SPRAWOZDANIE
Ćwiczenia laboratoryjne z Metaloznawstwa okrętowego.
Ćwiczenie numer
1
Temat ćwiczenia:
Statyczna próba rozciągania.
Wykonali:
Joanna Bentkowska
Paweł Umerski
Grupa:
1 A (mgr)
Data odrobienia:
7.XII.1999
Data oddania:
14.XII.1999
1. Wstęp
Statyczna próba rozciągania jest najpowszechniej stosowaną próbą wytrzymałościową przy doborze materiałów na konstrukcje. Jest to próba łatwa do wykonania, dość dokładna i wszechstronna. Próbę tę przeprowadza się zgodnie z normą PN-91/H-04310.
Próby statyczne cechuje mała prędkość wzrostu naprężenia. Wzrost prędkości rozciągania znacznie zwiększa granicę plastyczności metalu, w mniejszym zaś stopniu zwiększa wytrzymałość na rozciąganie.
Podczas statycznej próby rozciągania próbkę poddaje się rozciąganiu za pomocą wolno rosnącej siły F, czemu towarzyszy wzrost długości próbki.
Celem próby statycznego rozciągania jest wyznaczenie:
- umownej granicy sprężystości,
- wyraźnej lub umownej granicy plastyczności,
- wytrzymałości na rozciąganie,
- naprężenia rozrywającego,
- wydłużenia,
- przewężenia,
- modułu sprężystości wzdłużnej.
Na początku rozciągania następuje wzrost obciążenia przy małym wzroście wydłużenia i wykres ma charakter prostoliniowy. Odkształcenia próbki są wówczas sprężyste (odwracalne) i proporcjonalne do wielkości przyłożonego obciążenia. Można wyrazić je przy pomocy prawa Hooke`a
gdzie: - naprężenie [MPa]
e - wydłużenie względne [%]
E – współczynnik sprężystości wzdłużnej, zwany także modułem Younga
Współczynnik ten jest jedną z podstawowych stałych materiałowych charakteryzujących własności mechaniczne materiałów krystalicznych. wyznacza się go jako stosunek przyrostu naprężenia ∆R [MPa] do odpowiadającego mu wydłużenia jednostkowego z wzoru
Umowną granicę sprężystości R0,05 wyznacza się jako naprężenie rozciągające wywołujące w próbce umowne wydłużenie trwałe x = 0,05% z wzoru
[MPa]
gdzie: F0,05 – siła obciążająca wywołująca umowne wydłużenie trwałe x=0,05% długości pomiarowej próbki [N],
S0 – początkowa powierzchnia przekroju poprzecznego próbki na długości pomiarowej [mm2]
Wydłużenie trwałe jest to wydłużenie rozciąganej próbki, które pozostaje po zdjęciu obciążenia, przeciwnie temu wydłużenie sprężyste próbki po zdjęciu obciążenia zanika.
Przy dalszym wzroście siły dochodzimy do momentu gdy wydłużenie zwiększa się bez wzrostu obciążenia, a nawet niekiedy przy jego spadku. Takie naprężenie rozciągające stanowi wyraźną granice plastyczności Re, przy osiągnięciu którego następuje wyraźny wzrost wydłużenia rozciąganej próbki (przy zmniejszonym, bez wzrostu lub nawet przy krótkotrwałym spadku siły obciążającej). Wyznacza się ją ze wzoru
gdzie: Fe – siła obciążająca odpowiadająca wyraźnej granicy plastyczności [N]
Pewne materiały nie wykazują wyraźnej granicy plastyczności. Dla nich wyznacza się umowną granicę plastyczności R0,2 jako naprężenie rozciągające wywołujące w próbce umowne wydłużenie trwałe x = 0,2% z wzoru
gdzie: F0,2 – siła obciążająca wywołująca umowne wydłużenie trwałe x=0,2% długości pomiarowej próbki [N]
Przy dalszym wzroście siły obciążającej próbka znacznie się wydłuża plastycznie, równomiernie na całej długości pomiarowej. Naprężenie rozciągające odpowiadające największej sile obciążającej uzyskanej w czasie przeprowadzania próby stanowi wytrzymałość na rozciąganie Rm. wyznaczoną ze wzoru
gdzie: Fm. – największa siła obciążająca osiągnięta w czasie próby [N]
Dla metali mniej ciągliwych próbka rozrywa się zaraz po osiągnięciu Fm. Dla metali ciągliwych po przekroczeniu Fm. następuje szybki wzrost przewężenia miejscowego, czyli tworzenie się na próbce tzw. szyjki, przy czym jednocześnie występuje spadek obciążenia do wartości Fu. Naprężenie rzeczywiste występujące w przekroju poprzecznym próbki w miejscu przewężenia w chwili rozerwania nazywa się naprężeniem rozrywającym Ru wyznaczonym ze wzoru
gdzie: Fu – siła obciążająca w chwili rozerwani próbki [N]
Su –powierzchnia najmniejszego przekroju poprzecznego próbki po rozerwaniu [mm2]
Oprócz wyżej wymienionych własności wytrzymałościowych próba rozciągania pozwala wyznaczyć własności plastyczne metalu:
- wydłużenie Ap jako stosunek trwałego wydłużenia bezwzględnego próbki po rozerwaniu ∆L do długości pomiarowej próbki L0, wyznaczony dla próbek ze wzoru
[%]
gdzie: Lu – długość pomiarowa próbki po rozerwaniu [mm2]
p – wskaźnik wielokrotności długości pomiarowej próbki L0
- przewężenie Z jako zmniejszenie powierzchni przekroju poprzecznego próbki w miejscu rozerwania odniesione do powierzchni jej pierwotnego przekroju wyznaczone z wzoru
2. Metodyka badań
Próbki stosowane do badań są znormalizowane. W naszym przypadku stosowaliśmy próbki o przekroju okrągłym z główkami do chwytania w szczęki. Głównym parametrem próbki, od którego zależą pozostałe wymiary jest wielkość średnicy d0. Stosowaliśmy próbki pięciokrotne (krótkie), dla których . Średnica naszej próbki wynosiła d0 = 8 mm, a więc jej L0 = 40mm.
Rys. 1 – Próbka zastosowana w statycznej próbie rozciągania
Statyczne próby rozciągania przeprowadza się na tzw. zrywarkach lub rozciągarkach. Próbkę umieszcza się w uchwytach i poddaje wolno zwiększającemu się obciążeniu. Częściej spotyka się zrywarki z napędem hydraulicznym. W naszym ćwiczeniu stosowaliśmy maszynę z napędem mechanicznym.
Silnik prądu stałego poprzez przekładnie i sprzęgła napędza dwie współbieżne śruby pociągowe. Śruby te poruszają dolną belkę w górę lub w dół, powodując ściskanie, albo rozciąganie.
Podczas próby mierzone są dwie wielkości: siłę obciążającą i wydłużenie próbki. Pierwszą wielkość rejestruje wbudowany w maszynę siłomierz, natomiast ekstensometr mierzy wydłużenie. Przyrządy te działają na zasadzie tensometrii oporowej: wraz ze zmianą długości przewodnika zmienia się również jego rezystancja.
Ekstensometr to wygięta w kształcie litery Π blaszka przymocowana do końców długości pomiarowej próbki. Naklejone tensometry służą do odczytu zmian napięcia wraz ze zmianą długości próbki.
Wielkości mierzone przez siłomierz i ekstensometr kierowane są do wzmacniaczy, a następnie do komputera, który tworzy wykres rozciągania F = f(ΔL).
3
6
7
2
4
5
Rys. 2 - Maszyna o napędzie mechanicznym do statycznej próby rozciągania
1 – próbka, 2 – szczęki samozaciskowe, 3 – górna belka, 4 – dolna belka,
5 – śruby pociągowe, 6 – siłomierz, 7 - ekstensometr
Przed przystąpieniem do ćwiczenia należy skontrolować wymiary próbki (L0 i d0), następnie odpowiednio zamocować próbkę w szczękach i umieścić na niej ekstensometr. Później należy wyzerować wskazania siłomierza i ekstensometru
F
Blaszka
L0
Rys. 3 – Ekstensometr do pomiaru wydłużenia próbki
Wykresy zamieszczone w sprawozdaniu zostały wykonane dla próbek ze stopu aluminium AlCu4Mgl (duraluminium PA6) oraz stali St3.
Na ćwiczeniu zbadano jedynie próbkę aluminiową, jednak z powodu awarii maszyny nie zamieszczono w sprawozdaniu otrzymanego wykresu (wyniki były zafałszowane).
3. Wyniki badań
Statyczna próba rozciągania przeprowadzona została dla próbek okrągłych, proporcjonalnych, pięciokrotnych, dla których średnica początkowa
d0 = 8 [mm]
Początkowa długość pomiarowa próbki, odpowiadająca sile F = 0
[mm]
Początkowa powierzchnia przekroju poprzecznego próbki:
= = 50,265 [mm2]
Przeliczenie skali wykresów opisanych zależnością siły obciążającej próbkę F do przyrostu długości odcinka pomiarowego próbki ΔL = L – L0, na naprężenie umowne do względnego wydłużenia próbki na odcinku pomiarowym , gdzie:
[MPa] ; [%]
gdzie: F – siła obciążająca próbkę [kN]
L – długość odcinka pomiarowego próbki odpowiadająca danej sile F lub naprężeniu [mm]
Przykłady obliczeń:
F=6 kN MPa
∆L=4 mm %
Wyniki przeliczeń:
F=6 kN
=119 MPa
∆L=4 mm
...
Chester11-86