Chojnacka Kamila
Zarządzanie IA
STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA
Celem ćwiczenia przeprowadzonego podczas ostatnich zajęć laboratoryjnych z metaloznawstwa okrętowego było zapoznanie się z metodyką przeprowadzania próby rozciągania, wyznaczania wykresu rozciągania i określania podstawowych parametrów opisujących własności mechaniczne dwóch materiałów o różnych właściwościach. W naszym przypadku porównaliśmy próbkę wykonaną ze stali
o symbolu St 3 oraz ze stopu aluminium - duraluminium PA6.
1. Metodyka badań
Statyczna próba rozciągania jest podstawową próbą wytrzymałościową przeprowadzaną w zakresie badań materiałowych. Informacje dzięki niej uzyskane powinny być uwzględnione przy doborze materiału na konstrukcję. Próba ta przeprowadzana jest zgodnie z normą PN-91/H-044310.
Opis próbki:
typ: okrągła z główką do chwytania w szczęki
materiał: stop aluminium i stal St6
wymiary początkowe: Lo = 40 mm, do = 6 mm
krotność: p. = 5
do
Lo
rysunek próbki
Opis maszyny:
Statyczna próba rozciągania została przeprowadzona na rozciągarce o napędzie mechanicznym.
siłomierz
próbka
szczęki dolna i górna belka obciążająca
ekstensometr
rysunek maszyny
Wykonanie próby rozciągania
Próbka zostaje zamocowana w szczekach samozaciskowych, umocowanych do górnej i dolnej belki obciążającej
Silnik elektryczny prądu stałego poprzez przekładnie i sprzęgła napędza dwie współbieżne śruby pociągowe
Śruby pociągowe poruszają tę belkę w dół, powodując rozciąganie próbki
Opis systemów pomiarowych:
Główne wielkości rejestrowane podczas próby rozciągania, to siła obciążająca mierzona za pomocą siłomierza i wydłużenie próbki mierzone za pomocą ekstensometru.
F
blaszka
próbka
tensometry
Lo
F rysunek ekstensometru
ekstensometr jest blaszką ze stali sprężynowej w kształcie litery Π
swobodne końce ekstensometru są zamocowane na próbce, na końcach jej długości pomiarowej
na ekstensometrze są naklejone odpowiednio połączone tensometry oporowe
wraz z wydłużeniem się próbki, rozchylają się blaszki, zmieniając napięcie na tensometrach
zmiana napięcia jest wprost proporcjonalna do wydłużenia próbki ΔL
Zmiany napięcia z siłomierza i ekstensometru są wzmacniane przez wzmacniacze pomiarowe i kierowane do komputera, który przelicza je na siłę F i wydłużenie próbki ΔL.
Wielkości te są rejestrowane w pamięci komputera niezależnie od siebie, w funkcji czasu, a następnie komputer tworzy z nich wykres rozciągania F = f(ΔL).
Czas trwania próby:
kilka minut
Temperatura:
stała, podwyższona
2. Opracowanie wykresów dołączonych do sprawozdania:
a) upłynnienie wykresów na odcinkach gdzie nie jest płynny
przeliczenie skali na wykresie: z F - ΔL na δ - ε
według wzorów: δ = F/So ε = ΔL/Lo ⋅ 100 %
So = πdo /4
do = 8 mm - średnica próbki
Lo = 40 mm - długość próbki
So = π 8 /4 = 64π/4 = 3,141592654 64/4 ≈ 50,265 mm - powierzchnia przekroju poprzecznego próbki
ΔL = 4 mm F = 6 kN = 6 000 N ε = 4 / 40 100 % = 10 %
δ = 6 000 N /50,265 mm ≈ 119,367 MPa
ΔL = 8 mm F = 12 kN = 12 000 N
δ = 12 000 N / 50,265 mm ≈ 238,734 MPa ε = 8 / 40 100 % = 20 %
ΔL = 12 mm F = 18 kN = 18 000 N
δ = 18 000 N / 50,265 mm ≈ 358,102 MPa ε = 12 / 40 100% = 30 %
ΔL = 16 mm F = 24 kN = 24 000 N
δ = 24 000 N / 50,265 mm ≈ 477,469 MPa ε = 16 / 40 100 % = 40 %
ΔL = 20 mm F = 30 kN = 30 000 N
δ = 30 000 N / 50,265 mm ≈ 596,836 MPa ε = 20 / 40 100 % = 50 %
Początkowo, przy małych obciążeniach, odkształcenia próbki są:
sprężyste, po odciążeniu próbki wydłużenia te maleją do 0, a długość odcinka pomiarowego próbki wynosi ponownie Lo.; ponieważ zwiększenie odległości międzyatomowych w sieci krystalicznej metalu jest dość słabe , więc siła przyciągania sprawia, że wracają one do położenia poprzedniego (równowagi) po ustaniu działania tej siły
proporcjonalne do wielkości przyłożonego obciążenia, co można wyrazić prawem Hooke'a
δ = ε ⋅ E
Równanie to obowiązuje w zakresie obciążenia od 0 do naprężenia zwanego granicą proporcjonalności lub granicą Hooke'a, zaś odkształcenie zachowuje swój sprężysty, czyli odwracalny charakter do poziomu naprężenia zwanego granicą sprężystości (obydwie te wartości są bliskie sobie). Przy naprężeniach powyżej granicy sprężystości pojawiają się odkształcenia trwałe (nieodwracalne), czyli plastyczne.
Wyznaczenie ( z zaznaczeniem na wykresie ):
granicy plastyczności Re lub R0,2 [MPa]
wyraźna granica plastyczności (Re) jest naprężeniem odpowiadającym działaniu siły rozciągającej Fe, pod wpływem której występuje wyraźny wzrost wydłużenia rozciąganej próbki
pojawia się zjawisko zwane płynięciem plastycznym materiału, tzn. następuje powolny wzrost wydłużenia próbki przy stałym obciążeniu (sile lub naprężeniu)
umowna granica plastyczności (R0,2) jest naprężeniem odpowiadającym działaniu siły rozciągającej F0,2 , wywołującej w próbce umowne wydłużenie trwałe wynoszące 0,2% długości Lo
εpl = ΔLpl / Lo 100% = 0,2%
0,2% = ΔLpl / 40 mm 100%
ΔLpl = 4 *0,2 / 10 = 0,08 mm
Ro,2 =Fo,2 / So Re = Fe / So
Ro,2 =1600 N / 50,265 mm = 318, 313 MPa Re =14 000 N / 50,625 mm = 278,523 MPa
Stop aluminium ma umowną granicę plastyczności, natomiast stal rzeczywistą.
wytrzymałości na rozciąganie Rm [MPa]
następuje wyczerpanie się możliwości wydłużenia się próbki wskutek płynięcia plastycznego
aby zwiększyć dalszy przyrost długości próbki, trzeba zwiększyć sile rozciągania
w końcu, przy dość wysokiej wartości wydłużenia, siła rozciągająca osiąga wartość maksymalna - Fm
sile tej odpowiada naprężenie Rm - wytrzymałość na rozciąganie
Rm = Fm \ So
Fm - maksymalna siła podczas rozciągania
So - powierzchnia przekroju próbki
dla stopu aluminium: dla stali:
Fm = 23,5 kN = 23 500 N Fm = 20 kN = 20 000 N
Rm = 23 500 N / 50,265 mm = 467,522 MPa Rm = 20 000 N / 50,265 mm = 397,89 MPa
Umowna (Ro,2) lub rzeczywista (Re) granica plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie (Rm) to główne parametry charakteryzujące własności wytrzymałościowe materiału
naprężenia rozrywającego Ru [MPa]
siła rozciągania, po osiągnięciu maksymalnej wartości, zaczyna spadać, aż do zerwania próbki
powód: szybki zmniejszanie się rzeczywistej powierzchni przekroju poprzecznego
Ru = Fu / Su
Fu - siła w momencie przerwania się próbki
Su - powierzchnia przekroju poprzecznego w momencie przerwania
dla stopu aluminium: dla stali:
Fu ≈ 23 kN Fu ≈ 15 kN
Su = π du / 4 Su = π du / 4
du = 6,8 mm du = 4,2 mm
Su = π 6,8 mm / 4 = 36,317 mm Su = π 4,2 mm / 4 = 13,854 mm
Ru = 23 000 N / 36,317 mm ≈ 633,312 MPa Ru = 15 000 N / 13,854 mm ≈ 1082.719 MPa
Ru jest miarą rzeczywistej wytrzymałości materiału
wydłużenie trwałe całkowite A5 [%]
jest to wartość względnego wydłużenia plastycznego εpl. Odpowiadającego punktowi zerwania próbki
podstawowa wielkość opisująca własności plastyczne
na podstawie pomiarów próbki po zerwaniu
Ap = ( Lu - Lo ) / Lo 100%
- krotność próbki (5)
Lu - długość próbki po zerwaniu
Lo - długość początkowa
dla stopu aluminium: dla stali:
Lo = 40 mm
Lu = 49 mm Lu = 55,2 mm
A5 = ( 49 - 40 )/ 40 * 100% A5 = (55,2 - 40) / 40 * 100%
A5 = 22,5% A5 = 38%
na podstawie wykresu
16% 38,5%
przewężenie plastyczne [%]
wydłużaniu się próbki towarzyszy zmniejszanie się jej przekroju.
początkowo jest ono równomierne na całej długości próbki, potem pojawia się przewężenie
druga wielkość charakteryzująca właściwości plastyczne
Z = ( So - Su ) / So * 100%
dla stopu aluminium: dla stali:
So = 50,265 mm
Su = 36,317 mm Su = 3,299 mm
Z = (50,265 - 36,317 ) \50,265 * 100%= Z = ( 50,265 - 13,854 ) / 50,265 * 100%=
≈ 27,75% ≈ 72,438%
PODSUMOWANIE WYNIKÓW DO ŚWIADCZENIA:
Stal ST3 Stop aluminium
Granica plastyczności rzeczywista Re umowna Ro,2
[MPa] ok. 279 ok. 318
Wytrzymałość na rozciąganie ok. 398 ok. 468
Rm [MPa]
Naprężenie rozrywające ok. 1083 ok. 633
Ru [MPa]
Wydłużenie trwałe całkowite ok. 38,5 % ok. 22,5 %
A5 [%]
na podstawie obliczeń
Wydłużenie trwałe całkowite ok. 39 % ok. 16 %
A5 [%]
na podstawie wykresu
Przewężenie plastyczne ok. 72 % ok. 28 %
Z [%]
WNIOSKI
wymiary próbki
Lo = 40 mm
do = 8 mm
⇒ ΔL = 9 mm
stop aluminium:
Lu = 49 mm
du = 6,8 mm
stal:
Lu = 55,2 mm
du = 4,2 mm
⇒ ΔL = 15,2 mm
2. sposób pęknięcia próbki
ze stopu aluminium:
poza środkową częścią, przy końcu jednej z linii pomiarowych
przełom skośny, nachylenie ok. 45° w stosunku do osi
ze stali:
w środkowej części długości pomiarowej,
przełom prostopadły do osi próbki
⇒ próbka ze stopu aluminium wykonana nieumiejętnie - musiała być węższa w którymś miejscu
⇒ próbka stalowa pękła w sposób prawidłowy - była dobrze wykonana
3. właściwości sprężyste
na podstawie wykresu:
duraluminium
posiada jedynie umowną granicę plastyczności
stal
charakteryzuje się rzeczywistą granicą plastyczności
⇒ w stali zachodzi zjawisko płynięcia materiału
⇒ jeżeli proces rozciągania zatrzyma się w pewnym miejscu, to aluminium odkształci się sprężyście
a stal plastycznie (nieodwracalnie)
umowna granica plastyczności duraluminium jest wyższa od rzeczywistej granicy plastyczności stali
własności wytrzymałościowe
wartość siły maksymalnej Fm odpowiada większej wartości obciążenia w przypadku duraluminium
⇒ stop aluminium ma większe własności wytrzymałościowe niż stal
⇒ aby trwale odkształcić stop aluminium należy użyć większego obciążenia
własności plastyczne
wykres rozciągania jest niższy dla stali
wydłużenie i przewężenie stali jest większe niż duraluminium
⇒ stal ma lepsze własności plastyczne
Idealny materiał na konstrukcję okrętową powinien posiadać duże własności wytrzymałościowe i plastyczne. Jednak wykonane ćwiczenie dowodzi, że wzrost własności wytrzymałościowych jest odwrotnie proporcjonalny do wzrostu własności plastycznych materiału. Dlatego w zależności od wymagań stawianych konstrukcji, należy wybrać pomiędzy potrzebą wytrzymałości oraz plastyczności używanego metalu.
7
6