STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA METALI

STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA METALI

Patrycja Jursza

Wydział Mechaniczny

Inżynieria Mechaniczno- Medyczna

Semestr III Grupa 1B

WSTĘP

Statyczna próba rozciągania metali jest jedna z podstawowych prób stosowanych dla określenia własności mechanicznych metali. Z próby tej wyznacza się własności wytrzymałościowe i plastyczne badanego materiału. Z badanego materiału (w postaci elementu, wyrobu hutniczego itp.) pobiera się próbki, które po zamocowaniu w maszynie wytrzymałościowej, poddaje się rozciąganiu – aż do zerwania. Próbę wykonuje się według Polskiej Normy: PN–EN 10002 – 1: 2004 Metale. Próba rozciągania. Metoda badania w temperaturze otoczenia. Dla materiałów kruchych np. żeliwo, beton, które znacznie lepiej pracują na ściskanie niż rozciąganie, podstawowa próba jest próba ściskania, zaś próba rozciągania jest próba dodatkowa. Próbę ściskania wykonuje się według wycofanej Polskiej Normy: PN–57/H–04320.

CELE ĆWICZEŃ

Celem ogólnym jest zapoznanie się ze sposobem przeprowadzenia próby rozciągania i ściskania, sposobem prowadzenia pomiarów oraz nabycia umiejętności wyznaczania wielkości charakterystycznych dla badanego materiału.

Celami szczególnymi są:

Wyznaczenie wielkości charakteryzujących stal pod względem wytrzymałościowym

(górnej granicy plastyczności R_eH, dolnej granicy plastyczności R_el i wytrzymałości

na rozciąganie R_m) oraz plastycznym (wydłużenia procentowego po rozerwaniu A i

przewężenia Z),

Wyznaczenie dla żeliwa szarego i sferoidalnego wytrzymałości na rozciąganie R_m,
Wykonanie dla próbki stalowej wykresów: ᵟ(ᵋ), ᵟ_rz (ᵋ),,ᵋ_i(i)
Wykonanie dla próbki żeliwnej wykresu: ᵟ(∆L)w próbie ściskania.
Wyznaczenie granicy plastyczności R_e dla próbki stalowej w próbie ściskania.
Wyznaczenie dla żeliwa szarego wytrzymałości na ściskanie R_c,
Wykonanie dla próbki żeliwnej wykresu ściskania próbki stalowej i próbki żeliwnej w funkcji : ᵟ(∆L)

DEFINICJE:

PRÓBA ŚCISKANIA

Granica plastyczności

[MPa = 10⁶ N/m²]

gdzie:

F_e- siła w momencie, kiedy próbka ulega skróceniu bez wzrostu obciążenia

S₀- początkowe pole przekroju poprzecznego próbki.

Wytrzymałość na ściskanie

[MPa = 10⁶ N/m²]

gdzie:

F_c- największa siła występująca w próbce, po przekroczeniu granicy plastyczności.

S₀ – początkowe pole przekroju poprzecznego próbki [m²]

Materiały kruche podczas ściskania nie wykazują granicy plastyczności, lecz ulegają zniszczeniu.

Wielkości R_c, R_e są naprężeniami (umownymi), odpowiadającymi charakterystycznej wartości siły, odniesionej do początkowego przekroju poprzecznego próbki.

Obliczanie długości początkowej

[mm]

gdzie:

L₀- długość początkowa [ mm]

h- wysokość próbki [mm]

d₀- średnica początkowa próbki [mm]

n- współczynnik dla próbki walcowej

PRÓBA ROZCIĄGANIA

Górna granice plastyczności:

[MPa = 10⁶ N/m²]

Dolna granice plastyczności:

[MPa = 10⁶ N/m²]

gdzie:

F_eH − siła w momencie, kiedy następuje jej pierwszy spadek [N]

F_eL− najmniejsza siła podczas płynięcia z pominięciem ewentualnego efektu przejściowego [N]

S₀ – początkowe pole przekroju poprzecznego próbki [m²]

Wydłużenie procentowe po zerwaniu próbki

Wydłużenie procentowe po rozerwaniu jest to trwałe wydłużenie długości pomiarowej po

rozerwaniu, wyrażone w procentach początkowej długości pomiarowej 100%,

gdzie:

L_u – długość pomiarowa po rozerwaniu [mm];

L₀ – początkowa długość pomiarowa [mm], która dla próbki proporcjonalnej jest obliczana z zależności:

gdzie:

k – współczynnik proporcjonalności,

S₀ – początkowa powierzchni przekroju poprzecznego [m²]

Dla próbek proporcjonalnych współczynnik proporcjonalności k wynosi 5,65 i oznaczenie wydłużenia procentowego po rozerwaniu ma postać A. Jeżeli dla próbki proporcjonalnej początkowa długość pomiarowa L₀ nie równa się , to należy przyjąć k = 11,3. Wtedy oznaczenie wydłużenia procentowego po rozerwaniu ma postać A_11,3. Dla próbek nieproporcjonalnych, gdy zależność nie jest spełniona, wydłużenie procentowe po rozerwaniu trzeba uzupełnić indeksem, który jest początkową długością pomiarowa, np. dla L₀ = 80 mm podaje się w oznaczeniu: A₈₀ mm.

Obliczenie długości końcowej dla próbki zerwanej poza zakresem określonym jako uprzednio jako środkowa część próbki to długość L_u oblicza się tak jak zostało to przedstawione poniżej:

Wykorzystuje się przy tym fakt jednakowego wydłużenia działek, na jakie próbka została podzielona, położonych symetrycznie w stosunku do miejsca zerwania. W tym celu należy:

Obliczyć liczbę działek N odpowiadającą długości pomiarowej L₀.
Złączyć obie części próbki.
Zmierzyć odległość a obejmującą n działek położonych możliwie symetrycznie po obu stronach miejsca zerwania.
Pozostałą liczbę działek podzielić na połowę
Zmierzyć odległość b odpowiadającą tej liczbie działek.
Obliczyć długość L_u przez dodanie do długości a dwóch odcinków o długościach b według wzoru:

L_u= a+b₁+b₂

Wynika to ze złożenia, że gdyby próbka zerwała się symetrycznie w środku, to odcinki o długościach b byłyby jednakowe z obu stron miejsca zerwania. Jeżeli liczba działek N-n jest liczbą nieparzystą, to długość L_u obliczamy, dodając do długości a dwa odcinki o długościach: b₁ odpowiadający działkom i b₂ odpowiadający działkom.

Przewężenie procentowe

Przewężenie procentowe jest to największa zmiana powierzchni przekroju poprzecznego, która następuje podczas próby, wyrażona w procentach początkowej powierzchni przekroju poprzecznego- S_0.

gdzie:

S₀- pole przekroju próbki początkowej obliczanych według wzoru , gdzie d₀- średnica początkowa.

S_u- jest najmniejsza powierzchnia przekroju poprzecznego próbki po rozciąganiu [m²].

Pole powierzchni S_u jest równe:

– dla próbek okrągłych,

– dla próbek płaskich

Wymiary: , , są mierzone w miejscu zerwania [mm]

Wytrzymałość na rozciąganie

[MPa = 10⁶ N/m²]

gdzie:

F_m – największa siła występująca w próbce, po przekroczeniu granicy plastyczności.

S₀ – początkowe pole przekroju poprzecznego próbki [m²]

Powyższe wielkości są nieprężeniami (umownymi), odpowiadającymi charakterystycznej

wartości siły, odniesionej do początkowego przekroju poprzecznego próbki.

Granice plastyczności wyznacza się tylko dla tych materiałów plastycznych, które je posiadają, zaś granice wytrzymałości na ściskanie dla materiałów kruchych tzn. takich, które w czasie próby ściskania ulegają zniszczeniu.

Materiały plastyczne przy ściskaniu posiadają również granice plastyczności, podobnie jak podczas statycznej próby na rozciąganie. Obliczenie tej granicy przy ściskaniu polega na wyznaczeniu siły, przy której próbka ulega skróceniu bez wzrostu obciążenia. Zjawisko to daje się zauważyć na tarczy siłomierza (wskaźnik siły zatrzymuje się na moment) lub na wykresie ściskania wykonywanego przez urządzenie samorejestrujące. Dla materiałów plastycznych próbę na ściskanie przeprowadza się do momentu „płynięcia”, gdyż dalsze ściskanie nie ma praktycznego zastosowania.

WYNIKI POMIARÓW:

ROZCIĄGANIE

Próbkę stalową o średnicy d₀=9,92 [mm], polu powierzchni przekroju S₀= 7,725*10^-5 [m²] długości L₀=100 [mm] zerwano w maszynie wytrzymałościowej i otrzymano następujące wyniki:

Parametr	Jednostka	Wartość
D₀	[mm]	9,92
S₀	[m²]	7,725*10^-5
F_m	[N]	35969
R_m	[MPa]	465,618
F_eL	[N]	26500
R_eL	[MPa]	343,042
F_eH	[N]	28500
R_eH	[MPa]	368,932
A	[%]	31
Z	[%]	41,74

Próbki żeliwa sferoidalnego i szarego zerwano w maszynie wytrzymałościowej i otrzymano następujące wyniki:

ŻELIWO

SZARE
SFEROIDALNE

ŚCISKANIE

Próbkę stalową o średnicy d₀= 13,02 [mm], polu powierzchni przekroju S₀=1,33 * 10^-4 [m²]i długości L₀= 29,295 [mm] poddano próbie ściskania w maszynie wytrzymałościowej i otrzymano następujące wyniki:

STAL
PRÓBA
PRZED
PO

F_e= 98296 N
R_e= 739,068 MPa

Próbki żeliwne poddano próbie ściskania w maszynie wytrzymałościowej i otrzymano następujące wyniki:

ŻELIWO

SZARE
SFEROIDALNE

METODYKA OBLICZEŃ:

ROZCIĄGANIE

Obliczanie uśrednionej średnicy dla stali w próbie rozciągania.

d₀= = =9,92 [mm]

Obliczanie pola powierzchni próbki stali w próbie rozciągania.

=77,249 [mm²] = 7,7249 *10^-5 [m²]

Obliczanie długości końcowej próbki po zerwaniu.

L_u= a+b₁+b₂= 44,56[mm]+ 37,39[mm]+ 49,62[mm]= 131,57[mm]

Obliczanie dolnej o górnej granicy plastyczności.

Wytrzymałość na rozciąganie.

Wydłużenie procentowe po zerwaniu próbki.

Przewężenie procentowe.

Wytrzymałość na rozciąganie

ŚCISKANIE

Obliczanie długości początkowej

Granica plastyczności

Granica wytrzymałości na ściskanie.

= 1,12 GPa

ZESTAWIENIE WYNIKÓW

STAL

	R_eL	R_eH	R_m	A₁₀	Z	R_e
Jednostka	MPa	MPa	MPa	%	%	MPa
Stal	343,042	368,932	465,618	31	41,74	739,068

ŻELIWO

	R_m	R_c
Jednostka	MPa	MPa
Szare	343,042	799,892
Sferoidalne	556,189	1134,795

Tabela wielkości mierzonych i wynikowych – wykres naprężenia.

	F	σ
	[kN]	[MPa]
1	31,25	403,7468
2	31,5	406,9767
3	31,75	410,2067
4	32	413,4367
5	32,25	416,6667
6	32,5	419,8966
7	32,75	423,1266
8	33	426,3566
9	33,25	429,5866
10	33,5	432,8165

Tabela wydłużenia procentowego jednostek pomiarowych:

I nr jednostki pomiarowej	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
L_0i [mm]	10	10	10	10	10	10	10	10	10	10
L_ui [mm]	12,97	18,85	12,74	12,74	12,41	12,24	12,23	12,23	12,23	12,2
	29,7	88,5	27,4	27,4	24,1	22,4	22,3	22,3	22,3	22

Tabela wydłużenia procentowe po rozerwaniu:

L₀/d₀	2	3	4	5	6	7	8	9	10
L₀ [mm]	20	30	40	50	60	70	80	90	100
L_u [mm]	31,82	44,56	57,3	69,71	81,95	94,18	106,41	118,64	130,84
	59,1	48,53	43,25	39,25	36,58	34,54	33,01	31,82	30,84

Wnioski:

Na podstawie sporządzonych pomiarów i ich ilustracji graficznej mogę pokusić się o następujące stwierdzenia, iż :

Fundamentalnym, a zarazem najważniejszym wnioskiem wysnutym w oparciu o przeprowadzone próby rozciągania i ściskania: stali, żeliwa szarego oraz żeliwa sferoidalnego, jest fakt, iż próbki żeliwne nie posiadają granicy plastyczności w przeciwieństwie do próbki stalowej. Granica jest widoczna na wykresach, które stanowią stosowne załączniki do mojej pracy.
Można dokonać klasyfikacji materiałów ze względu na ich wytrzymałość w oparciu o wartości parametru „granica wytrzymałości”. Czego ilustracją jest poniższy wykres:

Próbka stalowa podczas ściskania jako jedyna nie uległa zniszczeniu tylko spęcznieniu ( jej pole przekroju poprzecznego zwiększyło się), w opozycji do próbek wykonanych z żeliwa, które uległy zniszczeniu, pękając pod kątem 45 ⁰. Jest to spowodowane przez naprężenia styczne, powstające w wyniku próby ściskania.
Próbę ściskania dla próbki stalowej, przerwano z powodu ograniczonej mocy maszyny wytrzymałościowej.

Powyższe argumenty opowiadają się za słusznością stwierdzenia, iż stal jest materiałem bardziej plastycznym, aniżeli żeliwo zarówno sferoidalne jak i szare co znajduje zastosowania w konstrukcjach nośnych budowli.

Natomiast żeliwo szare jak i sferoidalne jest materiałem lepiej pracującym na ściskanie, niż na rozciąganie .

Żeliwo sferoidalne odznacza się największą wytrzymałością zarówno na rozciąganie jak i na ściskanie. Powyższe cechy materiału są wynikiem skomplikowanej mikrostruktury, mam tu myśli fakt, iż węgiel zawarty w żeliwie sferoidalnym ma postać kulek grafitu, które nadają mu najwyższe wartości w przeprowadzonych próbach rozciągani i ściskania.