na rzeczywisty wykres ściskania.

Dla próbek o zmiennym warunku smukłości, tj.stosunku wymiarów h₀/d₀, widać, że im niższa próbka (mniejszy stosunek h₀/d₀), tym silniejszy jest wpływ sił tarcia i sił, wynikających z oporów płynięcia, wskutek wzajemnego przenikania naprężeń, pochodzących od nacisków na przemian leżących płyt ściskających, zmieniających się na wysokości ściskanej próbki.

Ograniczenie tego zjawiska dokonywane jest przez smarowanie powierzchni płyt naciskowych. Zatem przy niższej próbce obserwuje się większy opór płynięcia oraz naprężenia: umowne i rzeczywiste konieczne do zadania odkształcenia plastycznego przy ściskaniu. W miarę wzrostu smukłości próbki maleje w próbce wpływ: sił tarcia-w mniejszym stopniu, i oporów płynięcia-w znaczącym stopniu, a zatem maleją naprężenia plastyczne przy ściskaniu. Kolejne próbki ulegają więc większemu jednostkowemu skróceniu ε_C i poszerzeniu q_C. Do wywarcia stałego jednostkowego skrócenia ε_C lub poszerzenia q_C próbki przy ściskaniu wraz z obniżeniem stosunku h₀/d₀ konieczna jest większa siła nacisku do ich zadania.

8.Wpływ stopnia gniotu na nierównomierność odkształcenia przy ściskaniu.

Podczas spęczania próbki cylindrycznej pod wpływem naprężeń normalnych, wywołanych zewnętrznym narzędziem odkształcającym, na powierzchni styku powstają styczne naprężenia tarcia, skierowane centrycznie przy obu powierzchniach styku do środka próbki, które-w zależności od wielkości współczynnika tarcia na powierzchniach styku.

Na przekroju podłużnym spęczanej próbki cylindrycznej można wyodrębnić trzy strefy odkształceń:

Strefa A- przylegające do płaszczyzn czołowych próbki, odkształcają się najmniej, wskutek styku z narzędziem roboczym i działania sił tarcia, utrudniającego tym strefom płynięcie na boki. Największe odkształcenia, zarówno w kierunku osiowym, jak i promieniowym, występują w strefie B, przy czym przejście z jednej do drugiej strefy następuje w sposób ciągły, tak że brak między nimi wyraźnie zaznaczającej się granicy. Strefa C jest obszarem średnich odkształceń.

Nierównomierność odkształcania się metalu podczas spęczania pogarsza znacznie jakość wyrobu. Przy spęczaniu na zimno metal umacnia się nierównomiernie, a przy spęczaniu na gorąco zrekrystalizowane ziarna mają w różnych strefach odkuwki rożną wielkość, co w konsekwencji powoduje nierównomierność własności mechanicznych i użytkowych takiej odkuwki. Nierównomierność odkształcenia wpływa także na obniżenie wskaźników plastyczności i ograniczenie stopnia spęczania dla wielu metali.

Naprężenia łatwiej wnikają do materiału potocznie zwanego miękkim, tj.o wysokiej plastyczności o średniej wytrzymałości.

Naprężenia trudniej wnikają do materiału zwanego potocznie twardym, tj.o niższej plastyczności i wyższej wytrzymałości.

Stwierdzone zmiany-w zależności od wielkości stopnia gniotu, są następujące:

1. Dla ε_CI = -16,7%- materiał twardy znajduje się w zakresie bardzo małych odkształceń plastycznych, a w materiale miękkim, poddawanym już większym odkształceniom plastycznym, intensywność odkształcenia uzyskuje niewielką wielkość ε_i = 0,278, usytuowaną symetrycznie względem płyt naciskowych,

2. Dla ε_CI = -33,4%- materiał twardy i miękki znajdują się w zakresie odkształceń plastycznych, lecz intensywność odkształcenia w materiale twardym jest mniejsza, uzyskując wartości ε_i = 0,278 i 0,513, lecz strefy osiowe nie są jeszcze odkształcone, a w materiale miękkim od ε_i = 0,278-pod płytami naciskowymi, do ε_i = 0,983-tj.do maksimum znajdującego się w odkształconym już środku próbki przy czym ich usytuowanie jest symetryczne względem płyt naciskowych,

3. Dla ε_CI = -50,0%-intensywnośc odkształcenia jest różna w całej objętości próbek, gdyż:

• W materiale twardym jest nieco większa pod płytami naciskowymi, a niewiele mniejsza od osi próbki, uzyskując wartości od ε_i = 0,278- w niewielkiej strefie osiowej pod płytami naciskowymi, do ε_i = 1,218-w strefie środkowej próbki, rosnąc aż do wartości ε_i = 1,453- na obrzeżach pod płytami naciskowymi

• W materiale miękkim jest nieco mniejsza pod płytami naciskowymi, a niewiele większa w osi próbki, uzyskując wartości od ε_i = 0,278- w strefie osiowej pod płytami naciskowymi, do ε_i = 1,218- w strefie osiowej pod płytami naciskowymi, do ε_i = 1,453- największe w strefie środkowej próbki, rosnąc aż do wartości ε_i = 1,218- na obrzeżach pod płytami naciskowymi

• Dla obu materiałów usytuowanie poszczególnych izolinii o jednakowej intensywności odkształcenia jest odmienne, lecz zawsze symetryczne względem tych płyt naciskowych

Dlatego w praktyce duże znaczenie mają środki i celowe działania zmierzające do zmniejszenia nierównomierności odkształcenia, zarówno podczas spęczania, jak i też pozostałych operacji kuźniczych.

9.Wytrzymałość rozdzielcza i warunki utraty stateczności materiału.

Z chwilą osiągnięcia warunków plastyczności materiał wyżarzony zaczyna odkształcać się plastycznie, a zasięg odkształceń plastycznych- z punktu widzenia możliwości wykorzystania go w procesach przeróbki plastycznej, jest ograniczony. Po okresie jednorodnego odkształcenia plastycznego, pojawiają się obszary w których odkształcenia uzyskują większe wartości od wartości średnich. W miarę postępującego odkształcenia taka lokalizacja odkształceń coraz bardziej pogłębia się i wreszcie- po utracie stateczności materiału, dochodzi do utraty spójności, czyli powstania złomu.

Rodzaj materiału i warunki odkształcenia decydują o kolejności występowania tych zjawisk podczas procesu odkształcania plastycznego, zwykle najpierw pojawiają się warunki utraty stateczności, można jednak tak dobrać własności materiału i warunki odkształcania, że powstania złomu nie poprzedza utrata stateczności.

Panujące w procesie plastycznego odkształcania warunki naprężenia mogą prowadzić do samoczynnego wyrównania odkształceń w całym obszarze materiału lub do koncentracji odkształceń w dowolnym przekroju, w którym metal podatny jest do utraty stateczności, wskutek czego powstająca niejednorodność odkształceń będzie się pogłębiała, co doprowadzi najpierw do utraty stateczności w tym przekroju, a później do utraty spójności. Podczas ściskania utrata stateczności na ogół nie występuje, a ponadto są dogodniejsze warunki do ujednorodnienia odkształceń. Przy rozciąganiu utrata stateczności objawia się tzw. przewężeniem próbki, co sprzyja niejednorodności odkształceń. W próbie skręcania, wobec stałości pola przekroju poprzecznego, o lokalizacji odkształceń decyduje jedynie stosunek naprężenia uplastyczniającego.

W poszczególnych punktach obciążonego materiału, w których panuje stan naprężenia, wynikający ze schematu obciążenia, pojawiają się submikroskopowej wielkości tzw. zarodki lub zalążki naruszenia spójności. Zalążki powstają na ogół z kilku węzłów atomowych, które nie są obsadzone atomami, i pojawiają się w sposób nieprzerwany, w różnych miejscach obciążonego elementu. Część z nich znika, część trwale zachowuje się. W wyniku wzrostu submikroskopowe zalążki przekształcają się w mikroszczelinki o wielkości wyrażonej w tysiącach angstremów, w sąsiedztwie których pojawia się największa koncentracja naprężeń. Przy sprzyjających warunkach, a mianowicie przy odpowiednim schemacie naprężeń i dużej ich koncentracji, mikroszczelinki przeobrażają się w makroszczeliny, a te-przy dalszym wzroście naprężeń przekraczających siły spójności, doprowadzają do złomu.

Elementarnym aktem plastycznego odkształcenia jest przemieszczanie się atomów z jednych miejsc stałej równowagi w inne, co łączy się z naruszeniem więzi międzyatomowych. Gdy w wyniku naruszenia więzi pojawiają się wakansy, wówczas wokół nich występuje określona koncentracja naprężeń i prawdopodobieństwo przekształcenia się wakansów w zalążki mikroszczelinek.

Odkształcanie plastyczne związane jest z nieprzerwanym tworzeniem i zaleczaniem zalążków naruszenia spójności. Końcowy wynik obu tych przeciwstawnych procesów zależny jest od wzajemnych prędkości ich przebiegu. Jeżeli prędkość zaleczania jest większa od prędkości tworzenia się zarodków, to metal nie ulega zniszczeniu nawet przy dowolnych odkształceniach. Z tym zjawiskiem spotykamy się przy odkształceniu ciała, które wykazuje idealną plastyczność. Jeśli jednak prędkość tworzenia się i rozwijania zarodków jest dużo większa od prędkości zaleczania, to zarodki rozwijają się bardzo szybko i plastyczne odkształcenie nie zdąży się rozwinąć, w wyniku czego nastąpi złom bez oznak plastycznego odkształcenia. Gdy złom powstanie przy małych odkształceniach sprężystych, wówczas mamy do czynienia z materiałem kruchym, gdy przy dużych-z ciałem sprężystym.

Proces tworzenia zalążków oraz zniszczenia metalu zależy od schematu stanu naprężenia wytworzonego w obszarze naruszenia spójności oraz od wielkości naprężeń i stopnia ich koncentracji w pobliżu tego obszaru. Zależy ponadto od charakteru naruszenia więzi międzyatomowej i warunków jej odbudowy. Podobny wpływ na stan naprężeń wywiera nierównomierność własności mechanicznych metalu, jak również kształt submikroskopowej szczelinki.

Rozdzielenia materiału można dokonać dwoma, zasadniczo różnymi sposobami: przez zerwanie wiązań atomowych, czyli pękanie, a więc przez naruszenie jego spójności, oraz na drodze odkształceń plastycznych bez naruszenia jego spójności. Tak więc drugą granicą pozostawania metalu w stanie plastycznym jest warunek zachowania jego spójności do osiągnięcia tzw. granicy wytrzymałości rozdzielczej metalu, po przekroczeniu której nastąpi zniszczenie metalu.

10.Warunki powstawania złomu, rodzaje przełomów i sposoby ich rozpoznawania.

W próbach jednoosiowego rozciągania, ściskania lub skręcania panują odmienne warunki naprężenia, przy którym występuje określonego typu zniszczenie materiału (złom metalu), czyli:

• Złom kruchy- zachodzi po granicach ziarn w płaszczyźnie prostopadłej lub nachylonej do kierunku naprężeń normalnych, z bardzo dużą prędkością odkształcenia, tylko w zakresie odkształceń sprężystych;

Zachodzi po granicach ziaren, w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku naprężenia normalnego, z bardzo duża prędkością odkształcenia.

• Złom rozdzielczy (poślizgowo-kruchy)-zachodzi w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku największego z naprężeń głównych, będąc kombinacją dwóch innych złomów, tj.początkowo wystąpi odkształcenie plastyczne i równocześnie rozwinie się umocnienie wskutek czego odkształcenie powoduje wzrost obciążenia, ale gdy naprężenie przekroczy wartość spójności w płaszczyznach złomu kruchego to nastąpi złom rozdzielczy;

Zachodzi po granicach ziaren, w płaszczyźnie równoległej do kierunku naprężenia normalnego, będąc kombinacją dwóch innych złomów, tj. początkowo wystąpi niewielkie odkształcenie plastyczne, lecz równocześnie rozwinie się umocnienie wskutek czego wzrośnie obciążeni, ale gdy naprężenie ściskania przekroczy wartość spójności metalu w płaszczyznach złomu kruchego to nastąpi złom rozdzielczy.

• Złom poślizgowy- zachodzi w płaszczyźnie największych naprężeń stycznych, z małą prędkością odkształcenia przez pokonanie sił spójności w płaszczyznach poślizgów, poprzez ziarna, ale w zakresie odkształceń plastycznych;

Zachodzi poprzez ziarna, głownie w materiałach plastycznych, z małą prędkością odkształcenia przez pokonanie sił spójności w płaszczyznach poślizgów, tj. w płaszczyźnie największych naprężeń stycznych, nachylonej pod kątem 45^o do kierunku naprężenia normalnego.

W zależności od plastyczności i wytrzymałości metalu złom poślizgowy lub rozdzielczy może przebiegać w zakresie naprężeń sprężystych lub plastycznych, a złom kruchy tylko w zakresie naprężeń sprężystych. Rozróżnianie rodzaju złomu dokonywane jest w oparciu o wygląd przełomu metalu.

Przełomem metalu nazywana jest więc powierzchnia złomu, powstająca w wyniku specyficznych dla danego materiału czynników i naprężeń, określających różne mechanizmy jego zniszczenia, tj. rozwoju i łączenia się szczelin czy defektów struktury.

Obserwacje przełomów pozwoliły stwierdzić, że istnieją trzy różne mechanizmy rozwoju i łączenia się szczelin czy defektów:

• Łupanie, przy którym następuje kolejne odsuwanie się od siebie atomów, leżących w dwu sąsiednich płaszczyznach, sąsiadujących ze sobą

• Pękanie międzykrystaliczne, zachodzące wzdłuż granic ziaren, w sposób podobny jak łupanie

• Przewężanie, polegające na stopniowym powiększaniu się szczelin lub porów wskutek odkształceń plastycznych otaczającego je metalu, co prowadzi do powstawania wielu miejscowych przewężeń

Łupanie lub pękanie wzdłuż granic ziaren może przebiegać przy bardzo niewielkich odkształceniach trwałych, a złom ten nosi nazwę kruchego. Natomiast mechanizm plastycznego przewężania, tj.powiększania się i łączenia szczelin lub porów, wymaga dużych odkształceń plastycznych, z złom ten nosi nazwę złomu plastycznego. W literaturze przedmiotu znane są różne kryteria powstawania złomu plastycznego.

Wygląd przełomów jest więc następujący:

• Przełom poślizgowy- głównie materiałów plastycznych, jest gładki, na powierzchni nie można zauważyć budowy ziarnistej, gdyż odkształcenia plastyczne-występujące w płaszczyźnie ścięcia, są tak silne, że ziarna przy przełomie zostają bardzo zniekształcone, a ich obraz silnie zatarty

• Przełom kruchy i rozdzielczy-oba charakteryzują się powierzchnią szorstką, odróżnienie przełomu kruchego od rozdzielczego nie nastręcza trudności, gdyż złom rozdzielczy poprzedzają niewielkie odkształcenia plastyczne, a zatem ziarna są nieco zniekształcone, natomiast złom kruchy powstaje w obszarze naprężeń sprężystych, a więc przełom jest szorstki i ziarna są dobrze widoczne.

Konsekwencją nierównomierności odkształcenia się próbki jest jej beczkowaty kształt. W odróżnieniu od próby rozciągania, prawie wszystkie metale i ich stopy w czasie próby ściskania ulegają odkształceniom plastycznym. Stąd prawie wszystkie złomu próbek ściskanych to złomy poślizgowe lub rozdzielcze, a tylko bardzo rzadko kruche. Złomy kruche wykazują takie metale, jak: żeliwo szare, zahartowana stal, węgliki spiekane oraz niektóre twarde stopy i materiały ceramiczne np. beton, marmur, bazalt, itp.

---