Wydział Mechaniczny Technologiczny

POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH

Sprawozdanie

Temat:

STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA

Magdalena Myśliwiec, Martyna Melska, Błażej Major, Mateusz Soja

Kierunek Studiów: Inżynieria Materiałowa, semestr V

Przedmiot: Inżynieria wytwarzania i łączenia materiałów inżynierskich (z elementami inżynierii stomatologicznej)

Prowadzący: Dr inż. Adam Zarychta, dr inż. Wojciech Borek

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z statyczną próbą rozciągania oraz budową i działaniem maszyny wytrzymałościowej. Podczas ćwiczenia można zaobserwować zachowanie materiału podczas rozciągania oraz określić własności wytrzymałościowe i plastyczne badanego materiału.

1. Wstęp teoretyczny

Jednym z podstawowych badań statycznych tworzyw metalicznych jest statyczna próba rozciągania. Na jej podstawie można wyznaczyć kilka cech wytrzymałościowych i plastycznych. Na podstawie statycznej próby rozciągania można określić poniższe cechy mechaniczne tworzyw metalicznych:

• Wytrzymałość na rozciąganie

• Granica plastyczności – rzeczywista i umowna

• Granica sprężystości

• Wydłużenie i przewężenie, cechujące plastyczność materiału.

Próba ta polega na powolnym, jednoosiowym rozciąganiu próbki aż do jej zerwania, wymuszając stałą prędkość przyrostu długości. Otrzymana podczas próby zależność obciążenie – wydłużenie, umożliwia określenie poszczególnych wskaźników, a zatem prezentuje przebieg umocnienia tworzywa metalicznego [1].

Próbę rozciągania przeprowadza się na maszynach zwanych zrywarkami. Próbki do rozciągania posiadaj część pomiarową o stałym przekroju i są zakończone główkami o zwiększonych wymiarach.

Wyniki tej samej próby uzyskane na próbkach różnych materiałów powinny pozwolić na poznanie własności materiałów, a nie odzwierciedlać przypadkowy wpływ warunków doświadczenia. Warunki zapewniające ten stan nazywają się prawami podobieństwa prób mechanicznych. Wymagane jest zachowanie trzech rodzajów podobieństw:

a) geometrycznego (kształt i wymiary próbek);

b) mechanicznego (warunki obciążenia);

c) fizycznego (zewnętrzne warunki fizyczne).

W celu zachowania podobieństwa geometrycznego, kształty i wymiary wszystkich próbek stosowanych do rozciągania zostały znormalizowane. Podaje je norma PN-91/H-04310. Najczęściej stosuję się próbki o przekroju kołowym oraz prostokątnym (tzw. próbki płaskie). Miejsce i kierunek pobierania odcinków próbnych, z których wykonuje się próbki, określa norma. Główki próbek powinny być dostosowane do szczęk i uchwytów

Zachowanie się badanego materiału w czasie próby rozciągania najlepiej obrazuje wykres rozciągania, przedstawiający zależności między obciążeniem i odpowiadającym mu przyrostem długości próbki F-∆l. Wykres taki jest w czasie próby samoczynnie kreślony przez zrywarkę [2].

Parametry fizyczne próbek przed i po wykonaniu próby [2]:

• Średnica początkowa próbki (d0 [mm]) - średnica próbki na jej długości roboczej mierzona przed rozerwaniem.

• Średnica końcowa próbki (du [mm]) - średnica najmniejszego przekroju próbki w miejscu rozerwania.

• Długość pomiarowa początkowa (L0[mm]) – długość odcinka na roboczej części próbki na której określa się wydłużenie.

• Długość próbki (Lt [mm]) - całkowita długość próbki.

• Długość pomiarowa końcowa (Lu [mm]) – długość pomiarowa próbki po rozerwaniu.

• Powierzchnia przekroju początkowego próbki (S0 [mm2]) - powierzchnia przekroju poprzecznego próbki na długości pomiarowej mierzona przed rozerwaniem.

• Powierzchnia przekroju końcowego (Su [mm2]) - powierzchnia przekroju poprzecznego próbki w miejscu rozerwania.

• Bezwzględne wydłużenie próbki po rozerwaniu (∆L [mm]):

• Względne wydłużenie próbki proporcjonalnej po rozerwaniu (Ap [%])

• Względne wydłużenie równomierne próbki okrągłej (Ar [%]):

• Względne przewężenie próbki ( Z[%])

• względne przewężenie próbki okrągłej:

• względne przewężenie próbki płaskiej:

• Siła rozciągająca(F [N]) - siła działająca na próbkę w określonej chwili badania.

• Naprężenie rozciągające (R[MPa])- naprężenie wyrażone stosunkiem siły F do przekroju początkowego próbki S0.

• Umowna granica sprężystości (R0.05[MPa]) - naprężenie odpowiadające działaniu siły rozciągającej, wywołującej w próbce umowne wydłużenie trwałe x, wynoszące 0.05% długości pomiarowej L0:

• Umowna granica plastyczności R0.2[MPa]) - naprężenie odpowiadające działaniu siły

rozciągającej, wywołującej w próbce umowne wydłużenie trwałe x, wynoszące 0.2% długości pomiarowej L0:

• Siła odpowiadająca wyraźnej granicy plastyczności (Fe [N]) - siła, przy której występuje wyraźny wzrost wydłużenia rozciąganej próbki; dla określonych materiałów rozróżnia się siłę FeH, odpowiadającą górnej granicy plastyczności oraz siłę FeL, odpowiadającą dolnej granicy plastyczności.

• Wyraźna granica plastyczności (R e[MPa]- naprężenia odpowiadające działaniu siły Fe:

Rozróżnia się górną granicę plastyczności ReH, w której naprężenie odpowiada pierwsze-

mu szczytowi obciążenia zarejestrowanemu przy badaniu materiału oraz dolną granicę plastyczności ReL, odpowiadającą najmniejszej wielkości naprężenia przy wyraźnym wzroście wydłużenia;

• Największa siła (Fm [N]) - największa siła rozciągająca działająca na próbkę.

• Wytrzymałość na rozciąganie (Rm [MPa]) – naprężenie odpowiadaające działaniu siły Fm

• Siła rozerwania (Fu [N]) - siła rozciągająca w chwili rozerwania próbki.

• Naprężenie rozrywające (Ru [MPa]) - naprężenie odpowiadające działaniu siły Fu:

1. Stanowisko pomiarowe

Do przeprowadzania próby rozciągania stosuje się maszyny wytrzymałościowe różnej konstrukcji. Najczęściej są one budowane jako maszyny uniwersalne umożliwiające przeprowadzenie nie tylko próby rozciągania, ale także zginania, ściskania i niektórych prób technologicznych. Każda maszyna wytrzymałościowa składa się z następujących zasadniczych zespołów:

• mechanizmu napędowego, którego celem jest wywołanie żądanej siły i odkształcenia

• próbki z określoną prędkością

• urządzenia do pomiaru siły;

• układu uchwytów do mocowania różnych typów próbek;

• urządzenia rejestrującego zależność odkształcenia próbki od obciążenia;

• obudowy o dostatecznie sztywnej konstrukcji.

Wśród stosowanych mechanizmów napędowych najczęściej spotyka się napęd mechaniczny i hydrauliczny. Próbki mocuje się w uchwytach, których zadaniem jest uniemożliwienie wysunięcia się próbki oraz zapewnienie osiowego obciążenia. Próbka musi mieć możliwość ustawienia się w kierunku siły rozciągającej. W zależności od rodzaju próbek rozróżnia się uchwyty szczękowe i pierścieniowe. Szczęki prowadzone klinowo zaciskają się na główkach próbki zwiększając nacisk w miarę wzrostu siły rozciągającej i nie pozwalają na wysunięcie się próbki [2].

Próbę wykonano na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej ZWICK Z020 wraz z zestawem oprzyrządowania do próby ściskania i trójpunktowego zginania w temperaturze pokojowej oraz ekstensometrem video do pomiaru wydłużenia próbek VideoXtense; maszyna służy do wykonywania:

• statycznej próby rozciągania;

• statycznej próby ściskania;

• statycznej próby trójpunktowego ściskania.

Rys. 1. Schemat maszyny wytrzymałościowej używanej do próby rozciągania: 1 – korpus maszyny, 2 – śruba, 3 – nastawnik, 4 – korba, 5 – uchwyt szczękowy, 6 – przyciski sterownicze, 7 – badana próbka, 8 – uchwyt szczękowy, 9 – układ dźwigniowy, 10 – tarcza siłomierza, 11 – rejestrator, 12 – wymienny obciążnik, 13 – listwa pomiarowa.

Jednokolumnowa maszyna wytrzymałościowa Zwick została specjalnie zaprojektowana do mechanicznych zastosowań badawczych o małych obciążeniach i łączy w sobie zwartą konstrukcję, dzięki czemu można ją stosować w szerokiej gamie lokalizacji. Jest wykorzystywana do badań rozciągania, ściskania i zginania oraz jest szczególnie przydatna do nadzorowania produkcji, kontroli dostaw, do demonstracji lub celów dydaktycznych w szkołach oraz do niezawodnych testów zapewnienia jakości.

Maszyna jest przeznaczona do quasi-statycznych testów z ciągłymi, statycznymi, pulsującymi lub przemiennymi stopniami obciążenia poprzez napęd elektromechaniczny.

Zaletami maszyny są m.in częstotliwość rejestracji danych elektroniki pomiarowej i sterującej testControll wynosząca 320kHz; technologia inteligentnych czujników automatycznie rozpoznaje wszelkie sensory i importuje ich ustawienia oraz maszyna może być obsługiwana z poziomu ogólnie dostępnych komputerów PC lub notebooków. [4]

Rys.2. Maszyna Zwick/Roell Z020

1. Przebieg ćwiczenia

4.1 Pierwsza część laboratorium: symulacja walcowania

Symulację procesu walcowania przeprowadzono w laboratorium Politechniki Śląskiej w Gliwicach na urządzeniu Gleeble 3800. Jest to uniwersalny symulator obróbki cieplno-plastycznej, służący do symulacji procesów spawalniczych, symulacji wielostopniowej obróbki cieplnej, badania wytrzymałości i kruchości na gorąco, zmęczenia cieplno – mechanicznego, topnienia i kontrolowanego krzepnięcia oraz spiekania. Symulator obróbki cieplno-plastycznej Gleeble służy do dynamicznej symulacji wielostopniowego kucia i walcowania oraz wszelkiego rodzaju związanej z tymi procesami obróbki cieplno-plastycznej.

Prasowaniu na gorąco poddano próbkę ze stali austenitycznej wysokomanganowej. Do niej przyspawano termopary, nałożono pastę niklową i usytuowano na podkładkach tantalowych. Nagrzewanie pieca z szybkością 5⁰C/s. Nastąpiło odkształcenie i zaszedł proces rekrystalizacji dynamicznej. Podczas, gdy próbka była w piecu przez 1,5h, ziarno wzrosło z 2-5µm do 30-40 µm.

Nastąpiło sześć odkształceń:

• gniot 0,4 w 1100⁰C,

• gniot 0,3 w 1100⁰C,

• gniot 0,25 w 1100⁰C,

• gniot 0,23 w 1150⁰C,

• gniot 0,23 w 950⁰C,

• gniot 0,23 w 850⁰C.

TU POWINNY BYĆ WYKRESY, BŁAGAM CHŁOPAKI WRZUCCIE JE I OPISZCIE ;**

4.2 Druga część laboratorium: próba wytrzymałości

W drugiej części laboratorium próbki po symulacji walcowania poddaliśmy badaniu na wytrzymałość. Użyto do tego wcześniej już wspomnianej maszyny Zwick/Roell Z020.

Przedtem elementy zostały pocięte, aby od razu przeprowadzić badanie. Badaniu zostały poddane dwa rodzaje próbek: po obróbce cieplno plastycznej i cieplnej.

Obróbka cieplna została przeprowadzona w piecu nagrzanym do temperatury 1000⁰C, elementy wygrzewano przez 38 minut, a potem chłodzono w wodzie z szybkością 600⁰C/s.

Następnie cztery próbki zostały zamontowane w uchwytach maszyny i poddane próbie wytrzymałościowej przy obciążeniu 20N.

1. Wyniki badań

Po przeprowadzonym badaniu uzyskaliśmy następujące rezultaty:

• Pierwsza próbka po obróbce cieplno plastycznej uległa wydłużeniu całkowitemu 7mm w trakcie zerwania, tj. 70%. Podczas pomiaru doszło do błędu, ponieważ nie zmierzyliśmy przekroju początkowego próbki,

• Druga próbka po obróbce cieplno-plastycznej, wymiary: 2,26x3,83mm: jej przekrój się nie zmniejszył, jej granica plastyczności okazała się niższa od pierwszej próbki,

• Trzecia próbka po obróbce cieplnej, wymiary 3,86x1,94mm, nastąpiło niewielkie wydłużenie tj. 9mm, element ma niższą granicę plastyczności, wynosi ona 380-400MPa,

• Czwarta próbka po obróbce cieplnej, wymiary 2,1x3,76mm, nastąpiło wydłużenie. CHŁOPAKI DOPISZCIE JESZCZE TUTAJ COS Z TYCH WYKRESOW, SZCZEGÓLNIE: GRANICA PLASTYCZNOSCI, Rp0,2, RZECZYWISTE NAPREZENIE, WYTRZYMALOSC NA ROZCIAGANIE, WYDLUZENIE

1. Wnioski

Otrzymane wyniki związane są z próbką, nie była ona wykonana zgodnie z normą. Zauważono spadek granicy plastyczności, a wydłużenie nastąpiło w granicach 70-80%.

1. Literatura

[1] Marciniak Jan, Ćwiczenia laboratoryjne z materiałoznawstwa, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej

[2] http://dydaktyka.polsl.pl/kwmimkm/WM_lab_rozc.pdf

[3] http://home.agh.edu.pl/~jakubjac/cwlabwm.htm

[4] http://www.zwick.pl/pl/produkty/statyczne-maszyny-wytrzymalosciowe/maszyny-wytrzymalosciowe-do-5-kn/maszyna-wytrzymalosciowa-zwicki-line.html