Instytut In

ż

ynierii Materiałowej

Politechnika Łódzka

Temat wykładu:

Nauka o materiałach

Prowadz

ą

cy:

Wykład z przedmiotu:

Badanie wła

ś

ciwo

ś

ci

wytrzymało

ś

ciowych materiałów

dr in

ż

. Bo

ż

ena Pietrzyk

1

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

atomy cz

ą

steczki

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Defekty struktury krystalicznej

Defekty punktowe:

wakans
atom międzywęzłowy
obcy atom: w węźle sieci
obcy atom międzywęzłowy

Defekty liniowe:

Dyslokacje:

- krawędziowe
- śrubowe

Defekty złożone

Granice ziaren

-właściwości elektronowe,

- procesy dyfuzji
(przemieszczanie się atomów)
- umocnienie roztworów stałych

- odkształcenie plastyczne
- umocnienie

właściwości

- wytrzymałościowe
- magnetyczne

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Powstawanie dyslokacji

Podczas krystalizacji

- Korzystniejsze energetycznie

warunki krystalizacji na dyslokacji,
niż na idealnej powierzchni

- Zrastanie krystalizujących ziaren

Podczas odkształcania plastycznego

Gęstość dyslokacji:
całkowita długość linii dyslokacji
na jednostkę objętości kryształu:

- Granice ziaren
- Swobodne powierzchnie
- Rozmnażanie dyslokacji

w metalach nieodkształconych:
10

6

– 10

8

cm

-2

w metalach odkształconych
plastycznie na zimno:
10

8

÷ 10

12

cm

-2

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Poślizg jako przemieszczanie się dyslokacji

Pod

wpływem

przyłożonego

z

zewnątrz

naprężenia stycznego

dyslokacje leżące w płaszczyznach poślizgu ( najgęściej obsadzonych
atomami ) przemieszczają się w krysztale przez poślizg, a po osiągnięciu
jego

powierzchni zewnętrznej tworzą uskoki

równe

co

do wielkości

odległości międzyatomowej w danej płaszczyźnie sieciowej.

Schemat przemieszczania się dyslokacji krawędziowej w krysztale

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Płaszczyzna

poślizgu

F

Mechanizm odkształcenia metali na zimno

Rozciągany monokryształ cynku

Struktura krystaliczna cynku

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Krzywa rozciągania metali polikrystalicznych z wyraźną

granicą plastyczności

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

R

m

R

e

Odkształcenie plastyczne

εεεε

f

przy zerwaniu

Nachylenie określa
moduł Younga E

Moduł sprężystości, granica plastyczności, granica

wytrzymałości, wydłużenie

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Moduły sprężystości

Z prawa Hooke’a :

σ =

E

ε,

Ε−

moduł Younga

τ =

G

γ,

G

−

moduł ścinania

p =

Κ ∆

,

K - moduł ściśliwości

G

≈

3/8 E

K

≈

E

Wartości modułów
sprężystości wynikają z:

• rodzaju wiązań chemicznych
(sztywności wiązań)

• gęstości wiązań

M

o

d

u

ł

Y

o

u

n

g

a

[

G

N

/m

2

]

diament 1000

ceramika 300-600

wolfram

400

stale

200

miedź

150

tytan

100

aluminium 70
ołów

15

Polimery

0,01-7

pianki polimerowe 0,001-0,01

k

o

m

p

o

zy

ty

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Materiał

R

e

[MN/m

2

]

R

m

[MN/m

2

]

A[%]

Diament

-

50000

0

Ceramiki

-

4000-10000

0

Stale, stopy niklu 200-2000

400-2000

2-60

Stopy miedzi

60-950

250-1000

1-55

Polimery

1-100

1-120

-

Właściwości wytrzymałościowe wybranych materiałów

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Metody badań właściwości wytrzymałościowych

Statyczne próby wytrzymałościowe:

• rozciągania
• ściskania
• zginania

Próby udarności

Badania twardości

Próby zmęczeniowe

Próby pełzania

Badania technologiczne

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

PN–EN 10002 – 1: 2004 Metale. Próba rozciagania.
Metoda badania w temperaturze otoczenia.

PN-91/H-04310, Próba statyczna rozciągania metali

,

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

- materiały z wyra

ź

n

ą

granic

ą

plastyczno

ś

ci

(metale kolorowe, stal niskow

ę

glowa, stale

wy

ż

arzone)

- materiały bez wyra

ź

nej granicy

plastyczno

ś

ci

(wi

ę

kszo

ść

metali i stopów, stale twarde)

- materiały kruche
(stale wysokow

ę

glowe,

ż

eliwo, materiały

ceramiczne)

σ

ε

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Badania wła

ś

ciwo

ś

ci materiałów kruchych

Statyczna próba

ś

ciskania

Statyczna próba zginania

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Badania twardości:
- metoda Brinella
- metoda Vickersa
- metoda Knoopa
- metoda Rockwella

polegają na wciskaniu wgłębnika w
badany materiał do spowodowania
trwałych odkształceń

Badanie twardości określa (w przybliżeniu) granicę wytrzymałości materiału:

R

m

[ MPa] = 3,4 HB

- metoda Shore’a
(wysokość odskoku kulki stalowej spadającej z określonej
wysokości na powierzchnię badanej próbki)

- mikrotwardość:

twardość mierzona metodą Vickersa, lub Knoopa przy

obciążeniach nie większych niż 2N

Twardość jest to odporność na odkształcenia powierzchni, pod
wpływem zewnętrznego nacisku.

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Metoda Brinella ( PN-91/H-04350; PN-EN ISO 6506-1;2002)
wgłębnik: kulka stalowa o promieniu 1; 2; 2,5; 5; 10mm

HB =

siła obciążająca [N]

powierzchnia odcisku [mm

2

]

Siła obciążająca dobierana wg normy w zależności od rodzaju materiału i wielkości kulki

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Metoda Vickersa (PN-91/H-04360; PN-EN ISO 6507-1:1999)
wgłębnik: piramida diamentowa

HV =

siła obciążająca [N]

powierzchnia boczna odcisku [mm

2

]

= 0,189

F

d

2

d - średnia arytmetyczna przekątnych odcisku

Metoda:
•uniwersalna,
•pozostawia mały odcisk,
•dokładna
•pracochłonna

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Metoda Rockwella (PN-91/H-04355; PN-EN ISO 6508-1:2002)
wgłębnik: stożek diamentowy, lub kulka stalowa

Metoda polega na dwustopniowym wciskaniu w badany materiał wgłębnika
i pomiarze trwałego przyrostu głębokości odcisku po odciążeniu.

Twardość Rockwella podaje się jako liczby niemianowane z
oznaczeniem metody i skali np;
skala C: HRC = 100 - h/0,002 stożek diamentowy o kącie 120

o

do stali ulepszonych cieplnie i żeliw

skala B: HRB = 130 - h/0,002 kulka stalowa d=1,588mm

do metali nieżelaznych i stali nie ulepszonych cieplnie

Metoda Rockwella jest

najczęściej używana w

przemyśle

(szybkość pomiaru)

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Porównanie twardości otrzymywanych różnymi metodami określają

odpowiednie tablice

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

Pomiar udarno

ś

ci (młot Charpy’go)

Wynikiem pomiaru jest praca
łamania [J],

Praca łamania jest miar

ą

ci

ą

gliwo

ś

ci materiału

Instytut In

ż

ynierii Materiałowej PŁ

wska

ź

niki okre

ś

laj

ą

ce wła

ś

ciwo

ś

ci wytrzymało

ś

ciowe materiału

R

e

lub R

0,2

- granica plastyczno

ś

ci,

R

m

- wytrzymało

ść

na rozci

ą

ganie

H - twardo

ść

,

wska

ź

niki okre

ś

laj

ą

ce wła

ś

ciwo

ś

ci plastyczne: ci

ą

gliwo

ść

, wi

ą

zko

ść

,

odporno

ść

na p

ę

kanie materiału:

A - wydłu

ż

enie

Z - przew

ęż

enie

K - udarno

ść

K

c

- odporno

ść

na p

ę

kanie

T

PSK

– temperatura przej

ś

cia w stan kruchy,

Najczęściej wysokim wartościom wskaźników
wytrzymałościowych odpowiadają niskie wartości
wskaźników opisujących ciągliwość i odwrotnie