I. CEL ĆWICZENIA

Doświadczalne wyznaczenie następujących wielkości mechanicznych metalu:

- wyraźnej granicy plastyczności R_e ,

- wytrzymałości na rozciąganie R_m ,

- naprężenia rozrywającego R_u ,

- wydłużenia względnego A_k ,

- wydłużenia równomiernego względnego A_r ,

- przewężenia względnego Z .

II. WPROWADZENIE (PODSTAWY TEORETYCZNE, PODSTAWOWE POJĘCIA, METODY POMIARU)

Statyczna próba rozciągania – podstawowa metoda badań wytrzymałościowych dla metalowych materiałów konstrukcyjnych.

W statycznej próbie rozciągania rozciąga się odpowiednio wykonany pręt o przekroju okrągłym wykorzystując urządzenie zwane zrywarką. W czasie próby rejestruje się zależność przyrostu długości próbki od wielkości siły rozciągającej oraz rejestruje się granicę sprężystości, przewężenie próbki i siłę zrywającą próbkę. Naprężenia w próbce oblicza się dzieląc siłę rozciągającą przez pole przekroju poprzecznego próbki (uwzględniając przewężenie lub nie uwzględniając go).

Typowy wykres naprężenie-odkształcenie:

Początkowo wzrost naprężenia powoduje liniowy wzrost odkształcenia. W zakresie tym obowiązuje prawo Hooke'a. Po osiągnięciu naprężenia Rsp, zwanego granicą sprężystości materiał przechodzi w stan plastyczności, a odkształcenie staje się nieodwracalne. Przekroczenie granicy sprężystości, zauważalne w okresie chwilowego braku przyrostu naprężenia, powoduje przejście materiału w stan plastyczny. Dalsze zwiększanie naprężenia powoduje nieliniowy wzrost odkształcenia, aż do momentu wystąpienia zauważalnego, lokalnego przewężenia zwanego szyjką. Naprężenie, w którym pojawia się szyjka, zwane jest wytrzymałością na rozciąganie Rm. Dalsze rozciąganie próbki powoduje jej zerwanie w punkcie zerwania Pz. Ten ogólny przypadek znacznie różni się dla różnych materiałów. Np. materiały sprężyste, jak stale wysokowęglowe, żeliwa, stale sprężynowe, nigdy nie przechodzą w stan plastyczny, lecz wcześniej ulegają zerwaniu. Dla wielu materiałów granica plastyczności jest trudna do określenia, gdyż nie istnieje wyraźnie przejście z zakresu sprężystego do plastycznego.

Na podstawie wyników pomiarów statyczną próbą rozciągania można określić podstawowe wielkości wytrzymałościowe materiału, jakimi są: Rsp, Re, Rm, moduł Younga i współczynnik Poissona.

Podstawowe pojęcia:

Wyraźna granica plastyczności R_e - naprężenie niezbędne do zapoczątkowania makroskopowego odkształcenia plastycznego we wszystkich ziarnach.

$$R_{e} = \frac{F_{e}}{S_{0}}$$

gdzie:

F_e – siła przy której występuje „płynięcie materiału” [kN],

S₀ – pole powierzchni przekroju pierwotnej próbki [mm²].

Wytrzymałość na rozciąganie R_m - to naprężenie odpowiadające największej sile rozciągającej F_m uzyskanej w czasie próby rozciągania, odniesionej do pierwotnego przekroju poprzecznego tej próbki:

$$R_{m} = \frac{F_{m}}{S_{0}}$$

gdzie:

F_m – siła rozciągająca w czasie próby [kN],

S₀ – pole powierzchni przekroju pierwotnej próbki [mm²],

Naprężenie rozrywające R_u - czyli rzeczywista wartość naprężenia w miejscu przewężenia rozciąganej próbki bezpośrednio przed jej zerwaniem (jest to wartość siły powodującej zerwanie w odniesieniu do przekroju zerwanej próbki w jej najwęższym miejscu).

Wydłużenie względne A_k – jest to stosunek trwałego wydłużenia próbki po zerwaniu do długości początkowej i obliczenia jest ze wzoru:

$$A_{k} = \frac{l}{L_{0}} = \frac{L_{u} - L_{0}}{L_{0}}*100\%$$

gdzie:

L_u – długość pomiarowa po zerwaniu [mm],

L₀ – pierwotna długość pomiarowa próbki [mm],

Wydłużenie względne równomierne A_r – proporcja spadku pola przekroju poprzecznego w miejscu przewężenia do początkowego pola przekroju próbki.

$$A_{r} = \frac{d_{0}^{2} - d_{r}^{2}}{d_{r}^{2}}*100\%$$

gdzie:

d₀ – pierwotna średnica próbki w części pomiarowej [mm],

d_r – średnica próbki po rozerwaniu, mierzona w połowie odległości między miejscem rozerwania i końcem długości pomiarowej na dłuższej części próbki [mm].

Przewężenie względne (Z) – jest to ubytek pola powierzchni przekroju poprzecznego próbki w miejscu zerwania w odniesieniu do pola powierzchni jej przekroju pierwotnego i oblicza się ze wzoru:

$$Z = \frac{S_{0} - S_{u}}{S_{0}}*100\%$$

gdzie:

S₀ – pole powierzchni przekroju pierwotnej próbki [mm²],

S_u – pole przekroju poprzecznego próbki w miejscu rozerwania [mm²],

Metoda pomiaru (doświadczenie będzie wykonywane w maszynie wytrzymałościowej)

III. OPIS STANOWISKA BADAWCZEGO

Próba rozciągania próbek została wykonana na maszynie wytrzymałościowej (zrywarce). Jest to maszyna służąca do badania wytrzymałości materiałów na rozciąganie. Zrywarka pozwala na rejestrowanie zależności pomiędzy przyrostem długości rozciąganej próbki, a wytworzoną siłą.

IV. OPIS PRZEBIEGU REALIZACJI EKSPERYMENTU

A ) Czynności przed próba rozciągania:

Czynności, które należy wykonać przed próba rozciągania to:

1) zapoznanie sie z wymaganiami normy PN–EN 10002-1:2004,

2) wykonanie znaków (naciec) w odstępach 5 mm na części walcowej próbki stalowej (na odcinku dłuższym, niż L₀);

3) pomiar średnicy d0 próbki – w dwóch prostopadłych kierunkach, przy obu końcach próbki; sprawdzenie wymiaru L₀ i zapisanie wyników w tabeli pomiarowej,

4) dobranie odpowiedniego zakresu siłomierza maszyny,

5) zaciśniecie próbki w uchwytach.

B) Czynności podczas próby:

Podczas próby rozciągania należy wykonać następujące czynności:

1) po włączeniu silnika zapewnić równomierny przyrost odkształcenia (naprężenia) przez regulacje zaworem ilości dopływającego oleju do cylindra roboczego,

2) odnotować i zapisać w tabeli pomiarowej 1 wartości charakterystyczne sił (FeH, FeL, Fm dla stali ), uzyskane podczas rozciągania;

3) pomierzyć (dla próbki stalowej, po przekroczeniu granicy plastyczności) dla około 10 wartości sił, aktualne wartości średnicy próbki.

C) Pomiary po próbie rozciągania

Po próbie rozciągania należy wykonać następujące czynności

1. zmierzyć długość odcinka pomiarowego po zerwaniu (Lu) – dla odcinka 5 – krotnego i 10 – krotnego; zmierzyć średnicę próbki w miejscu największego przewężenia,

2. wykonać pomiary wydłużeń – do wykresów: $A = f\frac{L_{0}}{d_{0}}$ oraz ε = f(i)

3. pomierzyć (z wykresów rozciągania F=F( Δ l )) współrzędne F i Δ l w kilku punktach (w tym charakterystycznych) wykresów w celu sporządzenia wykresów rozciągania w układzie s– dla stali oraz s(Δ l) – dla żeliwa.

V. RYSUNKI PRÓBEK

Pręt stalowy gładki:

Pręt stalowy żebrowany:

VI. ZESTAWIENIE WYNIKÓW BADAŃ W TABELI

VII.WYKRES ROZCIĄGANIA PRÓBKI

VIII. WNIOSKI

W czasie doświadczenia naocznie można było doświadczyć uplastycznianie się pręta pod wpływem wzrastania siły aż do momentu jego rozerwania.

Na przebieg doświadczenia miało wpływ umiejscowienie próbki w maszynie rozciągającej, każde odchylenie mogło prowadzić innego przebiegu doświadczenia.

Badając próbkę pierwszą oraz drugą charakter złomu znajdował się w zakresie długości pomiarowej. Wytrzymałość pierwszego pręta wyniosła 12,59 MPa, natomiast drugiego 12,51 MPa.

Próbka pierwsza której pole przekroju przed doświadczeniem wynosiło 56,75 mm² po badaniu w miejscu zerwania wynosiło 14,19, mm². W przypadku próbki drugiej pole przekroju przed badaniem wynosiło 49,02 mm² natomiast po wyniosło 18,86 mm².