Właściwości mechaniczne materiałów. Metody badań.

Seminarium dyplomowe

Nauka o materiałach

Paulina Lasko
Anna Zapadka
Patrycja Żydek
Piotr Zbrzeski
ZIP 41

1.

Właściwości materiałów i ich rodzaje

2.

Właściwości mechaniczne materiałów

3.

Zmęczenie

4.

Pękanie

5.

Pełzanie

6.

Twardość, wytrzymałość, plastyczność, sprężystość

7.

Udarność

8.

Metody badań

a)

Pomiary twardości,

b)

Próba rozciągania,

c)

Statyczna próba skręcania,

d)

Próba ściskania,

e)

Próby zmęczeniowe,

f)

Próba zginania,

g)

Próba udarności.

9.

Literatura

Plan prezentacji

Jest to zespół cech określających reakcję

tworzywa na zewnętrzne oddziaływanie np.
temperaturę, ciśnienie, naprężenia.

Właściwości materiałów

Rys. 1. Ciekłe kulki.



FIZYCZNE: przewodność cieplna, przewodność
elektryczna, podatność magnetyczna;



MECHANICZNE: do których zaliczamy:
wytrzymałość na ściskanie, rozciąganie, granicę
plastyczności, twardość, udarność;



CHEMICZNE: określają zdolność materiału do
wchodzenia w reakcje chemiczne z otoczeniem
np. odporność korozyjna.

Rodzaje właściwości
materiałów



Wytrzymałość zmęczeniowa,



Odporność na pękanie,



Odporność na pełzanie,



Twardość,



Wytrzymałość,



Granica plastyczności,



Moduł sprężystości,



Ciągliwość,



Wydłużenie,



Udarność.

Właściwości mechaniczne
materiałów

Zmęczeniem – nazywane są zmiany

zachodzące w materiale pod wpływem
zmiennych, czasem okresowo
naprężeń lub odkształceń, ujawniające
się przez zmniejszenie wytrzymałości
i trwałości lub przez zniszczenie w
wyniku pęknięcia.

Wytrzymałość zmęczeniowa to

graniczna amplituda naprężeń, poniżej
której materiał nie ulega zniszczeniu
(przy danej liczbie cykli - liczba cykli to
wynik pojedynczego badania
zmęczeniowego), ale po przekroczeniu
pewnej liczby cykli naprężenia mogą
spowodować złom zmęczeniowy.

ZMĘCZENIE

Rys. 2. Zmęczenie materiału.

Jest to przekroczenie naprężenia odpowiadającego

wytrzymałości materiału. Powoduje jego makroskopowe
rozdzielenie zwane pęknięciem.

W zależności od zachowania się w procesie pękania można

wyróżnić materiały:



Plastyczne: polimery, metale,



Kruche: ceramika, niektóre związki międzymetaliczne.

PĘKANIE

Rys. 3. Pękanie

•

Międzykrystaliczne – występuje w materiałach
o zmniejszonej wytrzymałości granic ziaren
spowodowanej segregacją atomów domieszek,
wydzieleniami kruchej fazy, niszczeniem korozyjnym.
Polega na zarodkowaniu mikropęknięć na granicach
ziaren i ich rozprzestrzenianiu się wzdłuż powierzchni
granicy.

•

Transkrystaliczne – przebiega przez ziarna.
Szczególnym przypadkiem jest zmęczeniowe niszczenie
metali, polegające na zarodkowaniu mikropęknięcia na
powierzchni i jego przemieszczaniu się w głąb materiału
pod działaniem obciążeń zmiennych.

RODZAJE PĘKANIA

Jest szczególnym rodzajem odkształcenia plastycznego,

wywoływany długotrwałym oddziaływaniem obciążenia
na materiał w podwyższonej temperaturze, zazwyczaj
do 0,3T

t

. Wyróżniamy pełzanie plastyczne oraz

sprężyste.

Konsekwencje pełzania:



Przy stałym naprężeniu, odkształcenie rośnie z
upływem czasu nawet do zniszczenia materiału;



Przy stałym odkształceniu naprężenie z czasem ulega
relaksacji

PEŁZANIE

ETA

P

OPIS

I

Okres pełzania nieustalonego,

zmienna, malejąca prędkość

odkształceń,

II

Pełzanie ustalone, prędkość

odkształceń jest stała,

III

Pełzanie nieustalone,

przyspieszone. Prędkość pełzania

zwiększa się, materiał ulega

osłabieniu aż do zniszczenia

KRZYWE PEŁZANIA

Rys. 4. Krzywe pełzania.

Twardość to odporność materiału na

odkształcenia trwałe, występujące pod
wpływem sił skupionych działających na
małą powierzchnię.
Na ogół im twardszy jest metal, tym
większą wykazuje odporność na ścieranie.

Rys. 5. Twardociśniomierz Rockwella,Vickersa i Brinella

Wytrzymałość na rozciąganie to odporność

materiału na działanie sił zewnętrznych
rozciągających. Wytrzymałość metali na
rozciąganie oznacza się symbolem R

m

(Mpa).

Wytrzymałość na ściskanie to największe

naprężenie, jakie wytrzymuje próbka badanego
materiału podczas ściskania; dla jej oznaczenia
używa się symbolu R

c

(Mpa)

Plastyczność – zdolność do zmiany kształtu

materiału pod wpływem sił zewnętrznych oraz
zdolność do zachowania nowego kształtu po
ustaniu działania siły odkształcającej.

Sprężystość – zdolność materiału do odzyskiwania

pierwotnego kształtu z chwilą, gdy przestaje działać na
niego siła wywołująca odkształcenie.

Ciągliwość – zdolność materiału do dużych odkształceń

trwałych pod wpływem działania sił. Materiały ciągliwe
nadają się do głębokiego tłoczenia, walcowania i kucia.

Wydłużenie – zdolność do wydłużenia pod wpływem

działania siły rozciągającej, określone jako procentowe
zwiększenie długości pomiarowej próbki poddanej
rozciąganiu w stosunku do jej długości pierwotnej.

Jest to odporność materiału na

uderzenia, określana jako
stosunek pracy łamania do pola
powierzchni przekroju
porzecznego próbki w miejscu
złamania oznaczone
odpowiednio KCU lub KCV.

Najczęściej stosuje się dwa

rodzaje

karbów:



Charpy V,



Charpy U.

UDARNOŚĆ

Rys. 6. Próbki do próby udarności.

METODY BADAŃ

Zasada pomiaru twardości:

wgniatanie wgłębnika przez określony czas i przy
określonym obciążeniu, co powoduje
miejscowe odkształcenie trwałe.

Przyczyny rozpowszechnienia pomiarów twardości:



łatwość ustalenia związku między wynikami
pomiaru twardości a wynikami prób innych
właściwości mechanicznych;



szybkość, łatwość i dokładność pomiarów w
małej objętości metalu.

POMIARY TWAROŚCI

Brinella – polega na wciskaniu pod obciążeniem stalowej kulki

(o średnicy 10; 5; 2,5; 1) lub kulki z węglików spiekanych,

Rockwella – polega na dwustopniowym wciskaniu wgłębnika

w badany materiał oraz pomiarze trwałego przyrostu
głębokości odcisku po obciążeniu. Stosowane wgłębniki to
kulka stalowa dla materiałów o twardości 20-100 HRB oraz
stożek diamentowy dla twardości materiałów w przedziale
20-70 HRC,

Vickersa – polega na wciskaniu diamentowego wgłębnika

w kształcie ostrosłupa o podstawie kwadratowej o kącie
dwuściennym 136

◦.

POMIARY TWARDOŚCI-
METODY

Materiał: próbki okrągłe,

próbki płaskie

Wykonanie: Polega na

monotonicznym
rozciąganiu próbki
wykonanej z materiału
konstrukcyjnego aż do
zerwania, w celu
określenia podstawowych
wielkości mechanicznych
badanego materiału.

PRÓBA ROZCIĄGANIA

Rys. 7. Uniwersalna maszyna wytrzymałościowa.

Próbę skręcania przeprowadza się zwykle na prętach o

stałym przekroju kołowym, dla których proste jest
określenie stanu naprężenia. Próbki o innym przekroju są
stosowane w szczególnych przypadkach.

Statyczną próbę skręcania przeprowadza się, aby wyznaczyć

pewne wielkości charakteryzujące materiał.

STATYCZNA PRÓBA SKRĘCANIA

Przeprowadzana jest tylko dla

materiałów kruchych.
Przy ściskaniu materiałów
ciągliwych nie można
uzyskać zniszczenia próbki,
gdyż następuje spęczanie
i umocnienie wywołane
odkształceniem plastycznym.
Zapis wyznaczonych właściwości
— z indeksem „c”: np. Rc —
wytrzymałość na ściskanie.

PRÓBA ŚCISKANIA

Rys. 9. Próba ściskania materiału

Polegają na wielokrotnym

obciążeniu próbki, które
wywołuje nastąpienie
zmiennego stanu naprężeń.
Do podstawowych prób
zmęczeniowych należy
próba zginania. W wyniku
tej próby wyznacza się
wytrzymałość na zmęczenie
przy próbie zginania
obrotowego. Stosuje się
również zmęczeniowe próby
skręcania lub rozciągania

PRÓBY ZMĘCZENIA

Rys. 10. Materiał po próbie zmęczeniowej

Polega na ustawieniu próbki

na dwóch podporach zgina
się równomiernie za pomocą
trzpienia ustawionego
pomiędzy podporami.

Próba stosowana jest tylko do

materiałów kruchych w celu
określenia wytrzymałości na
zginanie Rg.

Próba ma na celu sprawdzenie

zdolności materiału do
odkształceń plastycznych.

PRÓBA ZGINANIA

Rys.12. Maszyna do próby zginania

Rys.11. Próbki po próbie
zginania

Polega na złamaniu

jednym uderzeniem
młota wahadłowego
Charpy’ego próbki z
karbem podpartej
swobodnie na obu
końcach
i pomiarze pracy jej
złamania.

PRÓBA UDARNOŚCI

Rys. 13, 14. Młot Charpy’ego oraz złamana próbka.

1.

Dobrzański L.A., Hajduczek E.: Metody
badań metali i stopów. Wydawnictwo WNT,
Warszawa 1987.

2.

Dobrzański L.A.: Metaloznawstwo z
podstawami nauki o materiałach.
Wydawnictwo WNT, Warszawa 1999.

LITERATURA