Sprawozdanie Statyczna próba rozciągania PDF

Preview

Summary

woio...

Description

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   E  gdzie: - naprężenie [MPa]  - 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

y z wzoru 100

100  R E y

Umowną granicę sprężystości R0,05 wyznacza się jako naprężenie rozciągające wywołujące w próbce umowne wydłużenie trwałe x = 0,05% z wzoru R 0, 05 

F 0, 05 S0

[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 -1-

wzrost wydłużenia rozciąganej próbki (przy zmniejszonym, bez wzrostu lub nawet przy krótkotrwałym spadku siły obciążającej). Wyznacza się ją ze wzoru F Re  e [MPa] S0 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 R0,2 

F 0, 2 So

[MPa]

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 F Rm  u [MPa] S0 gdzie: Fm. – największa siła obciążająca osiągnięta w czasie próby [N] Dla metali mniej ciągliwych próbka rozrywa się zaraz po osiągnięciu F m. 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 F u. Naprężenie rzeczywiste występujące w przekroju poprzecznym próbki w miejscu przewężenia w chwili rozerwania nazywa się naprężeniem rozrywającym Ru wyznaczonym ze wzoru F Ru  u [MPa] Su 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 L  L0 L Ap  100  u 100 [%] L0 L0 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 S  Su S 100  0 100 Z [%] S0 S0

-2-

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 L0 5 d o . Średnica naszej próbki wynosiła d 0 = 8 mm, a więc jej L0 = 40mm.

d0 L0 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). UF

3

Wzmacniacz F

Komputer U∆L

∆L

Wzmacniacz

6 7

1 Woltomierz cyfrowy

-3M n

Napęd silnikiem prądu stałego

U I

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

Próbka

Tensometry

F 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 L 0 5 d 0 40 [mm]

-4-

Początkowa powierzchnia przekroju poprzecznego próbki: 2

S 0 r0 

 d0 2 = 4

 2 8 4

= 50,265 [mm2]

Przeliczenie skali wykresów opisanych zależnością siły obciążającej próbkę F do przyrostu długości odcinka pomiarowego próbki ΔL = L – L 0, na naprężenie umowne  do względnego wydłużenia próbki na odcinku pomiarowym  , gdzie: L  L0 F L   100 [%]   100  [MPa] ; S0 L0 L0 gdzie: F – siła obciążająca próbkę [kN] L – długość odcinka pomiarowego próbki odpowiadająca danej sile F lub naprężeniu  [mm] Przykłady obliczeń: F=6 kN ∆L=4 mm

6 10 3 119,367353 119 MPa 50,265 10  6 4 10  6 100 10 %  40 10  6

 

Wyniki przeliczeń:

    

F=6 kN F=12 kN F=18 kN F=24 kN F=30 kN

=119 MPa =239 MPa =358 MPa =477 MPa =597 MPa

∆L=4 mm ∆L=8 mm ∆L=12 mm ∆L=16 mm ∆L=20 mm

=10 % =20 % =30 % =40 % =50 %

Dla zamieszczonych w sprawozdaniu wykresów obliczono lub wyznaczono z charakterystyki następujące parametry: Próbka stopu aluminium (1) L0=40 mm d0=8 mm

Lu=48,4 mm du=6,4 mm

S0=50, 265 mm2

Su=32,17 mm2 ,

gdzie S u 

d u 4

2

Własności plastyczne: 1) Maksymalne względne wydłużenie próbki A5 wyznaczone w oparciu o: 48,6  40 100 21,5 % 40



pomiary



dane odczytane z wykresu

 pl A5 

 pl

∆L=8,3 mm

8,3 A5  100 20,75 % 40

-5-

2) Maksymalne przewężenie plastyczne (szyjka) Z

50,265  32,17 100 36 % 50,265

Własności wytrzymałościowe: Zostały wyznaczone na podstawie danych otrzymanych z wykresu 1) Wytrzymałość na rozciąganie (Rm.) F 25,1 1000 Rm  m   499 MPa Fm=25,1 kN 50,265 S0 2) Naprężenie rozrywające (Ru) F 22,5 1000 699 MPa Ru  u  Fu=22,5 kN Su 32,17 3) Umowna granica plastyczności (R0,2) F0,2=16,4 kN

F 0,2 16,4 1000  R 0, 2  326,3 MPa 50,265 S0

Próbka stalowa L0=40 mm d0=8 mm S0=50, 265 mm2

Lu=56,1 mm du=4,0 mm Su=12,57 mm2

Własności plastyczne: 1) Maksymalne względne wydłużenie próbki A5 wyznaczone w oparciu o:  pl A5 40,25 %  pomiary  dane odczytane z wykresu ∆L=14,9 mm  pl A5 37,25 % 2) Maksymalne przewężenie plastyczne (szyjka) Z

50,265  12,57 100 75 % 50,265

Własności wytrzymałościowe: 1) Wytrzymałość na rozciąganie (Rm.) Rm 419,8 MPa Fm=21,1 kN 2) Naprężenie rozrywające (Ru) Ru 1185 ,4 MPa Fu=14,9 kN 3) Wyraźna granica plastyczności (Re) Zbadana próbka stalowa ma:  górną granicę plastyczności (ReH), odpowiadającą pierwszemu szczytowi obciążenia zarejestrowanemu na wykresie F 14,6 1000 290,5 MPa ReH  eH  FeH=14,6 kN S0 50,265



dolną granicę plastyczności (ReL), odpowiadającą najmniejszej wartości obciążenia na wykresie, z pominięciem pierwszego minimum -6-

FeL=13,7 kN

R eL 

FeL 13,7 1000  272,6 MPa S0 50,265

Próbka stopu aluminium (2) (próbka którą rozciągaliśmy na ćwiczeniach) L0=40 mm d0=8 mm S0=50, 265 mm2

Lu=47,3 mm du=6,6 mm Su=34,21 mm2

Mając powyższe dane (bez wykresu) można jedynie wyznaczyć własności plastyczne: 47,3  40 100 18,25 % 40



wydłużenie

 pl A5 



przewężenie

50,265  34,21 100 31,9 % Z 50,265

4.

Wnioski i spostrzeżenia

Podczas przeprowadzania statycznej próby rozciągania próbki stopu aluminium (AlCu4Mgl) otrzymaliśmy przełom nachylony do osi próbki (kierunku działania siły) pod kątem 45 . Przełom ten nie znajdował się jednak w połowie jej długości pomiarowej, co oznacza, że ewentualny otrzymany wykres nie obrazowałby w pełni własności plastycznych tej próbki. Wartości te byłyby trochę zaniżone. W przypadku stali (St3) otrzymywany przełom jest płaski, prostopadły do osi próbki. Wykres 1 przedstawiający zachowanie się stopu aluminium (1) podczas statycznego rozciągania nie posiada wyraźnej granicy plastyczności. Wartość naprężenia odpowiadająca umownej granicy plastyczności aluminium, wyznaczona jako siła wywołująca w próbce umowne wydłużenie trwałe pl=0,2% wynosi około R0,2 = 326,3 MPa. Dokładne określenie tej wartości jest bardzo trudne z powodu małej dokładności początkowej fazy wykresu. Z kolei na wykresie 2 przedstawiającym zachowanie się stali wyróżnić można górną ReH = 290,5 MPa i dolną granicę plastyczności ReL = 272,6 MPa. Są one niższe co do wartości niż w przypadku umownej granicy plastyczności aluminium W porównaniu z próbką stalową stop aluminium posiada znacznie większą wytrzymałość na rozciąganie rzędu Rm = 499 MPa (wykres jest wyższy), podczas gdy dla stali wielkość ta wynosi 419,8 MPa. Należy jednak zauważyć, że aluminium charakteryzuje się mniejszą niż stal plastycznością (wykres jest węższy – szybciej następuje pęknięcie próbki).



-7-

Z wykresów wynika, że wydłużenie obu próbek znacznie się różni. Względne wydłużenie plastyczne stopu aluminium wynosiło około 20,75%, natomiast dla stali było ono prawie dwukrotnie większe 37,25%. Również powstałe na obu próbkach przewężenia mają inne wartości. Dla aluminium Z 36%, podczas gdy dla stali wynosi aż Z 75%. Potwierdza to fakt, iż wzrost własności wytrzymałościowych odbywa się kosztem obniżenia własności plastycznych materiału (i odwrotnie: wzrost własności plastycznych odbywa się kosztem obniżenia własności wytrzymałościowych). Na podstawie wykresu zauważamy również, że w zakresie sprężystym aluminium odkształca się bardziej niż stal (początkowy, prostoliniowy odcinek wykresu dla stali jest krótszy, lecz bardziej stromy). Jest to spowodowane różnymi wartościami modułu sprężystości wzdłużnej (modułu Younga), który dla badanej próbki stalowej wynosi E=207000 MPa, zaś dla stopu aluminium E=68000 MPa. Podobnie jak określenie umownej granicy plastyczności dla aluminium, tak i określenie na podstawie otrzymanych wykresów wartości modułu Younga dla obu próbek jest stosunkowo trudne i mało dokładne. Różnice między wartościami względnego wydłużenia plastycznego otrzymaną na podstawie pomiarów próbki suwmiarką, a wartością odczytywaną z wykresu w niewielkim stopniu wynikają z niedokładności przyrządów pomiarowych oraz samego odczytu. Wynik komputerowy również obarczony jest błędem związanym z niedokładnością zamocowania ekstensometru na końcach długości pomiarowej próbki. Błąd może być spowodowany także samym wyznaczeniem długości pomiarowej próbki i jego naniesieniem. Zauważono również, że osie wykresów zamieszczonych w sprawozdaniu (są to odbitki wydruków innej grupy) nie są do siebie prostopadłe, co ma wpływ na dokładność odczytania parametrów z charakterystyki F=f(∆L)

-8-...