5 roz 377-522, Nauka, Tworzywa konstrukcyjne, Prof. zw. dr hab. inż. Leszek A. Dobrzański dr h c
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
5 roz 8-11-02 12:23 Page 1
Zależność
warunków pracy
oraz mechanizmów
zużycia i dekohezji
materiałów
inżynierskich
5 roz 8-11-02 12:23 Page 378
5.1. Własności mechaniczne
materiałów inżynierskich
oraz ich badania
WŁASNOŚCI MECHANICZNE JAKO WIELKOŚCI KRYTERIALNE
W DOBORZE MATERIAŁÓW
Własności mechaniczne materiału są powiązane z jego reakcją na obciążanie
lub odkształcanie. Wartość obciążenia może być stała lub zmieniać się w sposób
ciągły, działając przez czas zmieniający się od ułamka sekundy do wielu lat. Mate-
riały metalowe mogą być obciążane lub odkształcane w ośrodku otaczającego je
powietrza, w niskiej lub wysokiej temperaturze, a także w ośrodku innych gazów
lub cieczy, z których wiele działa korodująco. Reakcją materiału na takie warunki
obciążenia jest odkształcenie sprężyste lub plastyczne oraz pękanie. Zjawiska te
mogą przebiegać bezpośrednio po przyłożeniu obciążenia lub po pewnym czasie.
Opracowano liczne metody badań własności mechanicznych, które zyskały bar-
dzo duże znaczenie praktyczne. W próbach tych symuluje się warunki obciążeń
występujących w praktyce w różnych elementach konstrukcyjnych i maszynowych,
chociaż niemożliwa jest pełna realizacja tego założenia.
Wyniki badań własności mechanicznych są wykorzystywane przez projektan-
tów w procesie projektowania elementów konstrukcyjnych. Porównuje się wówczas
naprężenia dopuszczalne, wyznaczone dla konkretnych materiałów na podstawie
wyników prób, z naprężeniami w elementach konstrukcyjnych, określonymi na
podstawie analizy teoretycznej lub doświadczalnie. Analogicznych obliczeń
dokonuje się w odniesieniu do innych własności, np. dotyczących ciągliwości mate-
riałów inżynierskich.
Zadaniem metaloznawców i inżynierów materiałowych jest opracowanie proce-
sów technologicznych i wytwarzanie materiałów inżynierskich, w tym metali i ich
stopów, o strukturze zapewniającej wymagania określone w wyniku znormalizowa-
nych prób, w szczególności wymagane własności mechaniczne. Badania własności
mechanicznych umożliwiają zatem postawienie wymagań odnośnie do tych wła-
sności i ich szybkie sprawdzenie w praktyce. Praktyczne stosowanie tych metod
umożliwia odbiór techniczny licznych materiałów inżynierskich, w tym metali
i stopów technicznych, pozwala na ich porównywanie i klasyfikowanie według
przewidywanych zastosowań oraz ocenę skuteczności zastosowanych procesów
technologicznych, w odniesieniu do metali i ich stopów, przede wszystkim obrób-
ki cieplnej oraz plastycznej, a także wielokrotnie procesów inżynierii powierzchni,
stosowanych w celu poprawy struktury i własności powierzchni, często powłok na-
noszonych na powierzchnie elementów wytworzonych z materiałów inżynierskich.
378
5 roz 8-11-02 12:23 Page 379
5.1. Własności mechaniczne materiałów inżynierskich
oraz ich badania
METODY BADAŃ WŁASNOŚCI MECHANICZNYCH
Badania własności mechanicznych można podzielić na służące określeniu:
własności technologicznych, decydujących o przydatności materiałów do okre-
ślonej obróbki,
własności wytrzymałościowych, do wyznaczenia których niezbędna jest znajo-
mość siły lub momentu sił, jako jednej z wielkości mierzonych podczas badania.
Zróżnicowane warunki pracy różnych elementów konstrukcyjnych wymagają
przeprowadzenia badań własności mechanicznych w różny sposób. Na przykład
wykonywane są próby rozciągania, skręcania, zginania, ścinania, a także badania
przy złożonym stanie naprężeń. Wyznaczane są własności
statyczne
– przy wolno
wzrastającym obciążeniu,
dynamiczne
– przy obciążeniu działającym gwałtownie,
zmęczeniowe
– przy obciążeniach cyklicznych oraz własności
przy obciążeniu sta-
łym i długotrwałym.
Badania te są prowadzone zarówno w temperaturze pokojowej,
jak i w temperaturze podwyższonej i obniżonej.
Wiele metali, szczególnie o bardzo dużej wytrzymałości, lub materiałów kon-
strukcyjnych pracujących w obniżonej temperaturze wykazuje bardzo niewielką
ciągliwość, związaną ze znikomą zdolnością do odkształceń plastycznych. W tych
przypadkach pękanie materiałów jest kontrolowane przez rozprzestrzenianie się
pęknięć, z dużymi prędkościami, mimo że średnie naprężenie działające w elemen-
cie konstrukcyjnym jest stosunkowo małe, a obciążenie zewnętrzne nie ulega
zwiększeniu. W tych przypadkach zawodzi ocena własności materiałów na podsta-
wie klasycznych prób wytrzymałościowych. Dlatego też coraz większego znaczenia
nabierają
metody badania wywodzące się z mechaniki pękania
umożliwiające okre-
ślenie zdolności przeciwstawiania się materiału rozprzestrzenianiu pęknięć, czyli
ocenę odporności na pękanie (ciągliwości pękania).
Własności materiałów wyznaczane w wyniku badań mechanicznych nie są wiel-
kościami fizycznymi, ponieważ są silnie uzależnione od warunków, w których je
określono. Wyniki tych badań zależą między innymi od kształtu i wymiaru próbek,
zastosowanej maszyny wytrzymałościowej i uchwytów, a przede wszystkim od
sztywności całego układu oraz szybkości zmian obciążenia. Wyznaczone wielkości
mają więc charakter umowny. Wpływa na to również brak możliwości ustalenia sta-
nu naprężeń w badanej próbce przy określonym obciążeniu oraz niezbędne uprosz-
czenia w czasie tych prób, związane między innymi z nieuwzględnieniem zmian
wymiarów próbki podczas próby.
W celu ułatwienia ustalenia warunków prób i badań, które mają stanowić pod-
stawę odbioru materiałów inżynierskich, jak również podstawę obliczeń inżynier-
skich, wiele z omawianych prób i badań znormalizowano. W ostatnim okresie
wdrażane są normy PN-EN zgodne z systemem norm obowiązujących w Unii
Europejskiej
*)
, w wielu przypadkach odmienne od dotychczasowych uregulowań.
Każdorazowe wykorzystanie standardowych procedur dotyczących tych badań
wymaga zatem sprawdzenia ich zgodności z obowiązującymi normami.
*)
W rozdziale 5, przy opisie podstawowych badań własności mechanicznych wykorzystano
zarówno normy europejskie PN-EN, jak i dotychczasowe (ale aktualnie obowiązujące) normy
krajowe PN. W przypisach podano informacje o projektach norm PN-EN przewidzianych do
wprowadzenia w kraju.
379
5 roz 8-11-02 12:24 Page 380
5.2. Własności wytrzy-
małościowe i plastyczne
określane metodami
badań statycznych
5.2.1. Własności mechaniczne przy rozciąganiu
WYTRZYMAŁOŚĆ NA ROZCIĄGANIE
Podstawową wielkością opisującą własności mechaniczne materiałów jest wy-
trzymałość na rozciąganie
R
m
, czyli naprężenie normalne w próbce obliczone jako
stosunek największej siły rozciągającej
F
m
, uzyskanej podczas przeprowadzania
próby, do pola powierzchni przekroju początkowego próbki
S
0
:
R
=
0
F
m
.
(5.1)
m
S
GRANICA PLASTYCZNOŚCI
Wyraźną granicą plastyczności
R
e
jest naprężenie rozciągające w próbce, przy
osiągnięciu którego następuje wyraźny wzrost jej wydłużenia przy ustalonej lub nie-
co zmniejszonej sile rozciągającej:
R
e
=
F
e
.
(5.2)
S
0
Zgodnie z normą PN-EN 10002-1:2002U oblicza się wartość górnej lub dolnej
granicy plastyczności, oznaczonych odpowiednio jako
R
eH
lub
R
eL
. W przypadku
braku cech wyraźnej granicy plastyczności wyznaczane jest naprężenie graniczne
przy przyroście nieproporcjonalnym
R
p
, określane zwykle w skrócie jako umowna
granica plastyczności
*)
. Naprężenie to definiuje się jako powodujące w próbce
umowne wydłużenie trwałe
x
. Wartość liczbową tego wydłużenia podaje się w in-
deksie i zwykle
x
= 0,2%:
R
F
0,2
(5.3)
p
0,2
S
0
Umowne wydłużenie trwałe jest obliczane jako odpowiedni ułamek długości
początkowej próbki
L
0
:
L
x
100%
,
x
(5.4)
L
0
*)
Zmiany oznaczeń umownej granicy plastyczności i wydłużenia wprowadzone normą PN-EN
10002-1+AC1:1998 obowiązują od niedawna, stąd w wielu innych normach przedmiotowych
oraz w literaturze źródłowej są jeszcze stosowane poprzednio obowiązujące oznaczenia.
W tym wydaniu książki stosowane są nowe oznaczenia:
R
p
0,2
,
A
i
A
11,3
, które odpowiadają obo-
wiązującym poprzednio:
R
0,2
,
A
5
i
A
10
.
380
5 roz 8-11-02 12:24 Page 381
5.2. Własności wytrzymałościowe i plastyczne
określane metodami badań statycznych
gdzie:
L
x
– wydłużenie bezwzględne (przyrost) odpowiadające założonemu umow-
nemu wydłużeniu trwałemu
x
, np.
x
= 0,2%.
Umowną granicę sprężystości
R
p0
,05
można obliczyć analogicznie jak napręże-
nie
R
p
0,2
, przyjmując wydłużenie trwałe
x
= 0,05%.
WYDŁUŻENIE
Własności plastyczne materiałów wyznaczane w statycznej próbie rozciągania
określa się na podstawie wydłużenia i przewężenia. Wydłużenie procentowe jest
stosunkiem trwałego wydłużenia bezpośredniego próbki po rozerwaniu
L
do dłu-
gości pomiarowej
L
0
, wyrażonym w procentach:
L
A
100%.
0
(5.5)
Rysunek 5.1
Nomogram do obliczania
równomiernego wydłużenia
próbek okrągłych
Brak indeksu przy symbolu
A
oznacza, że badanie wykonano na próbkach pro-
porcjonalnych, których początkowa długość pomiarowa
L
0
jest związana z począt-
kową powierzchnią przekroju
S
0
zależnością:
L
0
= 5,65
S
0
. Jeśli współczynnik
przed pierwiastkiem jest inny od 5,65, jego wartość podaje się w indeksie, np.
A
11,3
*)
. W przypadku próbek nieproporcjonalnych oznaczenie
A
uzupełnia się w in-
deksie wartością początkową długości pomiarowej
L
0
, np.
A
50mm
lub
A
80mm
dla pró-
bek o długości
L
0
= 50 lub 80 mm. Można
obliczyć również wydłużenie równomierne
A
r
, niezależne od długości pomiarowej prób-
ki i mierzone poza obszarem wpływu prze-
wężenia. Przybliżoną wartość
A
r
dla próbek
okrągłych można obliczyć z zależności:
A
r
%
A
11,3
%
50
60
A %
50
40
PRZEWĘŻENIE
60
d
2
0
d
2
A
r
100%
,
(5.6)
Z %
r
d
2
40
r
95
90
80
70
60
50
30
gdzie:
40
30
d
0
– średnica próbki początkowa,
d
r
– średnica próbki zmierzona po ze-
rwaniu na dłuższej części próbki,
w połowie odległości między
miejscem zerwania i końcem dłu-
gości pomiarowej.
Wydłużenie
A
r
dla próbek okrągłych,
przy znajomości wydłużenia, np.
A
lub
A
11,3
,
i przewężenia można wyznaczyć z nomogra-
mu (rys.
5.1
).
30
20
50
20
40
20
10
30
10
20
10
10
0
0
0
0
PRZEWĘŻENIE
Przewężenie to stosunek zmniejszenia pola powierzchni przekroju poprzeczne-
go próbki w miejscu zerwania do pola powierzchni jej przekroju początkowego, wy-
rażony w procentach:
*)
Patrz przypis na stronie 380.
381
L
WYDŁUŻENIE
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
zanotowane.pldoc.pisz.plpdf.pisz.plstyleman.xlx.pl
|