background image

1

Zagadnienia:

•  

Naprężenie

 i 

odkształcenie

:  definicje

•  Odkształcenie 

sprężyste

:

•  Odkształcenie plastyczne: Kiedy się rozpoczyna? 

Jakie materiały są odporne na trwałe 
odkształcenia?

•  

Odporność na pękanie i ciągliwość

: Czym są i jak się je mierzy? 

 Własności Mechaniczne

background image

2

Własności Mechaniczne

Własności 
mechaniczne 
określają zdolność 
materiału do 
przenoszenia 
obciążenia

.

Znajomość reakcji 
materiału na obciążenie 
mechaniczne jest ważna, 
gdyż umożliwia takie 
zaprojektowanie 
elementów konstrukcji, 
aby obciążenia 
eksploatacyjne nie 
powodowały ich trwałych 
odkształceń.

background image

3

Sposoby obciążenia

rozciągani
e

Spęczanie 
(ściskanie)

ścinanie

skręcanie

background image

4

Rodzaje obciążeń

background image

5

Sprężyste = 

odwracalne

!

Odkształcenie sprężyste

1. Początek

2. Małe obciążenie

3. Odprężenie

F

wiązania

 

Naciągają się

Powrót 

 

do początku

F

Liniowo- 

sprężyste

Nieliniowo-

sprężyste

background image

6

Plastyczne + 

trwałe

!

Odkształcenie Plastyczne 

(Metale)

F

liniowe 

sprężyste

liniowe 

sprężyste

plast.

1. Początek 2. Małe obciążenie

3. Odprężenie

płaszcyzny

 

trwale

 

przemieszczone

F

spr. + plast.

wiązania

 

naciągają się

 

płaszczyzny

 

przesuwają się

plast.

background image

7

Jednostka naprężenia: 
N/m

2

 

Naprężenie

•  

Naprężenie

 

ścinające,

 :

Powierzchnia, A

Ft

Ft

Fs

F

F

Fs

 =

F

s

A

o

•  

Naprężenie 

rozciągające

:

Powierzchnia początkowa

 

przed obciążeniem

Powierzchnia, A

Ft

Ft

 =

F

t

A

o

2

m

N

=

background image

8

•  

Proste rozciąganie

: lina

Uwaga:   = 

M

/

A

c

R

 

Przykłady stanów naprężenia 

(1)

Ao

 = przekrój poprzeczny 

(bez obciążenia)

F

F

o

 

F

A

o

 

Fs

A

M

M

A

o

2R

Fs

A

c

•  

Skręcanie

 (forma ścinania):  wałek 

napędu

Wyciąg 
narciars
ki

background image

9

Canyon Bridge, Los Alamos, NM

o

 

F

A

•  

Proste

 ściskanie:

Uwaga: przy ściskaniu 

  

 < 0

Przykłady stanów naprężenia (2)

A

o

Balanced Rock, Arches 

National Park

background image

10

 

Dwuosiowe

 rozciąganie: 

Hydrostatyczne

 ściskanie:

Zbiornik ciśnieniowy

 

< 0

h

Przykłady stanów naprężenia (3)

Ryba w wodzie

z

 > 0

 > 0

background image

11

Odkszt. 

Rozciągające

(nominalne)

:

Odkszt. 

poprzeczne

:

Odkszt. 

ścinające

:

Odkształcenie jest bezwymiarowe

Odkształcenie umowne 

(inżynierskie)

90º

90º - 

y

x

 = x/y = tan 

 

L

o

P

L

w

o

/2

L

/2

L

o

w

o

N

background image

12

Próba rozciągania

T

ypowa 

maszyna

Typowa 
próbka

długość 

pomiarowa

statyczna próba rozciągania umożliwia 
określenie podstawowych charakterystyk 
wytrzymałościowych i plastycznych 
materiałów

background image

13

Typowe Krzywe Naprężenie – 

Odkształcenie

miękk
a

stal

background image

14

Własności sprężyste

• 

Moduł sprężystości, E

:

    (Moduł Younga)

• 

Prawo Hooke'a

:

 = 

E

 

Liniowo-

 

sprężyste

E

F

F

rozciąganie

background image

15

Własności sprężyste

Współczynnik kierunkowy krzywej naprężenie-odkształcenie 
(który jest proporcjonalny do modułu sprężystości) zależy 
od siły wiązania między atomami

background image

16

Liczba Poissona, 

• Liczba (współczynnik) 

Poissona, 

:

Jednostki:
E:  [GPa] 
:  bezwymiarowa



 > 0.50  gęstość wzrasta



 < 0.50  gęstość maleje  

                 (tworzą się pustki)

L

-

 

P

metale

:  

 ~ 0.33

ceramiki

 

~ 0.25

polimery

 ~ 0.40

N

N

background image

17

• Moduł 

sprężystości   
postaciowej, G
:

G

 = 

G

 

Inne Moduły Sprężystości

próba skręcania

M

M

• Relacje dla materiałów 
izotropowych:

2(1

 

 

)

E

G

3(1

 

 

2)

E

• Moduł 

ściśliwości, 

K:

P

P

P

P = -

K

V

Vo

P

V

K

V

o

dylatacja

background image

18

Moduły Younga - porównanie

background image

19

• Rozciąganie:

  FL

o

E

A

o

L

 

Fw

o

E

A

o

• 

Materiał, kształt i sposoby obciążenia wpływają na sztywność 

• Większe moduły sprężystości minimalizują sprężyste wyginanie

Użyteczne zależności

F

Ao

/2

L

/2

L

o

w

o

• Skręcanie:



2ML

o

r

o

4

G

= moment 

 = kąt obrotu

2r

o

L

o

background image

20

(w niskiej temperaturze, t.j. T < T

top

/3)

Odkształcenie Plastyczne 

(Trwałe)

• Próba rozciągania:

naprężenie, 

odkształcenie,  

Sprężyste + Plastyczne

przy dużym naprężeniu

trwałe (plastyczne)

 

gdy obciążenie jest odjęte

p

odkształcenie plastyczne

Początkowo

 

sprężyste

background image

21

Naprężenie, przy którym odkształcenie plastyczne jest 

zauważalne

.

gdy 

p

  = 0.002 

Granica plastyczności, 

y

y

 = granica 

plastyczności

Dla próbki o dł. 2"

 = 0.002 = 

z/z

 z = 0.004"

naprężenie, 

odkształcenie, 

y

p = 0.002

background image

22

a     = wyżarzony
hr   = gorąco walcowany
ag  = starzony
cd  = ciągniony na zimno
cw = odkształcony na zimno
qt   = hartowany & odpuszczony

Granica plastyczności: porównanie

Ceramiki 

Półprzew
od.

Metale 

Kompozyty 

Polimery

y

 

(M

Pa

)

PVC

Tr

u

d

n

o

m

ie

rz

a

ln

e

 

p

rz

y

 r

o

zc

g

a

n

iu

 m

a

te

ri

a

ł 

n

a

jp

ie

rw

 p

ę

ka

Nylon 6,6

LDPE

70

20

40

60

50

100

10

30

200

300

400

500

600

700

1000

2000

Tin (pure)

Al 

(6061)

a

Al 

(6061)

ag

Cu 

(71500)

hr

Ta (pure)

Ti (pure)a

Steel 

(1020)

hr

Steel 

(1020)

cd

Steel 

(4140)

a

Steel 

(4140)

qt

Ti 

(5Al-2.5Sn)

a

W (pure)

Mo (pure)

Cu 

(71500)

cw

HDPE

PP

humid

dry

PC

PET

¨

y

 

Tr

u

d

n

o

m

ie

rz

a

ln

e

p

rz

y

 r

o

zc

g

a

n

iu

 m

a

te

ri

a

ł 

n

a

jp

ie

rw

 p

ę

ka

Wartości dla 

temperatury 

pokojowej

background image

23

Wytzrymałość, R

m

•  

Metale

:

  gdy zaczyna tworzyć się 

szyjka

.

•  

Polymery

:

  gdy łańcuchy układają się w jednym 

kierunku.

y

strain

Typical response of  a metal

F = pękanie

Szyjka – działa 
jako 
koncentrator 
naprężenia

R

m

 n

a

p

że

n

ie

 odkształcenie 

• Największe naprężenie na krzywej rozciągania.

background image

24

Wytrzymałość: Porównanie

Si crystal

<100>

Ceramiki 

Metale 

kompozyty

Polymery

 w

y

tr

zy

m

a

lo

ść

 (M

Pa

)

PVC

Nylon 6,6

10

100

200

300

1000

Al 

(6061)

a

Al 

(6061)

ag

Cu 

(71500)

hr

Ta (pure)

Ti (pure)a

Steel 

(1020)

Steel 

(4140)

a

Steel 

(4140)

qt

Ti 

(5Al-2.5Sn)

a

W (pure)

Cu 

(71500)

cw

LDPE

PP

PC

PET

20

30

40

2000

3000

5000

Graphite

Al oxide

Concrete

Diamond

Glass-soda

Si nitride

HDPE

wood(    fiber)

wood(|| fiber)

1

GFRE(|| fiber)

GFRE(   fiber)

CFRE(|| fiber)

CFRE(   fiber)

AFRE(|| fiber)

AFRE(   fiber)

E-glass fib

C fibers

Aramid fib

Wartości dla 
temperatury 
pokojowej

a    = wyżarzony
hr   = walcowany na gorąco
ag  = starzony
cd  = ciągniony na zimno
cw = odkształcony na zimno
qt   = hartowany & 
odpuszczany

AFRE, GFRE, & CFRE =
aramid, szkło & kompozyt 
wzmocniony włóknami 
węglowymi

background image

25

•  

Odkształcenie plastyczne przy 

zerwaniu:

Ciągliwość

•  Inna miara ciągliwości:

100

x

A

A

A

RA

%

o

f

o

-

=

x 100

L

L

L

EL

%

o

o

f

Odkształcenie, 

Naprężenie, 

mniejsze %EL 

większe %EL

L

f

A

o

A

f

L

o

background image

26

•  Energia na jedn. obj. materiału zużyta na 
rozerwanie
•  W przybl. powierzchnia pod krzywą rozciągania.

Wiązkość

Kruche pękanie:    energia sprężysta
Ciągliwe pękanie:  energia sprężysta + 
plastyczna

mała wiązkość 

(polimery) 

Odkształcenie, 

Naprężenie, 

mała wiązkość (ceramiki)

duża wiązkość (metale) 

background image

27

Energia Sprężysta, U

r

• Zdolność materiału do akumulowania energii 

– Energię najlepiej akumulować w zakresie sprężystym

Gdy założymy liniowość, 
to równanie upraszcza 
się do:

y

y

r

2

1

U

y

d

U

r

0

background image

28

Elastic Strain Recovery

background image

29

Naprężenie i Odkształcenie 

Rzeczywiste

Przekrój próbki zmienia się podczas 

odkształcenia

• Napr. rzecz.

• Odkszt. rzecz.

i

rz

A

F

o

i

rz

ln

1

ln

1

rz

rz

background image

30

Umocnienie

•  Równanie Ludwika:

  

rz

 

rz

 

n

napr. rzecz. 
(F/A)

odkszt. rzecz.:  ln(L/L

o

)

wsp. umocnienia:

0.15 (niektóre stale) 

to =

0.5 (niektóre stopy Cu) 

•  Wzrost 

y

 w wyniku odkształcenia plastycznego.

duże umocnienie

małe umocnienie

y

 

0

y

 

1

background image

31

Krzywe rozciągania 

background image

32

Twardość

•  Opór przeciwko trwałym odkształceniom 
powierzchni
•  Duża twardość:

    - odporność na odkształcanie podczas ściskania
    - lepsza odporność na ścieranie

np.., 

kulka 10 mm

przyłożona siła 

pomiar wielkości 

odcisku po zdjęciu

obciążenia

d

D

Mniejszy odcisk 

Większa 

twardość

wzrastająca twardość

większość

plastików

mosiądze 

stopy Al

stale obrabialne

plastyczne

pilniki

narzędzia

 tnące

stal

azotowanadiament

background image

33

Metody Pomiaru Twardości

• Metoda Rockwella (HRA, HRB, HRC...)

– No major sample damage
– Każda skala ma jednostki do 130 lecz 

uzyteczny zakres wynosi 20-100.  

– Obciążenie wstępne   10 kG
– Obciążenie główna     60 (A), 100 (B) & 150 (C) 

kG

• A = diament,  B = 1/16 in. kulka,  C = diamet

• Metoda Brinella (HB)

– Rm (MPa) = 3.45 x HB

background image

34

Hardness: Measurement

Table 6.5

background image

35

•  

Stress

 and 

strain

:  These are size-independent

      measures of load and displacement, respectively.

•  

Elastic

 behavior:  This reversible behavior often

      shows a linear relation between stress and strain.
      To minimize deformation, select a material with a
      large elastic modulus (E or G).

•  

Toughness

:  The energy needed to break a unit

      volume of material.

•  

Ductility

:  The plastic strain at failure.

Summary

•  

Plastic

 behavior:  This permanent deformation

      behavior occurs when the tensile (or 
compressive)
      uniaxial stress reaches 

y

.


Document Outline