Stalnierdzewna.com - Największa w Polsce strona informacyjna o stali nierdzewnej

watki w tym artykule
- Wlasciwosci materialów
- Próba rozciagania metali
- Wskazniki wytrzymalosci
- Próba udarnosci metoda Charpy`ego
- Próba ściskania
- Pomiar twardości Brinella
- Pomiar twardości Rockwella
- Pomiar twardości Vickersa
 

Wlasciwosci materialów:

Wlasciwosci materialów konstrukcyjnych dzieli sie na nastepujace grupy:

• fizyczne i chemiczne,
• mechaniczne,
• eksploatacyjne,
• technologiczne.

Wlasciwosci mechaniczne – sa to cechy, które decyduja o odpornosci metali i stopów na dzialanie róznego rodzaju obciazen.

Wlasciwosci technologiczne - charakteryzuja przydatnosc materialu do procesów technologicznych (takich jak odlewania, tloczenia, spawania, obróbki skrawaniem i innych).

Wlasciwosci eksploatacyjne - to cechy materialu okreslajace jego trwalosc w warunkach uzytkowania.

Zachowanie sie materialów pod wplywem obciazenia zewnetrznego mozna okreslic na podstawie ich wlasciwosci mechanicznych, do których nalezy:

• wytrzymalosc,
• twardosc,
• udarnosc,
• ciagliwosc,
• sprezystosc i inne.

Pod dzialaniem danego obciazenia material ulega odksztalceniu. Jezeli po ustaniu tego obciazenia material wraca do jego pierwotnego ksztaltu i wymiarów mamy do czynienia z odksztalceniem sprezystym. Po przekroczeniu pewnego granicznego obciazenia wystepuja w materiale odksztalcenia trwale, nie znikajace po ustapieniu dzialania obciazenia – te zdolnosc do utrzymania odksztalcen nazywa sie plastycznoscia. Materialy plastyczne sa ciagliwe, w przeciwienstwie do materialów nie majacych wlasnosci plastycznych, które nazywa sie kruchymi. Najwazniejsza wlasciwoscia materialów, decydujaca o ich praktycznym zastosowaniu jest ich wytrzymalosc, przez która rozumiemy zdolnosc materialów do przenoszenia obciazen do pewnych granicznych wartosci, po przekroczeniu których material ulega zniszczeniu. Te graniczna wartosc nazywamy wytrzymaloscia. Naprezenia, które moga wystapic w materiale bez obawy naruszenia warunku wytrzymalosci, nazywa sie naprezeniami dopuszczalnymi. Wartosc naprezen dopuszczalnych ustala sie glównie w zaleznosci od wlasnosci materialów, inne kryteria przyjmujac dla materialów plastycznych i kruchych.

Obciazenie dynamiczne – nazywamy obciazenia, których wartosc i kierunek zmieniaja sie w stosunkowo krótkim czasie. Zmiany te zachodza na skutek rozruchu, hamowania lub tez od obciazen silami okresowo zmiennymi.

Obciazania dynamiczne dzielimy w zaleznosci od przyspieszen na: stalezmienne

Przy zmiennych przyspieszeniach przez dlugi okres czasu zniszczenie konstrukcji moze nastapic na skutek zmeczenia.

Obciazenie statyczne – obciazenia, których wielkosci i kierunek nie ulegaja zmianie z uplywem czasu, a wzrost ich odbywa sie powoli i lagodnie.

Jedna z najwazniejszych wlasciwosci materialów konstrukcyjnych jest ich wytrzymalosc na rozciaganie. Podstawowa próba wytrzymalosciowa jest próba rozciagania. Zaleta tej próby jest prostota wykonania przy jednoczesnej mozliwosci wyznaczenia duzej ilosci wskazników wytrzymalosciowych i plastycznych.

Podstawowa próba badan wlasnosci mechanicznych metali jest statyczna próba rozciagania metali, ujeta norma PN-EN 10002-1+AC1.

Dzieki tej próbie otrzymujemy podstawowe informacje o wlasnosciach wytrzymalosciowych i plastycznych danych metali.

Próba taka realizuje najprostszy stan naprezen, jaki powstaje przy prostym rozciaganiu. Badanie wytrzymalosciowe w trakcie tej próby polega na osiowym rozciaganiu próbki odpowiednio uksztaltowanej na maszynie wytrzymalosciowej zwanej zrywarka.

Próba polega na rozciaganiu próbki na ogól do zerwania, zarejestrowaniu zaleznosci uzytej sily od wydluzenia próbki i wyznaczeniu jednej lub wiecej wlasnosci mechanicznych przy temperaturze otoczenia (10 ÷ 35 [°C]).

Zaleznosc sily od wydluzenia dla materialu
wykazujacego wyrazna granice plastycznosci

Próbki przeznaczone do badan maja czesc pomiarowa o stalym przekroju, a zakonczone sa obustronnie glówkami o zwiekszonym przekroju. Czesc pomiarowa o dlugosci L0 przechodzi w sposób lagodny do glówek, dzieki czemu mozemy przyjac, ze stan naprezenia i odksztalcenia w kazdym punkcie czesci pomiarowej jest jednakowy.

Przeprowadzajac statyczna próbe rozciagania metali nalezy pamietac, iz uzyskane wyniki pochodza z badan przeprowadzonych na próbkach, a zatem nie moga odzwierciedlac zachowania sie gotowych konstrukcji pod obciazeniem.

Ksztalt wykresu rozciagania zalezy od rodzaju materialu, I tak materialy plastyczne (czyli miekkie stale, stopy miedzi, aluminium, itp.) charakteryzuja sie wykresami podobnymi do pokazanego na rysunku ponizej. Materialy kruche (stale utwardzone, zeliwa, itp.) nie posiadaja wcale wyraznej granicy plastycznosci – ich wykres jest to linia prosta, zakonczona lukiem.

Wskazniki wytrzymalosci sa ilorazem sily w okreslonej chwili badania i poczatkowej powierzchni przekroju poprzecznego (So) próbki.

• 1. Wytrzymalosc na rozciaganie Rm - jest to naprezenie, powodujace przyrost odksztalcenia plastycznego odpowiadajace najwiekszej sile Fm.
• 2. Wyrazna granica plastycznosci Re – jest to naprezenie, powodujace przyrost odksztalcenia plastycznego bez wzrostu sily.

  Wyróznia sie:

  • górna granice plastycznosci ReH – najwieksze naprezenie w zakresie wystepowania wyraznej granicy plastycznosci.
  • dolna granice plastycznosci ReL – najmniejsze naprezenie w zakresie wystepowania wyraznej granicy plastycznosci, z pominieciem poczatkowego efektu przejsciowego.
• 3. Umowna granica plastycznosci Rp – nazywana w normie naprezeniem granicznym przy przyroscie nieproporcjonalnym – jest to naprezenie okreslone podczas trwania próby, powodujacy nieproporcjonalny przyrost wydluzenia równy umownemu procentowi poczatkowej dlugosci pomiarowej próbki Lo lub ekstensometru Le. Jest to naprezenie, powodujace przyrost odksztalcenia plastycznego bez wzrostu sily.

Wskazniki wytrzymalosci:

Wskazniki plastycznosci obliczane sa na podstawie zmiany wymiarów próbki podczas próby, po jej odciazeniu lub zerwaniu.

• 1. Wydluzenie procentowe po zerwaniu A – jest to trwale wydluzenie dlugosci pomiarowej zmierzone po zerwaniu (Lu – Lo), wyrazone w procentach poczatkowej dlugosci pomiarowej Lo.
  
• 2. Wydluzenie calkowite procentowe At przy rozerwaniu – jest to wydluzenie calkowite (sprezyste i plastyczne) dlugosci pomiarowej podczas trwania próby w momencie rozerwania, wyrazone w procentach poczatkowej dlugosci pomiarowej Lo
• 3. Przewezenie procentowe Z – jest to najwieksza zmiana powierzchni poczatkowej przekroju poprzecznego, która stwierdzono po rozerwaniu (So-Su), wyrazone w procentach poczatkowej powierzchni przekroju poprzecznego So

Zjawisko udaru – zjawisko, które moze wystepowac przy bardzo duzych przyspieszeniach wywolujacych gwaltowne zmiany predkosci badanej próbki czy tez czesci konstrukcji.

Próby udarowe – próby, które maja na celu stwierdzenie czy i w jakim stopniu zwiekszenie szybkosci obciazenia, a zatem i szybkosci odksztalcenia, wplywa na przejscie materialu w stan kruchy.

Doswiadczenie wykazuje, ze metale przy zwiekszonej szybkosci odksztalcenia wykazuja oprócz tego ogólna tendencje do podwyzszonej granicy plastycznosci i wytrzymalosci. Ogólnie, niska temperatura wplywa na przejscie materialu w stan kruchosci. W podwyzszonych temperaturach istnieja pewne charakterystyczne przedzialy temperatur, w których przejawia sie sklonnosc metalu do kruchosci, co praktycznie wykrywa sie za pomoca udarowego zginania w podwyzszonej temperaturze.

Próba udarnosci - polega na zlamaniu jednym uderzeniem mlota wahadlowego próbki z karbem o okreslonym ksztalcie i wymiarach. Udarnosc zalezy nie tylko od przekroju próbki So, ale takze od jej ksztaltu, wymiarów próbki i karbu, stanu powierzchni, temperatury badania, predkosci obciazenia.

Polska norma PN-69/H-04-04370 przewiduje do udarnosci trzy typy próbek:

• Tyou Menager
• Typu ISO Charpy U
• Typu ISO Charpy V

• W próbie tej próbki powinny miec dlugosc 55 [mm] i przekrój poprzeczny kwadratowy o boku 10 [mm]. W polowie dlugosci powinien znajdowac sie karb. Rozróznia sie dwa rodzaje karbów:

  • karb w ksztalcie litery V
  • karb w ksztalcie litery U

  Ksztalty i wymiary próbek opisuje norma PN-EN 10045-1. Próbki powinny byc ze wszystkich stron obrobione mechanicznie. Wyjatkowo w przypadku precyzyjnego odlewania próbek, dwie powierzchnie równolegle do plaszczyzny symetrii karbu moga byc nieobrobione. Obróbka mechaniczna próbki powinna byc przeprowadzona w taki sposób, aby starzenie, np.: spowodowane zgniotem na zimno lub przez nagrzanie, zostalo ograniczone do minimum.
  
  Plaszczyzna symetrii karbu powinna byc prostopadla do wzdluznej osi próbki. Karb powinien byc wykonany starannie tak - by wzdluz dna karbu nie byla widoczna golym okiem zadna rysa. Próbka moze byc oznakowana na dowolnej powierzchni nie stykajacej sie z podporami lub przyporami w odleglosci co najmniej 5 [mm] od karbu, aby uniknac wplywu zgniotu na zimno spowodowanego znakowaniem.

  Standardowe warunki badania powinny odpowiadac poczatkowej energii maszyny 300 ±10 [J] i stosowaniu próbki o standardowych wymiarach. Energie zuzyta na zlamanie próbki oznacza sie za pomoca symboli:

  • KV - dla próbki z karbem V
  • KU - dla próbki z karbem U

  Przykladowo zapis: KV = 121 J oznacza, ze poczatkowa energia wynosila 300 [J], w próbie uzyto standardowa próbke z karbem V, a energia lamania równa byla 121 [J].

  

  1. Próbka, 2. Mlot, 3. Skala, 4. Wskaznik, 5. Podstawa

  Pomiary twardosci:

  Pomiary twardosci metoda statyczna polegaja na powolnym wgniataniu w badany material wglebnika o okreslonym ksztalcie pod dzialaniem okreslonej sily. W ten sposób uzyskuje sie miejscowe odksztalcenie materialu, zlozone ze skladowej sprezystej oraz plastycznej.
  Wynik pomiaru zalezy od wartosci odksztalcenia plastycznego, w szczególnosci zas od wielkosci powierzchni uzyskanego odcisku lub jego glebokosci.

  Do najczesciej stosowanych metod statycznych pomiaru twardosci naleza metody:

  • Brinella
  • Rockwella
  • Vickersa

  Próba ściskania

  Dla materiałów kruchych, które znacznie lepiej reagują na ściskanie aniżeli na rozciąganie, podstawowa próbą badania własności mechanicznych jest próba właśnie ściskania.

  Jej celem jest wyznaczenie:

  • modułu sprężystości podłużnej przy ściskaniu,
  • umownej granicy sprężystości,
  • umownej granicy plastyczności.

  Umowna granice plastyczności wyznaczana jest dla materiałów, które nie wykazują wyraźnej granicy plastyczności. Materiały plastyczne podobnie jak podczas statycznej próby na rozciąganie - przy ściskaniu posiadają również granicę plastyczności. Obliczenie takiej granicy przy ściskaniu polega na wyznaczeniu siły, przy której próbka ulega skróceniu bez wzrostu obciążenia. Zjawisko to daje sie widzieć na tarczy lub na wykresie ściskania wykonywanego przez urządzenie samorejestrujące. Dla materiałów plastycznych próbę na ściskanie przeprowadza sie do momentu „płynięcia”, gdy dalsze ściskanie nie ma praktycznego zastosowania. Materiały kruche natomiast podczas ściskania nie wykazują granicy plastyczności, ponieważ ulęgają zniszczeniu.

  Do statycznej próby ściskania używa sie próbek w kształcie walca:

  

  Średnica zewnętrzna próbki do zależy od wymiarów i kształtu materiału, z którego pobrano odcinki prób a także od maksymalnej siły ściskającej maszyny wytrzymałościowej. Polska Norma PN–57/H–04320 zaleca stosowanie próbek o średnicy do równiej 10, 20 lub 30 [mm]. Wysokość powinna zazwyczaj wynosić 1,5do. Próbkę zwykle wykonuje się z wyrobu lub półwyrobu przez obróbkę mechaniczną – można tu zastosować również prasowanie lub odlanie. Wycinanie próbek należy prowadzić sposobem mechanicznym, należy unikać wycinania próbek palnikiem acetylenowym, a w przypadku takiej konieczności należy przewidzieć odpowiednie naddatki na obróbkę mechaniczna, eliminującą strefy przegrzane. Końcowa obróbka próbek powinna być wykonana za pomocą skrawania i szlifowania. Próbki do badan powinny mieć płaszczyzny czołowe równoległe i prostopadłe do osi próbki.

  Konstrukcja maszyny powinna zapewniać spełnienie następujących warunków:

  • zapewniać osiowe obciążenie próbki (poprzez konstrukcje uchwytów),
  • zapewniać wzrost obciążenia w sposób ciągły, jednostajny, bez uderzeń i skoków, z możliwością płynnej regulacji szybkości przyrostu odkształcenia,
  • zapewnić utrzymanie stałego obciążenia przez okres co najmniej 30 sekund.

  Powyższym warunkom odpowiadają maszyny o napędzie mechanicznym i hydraulicznym.

  

  W przypadku ściskania metalu plastycznego w początkowym okresie ściskania, skrócenia próbki są proporcjonalne do naprężeń i podobnie jak przy rozciąganiu występuje granica sprężystości i granica proporcjonalności.

  

  Wykres ściskania w przypadku metali plastycznych

  Na wykresie krzywej ściskania występuje najpierw prostoliniowy odcinek OA, wyrażający liniową zależność pomiędzy siłą a odkształceniem. Punkt A odpowiada sile, przy której pojawia sie granica proporcjonalności materiału, która w praktyce utożsamiana jest z granicą sprężystości. Po przekroczeniu tej granicy na wykresie pojawia sie niewielki odcinek, gdzie wzrost deformacji jest szybszy. W pewnym momencie zauważono zatrzymanie sie wskazówki siłomierza, a nawet siły obciążającej przy szybszym wzroście odkształcenia. Zjawisko to można obserwować na wykresie ściskania (punkt B). Naprężenia odpowiadające punktowi B wykresu nazywamy granicą plastyczności.

  Zwiększenie siły obciążającej po przekroczeniu granicy plastyczności powoduje coraz wyraźniejsze pęcznienie próbki, objawiające sie stałym wzrostem przekroju poprzecznego.

  Krzywa wykresu ściskania szybko zaczyna wzrastać i asymptotycznie dążyć do prostej poprowadzonej równolegle do osi obciążeń w punkcie odpowiadającym skróceniu równemu pierwotnej wysokości próbki. Pomimo spłaszczenia próbki prawie „na maksimum nie widać na niej oznak zniszczenia Tylko dla niektórych metali - to jest mniej plastycznych na powierzchni bocznej pojawiają się drobne rysy. Przyczyna tych pęknięć są często naprężenia rozciągające, a nie ściskające, które powstają wskutek przyjmowania przez próbkę kształtu beczkowatego. Pęknięcia te nie mogą być podstawą do wyznaczenia wytrzymałości na ściskanie. Wytrzymałości na ściskanie dla metali plastycznych nie wyznacza sie, ponieważ próbki dla tych metali nie ulegają zniszczeniu.

  Próbę ściskania metali plastycznych najczesciej przerywa sie z powodu wyczerpania zakresu maszyny wytrzymałościowej. W przypadku ściskania metalu kruchego jak żeliwo czy hartowana stal - lub betonu czy szkła, w początkowym okresie ściskania występuje najpierw prawie prostoliniowy odcinek, który jest lekko odchylony od osi sił. Następnie wykres coraz bardziej zakrzywia sie, urywając sie nagle w pewnym punkcie z powodu zniszczenia próbki. Kształt próbki bezpośrednio przed zniszczeniem jest lekko beczkowaty. Świadczy to o istnieniu niewielkich odkształceń plastycznych. Jednak materiały kruche nie wykazują granicy plastyczności. Niszczenie ściskanego materiału kruchego rozpoczyna sie u podstaw próbek. W przypadku kruszenia sie części bocznych odsłaniają sie nienaruszone części próbki w postaci stoków. Większość metali i ich stopów doznaje podczas ściskania pęknięcia poślizgowego (ścięcie). Pękniecie poślizgowe poprzedzone jest odkształceniami trwałymi wywołanymi naprężeniami stycznymi występującymi w przekrojach nachylonych pod katem 45° do kierunków naprężeń głównych i zachodzi pod kątem zbliżonym do kąta nachylenia tych przekrojów. Metalami wykazującymi pęknięcia poślizgowe jest np. mosiądze. Niektóre metale i ich stopy ulęgają podczas próby ściskania pęknięciu rozdzielczemu. Pękniecie to zachodzi w przekrojach prostopadłych do kierunków głównych wydłużenia. Wyniki prób na ciskanie są porównywalne na próbkach geometrycznie podobnych.

  Pomiar twardości Brinella

  Metode ta przeprowadza sie przy uzyciu twardosciomierza Brinella.

  Pomiar twardosci sposobem Brinella polega na wciskaniu kulki stalowej hartowanej lub z weglików spiekanych o srednicy D w plaska, dostatecznie gladka powierzchnie przedmiotu pod obciazeniem F, prostopadlym do tej powierzchni oraz na zmierzeniu, po odciazeniu kulki, srednicy d pozostalego na powierzchni badanego przedmiotu trwalego odcisku kulki.

  

  Zasada pomiaru twardosci sposobem Brinella

  Twardosc Brinnela jest ilorazem sily obciazajacej [kG] i pola powierzchni odcisku [mm2]

  

  gdzie:

  • F - sila obciazajaca [kG]
  • D - srednica kulki [mm]
  • srednia srednica odcisku [mm]
  • glebokosc odcisku [mm]

  Twardosc Brinella oznacza sie symbolem HBW.

  Symbol HBW poprzedzony jest wartoscia twardosci i uzupelniany przez indeks wskazujacy przyjete warunki próby, tj. srednice kulki, liczbe okreslajaca sile obciazajaca oraz czas dzialania pelnego obciazenia jesli jest on dluzszy niz 15 sekund, np. 500 HBW 10/3000/20 oznacza twardosc równa 500 jednostek, zmierzona za pomoca kulki z weglików spiekanych o srednicy 10 mm, przy zastosowaniu sily obciazajacej 3000 kG i czasie obciazenia 20 sekund.

  Pomiar twardości Rockwella

  Pomiar twardosci sposobem Rockwella polega na dwustopniowym wciskaniu w badany przedmiot wglebnika jakim jest stozek diamentowy o kacie 120° i promieniu krzywizny wierzcholka 0,2 [mm] lub kulka (stalowa lub z weglików spiekanych) o srednicy 1,5875 [mm] lub 3,175 [mm] i pomiarze trwalego przyrostu glebokosci odcisku h pod dzialaniem okreslonej sily po usunieciu glównej sily obciazajacej.

  
  • 1. glebokosc odcisku pod wplywem wstepnej sily obciazajacej F0
  • 2. glebokosc odcisku pod wplywem glównej sily obciazajacej F1
  • 3. sprezysty powrót po usunieciu glównej sily obciazajacej F1
  • 4. trwaly przyrost glebokosci odcisku
  • 5. powierzchnia próbki
  • 6. plaszczyzna odniesienia

  Twardosc Rockwella oblicza sie z wartosci h i dwu wartosci stalych N i S wg wzoru:

  Twardosc= N- (h/S)

  gdzie:

  • N - stala liczbowa, odpowiednia do skali
  • S - jednostka skali, odpowiednia do skali
  • h - trwaly przyrost glebokosci odcisku pod dzialaniem wstepnej sily obciazajacej po usunieciu sily obciazajacej glównej(wartosci N i S podano w tabeli ponizej)

  Symbol	Wartosc N	Wartosc S
  HRA	100	0,002
  HRC
  HRD
  HRB	130
  HRE
  HRF
  HRG
  HRH
  HRK
  HRN	100	0,001
  HRT

  Pomiar twardości Vickersa

  Pomiar twardosci sposobem Vickersa polega na wciskaniu foremnego czworokatnego ostroslupa diamentowego o kacie dwusciennym 136° w plaska dostatecznie gladka powierzchnie przedmiotu pod obciazeniem F prostopadlym do tej powierzchni oraz zmierzeniu (po odciazeniu ostroslupa) przekatnych d1 i d2 powstalego kwadratu na badanej powierzchni.

  

  Zasada pomiaru twardosci metoda Vickersa: a) wglebnik, b) odcisk wglebnika

  W zaleznosci od wartosci obciazenia rozróznia sie trzy zakresy skali Vickersa

  Zakres sily obciazajacej F [N]	Symbol twardosci	Oznaczenie
  49,03 = F	= HV 5	Próba twardosci Vickersa
  1,961 = F = 49,03	od HV 0,2 do < HV 5	Próba twardosci Vickersa przy malej sile obciazajacej
  0,09807 = F < 1,961	od HV 0,01 do < HV 0,2	Próba mikrotwardosci Vickersa

  Twardosc Vickersa jest proporcjonalna do ilorazu sily obciazajacej i pola powierzchni odcisku, którego ksztalt przyjmuje sie jako ostroslup o podstawie kwadratowej, o takim samym kacie jaki ma wglebnik.

  

  gdzie:

  • d - srednia arytmetyczna dwóch przekatnych d1 i d2

  Twardosc Vickersa traktuje sie jako wielkosc bezwymiarowa, a zamiast jednostki twardosci [kG/mm2] podaje sie wprost symbol HV. Po symbolu HV nalezy podac wartosc obciazenia w kG i czas dzialania w s w przypadkach, gdy obciazenie jest inne od 294 [N] (30 [Kg]) i czas dzialania obciazenia calkowitego jest inny niz 10 - 15 [s]. Przykladowo zapis postaci 640 HV 10/30 oznacza ze twardosc Vickersa materialu wyniosla 640 zmierzona pod obciazeniem 10 [Kg] w czasie dzialania obcizenia 30 [s].