WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY
INSTYTUT ELEKTROTECHNIKI TEORETYCZNEJ
I SYSTEMÓW INFORMACYJNO-POMIAROWYCH
ZAKŁAD WYSOKICH NAPIĘĆ I KOMPATYBILNOŚCI ELEKTROMAGNETYCZNEJ
PRACOWNIA MATERIAŁOZNAWSTWA ELEKTROTECHNICZNEGO
ĆWICZENIE 4
BADANIE WŁASNOŚCI MECHANICZNYCH
MATERIAŁÓW PRZEWODOWYCH
Materiały przewodowe są specyficznym rodzajem materiałów przewodzących. Oprócz dobrych własności elektrycznych muszą także wykazywać dobre własności mechaniczne i termiczne.
W materiałach tych przewodnictwo ma charakter czysto elektronowy i wyraża się zależnością: γ =
S
1
n e k
=
m
Ω⋅
/1/
m
gdzie: n – koncentracja elektronów w materiale [m-3]
e – ładunek elektronów [C]
m2
k – ruchliwość elektronów w materiale
V⋅s
Do materiałów przewodzących należą metale i ich stopy. Wartość przewodności tych materiałów jest uzależniona od kilku czynników, a mianowicie:
a) rodzaju materiału i jego budowy
b) czystości materiału, czyli zawartości obcych domieszek
c) obróbki mechanicznej na zimno
d) temperatury
We wzorze /1/ zależnie od rodzaju materiału (przyczyna a), i w pewnym stopniu na skutek obecności domieszek (przyczyna b) zmienia się koncentracja elektronów (n), zarówno domieszki (przyczyna b), obróbka mechaniczna na zimno (przyczyna c) i wzrost temperatury (przyczyna d) wpływają na wzrost ruchliwości elektronów (k), czyli na uzyskiwaną skierowaną prędkość przemieszczania się elektronów, przypadającą na 1kV przyłożonego napięcia. W sumie obecność domieszek, obróbka na zimno i wzrost temperatury powodują pogorszenie konduktywności materiału.
2. Własności mechaniczne
Zachowanie się materiałów przewodowych podczas pracy określamy za pomocą następujących parametrów :
• odkształcalność – zdolność zmiany wymiarów geometrycznych pod wpływem obciążenia,
• sprężystość – zdolność powrotu do pierwotnego kształtu po usunięciu obciążenia,
• plastyczność – brak zdolności do powrotu do pierwotnego kształtu po usunięciu obciążenia,
• wytrzymałość – graniczne naprężenie niszczące.
Własności te określamy najczęściej wyznaczając:
• wytrzymałość na rozciąganie lub ściskanie,
• wytrzymałość na zginanie,
• udarność,
• twardość,
• ścieralność.
3. Wytrzymałość na rozciąganie
Badanie wytrzymałości na rozciąganie lub ściskanie polega na odkształcaniu próbki materiału pod wpływem siły zewnętrznej, działającej w osi próbki.
Próba rozciągania jest podstawowym źródłem informacji o mechanicznych własnościach materiału i możemy w ten sposób badać wszystkie nie kruche materiały. Próbę ściskania wykonujemy dla materiałów kruchych, które pękają w trakcie badania, a także dla materiałów plastycznych w celu otrzymania pełnej charakterystyki płynięcia pod obciążeniem.
Podstawowymi wielkościami mierzonymi w próbie rozciągania są:
• naprężenie
F
N
σ =
2
S
m
gdzie:
F – siła rozciągająca [N],
S – pole przekroju poprzecznego próbki [m2]
• odkształcenie
l − l
∆ l
0
ε =
⋅100 =
⋅100 [%]
l
l
0
0
gdzie:
l0 – długość odcinka pomiarowego przed badaniem [m]
l – długość odcinka pomiarowego przy danym naprężeniu [m]
Typowa krzywa rozciągania dla metali, otrzymywana w wyniku próby rozciągania wygląda następująco:
P – granica proporcjonalności, określająca największe naprężenie, do którego przebieg zależności δ = f(ε) jest prostoliniowy i określony prawem Hooke’a → σ = E⋅ε.
S – granica sprężystości określająca największe naprężenie po usunięciu, którego próbka powraca do wymiarów początkowych.
Q – granica plastyczności po osiągnięciu, której materiał zaczyna płynąć. Następuje szybki wzrost odkształcenia przy małej zmianie naprężenia, a po usunięciu siły nie następuje powrót do pierwotnego kształtu.
Fm – maksymalna siła odkształcająca [N],
Fu –siła zrywająca [N],
Fe – siła na granicy plastyczności [N].
W przypadku, kiedy z charakterystyki F=f(∆l) wynika, że materiał nie posiada wyraźnej granicy plastyczności wyznacza się umowną granicę plastyczności (Re0,2). Określanie umownej granicy plastyczności obrazuje rysunek poniżej.
Fe0,2 – siła wyznaczana na krzywej rozciągania nie posiadającej wyraźnej granicy plastyczności przez poprowadzenie prostej równoległej do początkowego, prostoliniowego odcinka wykresu,
∆ l
przechodzącej przez punkt na osi wydłużeń, odpowiadający wartości
= ,
0 2% .
l
Najważniejszymi parametrami danego materiału przy próbie rozciągania są:
• Moduł sprężystości wzdłużnej (moduł Young’a) określany do granicy proporcjonalności P
σ N
E =
na prostoliniowym odcinku charakterystyki σ = f(ε).
2
ε m
• Wytrzymałość na rozciąganie (zerwanie) Rm
F
N
R = m
m
2
S
m
0
gdzie:
Fm – maksymalna siła odkształcająca [N]
S0 – pole przekroju poprzecznego próbki przed próbą [m2]
• Wydłużenie względne przy zerwaniu εr
∆
ε = lr
r
⋅100 [%]
l 0
gdzie:
l0 – długość odcinka pomiarowego przed badaniem [m]
∆lr – wydłużenie bezwzględne odcinka pomiarowego [m]
Materiał poddany próbie ściskania charakteryzują podobne wielkości, z tą różnicą, że próbka ulega skróceniu, a zamiast przewężenia występuje zgrubienie. Wytrzymałość na ściskanie (Rc) określa się jako graniczne naprężenie występujące w chwili pojawienia się w próbce pęknięć, rys lub innych objawów zniszczenia. Wytrzymałość na ściskanie bada się na niskich i krępych próbkach o kształcie walca, prostopadłościanu lub rurki tak, aby nie ulegały wyboczeniu.
F
N
R = m
c
2
S
m
0
Kształty próbek do pomiaru wytrzymałości na rozciąganie.
A – metal
D – guma, kauczuk
B – tworzywo sztuczne
E – papier, folia, tkanina
C – ceramika
4. Wykonanie pomiarów
Pomiaru dokonuje się na zrywarce zapewniającej jednostajny, osiowy ruch głowicy obciążającej próbkę, dokładny pomiar siły zrywającej i wydłużenia oraz zapis zależności F = f(∆l).
Maszyna taka musi spełniać następujące wymogi:
• zapewniać osiowe zamocowanie próbki,
• posiadać płynną regulację prędkości rozciągania w zakresie 4-150 [mm/min],
• zapewniać dokładność wskazań siłomierza ±1%.
Próbkami badanymi są odcinki drutu o długości 0,25m., nieprostowane, bez widocznych uszkodzeń, rys, pęknięć. Dopuszczalne jest prostowanie ręczne w sposób nieuszkadzający powierzchni próbek.
Odcinek drutu mocowany jest osiowo w uchwytach zrywarki. Do jednego z uchwytów przykłada się siłę rozciągającą, narastającą równomiernie w czasie, aż do momentu zerwania.
Odstęp początkowy między uchwytami zrywarki, a tym samym długość odcinka pomiarowego przed badaniem (l0), wynosi 0,15m.
Średnicę próbki przed zerwaniem (d0) mierzy się w trzech miejscach odcinka pomiarowego, za pomocą mikroskopu warsztatowego i oblicza się średnią arytmetyczną z tych wyników (d0śr).
Przed rozpoczęciem próby należy upewnić się, że miernik wydłużenia jest wyzerowany.
N
Po ustaleniu prędkości rozciągania, nie większej niż 30
i zwolnieniu hamulca
2
mm ⋅ s
rozpoczyna się proces rozciągania oraz rejestracji krzywej siła-wydłużenie.
W czasie trwania próby rozciągania należy obserwować miernik wydłużenia i zapamiętać jego wskazanie w momencie zerwania próbki (∆lr). Po zerwaniu próbki, ze skali siłomierza odczytuje się wartość maksymalnej siły odkształcającej (Fm).
Następnie należy zmierzyć średnicę drutu w miejscu zerwania posługując się mikroskopem warsztatowym. Pomiaru dokonujemy dla obu części próbki (du), a wynik jest średnią arytmetyczną obu pomiarów (duśr).
Zerwanie powinno nastąpić w obrębie odcinka pomiarowego. W innym przypadku próbę traktujemy jako nieważną, a doświadczenie powtarzamy.
Otrzymane wyniki zapisujemy w tabeli.
5. Opracowanie wyników pomiarów
Zarejestrowaną podczas próby krzywą F = f(∆l) należy wyskalować na podstawie zmierzonych wartości Fm oraz ∆lr, a następnie odczytać wartości Fe lub Fe0,2, Fm, Fu.
Następnie należy obliczyć następujące wielkości:
• początkową powierzchnię przekroju próbki S0 [m2],
• wytrzymałość na zerwanie Rm [N/m2]
F
N
R = m
m
2
S
m
0
• granicę plastyczności Re [N/m2] (naprężenie, przy którym zaczyna się wyraźny wzrost wydłużenia próbki bez znacznego wzrostu obciążenia)
F
N
R = e
e
2
S
m
0
• naprężenie określające umowną granicę plastyczności Re0,2 [N/m2], dla metali nie posiadających wyraźnej granicy plastyczności
F 0,2
N
R
e
e 0,2 =
2
S
m
0
• powierzchnię najmniejszego przekroju próbki po zerwaniu Su [m2],
• naprężenie zrywające Ru [N/m2], występujące w miejscu przewężenia próbki w chwili zerwania
F
N
R = u
u
2
S
m
u
• wydłużenie względne odcinka pomiarowego po zerwaniu εr [%],
• moduł sprężystości wzdłużnej (moduł Younga) E [N/m2],
• przewężenie względne po zerwaniu ∆Sr [%], jest to stosunek zmniejszenia powierzchni przekroju drutu w miejscu zerwania do przekroju początkowego
S − S
0
∆ S =
u
r
⋅100 [%]
S 0
Uzyskane wyniki omówić i podać wnioski
Do protokółu należy załączyć opisany i wyskalowany wykres krzywej rozciągania!
Wymiary próbek
d0
d0śr
S0śr
l0
du
duśr
∆lr
Lp.
Materiał
[m]
[m]
[m2]
[m]
[m]
[m]
[m]
1
2
Własności mechaniczne drutów przy rozciąganiu statycznym
Fm
Fe
Fu
Rm
Re
Ru
ε
∆
r
Sr
E
Lp.
Materiał
N
N
N
N
[N]
[N]
[N]
[ m2 ] [ m2 ] [ m2 ]
[%]
[%]
[ m2 ]
1
2
Cechy mechaniczne wybranych materiałów
N
N
Materiał
E [ m2 ]
Rm [ m2 ]
εr [%]
stal
200 ⋅ 109
300-1000 ⋅ 106
10-30
miedź
115 ⋅ 109
230-500 ⋅ 106
30-50
brąz
120 ⋅ 109
150-700 ⋅ 106
15
mosiądz
100 ⋅ 109
150-450 ⋅ 106
aluminium
70 ⋅ 109
90-120 ⋅ 106
30-45
cyna
47 ⋅ 109
15 ⋅ 106
70
ołów
16 ⋅ 109
15 ⋅ 106
50
wolfram
400 ⋅ 109
1700 ⋅ 106
2
diament
1100 ⋅ 109
1800 ⋅ 106
szkło
72 ⋅ 109
4000 ⋅ 106
4