UNIVERZITET U TUZLI – MAŠINSKI FAKULTET

S E M I N A R S K I R A D

Tema: ISPITIVANJE NA ZATEZANJEPredmet: TEHNOLOGIJA PLASTIČNOSTI I

1. UVOD

Značaj ispitivanja materijala za razvoj tehnike, te današnja dostignuća na polju gradnje automobila, željeznica, brodova, turbina itd. je veliki. Ispitivanja materijala se ne vrše samo radi utvrđivanja osobina prilikom proizvodnje ili prijema već i u svrhu utvrđivanja načina upotrebe i odgovornosti, ali i u cilju poboljšanja osobna kako bi se dobili materijali za nove proizvode, odnosno nova područja primjene. Svakodnevni tehnički razvoj prati izvođenje novih i usavršavanje postojećih metoda i postupaka ispitivanja, kao i opća težnja za njihovu međunarodnu primjenu.

Temeljni zadaci ispitivanja materijala su:

- određivanje pogodnih veličina za karakterizaciju svojstavamaterijala i njihovo kvantitativno izražavanje u obliku upotrebljivih karakteristika;

- kontinuirana i široka automatizirana kontrola promjena svojstava materijala, koje nastaju kod proizvodnje, prerade i obrade materijala s otkrivanjem mogućih grešaka materijala;

- periodična kontrola stanja materijala nakon određenog vremena eksploatacije;

- istraživanje slučajeva raznih oštećenja i uzroka lomova mašinskih dijelova u eksploataciji;

Ispitivanje materijala se ne vrši samo radi utvrđivanja svojstava prilikom proizvodnje, ili prijema; već i vrlo često radi raznih ekspertiza usvrhu utvrđivanja načina upotrebe i odgovornosti koja nastaje usljed necjelishodne upotrebe. U razvojnim centrima većih industrijskih preduzeća i naučno-istraživačkim institutima ispitivanja se vrše u cilju što potpunijegupoznavanja svojstava metala, kao i u cilju poboljšanja tih svojstava kako bise dobili materijali za nove proizvode, odnosno nova područja primjene.

Sve veći broj raznovrsnih materijala u primjeni i sve oštriji zahtijevi upogledu kvaliteta nametnuli su potrebu da se izvrši standardizacija i propišu osnovna svojstva raznih vrsta materijala, a samim tim i standardizacija postupaka ispitivanja.Podjela ispitivanja materijala se vrši na osnovu svojstava materijala, pa tako imamo sljedeće vrste ispitivanja materijala:

- mehanička ispitivanja

- tehnološka ispitivanja

- ispitivanja bez razaranja

1

- metalografska ispitivanja

- hemijska ispitivanja

- fizička ispitivanja

2. ISPITIVANJE ZATEZANJEM

Ispitivanje zatezanjem je najznačajniji način ispitivanja materijala u cilju određivanja mehaničkih svojstava materijala, kao što su svojstva čvrstoće: napon tečenja Rc i zatezna čvrstoća Rm. Istovremeno sa ispitivanjem svojstava čvrstoće možemo dobiti i podatke o mogućnosti deformisanja materijala: izduženje A i suženje Z.

Ispitivanje zatezanjem izvodi se na mašini za ispitivanje zatezanja koja treba da obezbjedi ravnomjerno prenošenje sile na epruvetu uglavljenu u čeljusti mašine. Epruveta se u podužnom pravcu izlaže zateznim silama do prekida, pri čemu se na uređaju za registrovanje opterećenja prati tok promjene sile.

Slika 1. Kidalica Zwick Z400E – 400 kN

Za ispitivanje zatezanjem potrebno je izraditi epruvete. Epruvete mogu biti različitih dimenzija i različitih poprečnih presjeka: kružnog, pravougaonog i kvadratnog presjeka. Krajevi epruvete su većeg presjeka i služe za vezu sa mašinom za ispitivanje – kidalicom. Ispitivanje zatezanjem ponekad se izvodi na gotovim elementima i dijelovima konstrukcija, koji su pri eksploataciji izloženi zateznim naprezanjima, da bi im se ustanovila nosivost, odnosno sila potrebna da izazove prekid.

2

Slika 2. Oblik i mjere epruvete za ispitivanje zatezanjem

Po pravilu, naročito za tačnija ispitivanja, od materijala ili elementa koji se ispituje, izrađuju se epruvete cilindričnog ili prizmatičnog oblika. Srednji dio epruvete ima manju površinu poprečnog presjeka od krajeva kako bi se osiguralo da prekid nastane u srednjem – mjernom dijelu. Kod epruveta, čija je mjerna dužina u odnosu na površinu poprečnog presjeka dovoljno velika i kod kojih je prelaz od srednjeg dijela ka krajevima postepen, može se smatrati da su podužni – normalni naponi, po presjeku srednjeg dijela epruvete, ravnomjerno podijeljeni, što omogućava jednostavno i očigledno tumačenje rezultata ispitivanja.

Idealan slučaj homogenog naprezanja, sa čistim normalnim naponima, nastaje samo u ravnima presjeka upravnim na osu epruvete. U svim drugim ravnima, pored normalnih, nastaju i smičući naponi. Najveću vrijednost smičući naponi imaju u ravnima koje su za 450 nagnute prema osi epruvete. Ispitivanje zatezanjem, u poređenju sa ostalim statičkim postupcima ispitivanja čvrstoće, pruža najpotpuniju sliku o mehaničkim svojstvima metala pa se stoga najčešće primjenjuje. Ono se može izvoditi dok se potpuno ne iscrpi sposobnost deformisanja metala, pa se time mogu dobiti brojni podaci o svojstvima otpornosti a istovremeno i karakteristični podaci za mogućnost deformisanja materijala.

2.1 Ϭ-Ԑ dijagram – napon – jedinično izduženje

Ponašanje materijala pri ispitivanju zatezanjem može se pratiti na dijagramu kidanja. Dijagram kidanja crta mašina za vrijeme ispitivanja. Na ordinati registruje se sila F (N) a na apcisnoj osi trenutno ∆l (mm) u odgovarajućoj razmjeri.

Da bi se otklonio uticaj dimenzija probnog uzorka, konstruiše se, na osnovu dijagrama kidanja, dijagram napon Ϭ – jedinično izduženje Ԑ.

3

Slika 3. Hookov dijagram

Pri porastu sile, epruveta se deformiše – izdužuje, proporcionalno porastu sile, što znači da između sile i izduženja postoji linearna zavisnost (Hukov zakon).

Granični napon do kojeg je izduženje proporcionalno naponu naziva se granicom proporcionalnosti (tačka P na dijagramu). Ako se u području pravolinijskog porasta napona epruveta rastereti, nastala mala izduženja nestaju, a epruveta se vraća u svoju prvobitnu dužinu i oblik. Materijal se ponaša potpuno elastično. Napon koji ne prelazi vrijednost granice proporcionalnosti, praktično izaziva samo elastične deformacije pa se prema tome može poistovjetiti sa granicom elastičnosti. Granica elastičnosti određuje se kao napon pri kojem ostajnu trajne deformacije od 0,05% od početne dužine epruvete. Na dijagramu napon – jedinično izduženje, do tačke proprocionalnosti napon je proporcionalan deformaciji (prava) linija. Tangens ugla α, između prave (OP) i apcisne ose, definiše vrijednost modula elastičnosti E. U fizičkom smislu, modul elastičnosti predstavlja otpornost materijala prema deformaciji, tj. pomjeranje atoma iz njihovog ravnotežnog položaja u rešetki i određen je silama međuatomskih veza. Pri daljem porastu sile prestaje linearna zavisnost, te za jednake priraštaje sile izduženja su veća. Napon pri kojem izduženje počinje brže da raste naziva se granicom tečenja. Granica tečenja je određena naponom koji ostavlja trajnu – plastičnu deformaciju od 0,2% početne dužine probnog uzorka. Daljim povećavanjem napona, preko granice tečenja, dolazi do većih plastičnih deformacija, poprečni presjek se stalno i ravnomjerno smanjuje po cijeloj mjernoj dužini epruvete. Ako bismo epruvetu rasteretili od napona koji je nešto veći od napona tečenja, kriva na dijagramu napon – jedinično izduženje, vraća se i to paralelno sa krivom pri porastu napona ostavljajući trajnu deformaciju. Daljim povećanjem sile, napon raste

4

i dostiže maksimum, pa zatim opada sve dok se epruveta ne prekine. Maksimalna vrijednost napona naziva se zatezna čvrstoća Rm.

2.2. POKAZATELJI ČVRSTOĆE I PLASTIČNOSTI PRI ISPITIVANJU ZATEZANJEM

2.2.1. Zatezna čvrstoća – Rm

Statička čvrstoća pri ispitivanju zatezanjem naziva se zatezna čvrstoća. Ona predstavlja izračunati napon koji proizvodi maksimalna sila zatezanja FM na jedinicu površine prvobitnog presjeka epruvete:

Brzina porasta sile mora da bude takva, da specifično opterećenje zatezanjem u materijalu ne prelazi 10 Mpa u jednoj sekundi, u području do granice razvlačenja.

Slika 4. Položaj zatezne čvrstoće

2.2.2. Granica razvlačenja - Rv

Granična sila pri kojoj za male promjene vrijednosti sile nastaju osjetno veće promjene dužine nego do tada naziva se sila na granici razvlačenja Fv. Pod granicom razvlačenja podrazumjeva se izračunati napon koji proizvodi sila Fv na jedinicu površine prvobitnog presjeka epruvete:

Ako pri granici razvlačenja nastane osjetan pad sile razlikuju se gornja i donja granica razvlačenja. Gornja granica razvlačenja odgovara naponu pri kojem nastaje prvi prevoj krive napon – jedinično izduženje a donja granica razvlačenja onom naponu, koji se poslije dostizanja gornje granice razvlačenja, ustali za vrijeme primjetnog izduživanja.

5

Slika 5. Položaj granice razvlačenja

2.2.3. Tehnička granica razvlačenja

Ako granica razvlačenja pri ispitivanju zatezanjem nije oštro istaknuta, umjesto nje određuje se granica 0,2% (R0,2) tj. napon pri kojem trajno izduženje iznosi 0,2% prvobitne mjerne dužine.

2.2.4 Granica elastičnosti RE

Granica elastičnosti nekog materijala je granični napon od kojeg ne nastaju nikakve trajne deformacije. S obzirom na teškoće sa kojima je vezano precizno određivanje ovog graničnog napona. Još odavno je usvojeno da se kao praktična vrijednost granice elastičnosti uzima napon koji izaziva pouzdano mjerljivu malu vrijednost trajnog izduženja. Ove vrijednosti se kreću između 0,001% i 0,05% mjerne dužine.

2.2.5. Granica proporcionalnosti - Rp

Najveći napon pri kome još postoji proporcionalnost između napona i jediničnog izduženja naziva se granica proporcionalnosti. Kriva napon – jedinično izduženje do granice proporcionalnosti bit će prava linija. Pri porastu napona iznad ove granične vrijednosti, proporcionalnost između napona i jediničnog izduženja prestaje: izduženje, u odnosu na napon, počinje da raste brže. Pošto je ovaj prelaz sasvim postepen, odstupanja od proporcionalnosti ostaju najprije u granicama tačnosti mjerenja napona i deformacija tako da precizno određivanje granice proporcionalnsoti nije moguće ni pri upotrebi tačnosti mjerenja.

6

3. DEFORMACIJE

U toku procesa obrade deformisanjem dolazi do trajne promjene oblika i dimenzija početnog komada tj. pripremka. Veličina deformacije je kvantitativni pokazatelj ovih promjena na bazi kojih se direktno ili indirektno određuju i svi ostlali parametri procesa kao što su napon na granici tečenja deformaciona sila, deformacioni rad, i tako dalje. U praksi se koristi veči broj postupaka za izračunavanje deformacija.

U okviru vježbi potrebno je:

1. Prije istezivanja epruvete izmjeriti početne dimenzije:

a) Ukupna dužina ispitivanja lo

b) Širina epruvete bo

c) Debljina epruvete So

d) Dužinu pojedinih podioka

2. Izvršiti kidanje epruvete uz istovremeno snimanje (Ϭ-ε) dijagram.

3. Poslije stezanja izmjeriti promjene dimenzija:

a) mjernu dužinu kidanja L1

b) dužinu,debljinu,širinu podioka (l,b,s)

4. Na onsovu rezultata mjerenja potrebno je izračunati:

a) ukupnu apsolutnu i relativno izduženje epruvete (ΔL, εl)

b) relativno izduženje podioka (ε1 ε2 ε3 ...ε10)

c) logaritamsku deformaciju podioka po dužini, širini i debljini (l b s)

5. Promjena logaritamske deformacije Li te odrediti broj ravnomjerno deformisanih podioka epruvete lijevo i desno od mjesta lokalizacije (mjesta pukotine).

6. Izračunati maksimalno ravnomjerno izduženje (εLm).

Izračunati najveću ravnomjernu logaritamsku deformaciju (lM bM sM).

7. Na osnovu izmjerenih vrijednosti dvije dimenzije odrediti računsku debljinu lima (Srač). Te je uporediti sa izmjerenim vrijednostima.

7

8. Rezultati mjerenja i izračunavanje zbirno prikazati u tabeli.

4. KRIVA TEČENJA I PARAMETRI PLASTIČNOSTI

Pri projektovanju procesa obrade plastičnim deformacijama bitna osobina je poznbavanje odrađenih karakteristika obrađivanog materijala, među koje spadaju napon tečenja (specifični deformacioni otpor). Granična deformabilnost i ostali parametri plastičnosti, da bi se odredio napon na granici tečenja a na osnovu njega i ostali parametri plastičnosti neophodno je pozbavati odgovarajuću krivu tečenja. Ova kriva tečenja isključivo se određuje ekspirementalnim ispitivanjima. Uzimajući u obzir iz prvog djela labaratorijskih ispitivanja potrebno je odrediti parametre plastičnosti:

1. Odrediti:a) Odnos napona na granici razvalačenja i jačine materijala (aϬ)b) Kontrakciju predmeta na mjestu prekida (ψ)c) eksponent krive deformacionong ojačavanja (n)d) koeficijent normalne anizotropije (r)Na osnovu dobijenih rezultata dati ocjenu plastičnosti materijala.

2. Na snimljenom dijagramu istezanja (Ϭ-ε) ucrtati krivu napona tečenja (k-ε) za područje ravnomjerne deformacije.

3. Na osnovu ekspirementalnog određene krive tečenja nacrtati istu krivu zanemarujući elastične deformacije (dijagram k-).

4. Za poznati analitički oblik krive tečenja K=C *ϕn . Odrediti konstantu c i eksponent n na osnovu podataka kidanja epruvetate nacrtati krivu u širem dijapazonu informacija.

5. Odrediti efektivnu deformaciju ϕe i efektivni napon Ϭe za slučaj maksimalnog ravnomjernog opterećenja

4. LABORATORIJSKA VJEŽBA

Ispitivanje čelika Č.0545 početnih dimenzija: Lo x bo x so =40 x 9,5 x 2,5 (mm)

1. Dimenzije podioka

L01=4 mm L06=4 mm

L02= 4 mm L07=4 mm

L03= 4 mm L08=4 mm

8

L04= 4 mm L09=4 mm

L05= 4 mm L010=4 mm

2. Dijagram

Slika 6. Ϭ-Ԑ dijagram

3. Dimenzije nakon istezanja

a) L01=65,43 mm

b) L1=6,31 mm L6=4,50 mm

L2=6,33 mm L7=4,45 mm

L3= 4,88 mm L8=4,24 mm

L4=4,79 mm L9=4,29 mm

L5=4,58 mm L1o=4,30 mm

b1=8,54 mm b6=8,74 mm

b2=6,89 mm b7=8,84 mm

b3=8,55 mm b8=8,89 mm

b4=8,71 mm b9=8,92 mm

b5=8,72 mm b10=8,95 mm

9

s1=2,32 mm s6=2,44 mm

s2=1,88 mm s7=2,46 mm

s3=2,39 mm s8=2,48 mm

s4=2,39 mm s9=2,49 mm

s5=2,43 mm s10=2,50 mm

4. Odrediti:

a) Ukupno apsolutno i relativno izduženje epruvete

b) Relativno izduženje podioka

10

c) Logaritamska deformacija podioka po dužini, širini i debljini

11

12

5. Promjena logaritamske deformacije ϕLi te odrediti broj ravnomjerno deformisanih podioka epruvete lijevo i desno od mjesta lokalizacije.

Slika 7. Promjena logaritamske deformacije ϕLi

Ravnomjerno deformisani podioci k=8.

6. Izračunati najveće ravnomjerno relativno izduženje εLM , najveću ravnomjernu logaritamsku deformaciju ϕLM, ϕSM, ϕBM

13

7. Na osnovu izmjerenih vrijednosti dvije dimenzije odrediti računsku debljinu lima Srač te ih uporediti sa izmjerenim vrijednostima.

Razlika između stvarno izmjerenih veličina (iz tačke 3) i računsko dobijenih veličina (tačka 7) računa se kao:

14

8. Rezultati mjerenja i izračunavanja; zbirno pokazivanje u tabeli

Srač (mm) 2,32 1,88 2,39 2,39 2,43 2,44 2,46 2,48 2,49 2,50

S1 (mm) 2,32 1,88 2,39 2,39 2,43 2,44 2,46 2,48 2,49 2,50

Slika 8. Poređenje računskih i izmjerenih vrijednosti debljine lima

5. KRIVA TEČENJA I PARAMETRI PLASTIČNOSTI

5.1. Odnos napona na granici razvalačenja i jačine materijala:

a)

b) Kontrakcija presjeka na mjestu prekida:

15

c) Eksponent krive deformacionog ojačanja:

0,117

d) Koeficijent normalne anizotropije

Komentar:

Vrijednosti dobivenih parametara (aϬ,n,r) ukazuje da ispitivani materijal posjeduje dobru plastičnost te se kao takav može uspješno obrađivati skoro svim metodama tehnologije plastičnosti.

5. 2. Kriva napona tečenja (k-ε)

II II

>>

16

Dobije se da je:

406

472,60

517,27

551,35

587,05

613,67

17

Slika 9. Kriva napona tečenja

5.3 Dijakram k- ϕ

Kako prikazana kriva prekriva malu oblast logaritamske deformacija ( od 0 do 0,126) potrebno je datu krivu produžiti, tj. definisati je u većem intervalu stepena deformacije. Ekstrapolaciju krive potrebno je izračunati preko poznate analitičke funkcije: k=C∙φn. Konstanta c se određuje iz uslova da analitička kriva mora prolaziti kroz tačku sa koordinatama (φM, km) pa iz toga važi:

Iz toga slijedi:

Iz toga se dobije oblik (matematski model) stvarnog deformacionog otpora u obliku jednačine:

0 0,01 0,025 0,05 0,1 0,2 0,3 0,5 0,7k

(MPa)0 459,75 511,78 555 601,9 652,75 684,46 726,6 755,8

18

Slika 10. Dijagram k-φ

5.4 Određivanje efektivne deformacije i efektivnog napona

Efektivni napon:

S obzirom da je upitanju jednoosno zatezanje imamo da je:

Efektivna deformacija:

0,1675

19