Politechnika Lubelska

Wydział: Podstawy Techniki

Kierunek: Edukacja techniczno- informatyczna

Temat pracy: Statyczna próba rozciągania jako jedna z metod badania własności mechanicznych metali.

Prowadzący: Przygotował:

mgr Jarosław Kuzioła Adamczyk Andrzej

Bąk Przemysław

Derkacz Maciej

Dobrzyński Marcin

Wykonanie sprawozdania.

W sprawozdaniu zamieszczono:

1. Wstęp…………………………………………………………………………………………………………………….2

2. Przebieg realizowanych czynności………………………………………………………………………….2

3. Wzory i pojęcia pomocnicze…………………………………………………………………………………..3

4. Przegląd gatunków stali i ich charakterystyka……………………………………………………….4

5. Metodyka badań…………………………………………………………………………………………………..5

6. Maszyny i narzędzia potrzebne do przeprowadzenia próby rozciągania………………..6

7. Obliczenia i spostrzeżenia……………………………………………………………………………………..8

8. Wnioski…………………………………………………………………………………………………………………9

9. Literatura pomocnicza………………………………………………………………………………………….10

1. Wstęp

Statyczna próba rozciągania metali (zwana dalej próba rozciągania) jest jedna z podstawowych

prób stosowanych dla określenia własności mechanicznych metali. Z próby tej wyznacza

sie własności wytrzymałościowe i plastyczne (technologiczne) badanego materiału.

Z badanego materiału (w postaci elementu, wyrobu hutniczego itp.) pobiera sie próbki, które

po zamocowaniu w maszynie wytrzymałościowej, poddaje sie rozciąganiu – aż do zerwania.

Próbę wykonuje sie według Polskiej Normy: PN–EN 10002 – 1: 2004 Metale. Próba rozciągania.

Metoda badania w temperaturze otoczenia.

Statyczna próba rozciągania – podstawowa metoda badań wytrzymałościowych 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 granice sprężystości, przewężenie próbki i siłę zrywającą próbkę. Naprężenia w próbce oblicza się dzieląc siłę rozciągającą przez pole poprzeczne próbki (uwzględniając przewężenie lub nie uwzględniając go).

2. Cel ogólny

Celem ogólnym jest zapoznanie sie ze sposobem przeprowadzenia próby rozciągania,

sposobem prowadzenia pomiarów, nabycie umiejętności wyznaczania wielkości charakterystycznych dla badanego materiału.

2.1 Przebieg realizowanych czynności:

- Dokładny pomiar próbki,

- Zamocowanie próbki w szczekach dolnych maszyny,

- Uruchomienie prasy,

- Pompowanie oleju przez silnik do dolnego podnośnika (szczęki dolne),

Uwaga: (Belka górna podnośnika jest stała, dolna jest ruchoma),

- Zamocowanie próbki w górnych szczekach,

- Opuszczanie dolnego podnośnika ze szczękami (rozpoczęcie próby rozciągania),

- Obserwacja próbki oraz wskaźników maszyny,

- Zapisanie odpowiednich pomiarów i spostrzeżeń,

- Analiza i pomiar próbki po rozciąganiu,

3. Na początku rozciągania następuje wzrost obciążenia przy małym wzroście wydłużenia i wykres ma charakter prostoliniowy. Odkształcenia próbki są wówczas sprężyste (odwracalne) i proporcjonalne do wielkości przyłożonego obciążenia. Można wyrazić je przy pomocy prawa Hooke`a

gdzie: - naprężenie [MPa]

ε - wydłużenie względne [%]

E – współczynnik sprężystości wzdłużnej, zwany także modułem Younga

Współczynnik ten jest jedną z podstawowych stałych materiałowych charakteryzujących własności mechaniczne materiałów krystalicznych. wyznacza się go jako stosunek przyrostu naprężenia ∆R [MPa] do odpowiadającego mu wydłużenia jednostkowego z wzoru

Umowną granicę sprężystości R_0,05 wyznacza się jako naprężenie rozciągające wywołujące w próbce umowne wydłużenie trwałe x = 0,05% z wzoru

[MPa]

gdzie: F_0,05 – siła obciążająca wywołująca umowne wydłużenie trwałe x=0,05% długości pomiarowej próbki [N],

S₀ – początkowa powierzchnia przekroju poprzecznego próbki na długości pomiarowej [mm²]

Wydłużenie trwałe jest to wydłużenie rozciąganej próbki, które pozostaje po zdjęciu obciążenia, przeciwnie temu wydłużenie sprężyste próbki po zdjęciu obciążenia zanika.

Przy dalszym wzroście siły dochodzimy do momentu gdy wydłużenie zwiększa się bez wzrostu obciążenia, a nawet niekiedy przy jego spadku. Takie naprężenie rozciągające stanowi wyraźną granice plastyczności R_e, przy osiągnięciu którego następuje wyraźny wzrost wydłużenia rozciąganej próbki (przy zmniejszonym, bez wzrostu lub nawet przy krótkotrwałym spadku siły obciążającej). Wyznacza się ją ze wzoru

[MPa]

gdzie: F_e – siła obciążająca odpowiadająca wyraźnej granicy plastyczności [N]

Pewne materiały nie wykazują wyraźnej granicy plastyczności. Dla nich wyznacza się umowną granicę plastyczności R_0,2 jako naprężenie rozciągające wywołujące w próbce umowne wydłużenie trwałe x = 0,2% z wzoru

[MPa]

gdzie: F_0,2 – siła obciążająca wywołująca umowne wydłużenie trwałe x=0,2% długości pomiarowej próbki [N]

Przy dalszym wzroście siły obciążającej próbka znacznie się wydłuża plastycznie, równomiernie na całej długości pomiarowej. Naprężenie rozciągające odpowiadające największej sile obciążającej uzyskanej w czasie przeprowadzania próby stanowi wytrzymałość na rozciąganie R_m. wyznaczoną ze wzoru

[MPa]

gdzie: F_m. – największa siła obciążająca osiągnięta w czasie próby [N]

Dla metali mniej ciągliwych próbka rozrywa się zaraz po osiągnięciu F_m. Dla metali ciągliwych po przekroczeniu F_m. następuje szybki wzrost przewężenia miejscowego, czyli tworzenie się na próbce tzw. szyjki, przy czym jednocześnie występuje spadek obciążenia do wartości F_u. Naprężenie rzeczywiste występujące w przekroju poprzecznym próbki w miejscu przewężenia w chwili rozerwania nazywa się naprężeniem rozrywającym R_u wyznaczonym ze wzoru

[MPa]

gdzie: F_u – siła obciążająca w chwili rozerwani próbki [N]

S_u –powierzchnia najmniejszego przekroju poprzecznego próbki po rozerwaniu [mm²]

Oprócz wyżej wymienionych własności wytrzymałościowych próba rozciągania pozwala wyznaczyć własności plastyczne metalu:

• wydłużenie A_p jako stosunek trwałego wydłużenia bezwzględnego próbki po rozerwaniu ∆L do długości pomiarowej próbki L₀, wyznaczony dla próbek ze wzoru

[%]

gdzie: L_u – długość pomiarowa próbki po rozerwaniu [mm²]

p – wskaźnik wielokrotności długości pomiarowej próbki L₀

• przewężenie Z jako zmniejszenie powierzchni przekroju poprzecznego próbki w miejscu rozerwania odniesione do powierzchni jej pierwotnego przekroju wyznaczone z wzoru

[%]

4. Gatunki stali i ich charakterystyka.

Stal – stop żelaza z węglem plastycznie obrobiony i plastycznie obrabialny o zawartości węgla nieprzekraczającej 2,06% co odpowiada granicznej rozpuszczalności węgla w żelazie (dla stali stopowych zawartość węgla może być dużo wyższa). Węgiel w stali najczęściej występuje w postaci perlitu płytkowego. Niekiedy jednak, szczególnie przy większych zawartościach węgla cementyt występuje w postaci kulkowej w otoczeniu ziaren ferrytu.
Stal obok żelaza i węgla zawiera zwykle również inne składniki. Do pożądanych - składników stopowych - zalicza się głównie metale (chrom, nikiel, mangan, wolfram, miedź, molibden, tytan). Pierwiastki takie jak tlen, azot, siarka oraz wtrącenia niemetaliczne, głównie tlenków siarki, fosforu, zwane są zanieczyszczeniami.
Stal otrzymuje się z surówki w procesie świeżenia - stary proces, w nowoczesnych instalacjach hutniczych dominują piece konwertorowe, łukowe, próżniowe, pozwalające na uzyskanie najwyższej jakości stali.

4.1 Ze względu na zawartość węgla i strukturę wewnętrzną:

1) stal podeutektoidalna (stal zawierająca poniżej 0.77% węgla. Na polerowanym przekroju oglądanym pod mikroskopem daje się zauważyć ziarna ferrytu oddzielone obszarami perlitu. Wraz ze wzrostem zawartości węgla, udział ferrytu maleje, a perlitu wzrasta. Wzrasta także twardość stali, a obniża się jej ciągliwość)

2) stal eutektoidalna (stal zwierająca 0.77% węgla. Stal taka ma strukturę ziarnistego perlitu, składającego się z płytek ferrytu i cementytu)

3) stal nadeutektoidalna (stal zawierająca powyżej 0.77% węgla. Na polerowanym przekroju oglądanym pod mikroskopem daje się zauważyć ziarna perlitu oddzielone obszarami cementytu. Wraz ze wzrostem zawartości węgla, udział perlitu maleje, a cementytu wzrasta. Wzrasta także twardość stali, a obniża się jej ciągliwość)

4.2 Ze względu na zastosowanie:

1)Stal konstrukcyjna - stal używana do budowy konstrukcji stalowych i części urządzeń i maszyn o typowym przeznaczeniu. Gdy konstrukcja lub element urządzenia pracuje w trudnych lub ekstremalnych warunkach atmosferycznych, wytężeniowych lub cieplnych, stosuje się stale specjalne.

2) Stal narzędziowa – stal do produkcji narzędzi, elementów przyrządów pomiarowych oraz odpowiedzialnych uchwytów. Stale narzędziowe charakteryzują się wysoką twardością, odpornością na ścieranie, niewielką odkształcalnością i niewrażliwością na przegrzanie. Cechy te osiąga się przez wysoką zawartość węgla i odpowiednią obróbkę cieplną przy narzędziach mało odpowiedzialnych oraz użycie odpowiednich dodatków stopowych połączone z odpowiednią obróbką cieplną w przypadku odpowiedzialnych narzędzi.

3) Stal specjalna – stal przeznaczona do specjalnych zastosowań. Stale specjalne zawierają dużą ilość dodatków stopowych, wymagają bardzo skomplikowanej obróbki cieplnej oraz wysokiego reżimu obróbki i montażu. Ze względu na wysoką cenę nie są stosowane powszechnie.

5. Metodyka badań

Próbki stosowane do badań są znormalizowane. W naszym przypadku stosowaliśmy próbki o przekroju okrągłym z główkami do chwytania w szczęki. Głównym parametrem próbki, od którego zależą pozostałe wymiary jest wielkość średnicy d₀. Stosowaliśmy próbki pięciokrotne (krótkie), dla których . Średnica naszej próbki wynosiła d₀ = 8 mm, a więc jej L₀ = 40mm.

Rys. 1 – Próbka zastosowana w statycznej próbie rozciągania

Przed przystąpieniem do ćwiczenia należy skontrolować wymiary próbki (L₀ i d₀), następnie odpowiednio zamocować próbkę w szczękach i umieścić na niej ekstensometr. Później należy wyzerować wskazania siłomierza i ekstensometru

Próbki stalowe i żeliwne przygotowane do próby rozciągania i ściskania

6. Maszyny i narzędzia potrzebne do przeprowadzenia próby rozciągania.

Statyczne próby rozciągania przeprowadza się na tzw. zrywarkach lub rozciągarkach. Próbkę umieszcza

się w uchwytach i poddaje wolno zwiększającemu się obciążeniu.

Częściej spotyka się zrywarki z napędem hydraulicznym. W naszym ćwiczeniu stosowaliśmy maszynę z napędem mechanicznym.

3

6

7

2

1

4

5

Rys. 2 - Maszyna o napędzie mechanicznym do statycznej próby rozciągania

1 – próbka, 2 – szczęki samozaciskowe, 3 – górna belka, 4 – dolna belka,

5 – śruby pociągowe, 6 – siłomierz, 7 - ekstensometr

Silnik prądu stałego poprzez przekładnie i sprzęgła napędza dwie współbieżne śruby pociągowe.

Śruby te poruszają dolną belkę w górę lub w dół, powodując ściskanie, albo rozciąganie.

Podczas próby mierzone są dwie wielkości: siłę obciążającą i wydłużenie próbki. Pierwszą wielkość rejestruje wbudowany w maszynę siłomierz, natomiast ekstensometr mierzy wydłużenie. Przyrządy te działają na zasadzie tensometrii oporowej: wraz ze zmianą długości przewodnika zmienia się również jego rezystancja.

Ekstensometr to wygięta w kształcie litery Π blaszka przymocowana do końców długości pomiarowej próbki. Naklejone tensometry służą do odczytu zmian napięcia wraz ze zmianą długości próbki.

Wielkości mierzone przez siłomierz i ekstensometr kierowane są do wzmacniaczy, a następnie do komputera, który tworzy wykres rozciągania F = f(ΔL).

5.1 Wymagania stawiane maszynie wytrzymałościowej

Maszyna wytrzymałościową powinna być sprawdzana według normy PN-EN ISO 7500-1

i spełniać wymagania co najmniej klasy 1. Konstrukcja maszyny powinna zapewniać spełnienie następujących warunków:

− zapewniać osiowe obciążenie próbki (poprzez konstrukcje uchwytów),

− zapewniać wzrost obciążenia w sposób ciągły, jednostajny, bez uderzeń i skoków, z możliwością

płynnej regulacji prędkości przyrostu odkształcenia,

− błąd wskazań siłomierza nie powinien przekraczać ±1% (klasa 1),

− zapewnić utrzymanie stałego obciążenia przez okres co najmniej 30 sek

Sposób zamocowania próbki.

Próbki powinny być zamocowane w odpowiednich uchwytach (np. klinowych, we

wkładkach gwintowanych, pierścieniach dwudzielnych, zaciskanych hydraulicznie itp.) tak,

aby było zapewnione osiowe działanie siły w próbce. Jest to szczególnie ważne przy badaniu

materiałów kruchych, przy wyznaczaniu granicy plastyczności lub naprężeń granicznych.

7. Obliczenia i spostrzeżenia.

Granica plastyczności 28kN

Zerwanie próbki przy 58kN

Max. siła F= 64kN

Siła rozciągania F	Długość próbki L	L-Lp=∆L
F=10 kN	L=173mm	∆L= -8mm
F=20 kN	L=180mm	∆L= -1mm
F=30 kN	L=182mm	∆L= 1mm
F=40 kN	L=184mm	∆L= 3mm
F=50 kN	L=194mm	∆L= 13mm
F=60 kN	L=210mm	∆L=29mm
F=64 kN	L=230mm	∆L=49mm

Lp= 181mm (długość próbki mierzona miarką przed próbą rozciągania),

L= 173mm (długość próbki mierzona miarką maszyny przed rozciągnięciem próbki),

∆L1= 8mm (różnica pomiarowa przed próba rozciągania),

Lp= 181mm= L= 173mm

Lmax- Lp= 230-181= 49mm (wydłużenie)

8. Wnioski:

Podczas próby rozciągania nastąpiło przesuniecie się próbki w szczękach co uniemożliwiło zachowanie dokładnych pomiarów. Próbka została wykonana ze stali konstrukcyjnej niskowęglowej i przerobionych plastycznie stopów metali nieżelaznych (kształt płaski, częściowo obrobiony mechanicznie). W momencie przeprowadzania badania zaobserwowano zerwanie próbki przy nacisku szczęk 58 kN. Zaobserwowano widoczną górną granicę plastyczności która wyniosła 28 kN przy max. sile 64 kN.

Miejsce zerwania próbki charakteryzuje się jasnym metalicznym kolorem, nierówną powierzchnią struktury wewnętrznej próbki oraz niesymetrycznym zerwaniem co charakteryzuje stale konstrukcyjne niskowęglowe.

9. Literatura:

[1] Banasik M.: Ćwiczenia laboratoryjne z wytrzymałości materiałów. PWN, Warszawa 1977.

[2] Boruszak A., Sykulski R., Wrześniowski K.: Wytrzymałość materiałów. Doświadczalne metody badan.

Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 1977.

[3] Jastrzębski P., Mutermilch J., Orłoś W.: Wytrzymałość materiałów. Warszawa. Arkady 1985.

[4] Katarzyński S., Kocanda S., Zakrzewski M.: Badania właściwości mechanicznych metali. WNT,

Warszawa 1967.