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
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