INŻYNIERIA MATERIAŁOWA

LABORATORIUM

INSTRUKCJA

ĆWICZENIE NR. 10

TEMAT: Próba statyczna rozciągania materiałów

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z badaniem właściwości wytrzymałościowych materiałów za pomocą próby statycznego rozciągania.

Wstęp teoretyczny

Próba statycznego rozciągania jest jedną z najczęściej stosowanych prób. Służy ona do określenia parametrów materiałów konstrukcyjnych pod względem kryterium naprężeniowego w warunkach obciążeń statycznych. W trakcie jej trwania możliwa jest obserwacja zachowania się badanego materiału w pełnym zakresie odkształceń aż do zerwania. Na podstawie jej wyniku można określać zarówno cechy wytrzymałościowe, jak i plastyczne materiału. Próba ta polega na osiowym rozciąganiu próbek o ściśle określonych kształtach (zależnych od rodzaju badanego materiału) w uchwytach specjalnych maszyn, zwanych maszynami wytrzymałościowymi lub zrywarkami. Na rysunku 1 przedstawiono widok próbek o przekroju kołowym i prostokątnym.

Rys. 1. Widok próbek o przekroju: a) kołowym, b) prostokątnym

W miejscach mocowania próbek do uchwytów maszyny wytrzymałościowej próbki te posiadają zwiększone pole przekroju ze względu na występujący tam złożony stan naprężeń (naprężenia pochodzące od zaciśniętych szczęk uchwytu oraz osiowe naprężenia rozciągające). W przypadku rozciągania próbki o stałej średnicy, miejsce jej zerwania znajdowało by się pomiędzy szczękami jednego z uchwytów mocujących, co w praktyce badawczej jest niedopuszczalne.

Na rysunku 2 przedstawiono zależność odkształcenia od naprężenia materiału metalicznego dla rozciągania.

Rys. 2. Zależność odkształcenia od naprężenia materiału metalicznego dla rozciągania, gdzie: 1 - krzywa umowna, 2 - krzywa rzeczywista.

Spadek naprężenia i towarzyszący mu wzrost odkształcenia po przekroczeniu wytrzymałości na rozciąganie R_m jest pozorny. Wynika on z odniesienia obciążenia do stałej wartości pola przekroju poprzecznego S₀. W rzeczywistości w materiałach ciągliwych pole przekroju poprzecznego po przekroczeniu wytrzymałości na rozciąganie R_m zmniejsza się. Pojawia się lokalne przewężenie (szyjka), i jednoczesne wydłużenie materiału. Uwzględnienie tego faktu podczas wyznaczania wykresu prowadzi do uzyskania tzw. - krzywej rzeczywistej. Ze względu na trudności związane z ciągłym pomiarem pola rzeczywistego przekroju próbki w trakcie badania, przyjmuje się najczęściej pole przekroju początkowego próbki S₀, w wyniku czego uzyskuje się - krzywą umowną.

Ponieważ zarówno siła rozciągająca, jak i wydłużenie badanego materiału są zależne od przekroju poprzecznego i długości początkowej próbki, dokonuje się zmiany układu współrzędnych na naprężenie σ (oś rzędnych) i odkształcenie względne ε (oś odciętych). Przy takiej transformacji charakter wykresy pozostaje bez zmian; zmieniają się jedynie skale. naprężenie σ to stosunek siły F do przekroju próbki. W przypadku krzywej umownej przyjmuje się wartość pola przekroju początkowego S₀ (natomiast w przypadku krzywej rzeczywistej przyjmuje się rzeczywiste pole przekroju próbki w miejscu przewężenia S.

Granica proporcjonalności R_H jest to największa wartość naprężenia σ dla jakiego wartość odkształcenia  jest liniowo proporcjonalna do naprężenia. Obowiązuje jeszcze wtedy prawo Hooke'a, które wyraża się następującym wzorem:

, (1)

gdzie: E - moduł sprężystości podłużnej (moduł Younga).

Po przekroczeniu granicy proporcjonalności powyższa zależność staje się nieliniowa i osiąga wartość granicy sprężystości R_sp, po przekroczeniu której obok odkształcenia sprężystego pojawia się odkształcenie plastyczne.

Granica plastyczności R_e jest to naprężenie, po osiągnięciu którego odkształcenie zwiększa się szybciej od naprężenia. W przypadkach niektórych materiałów następuje wyraźny wzrost wydłużenia rozciąganej próbki bez wzrostu lub nawet przy spadku obciążenia. Określa się ją za pomocą wzoru:

, (2)

gdzie: F_e - siła jaka odpowiada granicy plastyczności.

Wydłużenie względne A jest to przyrost długości pomiarowej próbki po jej rozerwaniu odniesiony do pierwotnej długości próbki wyrażony w procentach:

, (3)

gdzie: l_u - długość pomiarowa po zerwaniu,

l₀ - długość pomiarowa próbki przed rozpoczęciem badania

Długość pomiarowa próbki jest równa długości odcinka pomiarowego zaznaczonego na próbce (rys.3).

Rys. 3. Sposób oznaczania odcinka pomiarowego

Wytrzymałość na rozciąganie R_m jest to naprężenie odpowiadające maksymalnej sile, jaka wystąpiła w czasie próby rozciągania, odniesionej do przekroju początkowego próbki. Określa się ją za pomocą wzoru:

, (4)

gdzie: F_max - największa siła uzyskana w czasie próby,

S₀ - pole powierzchni przekroju pierwotnego próbki.

Naprężenie rozrywające R_u jest to naprężenie występujące w przekroju poprzecznym próbki bezpośrednio przed zerwaniem. Dla krzywej umownej wyznacza się je na podstawie wzoru:

, (5)

gdzie: F_u - siła jaka działała na próbkę w chwili rozerwania.

Dla krzywej rzeczywistej naprężenie rozrywające R_u wyznacza się je na podstawie wzoru:

(6)

Istnieje zasadniczy problem z doświadczalnym wyznaczeniem dokładnej wartości granicy sprężystości. Także w przypadku materiałów nie posiadających wyraźnej granicy plastyczności istnieje ten sam problem z jej dokładnym wyznaczeniem. Nie można bowiem wyznaczyć naprężenia odpowiadającego granicznemu stanowi obecności bądź braku odkształcenia chwilowego lub trwałego. Dlatego też w takich przypadkach wprowadza się umowną granicę sprężystości R_0,02 (naprężenie powodujące trwałe odkształcenie wynoszące 0,02% długości początkowej) oraz umowną granicę plastyczności R_0,2 (naprężenie powodujące trwałe odkształcenie wynoszące 0,2% długości początkowej).

Przebieg ćwiczenia

W ramach ćwiczenia zostanie przeprowadzona statycznego rozciągania dla wybranych materiałów. Do badań zostaną wykorzystane próbki o przekroju prostokątnym. W wyniku przeprowadzonej próby zostaną wyznaczone następujące wielkości mechaniczne:

• granicy sprężystości R_sp,

• granicy plastyczności R_e,

• wytrzymałości na rozciąganie R_m,

• naprężenia rozrywającego R_u1,

• wydłużenia względnego A.

Badania zostaną przeprowadzone na zrywarce uniwersalnej Instron typ 4469, której parametry zestawiono w tabeli 1.

Siła zrywania	max. 50 kN
Zakres prędkości	0.001 - 500 mm/min
Maksymalne pionowe przemieszczenie głowicy pomiarowej	1135 mm
Szerokość przestrzeni pomiarowej	420 mm

1. Przed rozpoczęciem badań należy dokonać pomiaru szerokości i grubości części pomiarowej każdej badanej próbki w celu obliczenia pola przekroju S₀. Pomiary należy wykonać za pomocą suwmiarki o dokładności co najmniej 0,1 mm.

2. Na badanej próbce należy nanieść odcinek pomiarowy zgodnie z rys. 2. wraz z ocechowaniem próbki, poprzez naniesienie na długości pomiarowej poprzecznych kresek co 5mm.

3. Przygotowaną próbkę zamocować w uchwytach zrywarki.

4. Prędkość rozciągania powinna wynosić 10 mm/min.

5. Uruchomić maszynę i obserwować przebieg badania. (wykres zależności naprężenia w funkcji odkształcenia materiału oraz wartości R_e, R_m, R_u, A zapisywane są automatycznie przez program komputerowy).

6. W wyniku próby rozciągania otrzymany zostaje wykres w układzie F - wydłużenie ΔL. Przebieg tej zależności uwarunkowany jest rodzajem badanego materiału, jego stanem, geometrią próbki, szybkością rozciągania oraz temperaturą badania.

7. Złożyć obie części próbki w miejscu złomu tak, aby tworząca próbki była linią prostą i dokonać pomiaru długości odcinka pomiarowego l_u.

Sprawozdanie z ćwiczenia

Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać:

- cel ćwiczenia,

- krótki wstęp teoretyczny (maksymalnie pół strony),

- opis stanowiska badawczego,

- opis przebiegu realizacji eksperymentu w tym dokładny opis zaobserwowanego sposobu zniszczenia poszczególnych próbek,

- Zestawienie wyników badań w tabeli,

- wnioski.

Literatura

1. Prowans Stanisław, Struktura Stopów. PWN, Warszawa 2000.

2. Rudnik Stanisław: Metaloznawstwo", PWN Warszawa, 1986.

3. Dyląg Z., Jakubowicz A., Orłoś Z.: Wytrzymałość materiałów. Tom I, Wydawnictwa Naukowo - Techniczne, Warszawa 1999.

4. Dobrzański L.A.: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo. WNT, Warszawa 2002.

5. Janas R., Materiałoznawstwo z ćwiczeniami laboratoryjnymi, PWN, Warszawa 1987.

POLITECHNIKA ŚLĄSKA

WYDZIAŁ TRANSPORTU

Katedra Eksploatacji Pojazdów Samochodowych

---