instrukcja do ćwiczenia - 1._proba_statyczna_rozciagania_metali

LABORATORIUM WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW
PRÓBA STATYCZNA ROZCIĄGANIA METALI
Rzeszów 2014
PRz, WBIŚiA, Katedra Mechaniki Konstrukcji
12’2014
1. WSTĘP
Próba rozciągania dzięki swym zaletom stała się podstawową, wytrzymałościową próbą
statyczną znajdując tym samym najbardziej szerokie zastosowanie w dziedzinie badań
materiałów.
Do zalet próby rozciągania należy uzyskanie prawie jednorodnego stanu naprężenia w
rozciąganej próbce do pewnego, określonego etapu rozciągania, możliwość wyznaczania szeregu
wartości charakteryzujących mechaniczne własności materiału, możliwość obserwacji procesu
rozciągania od początku obciążania próbki aż do jej zniszczenia, jakościowa i ilościowa jego
ocena oraz prostota przeprowadzenia próby.
Jednoosiowy stan naprężenia otrzymuje się przez zastosowanie odpowiedniej próbki
zamocowanej w maszynie wytrzymałościowej. Wyniki uzyskane na próbkach znormalizowanych
są w pełni praktycznie porównywalne.
Próbie rozciągania poddaje się również gotowe elementy konstrukcyjne, w przypadku, gdy
zastosowane obciążenia rozciągające są wynikiem zasadniczego obciążenia roboczego i mogą
decydować o ich zniszczeniu. Takimi elementami są liny stalowe, łańcuchy, druty, taśmy itp.
Rozciąga się również elementy konstrukcyjne spawane, zgrzewane i nitowane.
Jest rzeczą całkowicie zrozumiałą, iż wielkości charakterystyczne określone na podstawie
rozciągania próbek nie mogą odzwierciedlać ogólnego zachowania się gotowych konstrukcji pod
obciążeniem. Dlatego nie należy przeceniać próby rozciągania. Natomiast w kontroli produkcji i
dla ogólnej oceny jakości materiału, jego jednorodność – próba rozciągania stanowi niezawodny i
prosty środek badawczy.
2. CEL ĆWICZENIA
Wyznaczenie na podstawie statycznej próby rozciągania wielkości wytrzymałościowych i
plastycznych materiału:
•
wytrzymałości na rozciąganie,
a) granicy plastyczności,
b) wydłużenia względnego,
c) przewężenia względnego,
•
a dodatkowo:
d) granicy proporcjonalności,
e) naprężeń zrywających.
-2-
PRz, WBIŚiA, Katedra Mechaniki Konstrukcji
12’2014
Wytrzymałości na rozciąganie jest to naprężenie odpowiadające największej sile,
uzyskanej w czasie próby rozciągania:
σ m = f u=
Fm
S0
[ ]
N
mm2
gdzie:
Fm – największa siła uzyskana w czasie próby, odczytana na siłomierzu maszyny
wytrzymałościowej,
S0 – pole powierzchni przekroju pierwotnego próbki.
Wyraźna granica plastyczności jest to naprężenie, po osiągnięciu którego następuje
wyraźny wzrost wydłużenia rozciąganej próbki bez wzrostu lub nawet przy spadku obciążenia:
σ e = f y=
Fe
S0
[ ]
N
mm2
gdzie:
Fe – siła obciążająca odpowiadająca wyraźnej granicy plastyczności.
Wydłużenie względne jest to stosunek trwałego wydłużenia bezwzględnego próbki po
zerwaniu do długości pomiarowej próbki, wyrażony w procentach:
∆L Lu − L0
Ap =
=
⋅ 100%
L0
L0
gdzie:
Lu [mm] – długość pomiarowa po zerwaniu,
L0 [mm] – pierwotna długość pomiarowa.
Przewężenie względne jest to zmniejszenie pola powierzchni przekroju poprzecznego
próbki w miejscu rozerwania odniesione do pola powierzchni jej przekroju pierwotnego:
Z=
S0 − Su
⋅ 100%
S0
gdzie:
Su [mm2] – pole powierzchni przekroju próbki po zerwaniu.
-3-
PRz, WBIŚiA, Katedra Mechaniki Konstrukcji
12’2014
Dla próbek o przekroju kołowym wzór ten można przekształcić do postaci:
  d 2 
Z = 1 −  u   ⋅ 100%
  d 0  
gdzie: do oraz du oznaczają odpowiednio pierwotną średnicę próbki oraz średnicę
próbki w miejscu zerwania.
Granica proporcjonalności (granica stosowalności prawa Hooke'a) jest to taka graniczna
wartość naprężenia, do osiągnięcia której przyrostom wydłużenia jednostkowego odpowiadają
proporcjonalne przyrosty naprężeń, czyli ∆ σ / ∆ ε =const . Oznacza to, że wykres rozciągania
jest do momentu osiągnięcia granicy proporcjonalności linią prostą.
Naprężenia zrywające jest to stosunek siły przy zerwaniu próbki, do przekroju
próbki po zerwaniu :
σ Z=
FZ
Su
-4-
[ ]
N
mm2
PRz, WBIŚiA, Katedra Mechaniki Konstrukcji
12’2014
3. RODZAJE STOSOWANYCH PRÓBEK
Dla stali podstawowych rozróżniamy próbki :
•
próbki okrągłe o przekroju kołowym z główkami gwintowanymi wkręcanymi w
uchwyty maszyny wytrzymałościowej,
•
próbki okrągłe z główkami do chwytania w szczęki,
•
próbki okrągłe do chwytania w uchwyty pierścieniowe,
•
próbki płaskie.
Długość pomiarowa próbki okrągłej pokazanej na Rys. 1 gdzie:
wynosi:
d0 – średnica próbki
L05=5⋅ d 0
dla próbki pięciokrotnej,
kołowej,
L10 =10⋅ d 0
dla próbki dziesięciokrotnej,
S – pole przekroju
dla próbki płaskiej pokazanej na Rys. 2:
L05 =5,65⋅ √S
dla próbki pięciokrotnej,
L10 =11,3⋅ √S
dla próbki pięciokrotnej,
Rys. 1: Próbka o przekroju kołowym
Rys. 2: Próbka o przekroju prostokątnym
-5-
poprzecznego
rozpatrywanej próbki.
PRz, WBIŚiA, Katedra Mechaniki Konstrukcji
12’2014
4. WYKRES ROZCIĄGANIA
W trakcie próby rozciągania rejestrujemy w układzie siła F, wydłużenie L. Wykres
rozciągania przedstawia się w układzie ε − σ na podstawie przeliczenia zarejestrowanych
wielkości. Ideowe wykresy przestawiono na Rys. 3 i Rys. 4.
σ = FS0
σ
m
σe
σ
σ
z
H
tgα=E
ε = ∆ ll
Ap %
Rys. 3: Wykres rozciągania dla stali niskowęglowej
σ = SF 0
σ
σe
σ
m
σ
z
H
tgα=E
Ap %
ε = ∆ ll
0
Rys. 4: Wykres rozciągania dla stali wysokowęglowej
-6-
0
PRz, WBIŚiA, Katedra Mechaniki Konstrukcji
12’2014
5. WYKONANIE ĆWICZENIA
Próbę wykonuje się na maszynie wytrzymałościowej dla dwóch rodzajów próbek:
•
próbka ze stali niskowęglowej (plastycznej)
•
próbka ze stali wysokowęglowej (twardej).
Przed przystąpieniem do próby pomierzyć dla obu próbek d 0 , L 0 , a po wykonaniu
próby d u i L u .
Wyniki pomiarów zapisać w tabeli 1.
Obliczyć
σ m , σ e , A p , Z, σ H , σ Z.
Wyniki badań zestawić w tabeli 2.
Wykonać wykres ε − σ (na podstawie tabeli 1).
Tabela 1: Zestawienie pomiarów
Lp
F
L
[N]
[mm]
Tabela 2: Zestawienie pomiarów i obliczeń
Nr
próbki
Próbka
Wyniki badań
Wymiary
Własności wytrzymałościowe
d0
L0
S0
Fm
[mm]
[mm]
[mm2]
[N]
σ
m
[N/mm2]
Fe
[N]
σ
e
[N/mm2]
-7-
FH
[N]
Własności plastyczne
σ
H
[N/mm2]
Fz
[N]
σ
z
[N/mm2]
Lu
Ap
du
z
[mm]
[%]
[mm]
[%]