Ćwiczenie nr 5
Statyczna próba rozciągania metali.
I. CEL I ZAKRES ĆWICZENIA
Wyznaczenie następujących wielkości mechanicznych metalu:
- wyraźnej granicy plastyczności Re ,
- wytrzymałości na rozciąganie Rm ,
- naprężenia rozrywającego Ru ,
- wydłużenia względnego Ak ,
- wydłużenia równomiernego względnego Ar ,
Przewężenia względnego Z .
II WPROWADZENIE (PODSTAWY TEORETYCZNE, PODSTAWOWE POJĘCIA, METODY POMIARU)
- Podstawowe pojęcia
Wyraźna granica plastyczności () - naprężenie niezbędne do zapoczątkowania makroskopowego odkształcenia plastycznego we wszystkich ziarnach. Wyraźna granica plastyczności określona jest wzorem:
gdzie:
Fe – siła przy której występuje „płynięcie materiału” [kN],
S0 – pole powierzchni przekroju pierwotnej próbki [mm2].
Wytrzymałość na rozciąganie Rm - to naprężenie odpowiadające największej sile rozciągającej Fm uzyskanej w czasie próby rozciągania, odniesionej do pierwotnego przekroju poprzecznego tej próbki:
Fm – siła rozciągająca w czasie próby [kN],
S0 – pole powierzchni przekroju pierwotnej próbki [mm2],
Naprężenie rozrywające - czyli rzeczywista wartość naprężenia w miejscu przewężenia rozciąganej próbki bezpośrednio przed jej zerwaniem (jest to wartość siły powodującej zerwanie w odniesieniu do przekroju zerwanej próbki w jej najwęższym miejscu).
Wydłużenie względne – jest to stosunek trwałego wydłużenia próbki po zerwaniu do długości początkowej i obliczenia jest ze wzoru:
Lu – długość pomiarowa po zerwaniu [mm],
L0 – pierwotna długość pomiarowa próbki [mm],
Wydłużenie względne równomierne – proporcja spadku pola przekroju poprzecznego w miejscu przewężenia do początkowego pola przekroju próbki.
d0 – pierwotna średnica próbki w części pomiarowej [mm],
dr – średnica próbki po rozerwaniu, mierzona w połowie odległości między miejscem rozerwania i końcem długości pomiarowej na dłuższej części próbki [mm].
Przewężenie względne – jest to ubytek pola powierzchni przekroju poprzecznego próbki w miejscu zerwania w odniesieniu do pola powierzchni jej przekroju pierwotnego i oblicza się ze wzoru:
Su – pole przekroju poprzecznego próbki w miejscu rozerwania [mm2],
- Metody pomiaru
Ćwiczenie laboratoryjne będzie wykonywane w maszynie wytrzymałościowej.
III OPIS STANOWISKA BADAWCZEGO
Próba rozciągania próbek została wykonana na maszynie wytrzymałościowej (zrywarce). Jest to maszyna służąca do badania wytrzymałości materiałów na rozciąganie. Zrywarka pozwala na rejestrowanie zależności pomiędzy przyrostem długości rozciąganej próbki, a wytworzoną siłą. Zrywarki mogą służyć do badania statycznej wytrzymałości na zrywanie, a także do badania wytrzymałości dynamicznej, związanej z krótkotrwałymi udarami działającymi na rozciągany element. Testy dynamiczne na zrywarce są podstawową metodą badania i certyfikacji lin dynamicznych używanych we wspinaczce.
IV OPIS PRZEBIEGU REALIZACJI EKSPERYMENTU
Przebieg próby rozciągania został zarejestrowany w postaci wykresu w układzie:
siła (F) – wydłużenie (ΔL).
Uwaga 1: Wydłużenie ΔL jest wielkością narzucana przez układ regulacyjny z siłomierzem.
Z tego względu ΔL jest zmienną niezależną wykresów rozciągania; siła F
jest wielkością wynikowa i jest miara oporu, jaki stawia materiał.
Postać wykresu zależy od rodzaju badanego materiału. Dla stali węglowej konstrukcyjnej, o
małej zawartości węgla, otrzymuje sie typowy wykres, w którym można wyróżnić na ogół 5
etapów
Wykresy rozciągania: a) dla stali z wyraźną granicą plastyczności,
b) bez wyraźnej granicy plastyczności.
W początkowym etapie rozciągania siła rozciągająca rośnie proporcjonalnie do wydłużenia
(etap 1), aż do osiągnięcia tzw. granicy proporcjonalności , która jest granicą stosowalności prawa Hooke’a.
Nieznacznie powyżej znajduje sie granica sprężystości (na odcinku charakterystyka materiału jest nieliniowo – sprężysta).
Uwaga 2: obie wielkości należy traktować jako wielkości teoretyczne. Nie mogą być one wyznaczone w sposób ścisły. Definiowane wielkości będące odpowiednikiem powyższych, np. określa się tzw. Umowną granicę sprężystości, która wyznacza się przy pewnym odkształceniu nieproporcjonalnym, czyli trwałym.
Powyżej σH do ReH, czyli do górnej granicy plastyczności (etap 2) powstające wydłużenie
jest w przeważającej części sprężyste, jednak ze stopniowo rosnącym udziałem wydłużenia
nieproporcjonalnego (trwałego). Graficzna interpretacja tego zjawiska jest stopniowe odchylanie sie wykresu rozciągania od linii prostej, przedstawiającej prawo Hooke’a (σ = Eε).
Etap 3 to płyniecie materiału próbki. Zjawisko to przebiega nierównomiernie w objętości
próbki. Płyniecie, z punktu widzenia polikrystalicznej struktury materiału, w której występują fazy ferrytu i cementytu, polega na stopniowym niszczeniu siatki cementytu (fazy o większej
sztywności) i przejmowaniu obciążenia przez ziarna ferrytu. Proces ten sprowadza sie do powstawania poślizgów w płaszczyznach usytuowanych pod katem 45º do osi próbki. Efektem tego są widoczne na powierzchni próbki (polerowanej) grupy linii, stanowiących obraz płaszczyzn poślizgów. Poślizgi zachodzą przez pewien czas, po którym następuje zahamowanie zjawiska, wskutek umocnienia materiału. W etapie 4 (od końca płynięcia do siły Fm) w rezultacie umocnienia materiału, następuje ponowny wzrost obciążenia przy dalszym wydłużaniu próbki. W tym etapie następuje wyraźne odstępstwo od prawa Hooke’a. Występuje tu znaczna przewaga wydłużeń trwałych nad sprężystymi, a tym samym dużemu przyrostowi wydłużenia odpowiada mały przyrost obciążenia. Przy osiągnięciu maksymalnego obciążenia Fm rozpoczyna sie etap 5. Tworzy sie w nim przewężenie, czemu towarzyszy spadek obciążenia. Kształtuje tzw. szyjka, w której następuje zerwanie. W etapie 5 wydłużenia trwałe powstają w strefie tworzącej sie szyjki.
Uwaga 3: na podstawie charakterystycznych wartości sił: FeH, FeL i Fm wyznaczamy
wartości ReH, ReL i Rm, które są w istocie naprężeniami umownymi (inaczej teoretycznymi, ponieważ siły są odniesione do przekroju początkowego próbki). Rzeczywiste pole przekroju poprzecznego jest w każdym z tych momentów próby mniejsze niż S0. Niemniej, jako wielkości charakterystyczne dla materiału przyjmuje się wartości...
alvin888