Îndrumar de laborator – Ştiinţa şi Ingineria Materialelor

LUCRAREA NR. 5 ÎNCERCAREA LA TRACŢIUNE

1. PRINCIPIUL LUCRĂRII

Pentru a evidenţia particularităţile comportării materialelor metalice policristaline solicitate mecanic se foloseşte (ca încercare de referinţă) încercarea la tracţiune. Condiţiile şi modul de realizare a încercării la tracţiune şi caracteristicile mecanice care se pot determina prin această încercare sunt reglementate prin standardul SR EN 10002 (care reprezintă versiunea în limba română a standardului european EN 10002).

Încercarea la tracţiune este o încercare statică, executată pe epruvete confecţionate din materialul metalic care se cercetează, având forma şi dimensiunile prescrise în SR EN 10002. Epruvetele folosite în mod obişnuit au configuraţia prezentată în figura 1; aceste epruvete au o porţiune centrală, cu secţiunea circulară (epruvete rotunde) sau dreptunghiulară (epruvete plate), calibrată (cu dimensiuni precise) şi două capete de prindere (pe maşina cu care se realizează încercarea), cu diverse configuraţii (cilindrice, conice, cilindrice filetate, plate, plate cu orificii pentru bolţuri etc.). Pe porţiunea calibrată a epruvetelor se trasează (înainte de încercare) două repere la distanţa L0; de regulă, distanţa (lungimea) iniţială între repere L0 se alege în funcţie de aria secţiunii transversale iniţiale a porţiunii calibrate S0, utilizând relaţia , iar epruvetele astfel dimensionate se numesc epruvete proporţionale (de obicei, se ia k 5,65, ceea ce este echivalent, pentru epruvetele rotunde, cu L0 5d0).

Fig. 1 Epruvete pentru încercarea la tracţiune

În timpul încercării la tracţiune, pe direcţia axei longitudinale a unei epruvete realizate conform prescripţiilor anterior prezentate, se aplică o forţă de tracţiune F, crescătoare ca intensitate, care produce deformarea progresivă şi, în final, ruperea epruvetei. Maşina folosită pentru realizarea încercării la tracţiune este prevăzută cu dispozitivele necesare pentru a măsura şi/sau înregistra (pe toată durata încercării) intensitatea forţei aplicate F şi deformaţiile liniare (lungirile sau extensiile) produse epruvetei L L - L0, L fiind distanţa (lungimea) între reperele epruvetei la aplicarea forţei de tracţiune cu intensitatea F. Prin măsurarea secvenţială sau înregistrarea continuă a valorilor mărimilor F şi L, se poate construi curba dependenţei F g(L), numită diagrama încercării la tracţiune (DIT) sau diagrama forţă - alungire (extensie). Reprezentând în coordonate

rectangulare variaţia tensiunii (convenţionale) în funcţie de alungirea specifică sau în

1

Îndrumar de laborator – Ştiinţa şi Ingineria Materialelor

funcţie de alungirea procentuală , se obţine o curbă f(), numită curba caracteristică

convenţională la tracţiune (CCCT) sau curba caracteristică tensiune-deformaţie specifică a materialului cercetat. CCCT are în mod obişnuit una din configuraţiile prezentate în figura 2.

Cu ajutorul CCCT (construită pe baza încercării la tracţiune) se pot evidenţia particularităţile comportării oricărui material metalic solicitat mecanic şi se pot defini o serie de caracteristici mecanice (folosite drept caracteristici de referinţă la proiectarea pieselor din materialul respectiv), aşa cum se prezintă în continuare:

a) La începutul încercării la tracţiune CCCT este liniară (are configuraţia unei drepte care trece prin originea sistemului de coordonate), fapt ce indică existenţa unei proporţionalităţi stricte între mărimile şi şi, deci, o comportare elastică a materialului supus încercării; deoarece la începutul încercării materialul respectă legea lui Hooke ( E), panta CCCT, măsurată în originea sistemului de coordonate, este chiar modulul de elasticitate longitudinală al materialului (tg E, v.fig. 2).

b) Pe măsură ce creşte intensitatea forţei de tracţiune F, materialul supus încercării începe să sufere deformaţii plastice, dependenţa dintre şi nu mai este liniară şi configuraţia CCCT se modifică.

La unele materiale metalice începutul procesului de deformare plastică este caracterizat printr-o curgere a materialului (deformare plastică fără ecruisare) şi pe CCCT se înregistrează un palier (v. figura 2 a); tensiunea la care se produce creşterea deformaţiilor specifice ale materialului fără a se mări intensitatea solicitării (tensiunea la care are loc fenomenul de curgere sau tensiunea corespunzătoare palierului înregistrat pe CCCT) este denumită limită de curgere aparentă şi notată Re.

Multe materiale metalice nu manifestă un fenomen de curgere aparentă, CCCT corespunzătoare acestora neprezentând variaţii bruşte ale pantei la instaurarea procesului de deformare plastică, ci numai modificări continue, care evidenţiază creşterea ponderii deformaţiilor plastice şi apariţia fenomenului de ecruisare (v. figura 2 b). La astfel de materiale se poate defini o limită de curgere convenţională (notată Rp), ca fiind tensiunea la care alungirea specifică neproporţională (de natură plastică, notată p în fig. 2 b) atinge o valoare prescrisă; în mod uzual, limita de curgere convenţională se determină pentru o alungire procentuală neproporţională p 0,2 % şi se notează Rp0,2.

În unele cazuri, în locul limitei de curgere convenţionale se definesc caracteristici echivalente:

* limita de alungire remanentă Rr - tensiunea corespunzătoare unei alungiri specifice remanente (măsurate după descărcarea epruvetei, r p, v. fig. 2 b) prescrise; în mod uzual, R r

se determină pentru o alungire procentuală remanentă r 0,2 % şi se notează Rr0,2;

* limita de extensie convenţională Rt - tensiunea la care alungirea specifică totală (de natură elasto-plastică, e p, v. fig. 2 b) atinge o valoare prescrisă; de obicei, R t se determină pentru o alungire procentuală totală 0,5 % şi se notează Rt0,5.

c) Mărind tensiunile de solicitare peste limita de curgere, are loc deformarea plastică uniformă a porţiunii calibrate a epruvetei. La o anumită valoare a forţei de solicitare la tracţiune, într-o zonă oarecare a porţiunii calibrate se produce gâtuirea epruvetei (micşorarea secţiunii transversale a epruvetei datorită deformării plastice excesive). Solicitând în continuare epruveta, gâtuirea se accentuează şi, la epuizarea capacităţii de deformare plastică a materialului, survine ruperea acesteia. Tensiunea corespunzătoare forţei maxime (Fmax) de solicitare a epruvetei înainte de rupere ,

se numeşte rezistenţă la tracţiune (sau rezistenţă la rupere) şi se notează Rm ( );

rezistenţa la tracţiune este o caracteristică convenţională a materialului supus încercării, deoarece se

2

Îndrumar de laborator – Ştiinţa şi Ingineria Materialelor

calculează raportând forţa Fmax, aplicată într-un moment precedent momentului ruperii, la o arie S0, diferită de aria reală a epruvetei solicitate de Fmax (v. fig. 2).

Fig. 2 Curbe caracteristice conventionale la tracţiune (CCCT): a - la materialele care prezintă curgere aparentă; b - la materialele fără curgere aparentă

d) Aşezând cap la cap cele două părţi ale epruvetei rupte la încercarea la tracţiune şi măsurând dimensiunile acesteia, se determină distanţa (lungimea) ultimă între reperele din porţiunea calibrată Lu şi aria secţiunii transversale în zona (gâtuită) în care s-a produs ruperea (aria minimă a secţiunii după rupere) Su şi se pot defini încă două caracteristici mecanice ale materialului încercat:

* alungirea procentuală după rupere (sau alungirea la rupere), A:

[%]; (1)

* coeficientul de gâtuire (numit şi gâtuire sau stricţiune), Z:

[%]. (2)

Din datele prezentate anterior reiese că, folosind rezultatele încercării la tracţiune se pot determina o serie de caracteristici mecanice importante ale materialelor metalice: modulul de elasticitate longitudinală E; limita de curgere (aparentă Re sau convenţională Rp) sau caracteristicile echivalente acesteia (limita de alungire remanentă R r sau limita de extensie convenţională Rt); rezistenţa la tracţiune Rm; alungirea procentuală după rupere A; coeficientul de gâtuire Z şi se pot face aprecieri calitative şi cantitative privind proprietăţile de elasticitate şi plasticitate ale acestora.

Astfel, capacitatea de deformare elastică a oricărui material metalic se poate exprima cantitativ prin valoarea energiei Ue, care poate fi înmagazinată de material în procesul de deformare elastică şi poate fi eliberată la înlăturarea solicitărilor care au produs deformarea. Valoarea energiei U e

corespunde ariei de sub porţiunea liniară a CCCT (aria domeniului triunghiular OCB, v. fig. 2 a) şi va fi dată de o relaţie de forma:

. (3)

De asemenea, capacitatea de deformare plastică a unui material metalic se poate exprima cantitativ prin valoarea energiei Up, care poate fi preluată de material în procesul de deformare plastică a acestuia înainte de rupere. Valoarea energiei Up, ce exprimă tenacitatea unui material sau capacitatea de deformare plastică a unui material înainte de rupere, corespunde ariei de sub

3

Îndrumar de laborator – Ştiinţa şi Ingineria Materialelor

porţiunea neliniară a CCCT (aria domeniului BCDE, aproximativ egală cu aria domeniului OCDE’, v. fig. 2 a) şi este direct proporţională cu limita de curgere, cu alungirea procentuală după rupere şi cu diferenţa (sau raportul) dintre rezistenţa la tracţiune, Rm şi limita de curgere corespunzătoare materialului, Re.

2. MODUL DE LUCRU ŞI APARATURA NECESARĂ

Pentru efectuarea încercării la tracţiune se va utiliza maşina universală pentru încercări mecanice de 30 tf (300 kN) a cărei schemă de principiu este redată în figura 3.

Fig. 3 maşina universală pentru încercări mecanice1 – epruvetă, 2 – sistem de acţionare, 3,4 – sistem de măsurare a forţei,

5,6 – sistem de măsurare a lungimii

Etapele de lucru şi aparatura necesară realizării practice, pentru un aliaj, sunt exemplificate în următoarea succesiune de imagini:

1. Montarea epruvetei între bacurile maşinii şi eliminarea jocurilor dintre epruvetă şi bacuri

Citirea şi înregistrarea rezultatelor

Fig. 4 Maşina universală pentru încercări mecanice

4

Bacuri de prindere

Epruvetă

Îndrumar de laborator – Ştiinţa şi Ingineria Materialelor

2. Aplicarea progresivă a forţei axiale de tracţiune – se urmăreşte evoluţia epruvetei

a. b.Fig. 5 Evoluţia epruvetei

a – gâtuirea epruvetei, b – ruperea epruvetei

3. Determinarea rezultatelor experimentale

Fig. 6 Citirea rezultatelor:

- forța la care are loc fenomenul de curgere (Fc )

- forța maximă (Fmax)

Fig. 7 Determinarea lungimii (între reperele trasate anterior pe epruvetă) ultime Lu

Fig. 8 Determinarea diametrului ultim du

5

ac martor(indică forța maximă)

ac indicator(indică forta la care are loc

fenomenul de curgere şi forta de rupere)

Îndrumar de laborator – Ştiinţa şi Ingineria Materialelor

De asemenea laboratorul dispune de o maşină pentru încercări modernă (fig. 8).

Fig. 9 Maşina pentru încercări de tracţiune INSTRON 8001

3. SCOPUL LUCRĂRII

Scopul lucrării este îmbogăţirea cunoştinţelor teoretice ale studenţilor şi familiarizarea cu elementele de lucru practic, necesare efectuării încercării la tracţiune şi interpretării rezultatelor, cunoaşterea construcţiei şi funcţionării maşinii de încercat la tracţiune, realizarea unei încercări la tracţiune și determinarea caracteristicilor mecanice:

cunoaşterea construcţiei şi funcţionării maşinii de încercat la tracţiune efectuarea încercării la tracţiune; trasarea curbei caracteristice a materilului epruvetei şi determinarea caracteristicilor

convenţionale la tracţiune; determinarea caracteristicilor de elasticitate, plasticitate şi a comportării la rupere ale

materialului epruvetei.

4. CONŢINUTUL REFERATULUI

Referatul va cuprinde următoarele:

tipul epruvetei utilizate (formă şi dimensiuni, schiţă); materialul epruvetei şi caracteristici mecanice conform standardelor respective; rezultatele determinărilor şi analiza comparativă a rezultatelor experimentale şi a indicaţiilor

standardelor de materiale; observaţii privind comportarea la rupere a materialului încercat.

6

Îndrumar de laborator – Ştiinţa şi Ingineria Materialelor

UNIVERSITATEA PETROL-GAZE DIN PLOIEŞTIFACULTATEA: I.M.E. DISCIPLINA: STUDIUL ŞI INGINERIA MATERIALELOR DATA ...............................

FIŞA LUCRĂRII NR. 5

Tema: Încercarea la tracţiune a materialelor metalice.

Utilaj: marca ................................. provenienţa ................................. anul fabricaţiei .......................

caracteristici tehnice: forţa maximă ................

data ultimei verificări metrologice ..................

Epruveta:Materialul epruvetei

Marca:

Caracteristici mecanice:

Compoziţie chimică:

Modulul lui Young, E =

Dimensiunile epruveteiLungimea iniţială între repere a epruvetei, L0 =

Diametrul iniţial al epruvetei, d0 =

Rezultate experimentaleForţa la care are loc fenomenul de curgere, Fc =

Forţa maximă, Fmax =

Lungimea finală între repere a epruvetei Lu =

Diametrul final al epruvetei du =

7

Schiţa epruvetei cu secţiune circulară

Îndrumar de laborator – Ştiinţa şi Ingineria Materialelor

Prelucrarea datelor experimentale

Rezistenţă la tracţiune, =

Limită de curgere aparentă,

Capacitatea de deformare elastică,

Alungirea procentuală după rupere, =

Coeficientul de gâtuire,

Interpretarea rezultatelor:

Întocmit: Verificat:Nume ................Prenume ............Grupa..................Semnătura............

8