Instytut Inżynierii Materiałowej
Politechnika A
ódzka
Wykład z przedmiotu:
Nauka o materiałach
Temat wykładu:
Badanie właściwości
wytrzymałościowych materiałów
Prowadzący: dr inż. Bożena Pietrzyk
1
atomy cząsteczki
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

Defekty struktury krystalicznej
Defekty punktowe: Defekty liniowe: Defekty złożone
wakans Dyslokacje: Granice ziaren
atom międzywęzłowy - krawędziowe
obcy atom: w węz
le sieci - śrubowe
obcy atom międzywęzłowy
-właściwości elektronowe,
- odkształcenie plastyczne właściwości
- umocnienie - wytrzymałościowe
- procesy dyfuzji
- magnetyczne
(przemieszczanie się atomów)
- umocnienie roztworów stałych
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

Powstawanie dyslokacji
Podczas krystalizacji
Podczas odkształcania plastycznego
- Korzystniejsze energetycznie
- Granice ziaren
warunki krystalizacji na dyslokacji,
- Swobodne powierzchnie
niż na idealnej powierzchni
- Rozmnażanie dyslokacji
- Zrastanie krystalizujących ziaren
Gęstość dyslokacji:
całkowita długość linii dyslokacji
na jednostkę objętości kryształu:
w metalach nieodkształconych: w metalach odkształconych
6 8
10  10 cm -2 plastycznie na zimno:
8 12
10 � 10 cm -2
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

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 płaszczyz
nie sieciowej.
Schemat przemieszczania się dyslokacji krawędziowej w krysztale
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

Mechanizm odkształcenia metali na zimno
F
Płaszczyzna
poślizgu
Rozciągany monokryształ cynku
Struktura krystaliczna cynku
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

Krzywa rozciągania metali polikrystalicznych z wyraz
ną
granicą plastyczności
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

Moduł sprężystości, granica plastyczności, granica
wytrzymałości, wydłużenie
Nachylenie określa
moduł Younga E
Rm
Re
Odkształcenie plastyczne �f
�
�
�
przy zerwaniu
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

Moduły sprężystości
Z prawa Hooke a :
� = E �, �- moduł Younga
G H" 3/8 E
� = G ł, G - moduł ścinania
K H" E
p = � ", K - moduł ściśliwości
Wartości modułów
diament 1000
sprężystości wynikają z:
ceramika 300-600
wolfram 400
" rodzaju wiązań chemicznych
stale 200
(sztywności wiązań)
miedz
150
tytan 100
" gęstości wiązań
aluminium 70
ołów 15
Polimery 0,01-7
pianki polimerowe 0,001-0,01
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

kompozyty
2
Moduł Younga [ GN/m ]
Właściwości wytrzymałościowe wybranych materiałów
Materiał Re [MN/m2] Rm[MN/m2] 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 -
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

Metody badań właściwości wytrzymałościowych
Statyczne próby wytrzymałościowe:
" rozciągania
" ściskania
" zginania
Badania twardości
Próby udarności
Próby zmęczeniowe
Próby pełzania
Badania technologiczne
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

PN EN 10002  1: 2004 Metale. Próba rozciagania.
Metoda badania w temperaturze otoczenia.
PN-91/H-04310, Próba statyczna rozciągania metali,
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

Instytut Inżynierii Materiałowej PA

�
- materiały z wyraz
ną granicą plastyczności
(metale kolorowe, stal niskowęglowa, stale
wyżarzone)
- materiały bez wyraz
nej granicy
plastyczności
(większość metali i stopów, stale twarde)
- materiały kruche
(stale wysokowęglowe, żeliwo, materiały
ceramiczne)
Instytut Inżynierii Materiałowej PA
�
Badania właściwości materiałów kruchych
Statyczna próba ściskania
Statyczna próba zginania
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

Twardość jest to odporność na odkształcenia powierzchni, pod
wpływem zewnętrznego nacisku.
Badanie twardości określa (w przybliżeniu) granicę wytrzymałości materiału:
Rm[ MPa] = 3,4 HB
Badania twardości:
- metoda Brinella
polegają na wciskaniu wgłębnika w
- metoda Vickersa
badany materiał do spowodowania
- metoda Knoopa
trwałych odkształceń
- metoda Rockwella
- mikrotwardość:
twardość mierzona metodą Vickersa, lub Knoopa przy
obciążeniach nie większych niż 2N
- metoda Shore a
(wysokość odskoku kulki stalowej spadającej z określonej
wysokości na powierzchnię badanej próbki)
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

Metoda Brinella ( PN-91/H-04350; PN-EN ISO 6506-1;2002)
wgłębnik: kulka stalowa o promieniu 1; 2; 2,5; 5; 10mm
siła obciążająca [N]
HB =
powierzchnia odcisku [mm2]
Siła obciążająca dobierana wg normy w zależności od rodzaju materiału i wielkości kulki
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

Metoda Vickersa (PN-91/H-04360; PN-EN ISO 6507-1:1999)
wgłębnik: piramida diamentowa
siła obciążająca [N]
F
= 0,189
HV =
d2
powierzchnia boczna odcisku [mm2]
d - średnia arytmetyczna przekątnych odcisku
Metoda:
" uniwersalna,
" pozostawia mały odcisk,
" dokładna
" pracochłonna
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

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 120o
Metoda Rockwella jest
do stali ulepszonych cieplnie i żeliw
najczęściej używana w
skala B: HRB = 130 - h/0,002 kulka stalowa d=1,588mm
przemyśle
do metali nieżelaznych i stali nie ulepszonych cieplnie
(szybkość pomiaru)
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

Porównanie twardości otrzymywanych różnymi metodami określają
odpowiednie tablice
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

Pomiar udarności (młot Charpy go)
Wynikiem pomiaru jest praca
łamania [J],
Praca łamania jest miarą
ciągliwości materiału
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

wskaz
niki określające właściwości wytrzymałościowe materiału
Re lub R0,2 - granica plastyczności,
Rm - wytrzymałość na rozciąganie
H - twardość,
wskaz
niki określające właściwości plastyczne: ciągliwość, wiązkość,
odporność na pękanie materiału:
A - wydłużenie
Z - przewężenie
K - udarność
Kc - odporność na pękanie
TPSK  temperatura przejścia w stan kruchy,
Najczęściej wysokim wartościom wskaz
ników
wytrzymałościowych odpowiadają niskie wartości
wskaz
ników opisujących ciągliwość i odwrotnie
Instytut Inżynierii Materiałowej PA