„Próba statyczna rozciągania i ściskania metali”.

Temperatura - °C

Wilgotność powietrza - %

1.Cześć teoretyczna(najważniejsze informacje dotyczące badanego zagadnienia)

A)Działanie i obsługa zrywarki - dobór próbek:

Do prób wytrzymałościowych na rozciąganie stosuje się obecnie przeważnie uniwersalne maszyny, na których prócz rozciągania można przeprowadzić badania ściskania, zginania, a nieraz nawet ścinania, pomiary i twardości oraz pewne próby technologiczne.

Maszyny wytrzymałościowe można podzielić na maszyny z napędem mechanicznym i hydraulicznym.

Każda maszyna do zrywania składa się z trzech głównych części:

• Ramy z uchwytami próbek

• Mechanizmu napędowego

• Przyrządów pomiarowych i rejestrujących wskazania

Rama składa się z dwu części : ruchomej i stałej. Przy napędzie mechanicznym ruchoma rama napędzana jest za pośrednictwem śruby, której ruch obrotowy jest przekształcany za pośrednictwem nakrętki na ruch postępowy ramy. Śruba poprzez przekładnię mechaniczną, jest napędzana bądź ręcznie, bądź za pomocą silnika. Współcześnie mamy jednak najwięcej do czynienia z maszynami hydraulicznymi. Ruch ramy odbywa się tu pod wpływem ciśnienia oleju, na połączony z ramą tłok. Olej jest tłoczony poprzez pompę, napędzaną najczęściej silnikiem elektrycznym. Część nieruchoma maszyny jest umocowana na fundamencie. Wartość siły rozciągającej wyraża się wzorem :

gdzie :

p - ciśnienie oleju, at,

S_t - powierzchnia tłoka, cm²

Pomiaru siły dokonuje się za pomocą specjalnie wyskalowanego manometru lub ,częściej, z użyciem dynamometru wahadłowego. Rys.1(a) przedstawia schemat maszyny wytrzymałościowej o napędzie hydraulicznym, z siłomierzem wahadłowym. Próbkę 1 mocuje się w uchwytach 2. Śrubą 5 ustala się położenie głowicy uchwytowej dolnej. Przez otwarcie odpowiedniego zaworu tłoczy się olej pod tłok 6, który za pośrednictwem górnej poprzeczki i cięgien 7 oddziałuje na górną głowicę uchwytową. Ściskanie odbywa się między płytami 3, zginanie zaś przez oparcie próbki na podporach 4 z użyciem odpowiedniego trzpienia. Przestrzeń cylindra roboczego jest połączona przewodem z przestrzenią cylindra pomiarowego 8. Tłok pomiarowy 9 poprzez dźwignię z wahadłem oddziałuje na zębatkę 10 , która przesuwając się powoduje obrót wskazówki 11, wyznaczającej na skali wartość działającego obciążenia.

Maszyny wytrzymałościowe wyposażone są najczęściej w urządzenie rejestrujące. Proporcjonalnie do wydłużenia próbki obraca się bębenek z nałożoną nań kartką papieru. Połączony z wskazówką 11 pisak 12 (rys.1 b) kreśli na kartce wykres, którego rzędne w każdym punkcie są proporcjonalne do wartości siły działającej na próbkę. W ten sposób uzyskujemy wykres rozciągania próbki aż do jej zerwania, który daje zależność wydłużenia od obciążenia. Próbki mocowane są w uchwytach zbudowanych w różny sposób. Może to być zaciskający się zespół klinów szczękowych lub pierścieni dzielonych układanych w pierścieniu nie dzielonym. Może to być wreszcie uchwyt gwintowy lub inny. Naturalnie części uchwytowe próbek muszą mieć kształty odpowiednie do uchwytów zrywarki.

Nowoczesne maszyny umożliwiają zmianę zakresów obciążeń, np. maszyna 10T może być nastawiona zarówno na maksymalne obciążenie, jak również na 100, 200, 500, 1000, 5000 kG.

Odpowiedni zakres dobiera się, obliczając wstępnie maksymalną siłę rozrywającą F_m wg wzoru :

gdzie : S_o - przekrój próbki materiału badanego

R_m - orientacyjna wartość wytrzymałości na rozciąganie materiału.

Wartość F_m powinna mieścić się między 60, a 100% zakresu pomiarowego dynamometru.

Dla zapewnienia odpowiedniej dokładności pomiarów maszyna wytrzymałościowa musi być ustawiona w pomieszczeniu ogrzewanym, o temperaturze około 20ºC. W pomieszczeniu w którym maszyna jest ustawiona, należy zachować daleko idącą czystość. Elementy lakierowane powinny być czyszczone z kurzu, części współpracujące z sobą należy smarować.

Po zainstalowaniu maszyny należy ją zgłosić do legalizacji w Okręgowym Urzędzie Miar. Przed zgłoszeniem należy sprawdzić działanie uchwytów do próbek rozciąganych. Płyty do prób ściskania i zginania powinny zapewnić osiowość obciążenia. Błąd płaskości ich powierzchni nie może przekraczać 50μm/50mm. Urządzenie do prób zginania powinno mieć wymiary podpór i trzpieni zgodnie z PN - 57/H - 04408. Mechanizm obciążający próbkę powinien zapewnić możliwość regulacji prędkości wzrostu obciążenia i odkształcenia. Wskazówka siłomierza powinna wskazywać zmiany obciążeń bez opóźnień i przyspieszeń. Średni błąd wskazań siłomierza może wynosić max +- 1%.

Szczegółowego sprawdzenia maszyn wytrzymałościowych należy dokonywać w oparciu o PN - 64/H - 04313.

B)Badanie wytrzymałości na rozciąganie:

Wytrzymałością na rozciąganie nazywamy naprężenie odpowiadające największej sile rozciągającej F_m, uzyskanej w czasie przeprowadzania próby rozciągania, odniesionej do pierwotnego przekroju poprzecznego S_o próbki. Za pomocą urządzenia piszącego zrywarki uzyskujemy wykres przebiegu próby. Wykres ten umożliwia wyznaczenie charakterystycznych punktów występujących w próbie rozciągania. Rysunek 2 przedstawia właśnie taki wykres sporządzony dla stali miękkiej. Do punktu H wydłużenia próbki są wprost proporcjonalne do obciążeń (zgodnie z prawem Hooke'a). Do punktu S materiał zachowuje swą sprężystość. Od punktu S do E_g wydłużenie wzrasta szybciej niż obciążenie. Po osiągnięciu punktu E_d występuje wyraźny wzrost wydłużenia próbki przy równoczesnym spadku obciążenia (materiał „płynie”). Dalszemu wydłużaniu próbki, aż do punktu M towarzyszy pewien wzrost obciążenia. Siła F_m odpowiadająca temu punktowi jest największym obciążeniem uzyskiwanym w czasie próby. Po przekroczeniu punktu M zmienia

się charakter wydłużenia. Poprzednio wydłużała się cała próbka. Teraz próbka przewęża się tylko w jednym miejscu, tworzy się „szyjka”(rys.3a). Odkształcenie zachodzi przy coraz mniejszym obciążeniu, aż wreszcie następuje zerwanie próbki w miejscu przewężenia (rys.3b).

Stosunek siły F_H do początkowego przekroju S_o próbki nazywamy granicą proporcjonalności :

Po przekroczeniu tego naprężenia materiał nie podlega już prawu Hooke'a.

Stosunek siły F_ed (lub F_eg) do S_o nazywamy wyraźną granicą plastyczności (dolną i górną).

Stosunek siły F_m do S_o jest wytrzymałością na rozciąganie materiału badanego :

Stosunek siły F_u do S_o jest naprężeniem rozrywającym :

W celu zapewnienia jednoznaczności określenia granicy plastyczności wprowadzono pojęcie umownej granicy plastyczności R₀₂. Jest to naprężenie wywołujące w próbce wydłużenie trwałe umowne równe 0,2% długości pomiarowej próbki :

Po zerwaniu próbkę należy złożyć i zmierzyć. Stosunek przyrostu długości pomiarowej próbki do jej długości początkowej, wyrażony w %, nazywa się wydłużeniem względnym A.

gdzie : L_o - długość początkowa próbki.

L_u - długość pomiarowa próbki po zerwaniu.

Ze względu na kłopotliwy pomiar próbki po zerwaniu wprowadzono pojęcie wydłużania równomiernego A_r

gdzie : d_o - średnica początkowa próbki

d_r - średnica próbki po zerwaniu, mierzona w połowie odległości między miejscem zerwania i końcem dłuższej części próbki.

Wprowadzono również pojęcie przewężenia, które określono symbolem Z. Przewężenie jest to zmniejszenie powierzchni przekroju poprzecznego próbki w miejscu rozerwania, odniesione do przekroju początkowego :

Dla próbki okrągłej przewężenie Z jest określone wzorem :

czyli :

gdzie : d_u - średnica przekroju poprzecznego próbki po zerwaniu.

II) Cześć praktyczna:

1)Treść zadania :

• Pomierzenie próbki suwmiarką i podanie wielkości charakterystycznych tej próbki (średnica, długość i przekrój).

• Zaznaczenie na próbce odcinków długości co 5mm w miejscu rozciągania.

• Zamocowanie próbki w maszynie wytrzymałościowej FM 1000.

• Odczytanie ze skali wartości sił działających na tą próbkę.

• Pomierzenie wszystkich wielkości po zerwaniu próbki.

• Obliczenie wszystkich potrzebnych do badania pomiarów i zestawienia ich w tabeli.

2)Sprawdzane przedmioty i wymiary (szkic mierzonego przedmiotu i wymiary symbolowe, schemat urządzenia itp.).

Rys. a)

Rys. b)

Rys.c)

Rys. a)schemat próbki przed zerwaniem.

Rys. b)schemat próbki po zerwaniu

.

Rys. c)wykres rozciągania próbki.

3)Sprzęt mierniczy:

• Maszyna wytrzymałościowa - zrywarka

• Siłomierz kontrolny

• Próbki wykonane wg PN - 62/H - 04310

• Skalarka

• Cylindry stożkowe 2 sztuki

• Próbka cylindryczna(z otworem) ze stali stopowej

• Mikrometr

• Papier milimetrowy

• Suwak logarytmiczny

• Norma PN - 57/H - 0420

Dane techniczne zrywarki : typ Zd - 10 produkcji NRD, zakład WMP Lipsk. Zakresy pomiarowe 1 - 10 T. Pomiar siły siłomierzem zaopatrzonym w urządzenie rejestrujące. Błąd graniczny +-1%. Maszyna jest wyposażona w kompletne urządzenia do prób ściskania i zginania oraz do niektórych prób technologicznych.

4)Wyniki pomiarów (tabela zestawieniowa wyników):

Lp.

Próbka

Własności wytrzymałościowe

Własności plastyczne

1)

o z n a c z e n i a

do

So

Lo

Fe

Re

Fm

Rm

Fu

Ru

Lu

Ap

du

Su

Z

Mm

mm^2

mm

N

MPa

N

MPa

mm

%

mm

%

mm

mm^2

%

3,5

9,6

31

480kg= 4707,2N

50

560kg= 5491,8N

58,3

630

65,6

39

25,8

2,4

4,52

52,92

OBJAŚNIENIA SYMBOLI :

• Próbka :

d_o - średnica pierwotna próbki w miejscu przewężenia.

S_o - przekrój pierwotny próbki w miejscu przewężenia.

L_o - długość początkowa próbki.

• Własności wytrzymałościowe :

F_e - siła obciążająca na granicy plastyczności.

R_e - wyraźna granica plastyczności.

F_m - największa siła rozciągająca.

R_m - wytrzymałość na rozciąganie.

F_u - siła rozciągająca w chwili zerwania.

R_u - naprężenie rozrywające.

• Własności plastyczne :

L_u - długość próbki po zerwaniu.

A_p - wydłużenie względne.

d_u - średnica przekroju poprzecznego po zerwaniu.

S_u - zmniejszona powierzchnia przekroju początkowego próbki.

Z - przewężenie względne

5)Obliczenia:

1MPa = 1N/mm² = 0,102 kg/mm²

1N = 0,101971 kg

S₀ = π(
)²=π*(
)²=3,14*(
)=3,14*3,0625=9,6mm²

=(39-31)/31*100%=0,258*100%=25,8%

=(9,6-4,52)/9,6*100%=0,5292*100%=52,92%

F_e = 480kg=480:0,101971=4707,2N

=480kg/9,6mm²=50 MPa

F_m = 560kg=560:0,101971=5491,8N

=560kg/9,6mm²=58,3MPa

= 630kg/9,6mm²=65,6MPa

6)Uwagi i wnioski końcowe:

Celem ćwiczenia było określenie - na podstawie próby rozciągania - następujących wielkości wytrzymałościowych i plastycznych materiału. Ze wzoru na przewężenie względne wynika, że badana próbka miała bardzo duże odkształcenie. Próba rozciągania metali jest odwzorowaniem wielkości wytrzymałościowych i plastycznych materiału.

Próbka nie zerwała się na środku, tylko (jak to obrazuje powyższy

rysunek [c]) w ¹₃ długości , co świadczy, że była ona w tym miejscu najcieńsza lub posiadała jakąś wadę techniczną. W porównaniu z pierwotnym wymiarem, wydłużyła się ona o 8mm, a następnie uległa zerwaniu. Aby próbka się rozerwała potrzebna była siła około 6178,2 N. Naprężenie rozrywające wyniosło 58,3%, natomiast wytrzymałość na rozciąganie to 62,625 Mpa.

1

---