Ćwiczenie 1

Politechnika Świętokrzyska Laboratorium z Materiałoznawstwa
Sprawozdanie numer 1

1. Wstęp teoretyczny (opis statycznej próby rozciągania, pomiaru twardości, pomiaru udarności, wyliczenia w poszczególnych próbach (wzory);

a) Statyczna próba rozciągania jest podstawową próbą badań własności mechanicznych metali. Próba taka realizuje najprostszy stan naprężeń, jaki powstaje przy prostym rozciąganiu.

Badanie wytrzymałościowe w trakcie tej próby polega na osiowym rozciąganiu próbki odpowiednio ukształtowanej na maszynie wytrzymałościowej zwanej zrywarką. Podłączony siłomierz wskazuje siłę panującą w każdej chwili w próbce, inne zaś urządzenie (np. czujnik, tensometr) umożliwia odczytanie całkowitego wydłużenia próbki. W czasie trwania próby rejestrujemy siły panujące w próbce i odpowiadające im wydłużenia całkowite próbki. Wartości te, przeniesione na układ współrzędnych, w których na osi pionowej odkładamy siłę F, a na osi poziomej wydłużenie Dl, dają tzw. wykres rozciągania. W większości maszyn wykres ten jest rysowany samoczynnie przez odpowiednie urządzenie samopiszące.

b) Twardość – cecha ciał stałych świadcząca o odporności na działanie sił skupionych. Efektami oddziaływania sił skupionych mogą być odkształcenia powierzchni, zgniecenie jej lub zarysowanie. Definicja twardości jest dość ogólna, stąd mnogość metod i skal pomiarowych.

• Pomiar twardości metodą Brinella

Metoda Brinella polega na wciskaniu określoną siłą wgłębnika w postaci hartowanej kulki stalowej lub kulki z węglików spiekanych o pewnej średnicy w powierzchnię badanego materiału w określonym czasie. Nazwa tej metody pochodzi od nazwiska jej twórcy Brinella, który wprowadził ją w 1900 roku. Jako wgłębniki

używane są kulki stalowe hartowane o znormalizowanych średnicach 1,0; 2,5; 5; 10 mm.

Zalecana średnica kulki wynosi 10 mm.

Twardość Brinella określa stosunek siły P wciskającej wgłębnik do pola A trwałego odcisku,

który w postaci czaszy kulistej utworzy się na powierzchni materiału

HB = $\frac{P}{A}$ [$\frac{N}{\text{mm}^{2}}$]

Jest to więc średnia wartość ciśnienia obliczonego w sposób umowny, po osiągnięciu którego kulka przestaje się zagłębiać w materiał.

• Pomiar twardości metodą Rockwella

Pomiar twardości metodą Rockwella polega na dwustopniowym wciskaniu w badany materiał prostopadle

do jego powierzchni wgłębnika siłą wstępną F₀, a następnie siłą główną F₁. Przy obciążeniu wgłębnika siłą F₀ wnika on na pewną głębokość.

HR = N − $\frac{h}{S}$

gdzie:

N - oznacza stałą zależną od rodzaju wgłębnika ( N=100 dla kulki, N=100 dla stożka)

S - jest jednostką twardości HR zależną od dobranej skali ( 0,002 mm, lub 0,001 mm)

Maksymalne wartości twardości ( przy h=0), które można zmierzyć metodą Rockwella

wynoszą odpowiednio 100 HR i 130 HR

Symbol	Określenie
HRA HRC HRD HRB HRE HRF HRG HRH HRK HRN HRT	Twardość Rockwella = 100$\ - \frac{h}{0,002}$ Twardość Rockwella = 130$\ - \frac{h}{0,002}$ Twardość Rockwella = 100$\ - \frac{h}{0,001}$

• Pomiar twardości metodą Vickersa

Metoda pomiaru twardości sposobem Vickersa polega na wciskaniu w próbkę diamentowego wgłębnika w kształcie ostrosłupa o podstawie kwadratu i kącie wierzchołkowym 136° z określoną siłą oraz zmierzeniu długości przekątnych

d₁ i d₂ powstałego odcisku, po usunięciu obciążenia. Miarą twardości jest stosunek siły obciążającej F do pola powierzchni odcisku, którego kształt przyjmuje się jako ostrosłup prosty o podstawie kwadratowej, o tym samym kącie wierzchołkowym jaki ma wgłębnik. Zgodnie z normą twardość Vickersa oznacza się przez HV i oblicza ze wzoru:

HV =$\text{\ \ }\frac{F}{A}\ \approx \ \frac{1,1891F}{d^{2}}$

c) Udarność jest to odporność metali na pękanie przy obciążeniach dynamicznych. Próba udarności polegała na złamaniu próbki o określonych wymiarach i kształcie jednym uderzeniem młota wahadłowego. Próbę wykonuje się na młocie wahadłowym Charpy’ego.

Przebieg próby: Młot o ciężarze G podnosi się na wysokość h₁ i opuszcza się na próbkę leżącą na dwóch podporach. Młot uderza w próbkę, łamię ją i wznosi się na wysokość h₂ po drugiej stronie. Złamanie próbki następuje w miejscu karbu.

Udarność U oblicza się z wzoru:

$U = \frac{K}{S_{0}}$ [$\frac{J}{\text{cm}^{2}}$]

gdzie: 

K – praca potrzebna do złamania próbki w J.

S₀ – powierzchnia początkowa przekroju poprzecznego w miejscu karbu w cm².

2. Cele poszczególnych ćwiczeń

a) Statyczna próba rozciągania

• klasyfikacja materiałów

• pomiar wielkości charakterystycznych dla materiału (charakterystyki sprężysto-plastyczne materiału)

b) pomiar twardości

• Określenie twardości różnych materiałów przy pomocy trzech metod (Brinella, Rockwella, Vickersa)

c) pomiar udarności

• określenie wpływu szybkiego (dynamicznego) obciążenia na własności mechaniczne materiału

3. Wyliczenia (procentowe wydłużenie, Rm, Re)

- Odległość między działkami:   5 mm

- Początkowa  średnica próbki:  8 mm

- Długość pomiarowa próbki prze zerwaniem 80 mm

d₀ = 8 mm

L₀ = 10 d₀

L₀ = 10 * 8mm = 80mm

$N = \frac{L_{0}}{5}$ gdzie liczba 5 = odległość między działkami

$N = \frac{80}{5}$ = 16 działek

Próbka zerwała się na granicy 2-3-działek. Została następnie zmierzona długość n = 4 działek (symetrycznie dwie z jednej strony, dwie z drugiej strony zerwania). Stąd w czterech  działkach zawarta jest odległość  a = 31 mm, pozostało:

N-n = 16 - 4 =12 działek

12 jest liczbą parzystą, stąd możemy przyjąć, że b₁ = b₂ = b, a odległość b została zmierzona dla:

$\frac{N - n}{2} = \frac{12}{2}$ = 6

znajdujących się po prawej stronie od miejsca zerwania. Odległość ta wyniosła b₁ = b₂ = b = 37 mm

Długość pomiarowa po zerwaniu :

L_u = a  +  2b

L_u  =  31 +2*37 = 105 mm

$S_{0} = \frac{\pi{d_{0}}^{2}}{4}$=$\frac{3,14*8}{4} = 50,24\text{mm}^{2}$

Wyraźna granica plastyczności:

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

$R_{e} = \frac{16410}{50,24}$= 327 Mpa

Wytrzymałość na rozciąganie:

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

$$R_{m} = \frac{22990}{50,24} = 458\ \text{Mpa}$$

Wydłużenie procentowe:

$$\frac{L_{u} - L_{0}}{L_{0}}100\% = \frac{105 - 80}{80}100\% = 0,3125*100\% = 31,25\%$$

4. Przykładowe wykresy z wyraźną granicą plastyczności i umowną granicą plastyczności wraz z opisem;

Umowna granica plastyczności:

Arbitralne przybliżenie granicy sprężystości. Jest to naprężenie odpowiadające punktowi przecięcia wykresu naprężenie-odkształcenie z prostą równoległą do części wykresu w postaci linii prostej. Przesunięcie reprezentuje odległość pomiędzy początkiem wykresu naprężenia-odkształcenie i punktem przecięcia linii równoległej z osią naprężenia zerowego. Przesunięcie jest wyrażone w funkcji odkształcenia (często 0,2%).

Wyraźna granica plastyczności:

Naprężenie, przy którym odkształcenie wzrasta bez towarzyszącego wzrostu naprężenia. Jedynie kilka materiałów (a szczególnie stal) posiada granicę plastyczności i zasadniczo tylko pod obciążeniem rozciągającym.

1. granica proporcjonalności

3. granica plastyczności

5. maksymalna wytrzymałość na rozciąganie badanej próbki.

7. zerwanie próbki

5. Tabelka z przykładowymi wartościami twardości w HRC dla różnych stali.

Zawartość węgla w stali (udział martenzytu 95%)	Twardość w HRC
0,20% C	40
0,40% C	54
0,60% C	61
0,80% C	63

Wpływ zawartości węgla na twardość stali po hartowaniu

przy różnym udziale martenzytu w strukturze.

Martenzyt - składnik struktury hartowania stali, będący przesyconym roztworem stałym węgla w żelazie,

o tetragonalnej sieci przestrzennej i charakterystycznej mikrostrukturze, przedstawiającej igiełki przecinające się pod kątem 60°. Martenzyt otrzymuje się w wyniku gwałtownego ochłodzenia nagrzanej do temperatury austenitu stali węglowej lub niskostopowe

6. Tabelka z przykładowymi wartościami udarności

Materiał	Rodzaj karbu	Wymiary przekroju (mm)	So (cm2)	K (J)	K/So (J/cm2)
Stal	Półokrągły	9,98 x 7,95	0,794	196	Nie złamana (246,9)
Stal	Kwadratowy	10,4 x 8,16	0,849	170	Nie złamana (200,2)
Stal	Prostokątny	10,09 x 8,73	0,881	202	Nie złamana (229,3)
Stal	Trójkątny	9,7 x 7,97	0,773	192	Nie złamana (248,4)
Żeliwo	Półokrągły	9,97 x 8,04	0,802	2	2,5

7. Wnioski:

- Po szybkości narastania siły na siłomierzu na początku badania możemy stwierdzić, że przyrost próbki jest niewielki natomiast siła rozciągająca próbkę narasta szybko. Po pewnym czasie wskazówka siłomierza zatrzymuje się na wartości siły, która nazywa się siłą uplastyczniającą Fu. Próbka staje się plastyczna, a w pewnych przypadkach od tego momentu może wystąpić zjawisko „płynięcia” materiału, tzn. okres przyrostu wydłużeń bez przyrostu siły. W miarę obciążania próbki siła rośnie już wolniej, ale przyrost następuje coraz szybciej, co wskazuje nam na umacnianie się materiału. W pewnym momencie siła przestaje rosnąć i osiąga maximum Fmax. Następuje destabilizacja materiału. W chwili Fmax na próbce pojawia się przewężenie, siła maleje bardzo szybko, wydłuża się także szybko z powodu zmniejszania się przekroju poprzecznego próbki i dochodzi do zerwania.

-Badanie twardości metodą Rockwella jest najmniej inwazyjne gdyż pozostawia prawie niewidoczny ślad. Pomiary są możliwe dla stali miękkich i twardych, są szybkie oraz proste w wykonaniu i obliczeniu. Próba metodą Rockwella to też bardzo prosta obsługa twardościomierza. Odczytywanie twardości wykonuje się bezpośrednio z twardościomierza bez konieczności stosowania tablic

- Badanie udarności młotem Charpy’ego pokazało że udarność zależy od pola przekroju, wymiarów próbki i karbu, stanu powierzchni próbki oraz prędkości obciążenia.