Statyczne i dynamiczne badanie właściwości mechanicznych

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie z podstawowymi metodami badania właściwości

mechanicznych na podstawie przeprowadzonej próby rozciągania oraz próby udarności.

W oparciu o przeprowadzone badania studenci zostaną zapoznani z podstawowymi

właściwościami wytrzymałościowymi i plastycznych materiału takimi jak; wytrzymałość na
rozciąganie, granica plastyczności, wydłużenie, przewężenie oraz udarność.

2. Wiadomości podstawowe

W badaniach właściwości mechanicznych poszukuje się zależności między siłą

działającą a skutkiem działania. Najczęściej wielkością mechaniczną charakteryzującą
oddziaływanie siły na materiał jest naprężenie wyrażone stosunkiem siły lub ogólniej
obciążenia do pola przekroju poprzecznego badanego obiektu.



= F/S

Działaniu obciążeń oprócz naprężeń towarzyszy zawsze powstanie odkształceń metalu,

określane jako stosunek zmiany wymiarów elementu do jego wielkości początkowej.



=



L/l

o

Wyniki badań właściwości mechanicznych zależą ściśle od warunków przeprowadzania
próby. W zależności od sposobu działania siły, badania właściwości mechanicznych można
podzielić na statyczne, przy których siła narasta z małą prędkością i dynamiczne
charakteryzujące się nagłym przyrostem obciążenia.

2.1. Statyczna próba rozciągania
Statyczna próba rozciągania jest podstawowym rodzajem badania metali mających

zastosowanie w technice i pozwala określić podstawowe właściwości metalu.
Próba polega na osiowym rozciąganiu próbek o ściśle określonych kształtach w uchwytach
maszyny wytrzymałościowej.
W próbkach stosowanych do badań można wyodrębnić część pomiarową poddawaną
rozciąganiu oraz części chwytowe umożliwiające zamocowanie w uchwytach maszyny
wytrzymałościowej i przeniesienia obciążenia.
Zasadniczo do próby rozciągania stosuje się próbki cylindryczne oraz płaskie.
Dla próbek cylindrycznych rozróżnia się:
próbki dziesięciokrotne tzn. takie w których długość odcinka pomiarowego l

o

= 10d

o

oraz,

próbki pięciokrotne z l

o

= 5d

o

.

Próbę rozciągania realizuje się poprzez przemieszczanie się jednej ze szczęk ze stałą
prędkością lub stałą szybkością narastania obciążania.
Podczas próby rejestruje się zależność przyrostu długości pomiarowej od siły rozciągającej, a
po skończonej próbie rozciągania wyznacza się właściwości wytrzymałościowe.
Kształt otrzymanego wykresu zależny jest od rodzaju i stanu badanego materiału.
Dla stali o niskiej zawartości węgla oraz metali o dużej plastyczności zasadniczo otrzymuje
się wykresy z wyraźną granicą plastyczności, zaś dla materiałów o wysokiej wytrzymałości
bez wyraźnej granicy plastyczności.

Wykres z wyraźną granicą plastyczności

Wydłużenie dl [mm]

O

b

ci

ąż

en

ie

[k

N]

Fm

F

eH

F

eL

dl

Od chwili przyłożenia obciążenia wydłużenie próbki rośnie wprost proporcjonalnie do siły
obciążającej aż do osiągnięcia tzw. granicy proporcjonalności (sprężystości)



prop

. Po

przekroczeniu granicy proporcjonalności obserwowany jest wyraźny przyrost wydłużenia
próbki przy stałym lub wahającym się poziomie siły obciążającej. Odpowiada to granicy
plastyczności R

e

. Przy dalszym wzroście wydłużenia następuje przyrost siły ale już nie w

sposób proporcjonalny jak dla zakresu odkształceń sprężystych.
W chwili osiągnięcia wartości maksymalnej siły - F

m

, powstaje lokalne przewężenie próbki,

zwane szyjką. Jest to przyczyną powolnego spadku siły. W końcowym momencie próby
próbka ulega zerwaniu. Po zerwaniu próbki mierzona jest długość odcinka pomiarowego oraz
wymiary lokalnego przewężenia (szyjki).
W oparciu o otrzymany wykres określamy następujące właściwości:

Wytrzymałość na rozciąganie jako naprężenie odpowiadające maksymalnej sile F

m

otrzymanej w czasie próby rozciągania odniesione do przekroju poprzecznego próbki S

o

:

R

m

= F

m

/S

o

Granicę plastyczności jako naprężenie w próbce, przy osiągnięciu którego następuje
występuje wyraźny wzrost wydłużenia przy ustalonej lecz nieznacznie zmieniającej się sile
rozciągającej F

e

:

R

e

= F

e

/S

o,

Ze względu na zmianę naprężenia w zakresie granicy plastyczności wyodrębnia się górną
granicę plastyczności R

eH

i dolną granicę plastyczności R

eL

R

eH

– naprężenie przy którym następuje pierwszy spadek siły,

R

eL

– najmniejsze naprężenie podczas płynięcia.

Wydłużenie względne A

p

jako stosunek trwałego wydłużenia bezwzględnego próbki po

rozerwaniu do długości pomiarowej próbki

A = dL/L

o

= (L

0

- L

o

)/L

o

Względne przewężenie próbki jako zmniejszenie przekroju poprzecznego próbki w miejscu
rozerwania próbki w odniesieniu do pola powierzchni jej pierwotnego przekroju.

Z = (A

o

- A

k

)/A

o

Wykres bez wyraźnej granicy plastyczności

Wydłużenie [mm]

O

b

ci

ąz

en

ie

[k

N

]

0,2 %

F

0,

2

Dla materiałów które charakteryzują się brakiem występowania wyraźnej granicy
plastyczności wyznacza się tzw.:
Umowną granicę plastyczności R

0,2

, określaną jako naprężenie, które powoduje trwałe

odkształcenie plastyczne wynoszące 0,2 % długości początkowej odcinka pomiarowego.

R

0,2

= F

0,2

/S

o

2.2. Próba udarności

Próba udarności jest najprostszą metodą badania odporności na pękanie. Próba polega

na złamaniu jednym uderzeniem spadającego młota wahadłowego, próbki z karbem w środku
i podpartej na oporach.

Do próby łamania stosowane są znormalizowane próbki o przekroju kwadratowym 10

x 10 mm z w połowie naniesionym karbem w:

kształcie litery V - o kącie 45



i głębokości 2 mm,

kształcie litery U – o szerokości 2 mm, głębokości 2 mm i promieniu dna karbu 1 mm.

Energia potencjalna wahadła W wychylonego na wysokości H, przy jego swobodnym spadku
zostaje zamieniona na energię kinetyczną, przy łamaniu próbki część energii jest zużyta na
pracę W złamania próbki, a pozostała część energii powoduje wychylenie wahadła na
wysokość h, stąd praca łamania może być określona ze wzoru:

W

u

= W

1

– W

2

= G(H – h)

gdzie G – masa wahadła młota.

Udarność określana jest jako stosunek pracy łamania próbki W

u

do przekroju poprzecznego

A

o

w miejscu karbu

KC = W

u

/A

o

= G(H-h)/A

o

[J/cm

2

]

Oznaczenie udarności jest uściślane przez podanie oznaczenia rodzaju karbu

KCV – udarność próbki z karbem w kształcie V,
KCU – udarność próbki z karbem w kształcie U.

Udarność metali i stopów technicznych zależy od składu chemicznego, struktury krystalicznej
oraz od temperatury badania. Na ogół wraz z obniżeniem temperatury zmniejsza się udarność
metali i stopów. Dla każdej stali występuje temperatura graniczna, po przekroczeniu której
udarność gwałtownie spada, jest to tzw. temperatura kruchości na zimno.

3. Przebieg ćwiczenia

Przed przystąpieniem do wykonywania ćwiczenia należy zapoznać się z niniejszym

opracowaniem, a następnie wykonać następujące czynności;
1. dokonać pomiarów badanych próbek tzn.:

- długości odcinka pomiarowego, grubości g i szerokości b lub d

o

w przypadku próbek

okrągłych - dla próbek poddawanych rozciąganiu,

- nanieść znaki długości odcinka pomiarowego
- grubości g, szerokości a oraz g –dla próbek do udarności.

2. Zapisać uzyskane wymiary w tabeli pomiarów.
3. Przebieg próby

a) próba rozciągania

Zamontować próbkę w uchwytach maszyny,
Przeprowadzić próbę rozciągania
Po zerwaniu próbki zatrzymać maszynę wytrzymałościową i wydrukować wykres
rozciągania.
Zmierzyć długość po zerwaniu oraz wymiary przekroju poprzecznego próbki w miejscu
zerwania.
Obliczyć wartości R

e

, R

0,2

, R

m

, A i Z.

b) próba udarności

Umieścić próbkę na oporach

4. Wytyczne do opracowania sprawozdania

W oparciu o przeprowadzone pomiary próbek, otrzymany wykres z próby rozciągania,

otrzymaną wartość pracy łamania z próby udarności sporządzić sprawozdanie, w którym
należy zawrzeć:

-

nazwę oraz dane wykorzystywanych urządzeń,

-

warunki przeprowadzenia badania,

-

wyniki pomiarów,

-

wnioski.

5. Przykładowe pytania kontrolne

1. Wytrzymałość.
2. Granica plastyczności.
3. Umowna granica plastyczności.
4. Wydłużenie.
5. Praca łamania.
6. Udarność.

7. Literatura

Norma PN-EN 10002-1:2004
Norma PN-EN 10045-1:1994
Poradnik mechanika