METODY BADAŃ WŁASNOŚCI MECHANICZNYCH MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH
2. Statyczna próba rozciągania
Statyczna próba rozciągania to podstawowa metoda badań wytrzymałościowych materiałów konstrukcyjnych. Próba polega na rozciąganiu próbki do badań, na ogół aż do zerwania, w celu wyznaczenia własności mechanicznych badanego materiału.
Próbkę do badań zwykle wykonuje się przez obróbkę mechaniczną odcinka próbnego, pobranego z wyrobu, wyciętego na prasie lub odlewanego. Wyroby o niezmiennym przekroju poprzecznym (kształtowniki, pręty, druty itp.), jak również odlane próbki do badań mogą być badane bez obróbki mechanicznej. Przekrój poprzeczny próbek do badań może być prostokątny (rys.1), okrągły (rys.2), kwadratowy lub pierścieniowy, a w szczególnych przypadkach może mieć inny kształt.
Rys. 1 Próbka o przekroju prostokątnym: S0 - początkowy przekrój poprzeczny próbki,
L0 - początkowa długość pomiarowa, Lt - długość całkowita próbki, Lu - końcowa długość pomiarowa po zerwaniu, a - grubość próbki, b - szerokość próbki płaskiej
Rys. 2 Próbka o przekroju kołowym: S0 - początkowy przekrój poprzeczny próbki, Su - końcowy przekrój poprzeczny próbki, L0 - początkowa długość pomiarowa, Lc - długość części równoległej, Lt - długość całkowita próbki, Lu - końcowa długość pomiarowa, d - średnica próbki okrągłej
Na rysunku 3 przedstawiono charakterystyczne wykresy rozciągania dla różnych materiałów, zarejestrowanych w układzie siła obciążająca F w funkcji wydłużenia próbki ∆L. Wykres ten można również przedstawić w układzie współrzędnych naprężenie s w funkcji wydłużenia jednostkowego ε.
Rys. 3 Charakterystyczne wykresy rozciągania dla materiałów: a) wykazujących wyraźną granicę plastyczności, b) nie wykazujących wyraźnej granicy plastyczności
Rzeczywisty wykres rozciągania stali niskowęglowej
Naprężenie i wydłużenie jednostkowe można obliczyć z następujących zależności:
naprężenie
wydłużenie
gdzie: S0 i L0 określają odpowiednio pole powierzchni przekroju poprzecznego oraz długość początkową próbki.
Na podstawie statycznej próby rozciągania można określić podstawowe wielkości wytrzymałościowe oraz plastyczne materiału, jakimi są:
Podstawową wielkością opisującą własności mechaniczne materiałów jest wytrzymałość na rozciąganie Rm, czyli naprężenie normalne w próbce obliczone jako stosunek największej siły rozciągającej Fm uzyskanej podczas przeprowadzanej próby do pola powierzchni przekroju początkowego próbki S0:
Wyraźną granicą plastyczności Re jest naprężenie rozciągające w próbce, po osiągnięciu którego następuje wyraźny wzrost jej wydłużenia przy ustalonej lub nieco zmniejszonej wartości siły rozciągającej:
Umowna granica plastyczności - w przypadku braku cech wyraźnej granicy plastyczności wyznacza się umowną granicę plastyczności Rp0,2, czyli naprężenie normalne wywołujące w próbce umowne wydłużenie trwałe x=0,2%:
Sposób wyznaczania siły F0,2 przedstawiono na rys. 4.
Rys. 4 Sposób wyznaczania wartości siły F0,2
Własności plastyczne materiałów możliwe do wyznaczenia w statycznej próbie rozciągania stanowią wydłużenie i przewężenie.
Wydłużenie jest stosunkiem trwałego przyrostu długości próbki po zerwaniu ∆L do długości pomiarowej L0:
Przewężenie jest stosunkiem zmniejszania pola powierzchni przekroju poprzecznego próbki do pola powierzchni jej przekroju początkowego So:
4. Statyczne metody pomiary twardości
Statyczne metody pomiaru twardości polegają na wciskaniu wgłębnika w badany materiał poza granicę sprężystości, do spowodowania odkształceń trwałych. Twardość wyznaczaną tymi metodami można zdefiniować jako miarę odporności materiału na odkształcenia trwałe, powstające w wyniku wciskania wgłębnika. Schematycznie przebieg statycznej metody pomiaru twardości został pokazany na rysunku 5.
Rys. 5 Schemat przebiegu statycznej metody pomiaru twardości
Do najczęściej stosowanych statycznych metod pomiarów twardości należą metody:
· Brinella,
· Rockwella,
· Vickersa,
· Grodzińskiego,
· Knoopa,
Pomiary twardości metodą Brinella dokonuje się za pomocą kulki z węglików spiekanych, a twardość jest proporcjonalna do stosunku obciążenia F do powierzchni czaszy kulistej trwałego odcisku S i jest obliczana na podstawie pomiaru średnicy trwałego odcisku d, dokonywanego po odciążeniu (rys. 6):
gdzie: F – siła w N,
D – średnica kulki w mm,
d – średnica odcisku w mm.
Rys. 6 Schemat pomiaru twardości metodą Brinella: a) podczas obciążania, b) po odciążeniu; 1-kulka, 2-element obciążający, 3-badany element, 4-odcisk
Zasada pomiaru twardości metodą Rockwella polega na dwustopniowym wciskaniu wgłębnika (stożek diamentowy, kulka stalowa lub z węglików spiekanych) w powierzchnię badanej próbki (rys.7). Twardościomierz Rockwella dokonuje pomiaru trwałego przyrostu głębokości odcisku h pod działaniem określonej siły po usunięciu głównej siły obciążającej:
gdzie: K – stała umowna wyrażona w jednostkach podziałki (dla stożka K=100, dla kulki K=130), h – głębokość odcisku.
Rys. 7 Schemat pomiaru twardości metodą Rockwella, a) ÷ e) kolejne fazy pomiaru; F0, F1 – obciążenie wstępne i główne, h0, hC – głębokości odcisku przy obciążeniach wstępnym i głównym, h – trwały przyrost głębokości odcisku pod obciążeniem wstępnym bez obciążenia głównego, K – stała umowna odpowiadająca 100 lub 130 jednostkom podziałki w zależności od skali
Charakterystyka skal pomiaru twardości metodą Rockwella
Zasada pomiaru twardości metodą Vickersa polega na wciskaniu diamentowego wgłębnika w kształcie ostrosłupa prawidłowego o podstawie kwadratowej i określonym kącie wierzchołkowym między przeciwległymi powierzchniami bocznymi (rys.8), w powierzchnię badanej próbki, a następnie zmierzeniu długości przekątnych odcisku powstałego na powierzchni po usunięciu siły obciążającej F.
gdzie: d - średnia arytmetyczna przekątnych jednego odcisku w mm, F - siła nacisku w N.
Rys. 8 Schemat pomiaru twardości metodą Vickersa: a) obciążenie próbki, b) odcisk
Pomiar twardości metodą Grodzińskiego polega na wciskaniu w badany materiał wgłębnika w kształcie podwójnego stożka (rys.9). Próba ta może być przydatna przy pomiarach bardzo twardych materiałów w tym węglików. Twardość mierzoną tą metodą oblicza się z zależności:
gdzie: F – obciążenie w N,
l – długość odcisku w mm,
α – kąt między tworzącymi,
r – promień podstawy stożków w mm.
Rys.9 Pomiar twardości metodą Grodzińskiego: a) wgłębnik, b) schemat odcisku, l – długość odcisku w mm, r – promień podstawy stożków w mm, α – kąt między tworzącymi
Metoda Knoopa pomiaru twardości polega na statycznym wgniataniu wgłębnika w kształcie ostrosłupa o podstawie rombu (rys.10) w badany materiał, przy zalecanym obciążeniu równym 1,961 F, 2,942 F, 4,903 F i 9,807 F. Twardość Knoopa oznacza się odpowiednio HK 0,2, HK 0,3, HK 0,5, HK 1, a oblicza się ją z zależności:
l – dłuższa przekątna odcisku w mm.
Rys.10 Pomiar twardości metodą Knoopa: a) wgłębnik, b) odcisk
Pomiar twardości metodą Chruszczowa-Bierkowicza polega na zastosowaniu wgłębnika diamentowego w kształcie ostrosłupa trójściennego, którego ściany są pochylone względem osi ostrosłupa pod kątem 650. Metoda ta umożliwia pomiar materiałów szczególnie twardych, np. węglików spiekanych. Twardość zmierzoną tą metodą oblicza się z zależności:
l – wysokość odcisku trójkąta w mm.
Porównanie najczęściej stosowanych statycznych metod pomiaru twardości
Jako najlepszą i najbardziej uniwersalną z szeroko stosowanych metod pomiaru twardości należy uznać metodę Vickersa, chociaż w wielu przypadkach jeszcze bardziej korzystna byłaby metoda Knoopa, nadal rzadko u nas stosowana. Natomiast w pomiarach masowych oraz przy ocenie twardości stali narzędziowych i szybkotnących najpowszechniej stosowana jest metoda Rockwella. Na rys.11 przedstawiono orientacyjny sposób umożliwiający przeliczenie wyników pomiarów uzyskanych jedną z metod na pozostałe.
Rys. 11 Porównanie wyników pomiarów twardości metodami Brinella, Rockwella i Vickersa
4. Próba udarności metodą Charpy’ego
Próba udarności polega na złamaniu jednym uderzeniem młota wahadłowego Charpy'ego próbki z karbem, podpartej swobodnie na obu końcach i pomiarze pracy jej złamania. Próbka jest ułożona tak, by uderzenie młota nastąpiło z przeciwległej strony karbu. Jako wynik próby udarności podaje się zużytą energię (w J) na złamanie próbki.
Próbka powinna leżeć prostopadle na podporach w taki sposób, aby odległość płaszczyzny symetrii karbu od płaszczyzny symetrii podpór nie była większa niż 0,5 mm, oraz by ostrze noża wahadła uderzało próbkę po przeciwnej stronie karbu (rys. 12). Badanie powinno być prze-prowadzone w temperaturze 230C, o ile norma wyrobu nie stanowi inaczej.
Rys.12 Położenie podpór i spoczywającej na nich próbki do badania: a – długość próbki, b – szerokość próbki, h – wysokość próbki
Wymiary próbki: a – 55 mm; b – 10 mm; h – 10 mm; Karb: V – 2 mm; U – 5 mm
Oznaczenie udarności określonej przy użyciu młota Charpy'ego zawiera literę K, dodatkowy symbol wskazujący typ próbki, na której zostało przeprowadzone badanie (tzn. KU lub KV), początkową energię młota w J, oraz zmniejszoną szerokość próbki w mm (np. KU 150/7,5). W przypadku gdy energia całkowita młota wynosi 300 J, szerokość próbki - 10 mm, a wysokość karbu w przypadku próbek w kształcie litery U - 5 mm, a w kształcie V - 2 mm, po symbolu udarności (pracy łamania) KU lub KV nie podaje się dodatkowego opisu. W pozostałych przypadkach w opisie należy wyraźnie zaznaczyć, jakich próbek użyto do badań.
Próby udarności w niskiej i podwyższonej temperaturze
Wyniki próby udarności w niskiej temperaturze oznacza się jako KUt lub KVt z dodatkowym opisem jak w temperaturze pokojowej (t określa temperaturę badania w oC).
Wyniki próby udarności w podwyższonej temperaturze oznacza się jako KUt lub KVt z dodatkowym opisem jak w temperaturze pokojowej (t określa temperaturę badania w oC).
1.Narysuj i opisz wykres wyraźnej granicy plastyczności 2.Opisz sprawdzanie twardości metodą Rockwella
1. Na czym polega statyczna próba rozciągania 2. Umowna granica plastycznosci
9
Tika02