Data wyk. ćwiczenia : 24.10.2001

AKADEMIA BYDGOSKA

MATERIAŁOZNAWSTWO METALI

Temat : Próba statyczna rozciągania metali.

Grupa d

Marcin Łyszcz

Mariusz Lenc

Spis treści :

1.Wstęp str. 3

2.Sposób przygotowania próbek str. 4

3.Wykonanie próby rozciągania str. 5

4.Wykres rozciągania wraz z opisem str. 6 i 7

5.Przebieg wykonywania ćwiczenia str. 8

6.Wyniki pomiarów str. 9

7.Wnioski str.10

1.Wstęp

Przedmiotem badania jest statystyczna próba rozciągania metali w temperaturze 20 _-10⁺¹⁵ °C. Celem statycznej próby rozciągania metali jest wyznaczenie jednej lub kilku podanych poniżej wielkości :

1. umownej granicy sprężystości,

2. wyraźnej granicy plastyczności,

3. umownej granicy plastyczności,

4. wytrzymałości na rozciąganie,

5. naprężenia rozrywającego,

6. współczynnika sprężystości wzdłużnej,

7. wydłużenia względnego,

8. wydłużenia równomiernego,

9. przewężenia względnego,

10. zapoznanie się z własnościami mechanicznymi metali wynikającymi z próby rozciągania,

Jeżeli w normach badania lub w normach przedmiotowych nie określono inaczej, postanowienia normy stosuje się przy badaniu odlewów oraz wyrobów hutniczych walcowanych, kutych, ciągnionych i wyciskanych o średnicy 3 mm i powyżej lub o grubości 0,2 mm i powyżej. Postanowienia normy nie dotyczą próby rozciągania rur i drutów, połączeń zgrzewanych lub spawanych oraz odlewów, dla których przewidziano odrębne normy w zakresie kształtu i wymiaru próbek lub w zakresie przeprowadzania badań.

Próba polega na statycznym rozciąganiu badanej próbki z określoną prędkością, aż do rozerwania i wyznaczenia jednej lub kilku wcześniej przedstawionych wielkości.

Do przeprowadzania próby rozciągania można stosować maszyny różnych konstrukcji, pierwszej klasy dokładności. Maszyna wytrzymałościowa powinna ponadto zapewniać :

• niezawodne zamocowanie i centrowanie próbki w uchwytach,

• możliwość ustawiania i regulowania prędkości.

Do pomiaru próbek należy stosować uniwersalne przyrządy pomiarowe czyli suwmiarki z noniuszem o dokładności pomiaru do 0,1 mm i mikrometry o dokładności pomiaru do 0,01 mm .

2.SPOSÓB PRZYGOTOWANIA PRÓBEK

Wymiary próbek L₀, d₀ oraz a₀ i b₀ mierzy się przed rozerwaniem, natomiast L_u, d_r, d_u, oraz a_u, b_u po rozerwaniu próbki. Wymiary poprzeczne próbki należy mierzyć co najmniej w trzech miejscach na długości pomiarowej, przy czym dla próbek okrągłych każdy pomiar należy przeprowadzać w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach. Powierzchnię przekroju poprzecznego oblicza się na podstawie średniej arytmetycznej otrzymanych pomiarów z dokładnością ± 0,5%.

Dla próbek o złożonym kształcie przekroju poprzecznego, pobranych z wyrobów o znanej gęstości metalu powierzchnię przekroju poprzecznego oblicza się metodą wagową lub inną uzgodnioną metodą. W celu obliczenia powierzchni przekroju poprzecznego metodą wagową, należy zważyć odcinek próbny z dokładnością do 1g i zmierzyć jego dł. z dokładnością do 0,1 mm .

Przed wykonaniem próby rozciągania należy oznaczyć na próbce długość pomiarową z dokładnością ±1%, oraz wykonać podział na równe części w odstępach co 5 lub 10 mm za pomocą :

• rysika w przypadku próbek okrągłych oraz płaskich o grubości 2 mm i powyżej; sposób wykonania rysek powinien wykluczać powstawanie karbu,

• atramentu, tuszu, kolorowego ołówka lub w inny sposób w przypadku próbek płaskich o grubości poniżej 2 mm,

3.WYKONANIE PRÓBY ROZCIĄGANIA

Jeżeli w normach przedmiotowych lub warunkach zamówienia nie określono inaczej, próbę przeprowadza się w temperaturze 20 ⁺¹⁵_-10°C. Temperaturę sprawdza się tylko w przypadkach spornych.

Zakres pomiarowy siłomierza maszyny wytrzymałościowej powinien być tak dobrany, aby największa siła rozciągająca F_m była nie mniejsza niż 30 i nie większa niż 90 % górnej granicy zakresu wskazań siłomierza maszyny wytrzymałościowej.

Próbkę należy zamocować w uchwytach maszyny wytrzymałościowej w taki sposób, aby oś próbki pokrywała się z kierunkiem rozciągania. Warunek ten powinien być zachowany szczególnie przy wyznaczaniu naprężeń przy wydłużeniach umownych.

Po zerwaniu próbki należy wykonać pomiar długości L_u . W tym celu obie części próbki składa się tak, aby przylegały do siebie, a ich oś stanowiła linię prostą. Jeżeli obie części nie przylegają ściśle do siebie, wówczas szczelinę między nimi wlicza się do długości pomiarowej końcowej. Długość pomiarową końcową mierzy się między dwoma skrajnymi ryskami lub punktami, jeżeli rozerwania znajduje się :

1. w środkowej
   długości pomiarowej L₀ dla próbek o wskaźniku wielokrotności p
   5,

2. w odległości od skrajnej ryski lub znaku nie mniejszej niż
   długości pomiarowej L₀ dla próbek o wskaźniku wielokrotności p>5, oraz dla próbek nie proporcjonalnych o umownej początkowej długości pomiarowej L₀ równej 50 lub 80 mm

Wartość przewężenia próbki płaskiej należy wyznaczyć przez pomiar najmniejszej szerokości b_u oraz najmniejszej grubości a_u próbki w miejscu rozerwania.

Próbę rozciągania unieważnia się, jeżeli na próbce tworzy się więcej niż jedna szyjka, lub próbka rozerwała się poza długością pomiarową a obliczone wydłużenie nie odpowiada wymaganiom stawianym danemu materiałowi; próbka rozerwała się w miejscu znaku lub rysy spowodowanej niewłaściwą obróbką mechaniczną i nie wykazuje wymaganego wydłużenia lub przewężenia; próbka rozerwała się na skutek miejscowej wady wewnętrznej materiału.

4.OPIS WYKRESU

Wykres składa się z odcinków OH, HS, SE_H, E_HE_L, E_LM, MU odpowiadających charakterystycznym stanom materiału w różnych stadiach rozciągania. Odcinek OH jest linią prostą co dowodzi, że w tym okresie próby wydłużenia całkowite Δl są proporcjonalne do sił. Na odcinku HE_H już nie ma tej proporcjonalności - wydłużenia rosną coraz szybciej. E_HE_L odpowiada krytycznemu stanowi materiału przy tym obciążeniu wykazuje dużą plastyczność i odkształcenia się zwiększają, mimo że siła rozciągająca nie jest zwiększona. To zjawisko nazywa się płynięciem materiału i trwa tylko przez pewien czas; po pewnym czasie próbka przestaje się wydłużać, następuje wzmocnienie (konsolidacja) materiału i do wywołania dalszych wydłużeń trzeba zwiększać siłę rozciągającą. Temu następnemu okresowi odpowiada odcinek E_LM. Od chwili osiągnięcia największej wartości siły rozciągającej F (w punkcie M) rozpoczyna się inne zjawisko. Na środkowej części próbki powstaje tak zwana szyjka. Próbka zwęża się w najsłabszym miejscu. Przyczyną małej wytrzymałości próbki w tym miejscu może być niejednolitość materiału albo różnica w wymiarach poprzecznych próbki, spowodowana wadliwością próbki. W dalszym ciągu badania przekrój szyjki tak maleje, że wydłużenie próbki w okresie MU koncentruje się prawie wyłącznie w obszarze szyjki i zachodzi przy coraz bardziej malejącej wartości siły rozciągającej. Punkt U odpowiada rozerwaniu próbki. W celu określenia charakteru odkształceń (wydłużeń) należy próbkę obciążać, odciążać i dokonywać przy tym pomiaru odkształceń. Takie pomiary wykazują, że odkształcenia bywają sprężyste, tj. znikające po odciążeniu próbki, jak również mogą być plastyczne (trwałe), tj. pozostające po odciążeniu próbki. Odkształcenia sprężyste- bardzo małe- prawie stale są proporcjonalne do sił rozciągających; natomiast odkształcenia plastyczne, pozostające po odciążeniu próbki, powodują krzywoliniowy przebieg wykresu i są znacznie większe od sprężystych. Praktycznie biorąc, do punktu H odkształcenia są wyłącznie sprężyste.

W okresie płynięcia (odcinek E_HE_L) powstają już znaczne odkształcenia trwałe, wielokrotnie przewyższające odkształcenia sprężyste. Niedopuszczalne jest, aby takie odkształcenia powstawały w pracujących częściach maszyn i konstrukcjach. Naprężenia odpowiadające w przybliżeniu punktowi E_H noszą nazwę granicy plastyczności (płynności).

W punkcie M naprężenia (odnoszone do pierwotnego przekroju) osiągają najwyższą wartość noszącą nazwę wytrzymałości na rozciąganie.

Naprężeń w punkcie U nie uważa się za charakterystyczne i nie notuje się, natomiast po złożeniu rozerwanej próbki mierzy się trwałe wydłużenie pierwotnej długości pomiarowej. Pomiary wykonujemy w tym celu, żeby wyznaczyć wydłużenie pozostałe po zerwaniu.

4.WYKRES ROZCIĄGANIA

5.PRZEBIEG WYKONYWANIA ĆWICZENIA

1. Wyznaczyć wymiary próbki .

2. Obliczyć pole przekroju poprzecznego S₀ .

3. Zamocować próbkę w maszynie.

4. Obserwować i zmierzyć siły działające na próbkę w trakcie rozciągania i zerwania .

5. Zmierzyć długość pomiarową po zerwaniu.

6. Obliczyć przekrój próbki w miejscu zerwania.

7. Dokonać obliczeń wydłużenia , przewężenia , max naprężenia .

6.WYNKI POMIARÓW

I próbka ST3 ( W )

a_o = 0,8 mm

b_o = 12 mm

L_o = 80 mm

S_o = a_o* b_o = 0.8 mm * 12 mm = 9,6 mm²

Siła zrywająca F= 4340 N

L_u = 104,4 mm

b_u = 8,6 mm

a_u = 0,4 mm

S_u = a_u *b_u = 0,4 mm * 8,6 mm = 3.44 mm²

II próbka ST3 ( P )

a_o = 0,8 mm

b_o = 12,2 mm

L_o = 80 mm

S_o = a_o * b_o = 0,8 mm * 12,2 mm = 9,76 mm²

Siła zrywająca F= 4080 N

L_u = 110,5 mm

b_u = 8,1 mm

a_u = 0,4 mm

S_u = a_u * b_u = 0,4 mm * 8,1 mm = 3,24 mm²

Wydłużenie :

I próbka II próbka

;

Przewężenie :

;

Wytrzymałość na rozciąganie :

MPa ;
MPa

7.WNIOSKI

Do badania otrzymaliśmy dwie próbki wykonane ze stali ST3 z oznaczeniami P i W. Oznacza to, że próbka z oznaczeniem P została wycięta w poprzek włókien, natomiast próbka z oznaczeniem W wycięta została wzdłuż włókien. Z obliczeń, jakie wykonaliśmy wynika, że próbka wycięta wzdłuż włókien jest bardziej wytrzymała od tej wyciętej w poprzek włókien. Jest to wartość dość znaczna i wynosi 34 MPa (jest to różnica P od W). Wynika z tego ćwiczenia, że elementy narażone na siły rozciągające powinny być wykonane ze stali wyciętej wzdłuż włókien. Zauważyliśmy również, że próbki prawie nigdy nie rozrywają się w połowie swojej długości. Oznacza to, że próbki rozrywają się w miejscach gdzie występują wewnętrzne „błędy” materiału.

10

---