POWRÓT

Nauka o materiałach

Własności mechaniczne materiałów technicznych


Spis treści rozdziału - tutaj kliknij

Wiadomości podstawowe
Klasyfikacja badań własności mechanicznych

 

Wiadomości podstawowe

   

   Własności mechaniczne są ważnymi cechami decydującymi o możliwości zastosowania metali do budowy określonych maszyn i konstrukcji. Z tego względu metale poddaje się badaniom własności mechnicznych. Badania te mają na celu stwierdzenie odporności metali na działanie obciążeń, a niekiedy także na oddziaływanie środowiska. Najwłaściwszym jest badanie metali w warunkach możliwie zbliżonych do warunków pracy maszyn i konstrukcji, co nie zawsze jest możliwe. Stąd opracowano różne próby odtwarzające w przybliżeniu różne warunki pracy metali. Zależnie od tego, jak zmienia się działanie obciążenia podczas prób, czy narasta powoli lub gwałtownie od zera do pewnej wartości maksymalnej lub też zmienia się cyklicznie, rozróżnia się próby statyczne, dynamiczne i zmęczeniowe.
Do ważniejszych prób statycznych metali należą próby:

  • rozciągania,
  • ściskania,
  • zginania,
  • twardości,
  • mikrotwardości.

   Najważniejszą próbą dynamiczną jest próba udarności. Najczęściej stosowanymi próbami zmęczenia są próby osiowego rozciągania-ściskania przy stałym cyklu obciążeń zewnętrznych i próby obrotowego zginania. Ze względu na pracę maszyn i konstrukcji w różnych temperaturach wszystkie próby metali można przeprowadzać w temperaturach: pokojowej, obniżonych lub podwyższonych, przy odpowiednim wyposażeniu maszyny wytrzymałościowej w urządzenie schładzające lub grzewcze. Typową próbą przeprowadzaną dla metali pracujących w podwyższonych temperaturach jest próba pełzania.
Próba rozciągania oraz próby zmęczenia przeprowadza się na powietrzu lub w środowiskach korozyjnych. W tych ostatnich wyznacza się odporność metalu na jednoczesne działanie naprężeń i środowisk korozyjnych.

Do góry


 

Badanie własności mechanicznych

   

Próby statyczne

   Próby statyczne przeprowadza się przy małych prędkościach wzrostu naprężenia (odkształcenia). W innym bowiem przypadku wyznaczone własności metalu będą nieporównywalne. Wzrost prędkości rozciągania znacznie zwiększa granicę plastyczności metalu, w mniejszym zaś stopniu zwiększa wytrzymałość na rozciąganie.

Próby rozciągania, ściskania i zginania metali

   Najbardziej rozpowszechniona, prosta, dokładna i dość wszechstronna jest próba rozciągania metali, którą wykonuje się wg PN-91/H-04310. Celem próby jest wyznaczenie: 1) umownej granicy sprężystości, 2) wyraźnej lub umownej granicy plastyczności, 3) wytrzymałości na rozciąganie, 4) naprężenia rozrywającego, 5) wydłużenia, 6) przewężenia, 7) modułu sprężystości wzdłużnej.
   Miejsce i sposób pobierania próbek określają normy przedmiotowe. Stosuje się próbki okrągłe, kwadratowe, sześciokątne i płaskie, których kształt i wymiary określa norma PN-91/H-04310.

  • Wytrzymałość na rozciąganie Rm = Fm/S0
  • Granica plastyczności Re = Fe/S0
  • Wydłużenie A = ΔL/L0
  • Przewężenie Z = ΔS/S0
  • Naprężenie jednostkowe σ = F/S0
  • Wydłużenie jednostkowe ε = ΔL/L0

gdzie: S0 - powierzchnia przekroju poprzecznego próbki na długości pomiarowej mierzona przed rozerwaniem [mm2], L0 - pierwotna długość pomiarowa próbki, Fm - największa siła obciążająca osiągnięta w czasie próby, Fe - siła obciążająca odpowiadająca wyraźnej granicy plastyczności.

Wykres rozciągania stali niskowęglowej: Lo - pierwotna długość pomiarowa próbki, Lu - długość pomiarowa próbki po rozerwaniu, FH - największa siła obciążająca w zakresie odkształceń sprężystych próbki, F0,05 — siła obciążająca wywołująca umowne wydłużenie trwałe 0,05%, Fe — siła obciążająca odpowiadająca wyraźnej granicy plastyczności, Fm — największa siła obciążająca osiągnięta w czasie próby, Fu — siła obciążająca w chwili rozerwania próbki, RH — granica proporcjonalności, R0,05 — granica sprężystości, Re — granica plastyczności, Rm — wytrzymałość na rozciąganie, Ru— naprężenie rozrywające.

Badanie twardości

   Pomiar twardości metalu polega na wgniataniu wgłębnika przez określony czas i przy określonym obciążeniu w gładką powierzchnię metalu, co powoduje miejscowe odkształcenie trwałe w kształcie odcisku wgłębnika. Tak więc twardość można określić ogólnie jako miarę oporu metalu przy wciskaniu weń wgłębnika lub miarę oporu metalu przeciw odkształceniom trwałym powstającym wskutek wciskania wgłębnika. Należy podkreślić, że twardość nie jest stałą metalu i porównywanie twardości różnych metali jest możliwe tylko z pewnymi zastrzeżeniami. Podział:

  • Statyczne,
  • Dynamiczne,
  • Zarysowania,
  • Ścieralności.

Próby statyczne dzielą się;

  • Brinella,
  • Vickersa,
  • Knoopa,
  • Chruszczowa-Bierkowicza,
  • Grodzińskiego,
  • Rockwella.

   W praktyce pomiar twardości sposobem Brinella sprowadza się do pomiaru średnicy odcisku kulki o wybranej średnicy przy wybranym obciążeniu, a odpowiadającą jej twardość badanego metalu odczytuje się z tablic zamieszczonych w PN-91/H-04350. Odcisk wykonuje się przy użyciu twardościomierza, natomiast średnicę odcisku mierzy się za pomocą mikroskopu pomiarowego lub specjalnej lupy z dokładnością do ą0,25% średnicy kulki.

   Pomiar twardości sposobem Vickersa wg PN-91/H-04360 polega na wciśnięciu diamentowego wgłębnika w metal przy wybranym obciążeniu od 1,96 do 980 N. Wgłębnik w kształcie foremnego ostrosłupa diamentowego o podstawie kwadratowej wciska się prostopadłe w próbkę siłą obciążającą F przyłożoną przez określony czas t. Po odciążeniu mierzy się długość przekątnych d1 i d2 kwadratowego odcisku powstałego na powierzchni próbki.

   Pomiar twardości sposobem Rockwella Pomiar wg PN-EN ISO 6508-1:2002 wykonuje się przy użyciu jako wgłębnika:

  • stożka diamentowego do pomiaru twardości wg skali A, C i D w zakresach 20-88 HRA, 20-70 HRC i 40-77 HRD,
  • kulki stalowej o twardości nie mniejszej niż 850 HV10 i średnicy: - 1,588 mm do pomiaru twardości wg skali B, F i G w zakresach 20-100 HRB, 60-100 HRF i 30-94 HRG, - 3,175 mm do pomiaru twardości wg skal E, H i K w zakresach 70-100 HRE, 80-100 HRH i 40-100 HRK.

Twardościomierz Rockwella

Zasada działania

Laboratoryjny twardościomierz służy do pomiarów twardości metali i stopów metodą Rockwella w skalach A, B, C i F.
   Wszystkie podzespoły twardościomierza zamontowane są w sztywnym metalowym korpusie. Badaną próbkę umieszcza się na stoliku przedmiotowym (4) podnoszonym za pomocą nakrętki głównej (2) i śruby podnośnej (3). Po podniesieniu stolika do pewnej wysokości, wgłębnik (10) pod działaniem siły F0 zagłębia się w badaną próbkę. Siłę obciążającą wstępną F0 określa masa dźwigni głównej (8). Ten etap pomiaru stanowi kalibrację obciążenia wstępnego. W etapie następnym wciśnięcie przycisku startowego (1) powoduje za pośrednictwem mechanizmu dźwigniowego i przekładni zębatej, zwolnienie obciążenia głównego (14) zawieszonego na szalce (13). Obciążenie główne wraz z ustalonym uprzednio obciążeniem wstępnym stanowią obciążenie całkowite F, które działa poprzez dźwignię główną (8) na wgłębnik (10). Ruch dźwigni głównej stanowi również napęd dla czujnika zegarowego (6), na którym odczytuje się wielkość obciążenia wstępnego (mała wskazówka) i wyniki pomiarów twardości odpowiednio dla wybranego rodzaju skali.

Rys. 3 Schemat twardościomierza Rockwella:
1-dżwignia rozpoczynająca test, 2-nakrętka główna, 3-śruba podnośna, 4-stolik przedmiotowy (wymienny), 5-urządzenie dociskowe, 6-czujnik zegarowy, 7-tłocznik wgłębnika, 8-dźwignia główna, 9-śruby mocujące urządzenie dociskowe, 10-wgłębnik (stożek lub kulka), 11-nakładka korpusu z łożyskiem dźwigni, 12-śruba do poziomowania dźwigni głównej, 13-szalka, 14-obciążnik, 15-cięgno, 16-śruba regulacyjna tłumika, 17-tłumik olejowy, 18-pokrętło do zdejmowania obciążenia głównego, 19-wskazówka obciążenia wstępnego, 20 - wskazówka twardości

Próby dynamiczne

   Najczęściej stosowaną w badaniach wytrzymałości dynamicznej jest próba udarności służąca do oceny zachowania się metali w warunakch sprzyjających kruchemu pękaniu, wywołanych w próbce obecnością karbu i odkształceniami o dużej prędkości, powstałymi w wyniku udarowego działania siły.
   Próbę udarności wykonuje się na młotach wahadłowych typu Charpy, przeznaczonych do udarowego zginania próbek podpartych swobodnie na obu końcach.

Młot wahadłowy Charpy’ego

Badanie mikroskopowe

   Badania mikroskopowe polegają na obserwacji powierzchni swobodnych lub odpowiednio przygotowanych przekrojów (zgładów) badanych preparatów przy powiększeniach od 40 do 1500 x. Badania te umożliwiają;

  • ocenę mikrostruktury materiału (rodzaj, rozmieszczenie i wielkośc poszczególnych faz i innych składników struktury),
  • określenie struktury i grubości warstw zahartowanych, dyfuzyjnych, galwanicznych, itp.
  • ujawnienie takich wad jak: wtrącenia niemetaliczne, mikropęknięcia, korozja miedzykrystaliczna, itp.
  • przybliżoną ocenę zawartości węgla w stalach niestopowych, znajdujacych się w stanie równowagi, poprzez oszacowanie udziału powierzchniowego faz lub składników struktury.

   Obserwacji dokonuje się za pomocą mikroskopów metalograficznych, w których wykorzystuje się światło odbite od powierzchni nieprzezroczystych preparatów. Innym typem mikroskopu świtlnego jest tzw. mikroskop biologiczny, ale w tym przypadku preparat musi być przezroczysty dla światła widzialnego.

Do góry


   

 

 (C) 2011 - 2018 Wydział Przyrodniczo - Techniczny KPSW. All Rights Reserved