Bielsko-biała

Wydział Budowy maszyn i Informatyki

Mechanika i Budowa Maszyn

Sem.4

Laboratorium z Wytrzymałości Materiałów

Próba statyczna rozciągania metali.

Wykonanie:

Drzewiecki Michał

Dybał Łukasz

Jarosz Bartłomiej

Kijak Krzysztof

Numann Tomasz

Luchowski Michał

Wstęp

              Statyczna próba rozciągania jest najpowszechniej stosowaną próbą wytrzymałościową przy doborze materiałów na konstrukcje. Jest to próba łatwa do wykonania, dość dokładna i wszechstronna. Próbę tę przeprowadza się zgodnie z normą    PN-91/H-04310.

Próby statyczne cechuje mała prędkość wzrostu naprężenia. Wzrost prędkości rozciągania znacznie zwiększa granicę plastyczności metalu, w mniejszym zaś stopniu zwiększa wytrzymałość na rozciąganie.

Podczas statycznej próby rozciągania próbkę poddaje się rozciąganiu za pomocą wolno rosnącej siły F, czemu towarzyszy wzrost długości próbki.

Celem próby statycznego rozciągania jest wyznaczenie:

−        wyraźnej granicy plastyczności,

−        wytrzymałości na rozciąganie,

−        wydłużenia względnego

Wydłużenie trwałe jest to wydłużenie rozciąganej próbki, które pozostaje po zdjęciu obciążenia, przeciwnie temu wydłużenie sprężyste próbki po zdjęciu obciążenia zanika.

Przy dalszym wzroście siły dochodzimy do momentu gdy wydłużenie zwiększa się bez wzrostu obciążenia, a nawet niekiedy przy jego spadku. Takie naprężenie rozciągające stanowi wyraźną granice plastyczności R_e, przy osiągnięciu którego następuje wyraźny wzrost wydłużenia rozciąganej próbki (przy zmniejszonym, bez wzrostu lub nawet przy krótkotrwałym spadku siły obciążającej). Wyznacza się ją ze wzoru

$R_{e} = \frac{F_{e}}{S_{0}}$              [MPa]

              Przy dalszym wzroście siły obciążającej próbka znacznie się wydłuża plastycznie, równomiernie na całej długości pomiarowej. Naprężenie rozciągające odpowiadające największej sile obciążającej uzyskanej w czasie przeprowadzania próby stanowi wytrzymałość na rozciąganie R_m. wyznaczoną ze wzoru

$R_{m} = \frac{F_{m}}{S_{0}}$              [MPa]

gdzie:              F_m. – największa siła obciążająca osiągnięta w czasie próby [N]

             

 

 

              Oprócz wyżej wymienionych własności wytrzymałościowych próba rozciągania pozwala wyznaczyć własności plastyczne metalu:

−        wydłużenie A_p jako stosunek trwałego wydłużenia bezwzględnego próbki po rozerwaniu ∆L do długości pomiarowej próbki L₀, wyznaczony dla próbek ze wzoru

$$A_{p} = \frac{L_{u} - L_{0}}{L_{0}} \bullet 100\%$$

−        przewężenie Z jako zmniejszenie powierzchni przekroju poprzecznego próbki w miejscu rozerwania odniesione do powierzchni jej pierwotnego przekroju wyznaczone z wzoru

$$Z = \frac{S_{0} - S_{u}}{S_{0}} \bullet 100\%$$

 

 

Metodyka badań

Próbki stosowane do badań są znormalizowane. W naszym przypadku zastosowaliśmy  próbkę o przekroju okrągłym z główkami do chwytania w szczęki. Głównym parametrem próbki, od którego zależą pozostałe wymiary jest wielkość średnicy. Stosowaliśmy próbki pięciokrotne.Średnica naszej  próbki wynosiła d₀ = 10 mm, a więc jej l₀ = 50mm.

 

 

Statyczne próby rozciągania przeprowadza się na tzw. zrywarkach lub rozciągarkach. Próbkę umieszcza się w uchwytach i poddaje wolno zwiększającemu się obciążeniu. Częściej spotyka się zrywarki z napędem hydraulicznym. W naszym ćwiczeniu stosowaliśmy maszynę z napędem mechanicznym.

Silnik prądu stałego poprzez przekładnie i sprzęgła napędza dwie współbieżne śruby pociągowe. Śruby te poruszają dolną belkę w górę lub w dół, powodując ściskanie, albo rozciąganie.

Podczas  próby mierzone są dwie wielkości: siłę obciążającą i wydłużenie

CEL CWICZENIA:

Celem ćwiczenia jest określenie na podstawie próby rozciągania następujących wielkości wytrzymałościowych i plastycznych materiału:

• Największą siłę rozciągającą Fm

• Siłę odpowiadającą granicy plastyczności Fe

• Wytrzymałości na rozciąganie Rm

• Wyraźnej granicy plastyczności Re

• Obliczenie długości pomiarowej po zerwaniu

• Wydłużenie procentowe An

• Przewężenie procentowe Z

Podać znaczenie następujących symboli:

do - Początkowa średnica próbki

du – Najmniejsza średnica próbki po zerwaniu

So – Początkowe pole przekroju próbki

Su – Pole powierzchni przekroju próbki w miejscu zerwania

Lo – Długość pomiarowa próbki prze zerwaniem

Lu – Długość pomiarowa próbki po zerwaniu

Fm – Największa siła rozciągająca

Fe –Siła odpowiadająca granicy plastyczności

FeH –Górna granica plastyczności

FeL – Dolna granica plastyczności.

Rm – Wytrzymałość na rozciąganie

Re – Wyraźna granica plastyczności

ReH – Górna granica plastyczności

ReL – Dolna granica plastyczności

Ap –Wydłużenie procentowe próbki

Z –Przewężenie procentowe próbki

Przebieg ćwiczenia:

Rodzaj maszyny wytrzymałosciowej na której przeprowadzono próbę:

Uniwersalna maszyna wytrzymałościowa zrywarka Zd10

Zakres siłomierza: 0 – 30 kN ( 3 tony )

Obliczenie długości pomiarowej po zerwaniu :

Próbka ze stali St3 o przekroju kołowym z główkami gwintowanymi wkręcanymi w uchwyty maszyny wytrzymałościowej.

- Odległość między działkami: 5 [mm]:

- Początkowa średnica próbki: 8 [mm]

- Długość pomiarowa próbki prze zerwaniem 80 [mm]

Próbka przed statyczną próbą rozciągania:

 

Próbka zerwała się w 4 działce od bliższego końca pomiarowego próbki.

Została następnie zmierzona długość n=7działek . W 7 działkach zawarta jest odległość a= 47,3 [mm], pozostało:

N − n = 16 − 7 = 9 działek

Została następnie zmierzona długość b₁=24,4 [mm] na 4 działkach:

N − n = 9 − 4 = 5 działek

Na ostatnich 5 działkach zmierzono b₂=29,9 [mm]

Długość pomiarowa po zerwaniu :

L_u = a + b₁ + b₂ = 47, 3 + 24, 4 + 29, 9 = 101, 6

Obliczenia ( Re , Rm , A₁₀ , Z ):

Początkowe pole przekroju próbki :

$$S_{0} = \frac{\pi \bullet d^{2}}{4} = \frac{\pi \bullet 64}{4} = \ 50,27\ \text{mm}^{2}$$

Średnica próbki po zerwaniu:

d_u = 4, 4mm

Pole powierzchni próbki po zerwaniu:

$$S_{u} = \frac{\pi \bullet d_{u}^{2}}{4} = \frac{\pi \bullet {4,4}^{2}}{4} = 15,21\text{mm}^{2}$$

granica plastyczności

$$R_{\text{eH}} = \frac{F_{\text{eL}}}{S_{0}} = \frac{17930}{50,27} = 356,67MPa$$

$$R_{\text{eL}} = \frac{F_{\text{eL}}}{S_{0}} = \frac{17440}{50,27} = 346,93MPa$$

Wytrzymałość na rozciąganie

$$R_{m} = \frac{F_{m}}{S_{0}} = \frac{24570}{50,27} = 488,76MPa$$

Wydłużenie procentowe

$$A_{10} = \frac{L_{u} - L_{0}}{L_{0}} \bullet 100\% = \frac{101,6 - 80}{80} = 27\%$$

Granica proporcjonalności:

$$R_{H}\frac{F_{H}}{S_{0}} = \frac{15560}{50,27} = 309,71MPa$$

Dla próbek o przekroju kołowym wzór przyjmuje postać:

$$Z = \frac{S_{0} - S_{u}}{S_{0}} \bullet 100\% = \frac{50,27 - 15,21}{50,27} \bullet 100\% = 69,74\%$$

Wymiary próbki	Własności	Własności plastyczne
do	Lo	So
mm	mm	Mm2
8	80	54,27

	Własności stali st3
	Rm
jednostka	MPa
Wartości tablicowe	380
Wartości Doświadczalne	488,76

WNIOSKI:

 Konstrukcja maszyny powinna zapewniać spełnienie następujących warunków:

− zapewniać osiowe obciążenie próbki (poprzez konstrukcje uchwytów),

− zapewniać wzrost obciążenia w sposób ciągły, jednostajny, bez uderzeń i skoków, z

możliwością płynnej regulacji prędkości przyrostu odkształcenia,

− błąd wskazań siłomierza nie powinien przekraczać ±1% (klasa 1),

− zapewnić utrzymanie stałego obciążenia przez okres co najmniej 30 sek.

Powyższym warunkom odpowiadają maszyny o napędzie mechanicznym i hydraulicznym

Dla wielu materiałów granica plastyczności jest trudna do określenia, gdyż nie istnieje wyraźnie przejście z zakresu sprężystego do plastycznego.
Na podstawie wyników pomiarów statyczną próbą rozciągania można określić podstawowe wielkości wytrzymałościowe materiału

Zarówno siła rozciągająca, jak i wydłużenie są zależne od przekroju poprzecznego i długości początkowej próbki, celowa jest zmiana układu współrzędnych na naprężenie σ i odkształcenie względne ε. Przy takiej transformacji charakter wykresy pozostaje bez zmian; zmieniają się jedynie skale: i tak na osi rzędnych nanosimy skalę naprężeń σ, rozumianych w tym przypadku jako stosunek siły F do początkowego przekroju próbki S0, na osi odciętych – odkształcenie względne ε, rozumiane jako stosunek przyrostu długości ΔL próbki do długości początkowej L0. Tak opisany wykres rozciągania umożliwia bezpośredni odczyt parametrów charakterystycznych dla badanego materiału.

Pomiar niestety nie jest idealnie dokładny ponieważ w skład pomiaru wydłużenia próbki wchodzą różnego rodzaje luzy powstałe w maszynie takie jak luzy w naciągu, gwintach. W celu ich zniwelowania stosuje się ekstensometr -

przyrząd do pomiaru wydłużeń ( odkształceń liniowych) elementów maszyn i konstrukcji. Z badanym przedmiotem stykają się dwa elementy e. (nóżki), które wskutek odkształceń przedmiotu przesuwają się względem siebie; ich ruch przetwarzany jest na inną wielkość fizyczną, najczęściej sygnał elektryczny podlegający pomiarowi.

 

W zależności od miejsca zerwania próbki na maszynie wytrzymałościowej, długość pomiarową Lu oblicza się na dwa sposoby. Miejsce zerwania próbki jest niezależne i nie mamy na niego wpływu.