POLITECHNIKA WARSZAWSKA
WYDZIAA
ELEKTRYCZNY
PRACOWNIA MATERIAA
OZNAWSTWA
ELEKTROTECHNICZNEGO KWNiAE
ĆWICZENIE 3
BADANIE WA
ASNOÅšCI MECHANICZNYCH
MATERIAA
ÓW PRZEWODOWYCH
1. Wprowadzenie
Materiały przewodowe są specyficznym rodzajem materiałów przewodzących. Oprócz dobrych
własności elektrycznych muszą tak\
e wykazywać dobre własności mechaniczne i termiczne.
W materiałach tych przewodnictwo ma charakter czysto elektronowy i wyra\
a siÄ™ zale\
nością:
1
ëÅ‚SöÅ‚ = ëÅ‚ öÅ‚ /1/
Å‚ = n e k
ìÅ‚&!Å"m ÷Å‚
m
íÅ‚ Å‚Å‚
íÅ‚ Å‚Å‚
gdzie: n  koncentracja elektronów w materiale [m-3]
e  ładunek elektronów [C]
m2
k  ruchliwość elektronów w materiale ëÅ‚VÅ"s öÅ‚
ìÅ‚ ÷Å‚
íÅ‚ Å‚Å‚
Do materiałów przewodzących nale\
ą metale i ich stopy. Wartość przewodności tych
materiałów jest uzale\
niona 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/ zale\
nie 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 przyło\
onego 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 obcią\
enia,
" sprÄ™\
ystość  zdolność powrotu do pierwotnego kształtu po usunięciu obcią\
enia,
" plastyczność  brak zdolności do powrotu do pierwotnego kształtu po usunięciu obcią\
enia,
" wytrzymałość  graniczne naprę\
enie niszczÄ…ce.
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 z
ródłem informacji o mechanicznych własnościach
materiału i mo\
emy w ten sposób badać wszystkie nie kruche materiały. Próbę ściskania
wykonujemy dla materiałów kruchych, które pękają w trakcie badania, a tak\
e dla materiałów
plastycznych w celu otrzymania pełnej charakterystyki płynięcia pod obcią\
eniem.
Podstawowymi wielkościami mierzonymi w próbie rozciągania są:
" naprÄ™\
enie
F N
îÅ‚ Å‚Å‚
à =
2
ïÅ‚m śł
S
ðÅ‚ ûÅ‚
gdzie:
F  siła rozciągająca [N], S  pole przekroju poprzecznego próbki [m2]
" odkształcenie
l - l0 "l
µ = Å"100 = Å"100 [%]
l0 l0
gdzie:
l0  długość odcinka pomiarowego przed badaniem [m]
l  długość odcinka pomiarowego przy danym naprę\
eniu [m]
Typowa krzywa rozciągania dla metali, otrzymywana w wyniku próby rozciągania wygląda
następująco:
P  granica proporcjonalności, określająca największe naprę\
enie, do którego przebieg zale\
ności
´ = f(µ) jest prostoliniowy i okreÅ›lony prawem Hooke a à = EÅ"µ.
S  granica sprÄ™\
ystości określająca największe naprę\
enie po usunięciu, którego próbka powraca
do wymiarów początkowych.
Q  granica plastyczności po osiągnięciu, której materiał zaczyna płynąć. Następuje szybki wzrost
odkształcenia przy małej zmianie naprę\
enia, 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, \
e materiał nie posiada wyraz
nej
granicy plastyczności wyznacza się umowną granicę plastyczności (Re0,2). Określanie umownej
granicy plastyczności obrazuje rysunek poni\
ej.
Fe0,2  siła wyznaczana na krzywej rozciągania nie posiadającej wyraz
nej granicy plastyczności
przez poprowadzenie prostej równoległej do początkowego, prostoliniowego odcinka wykresu,
"l
przechodzącej przez punkt na osi wydłu\
eń, odpowiadający wartości = 0,2% .
l
Najwa\
niejszymi parametrami danego materiału przy próbie rozciągania są:
" Moduł sprę\
ystości wzdłu\
nej (moduł Young a) określany do granicy proporcjonalności P
à N
îÅ‚ Å‚Å‚
E =
na prostoliniowym odcinku charakterystyki à = f(µ). 2
ïÅ‚m śł
µ
ðÅ‚ ûÅ‚
" Wytrzymałość na rozciąganie (zerwanie) Rm
Fm îÅ‚ Å‚Å‚
N
Rm =
S0 ïÅ‚m2 śł
ðÅ‚ ûÅ‚
gdzie:
Fm  maksymalna siła odkształcająca [N]
S0  pole przekroju poprzecznego próbki przed próbą [m2]
" Wydłu\
enie wzglÄ™dne przy zerwaniu µr
"lr
µ = Å"100 [%]
r
l0
gdzie:
l0  długość odcinka pomiarowego przed badaniem [m]
"lr  wydłu\
enie bezwzględne odcinka pomiarowego [m]
Materiał poddany próbie ściskania charakteryzują podobne wielkości, z tą ró\
nicÄ…, \
e próbka
ulega skróceniu, a zamiast przewę\
enia występuje zgrubienie. Wytrzymałość na ściskanie (Rc)
określa się jako graniczne naprę\
enie 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.
Fm îÅ‚ Å‚Å‚
N
Rc =
S0 ïÅ‚m2 śł
ðÅ‚ ûÅ‚
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
obciÄ…\
ającej próbkę, dokładny pomiar siły zrywającej i wydłu\
enia oraz zapis zale\
ności 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 ą1%.
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, a\
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 nale\
y upewnić się, \
e miernik wydłu\
enia jest wyzerowany.
N
îÅ‚ Å‚Å‚
Po ustaleniu prędkości rozciągania, nie większej ni\
30 i zwolnieniu hamulca
2
ïÅ‚mm Å" s śł
ðÅ‚ ûÅ‚
rozpoczyna się proces rozciągania oraz rejestracji krzywej siła-wydłu\
enie.
W czasie trwania próby rozciągania nale\
y obserwować miernik wydłu\
enia i zapamiętać jego
wskazanie w momencie zerwania próbki ("lr). Po zerwaniu próbki, ze skali siłomierza odczytuje się
wartość maksymalnej siły odkształcającej (Fm).
Następnie nale\
y 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 niewa\
ną, a doświadczenie powtarzamy.
Otrzymane wyniki zapisujemy w tabeli.
5. Opracowanie wyników pomiarów
Zarejestrowaną podczas próby krzywą F = f("l) nale\
y wyskalować na podstawie zmierzonych
wartości Fm oraz "lr, a następnie odczytać wartości Fe lub Fe0,2, Fm, Fu.
Następnie nale\
y obliczyć następujące wielkości:
" początkową powierzchnię przekroju próbki S0 [m2],
" wytrzymałość na zerwanie Rm [N/m2]
Fm N
îÅ‚ Å‚Å‚
Rm =
S0 ïÅ‚m2 śł
ðÅ‚ ûÅ‚
" granicę plastyczności Re [N/m2] (naprę\
enie, przy którym zaczyna się wyraz
ny wzrost
wydłu\
enia próbki bez znacznego wzrostu obcią\
enia)
Fe N
îÅ‚ Å‚Å‚
Re =
S0 ïÅ‚m2 śł
ðÅ‚ ûÅ‚
" naprÄ™\
enie określające umowną granicę plastyczności Re0,2 [N/m2], dla metali nie
posiadajÄ…cych wyraz
nej granicy plastyczności
Fe0,2 îÅ‚ N Å‚Å‚
Re0,2 =
S0 ïÅ‚m2 śł
ðÅ‚ ûÅ‚
" powierzchnię najmniejszego przekroju próbki po zerwaniu Su [m2],
" naprÄ™\
enie zrywające Ru [N/m2], występujące w miejscu przewę\
enia próbki w chwili
zerwania
Fu N
îÅ‚ Å‚Å‚
Ru =
Su ïÅ‚m2 śł
ðÅ‚ ûÅ‚
" wydłu\
enie wzglÄ™dne odcinka pomiarowego po zerwaniu µr [%],
" moduł sprę\
ystości wzdłu\
nej (moduł Younga) E [N/m2],
" przewÄ™\
enie względne po zerwaniu "Sr [%], jest to stosunek zmniejszenia powierzchni
przekroju drutu w miejscu zerwania do przekroju poczÄ…tkowego
S - S
0 u
"S = Å"100 [%]
r
S
0
Uzyskane wyniki omówić i podać wnioski
Do protokółu nale\
y 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 E
µr "Sr
Lp. Materiał
N N N N
[N] [N] [N] [%] [%]
[ m2 ] [ m2 ] [ m2 ] [ m2 ]
1
2
Załącznik 1
Cechy mechaniczne wybranych materiałów
N N
Materiał
E [ m2 ] Rm [ m2 ] µr [%]
stal 10-30
200 Å" 109 300-1000 Å" 106
miedz
30-50
115 Å" 109 230-500 Å" 106
brÄ…z 15
120 Å" 109 150-700 Å" 106
mosiÄ…dz
100 Å" 109 150-450 Å" 106
aluminium 30-45
70 Å" 109 90-120 Å" 106
cyna 70
47 Å" 109 15 Å" 106
ołów 50
16 Å" 109 15 Å" 106
wolfram 2
400 Å" 109 1700 Å" 106
diament
1100 Å" 109 1800 Å" 106
szkło 4
72 Å" 109 4000 Å" 106