Laboratorium Wytrzymałości Materiałów |
||||
WYDZIAŁ |
: |
Górnictwa i Geoinżynierii |
SKŁAD ZESPOŁU:
|
|
ROK |
: |
II |
|
|
GRUPA |
ROK |
2 |
|
|
ZESPÓŁ |
: |
1 |
|
|
TEMAT: Próba statyczna rozciągania metali |
||||
Data wykonania: 28.II.2003 |
Data zaliczenia: |
Ocena: |
Wprowadzenie
Podczas rozciągania badaną próbkę poddaje się działaniu jednoosiowego obciążenia, mierząc jednocześnie siłę rozciągającą i wydłużenie próbki. Wykres zarejestrowany automatycznie przez rejestrator podczas próby odwzorowuje przebieg rozciągania w układzie siła-wydłużenie. Wykres rozciągania w układzie naprężenie-wydłużenie względne ma nieco inny kształt. Pierwszy nazywamy wykresem umownym lub technicznym, drugi - rzeczywistym wykresem rozciągania. Na wykresach rozciągania metali, przedstawionych na rysunku poniżej wyróżnić można kilka charakterystycznych punktów:
Wykresy rozciągania dla materiałów b) wykazujących górna i dolną granicę plastyczności c) bez wyraźnej granicy plastyczności.
Granica proporcjonalności. Jest to naprężenie, do którego występuje proporcjonalność naprężenia do wydłużenia jednostkowego. Wyznacza sieją wg wzoru
(Ph) jest siłą odpowiadającą końcowi prostoliniowego odcinka wykresu rozciągania, a (SQ) przekrojem początkowym. Granica proporcjonalności jest granicą stosowalności prawa Hooke'a.
Granica sprężystości. Granicy tej towarzyszy pojawienie się odkształceń trwałych. Niezwykle trudno jest zarejestrować dokładnie wartość naprężenia, przy którym pojawiaj ą się pierwsze odkształcenia trwałe. Dlatego przyjęto, że materiał ma wartości sprężyste do umownej granicy sprężystości. Umowną granicę sprężystości (R0,05) zdefiniowano jako wartość naprężenia rozciągającego, które wywołuje wydłużenie trwałe = 0,05% pierwotnej długości pomiarowej próbki
Po obciążeniu próbki siłą(P0,05) i po jej odciążeniu powinno pozostać wydłużenie 0,05% pierwotnej długości pomiarowej próbki.
Wydłużenie całkowite jest sumą wydłużenia liniowego i nieliniowego. Przyjmując, że wydłużenie liniowe jest nietrwałe a wydłużenie nieliniowe jest trwałe, (P0,05) można wyznaczyć z wykresu rozciągania, jako siłę wywołującą wy dłużenie nieliniowe = 0,05% pierwotnej długości pomiarowej próbki .
Wyraźna granica plastyczności. Występuje na wykresach rozciągania materiałów elastoplastycznych, jak np. stal niskowęglowa. Jest to naprężenie rozciągające, po osiągnięciu którego obserwuje się wyraźny wzrost długości rozciąganej próbki bez wzrostu obciążenia
Jeżeli w okolicach granicy plastyczności następuje wyraźna oscylacja naprężenia, to wyróżnia się górną i dolną granicę plastyczności. Naprężenia rozciągające, odpowiadające pierwszemu szczytowi obciążenia siłą rozciągającą (PeH), po którym następuje jej spadek, nazywane jest górną granicą plastyczności
Naprężenie rozciągające odpowiadające najmniejszej wartości siły (PeL), po której następuje ciągły wzrost siły, nazywa się dolną granicą plastyczności
Umowna granica plastyczności. Określa się ją tylko dla materiałów nie mających wyraźnej granicy plastyczności, jak np. stal wysokowęglowa i żeliwo. Umowna granica plastyczności służy jako kryterium porównawcze do oceny materiałów. Określa się ją jako wartość naprężenia rozciągającego, które wywołuje w próbce wydłużenie trwałe = 0,2% pierwotnej długości pomiarowej próbki
Wytrzymałość na rozciąganie. Jest to naprężenie rozciągające, przy którym siła obciążająca uzyskuje maksymalną wartość (Pm)
Odkształcenie na długości próbki przestaje być jednorodne, tworzy się miejscowe przewężenie, tzw. szyjka. W tych częściach próbki, które zachowały kształt cylindryczny nadal panuje jednoosiowy stan naprężeń. W samej zaś szyjce stan naprężeń jest trójosiowy.
Naprężenia rozrywające. Jest to naprężenie występujące w przekroju poprzecznym próbki w miejscu przewężenia, w chwili jej rozerwania
Jest to naprężenie rzeczywiste, odniesione do aktualnego przekroju próbki (Su).
Poprzednie granice obliczono dzieląc wartość siły obciążającej przez pole przekroju początkowego próbki. Przekrój próbki podczas rozciągania stale się zmniejsza. W zakresie odkształceń sprężystych zmniejszenie próbki jest pomijalnie małe, lecz dalej staje się znaczące. Skutkiem tego, naprężenie rzeczywiste odniesione do przekroju aktualnego (P/Su) jest wyraźnie większe od naprężenia obliczanego jako iloraz siły obciążającej do przekroju początkowego (P/S0).
Trzeba pamiętać, że mimo iż granice odnoszone do przekroju początkowego definiowano jako naprężenia, są to jedynie naprężenia obliczeniowe lub stałe materiałowe w jednostkach naprężenia.
Określenie własności plastycznych
Do oceny własności plastycznych materiału, rozumianych jako zdolność do trwałych odkształceń, służy wydłużenie względne (A10) oraz przewężenie względne (Z). Indeks „10" przy A oznacza, że wydłużenie względne zbadano na próbkach proporcjonalnych dziesięciokrotnych, czyli takich, dla których długość pomiarowa jest dziesięć razy większa od średnicy:
gdzie:
I0 - początkowa długość pomiarowa,
lu - długość pomiarowa po zerwaniu,
dQ - średnica początkowa próbki,
du - średnica próbki po próbie w miejscu zerwania.
Opis ćwiczenia
Tok przeprowadzania ćwiczenia
a) W środkowej części próbki zaznaczyliśmy dwiema ryskami odcinek pomiarowy
długości około 100 mm. Zmierzyliśmy długość zaznaczonego odcinka pomiarowego (I0) i średnicę początkową próbki (dQ).
eśliliśmy bezpieczną wartość siły, do której można pozostawić tensometr na próbce, równą (Pe) lub (0,7 Pm). Rozciągaliśmy próbkę na ręcznym napędzie do bezpiecznej wartości siły, zdejmując w tym czasie około 28 pomiarów wydłużenia i siły. Rozpoczęliśmy notowanie pomiarów, gdy siłomierz będzie wskazywał 0.
Zdjęliśmy tensometr z próbki. Obciążając dalej próbkę przy pomocy napędu mechaniczne
go ruchem roboczym aż do zerwania
Odczytaliśmy siły (Pe) i (Pm).
Zmierzyliśmy długość pomiarową próbki po rozerwaniu (lu). W tym celu złożyliśmy jej obie części
tak, aby przylegały do siebie i zmierzyliśmy odległość pomiędzy ryskami.
Zmierzyliśmy średnicę próbki w miejscu zerwania (du).
Zestawienie pomiarów
d0 = 9,8 [mm]
I0 = 100 [mm]
du = 5,4 [mm]
Iu = 12,5 [mm]
Pm = 37000 [N]
Pu = 26000 [N]
Wyniki próby rozciągania
Lp. |
Siła P [N] |
Wskazania czujników |
Przyrost |
Wydłużenie |
||
|
|
[mm-2] |
[mm-2] |
၄l |
||
|
|
l1 lewy |
l2 prawy |
၄lေ |
၄lဲ |
[mm-2] |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
2 |
1000 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
3 |
2000 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0,5 |
4 |
3000 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0,5 |
5 |
4000 |
2 |
1 |
2 |
1 |
1,5 |
6 |
5000 |
2 |
1 |
2 |
1 |
1,5 |
7 |
6000 |
3 |
1 |
3 |
1 |
2 |
8 |
7000 |
3 |
2 |
3 |
2 |
2,5 |
9 |
8000 |
4 |
2 |
4 |
2 |
3 |
10 |
9000 |
5 |
2 |
5 |
2 |
3,5 |
11 |
10000 |
5 |
3 |
5 |
3 |
4 |
12 |
11000 |
6 |
3 |
6 |
3 |
4,5 |
13 |
12000 |
6 |
3 |
6 |
3 |
4,5 |
14 |
13000 |
7 |
3 |
7 |
3 |
5 |
15 |
14000 |
7 |
3 |
7 |
3 |
5 |
16 |
15000 |
8 |
4 |
8 |
4 |
6 |
17 |
16000 |
8 |
4 |
8 |
4 |
6 |
18 |
17000 |
9 |
4 |
9 |
4 |
6,5 |
19 |
18000 |
10 |
4 |
10 |
4 |
7 |
20 |
19000 |
10 |
5 |
10 |
5 |
7,5 |
21 |
20000 |
11 |
5 |
11 |
5 |
8 |
22 |
21000 |
11 |
6 |
11 |
6 |
8,5 |
23 |
22000 |
12 |
6 |
12 |
6 |
9 |
24 |
23000 |
13 |
7 |
13 |
7 |
10 |
25 |
24000 |
13 |
8 |
13 |
8 |
10,5 |
26 |
25000 |
14 |
8 |
14 |
8 |
11 |
27 |
26000 |
14 |
9 |
14 |
9 |
11,5 |
28 |
27000 |
15 |
10 |
15 |
10 |
12,5 |
Δl = (Δl1+Δl2)/2 -średnia arytmetyczna przyrostów
A)Korzystając z otrzymanych wartości podczas ćwiczenia obliczmy:
Własności wytrzymałościowe
δm = Pm /S0=490.78 [MPa]
δu= Pu /Su=1135.86 [MPa]
Własności plastyczne
Z= 69.63%
A10=25%
Parametry sprężysto- odkształceniowe
E=2.4*105[MPa]
ν=0.35
B) korzystając z wartości odczytanych z otrzymanego wykresu rozciągania dla naszej stali:
δeH = PeH /S0=370.31 [MPa] PeH =27918.8 [N]
δeL= PeL /S0=334.62 [MPa] PeL =25222.7 [N]
Wnioski:
Z przeprowadzonej statycznej próby rozciągania oraz z opracowanych wyników możemy wywnioskować, że nasza próbka jest stalą niskowęglową. Zawartość węgla w materiale (stalach węglowych) decyduje o jego własnościach mechanicznych, czyli własnościach wytrzymałościowych i plastycznych . Węgiel w stali jest dodatkiem, który powoduje jej kruchość. Nasz wniosek możemy poprzeć wykresem który otrzymaliśmy podczas statycznej próby rozciągania. Widać na nim wyraźnie granicę dolną i górną plastyczności oraz tzw. płynięcie materiału. Takim wykresem charakteryzują się stale o dużych własnościach plastycznych. Następną rzeczą, na której, możemy oprzeć nasz wniosek są wartości charakterystycznych wielkości dla naszej próbki. Porównując te wartości z wartościami tablicowymi zauważamy, że są one zbliżone da wartości dla stali St5. Stal ta jest stalą konstrukcyjną zwykłego przeznaczenia o zawartości węgla 0,35%. Dzięki statycznej próbie rozciągania możemy określi bardzo ważne z widzenia konstrukcyjnego wielkości, których używa się przy projektowaniu oraz doborze odpowiedniej stali do obliczeń projektowych. Różnice w wielkościach tablicowych a eksperymentalnych mogą wynikać z niezachowania średnicy próbki która, wynosi 9.8mm a powinna wynosić 10mm, oraz z niedokładnego wyskalowania wykresu, a co za tym idzie odczytanie z niego dokładnych wartości jest niemożliwe. Przeprowadzona próba statycznego rozciągania dla potrzeb dydaktycznych jest wystarczająca, jednak dla uzyskania wartości które będą mgły być użyte w obliczeniach konstrukcyjnych, badania takie powinny być przeprowadzone za pomocą dostępnych nam najnowocześniejszych technik badań.