Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικών Εργαστηριακή Άσκηση 07 Εφελκυσμός Διδάσκοντες: Δρ Γεώργιος Ι. Γιαννόπουλος Δρ Θεώνη Ασημακοπούλου Δρ Θεόδωρος Λούτας Τμήμα Μηχανολογίας ΑΤΕΙ Πατρών Πάτρα 2011 1
Μηχανικές Ιδιότητες Υλικών Κυριότερες Ιδιότητες Δυσκαμψία: Μέτρο Ελαστικότητας (Pa: N/m 2 ) Αντοχή: Όριο Διαρροής, Τεχνητό Όριο Διαρροής, Αντοχή σε Εφελκυσμό, σημείο θραύσης (Pa: N/m 2 ) Ολκιμότητα: Μέτρο της ικανότητας πλαστικής παραμόρφωσης χωρίς θραύση, Στένωση Θραύσης, Διάταση Θραύσης, παραμόρφωση θραύσης Δυσθραυστότητα, Επανάταξη: Μέτρο της ικανότητας για την απορρόφηση ενέργειας (J/m 3 ) 2
Ορθές Τάσεις-Παραμορφώσεις Τάση: Λόγος της δύναμης ανά επιφάνεια A F (N/m 2 Pa) 0 Παραμόρφωση: Μεταβολή μήκους προς το αρχικό μήκος l l l l 0 0 l0 3
Πείραμα Εφελκυσμού l l 0 F A 0 4
Τύποι παραμορφώσεων Ελαστική παραμόρφωση: Δεν είναι μόνιμη. Πλαστική παραμόρφωση: Είναι μόνιμη. Παραμόρφωση θραύσης: Ακολουθεί μετά την ελαστική αλλά και την πλαστική περιοχή. 5
Ελαστική Παραμόρφωση Ελαστική παραμόρφωση δεν είναι μόνιμη. Αυτό σημαίνει ότι όταν αφαιρείται το φορτίο, το παραμορφωμένο σώμα επιστρέφει στο αρχικό σχήμα και διαστάσεις του. Για τα περισσότερα μέταλλα, η ελαστική περιοχή είναι γραμμική. Για ορισμένα υλικά, συμπεριλαμβανομένων των μετάλλων όπως χυτοσίδηρο, πολυμερή, και συγκεκριμένα, η ελαστική περιοχή είναι μη γραμμική. Εάν η συμπεριφορά είναι γραμμική ελαστική, ή σχεδόν γραμμική-ελαστική, νόμος Hooke μπορεί να εφαρμοστεί.plied: 6
Νόμος Hooke στην Ελαστική Περιοχή - Μέτρο Ελαστικότητας Οι δυνάμεις είναι ανάλογες των μετατοπίσεων F k l F A 0 k A 0 l F A 0 Ε kl0 l A l 0 0 Ε Οι τάσεις είναι ανάλογες των παραμορφώσεων Σταθερά Αναλογίας = Ε: Μέτρο Ελαστικότητας Γραμμική Ελαστική περιοχή E Ορθή παραμόρφωση (Ε Μέτρο Ελαστικότητας) G Διατμητική παραμόρφωση (G μέτρο διάτμησης) 7
Ατομική Προέλευση Μέτρου Ελαστικότητας 8
Δυσκαμψία Δυσκαμψία: Εκφράζεται με το Μέτρο Ελαστικότητας Μονάδες Pa=N/m 2, MPa=10 9 Pa, GPa=10 9 Pa Για εφελκυσμό Αντίστοιχα για διάτμηση 9
Λόγος Poisson Λόγος Poisson: Όταν ένα μέταλλο παραμορφώνεται σε μία κατεύθυνση, τότε προκύπτουν παραμορφώσεις και στις άλλες κατευθύνσεις. Το φαινόμενο αυτό εκφράζεται ποσοτικά με τον λόγο Poisson. x z y z Για ισότροπα υλικά: E 2G(1 ) Για τα περισσότερα μέταλλα :0.25 <ν < 0.35 10
Αντοχή: Όριο Διαρροής (Άνω-Κάτω) Τεχνητό Όριο Διαρροής Αντοχή σε Εφελκυσμό Σημείο Θραύσης Αντοχή Μονάδες Pa=N/m 2, MPa=10 9 Pa, GPa=10 9 Pa 11
Πλαστική Παραμόρφωση 12
Ατομική Προέλευση Πλαστικότητας Σχετική ολίσθηση ατόμων σε ατέλειες. Σχετική ολίσθηση ατόμων σε όρια κόκκων. Σπάσιμο δεσμών λόγω ολίσθησης και δημιουργία νέων σε νέες θέσεις. 13
Ελαστική & Πλαστική Παραμόρφωση 14
Ελαστική Αποφόρτιση 15
Ολκιμότητα Ολκιμότητα: Μέτρο της ικανότητας πλαστική παραμόρφωσης χωρίς θραύση Στένωση Θραύσης ψ Διάταση Θραύσης δ Παραμόρφωση θραύσης ε f Α 0 Α Α 0 0 laf l l 0 af l l 0 af Α Α 0 af :Αρχικό μήκος δοκιμίου :Μήκος δοκιμίου μετά τη θραύση (after fracture). Μετράται αφού ενώσουμε τα δύο κομμάτια του σπασμένου δοκιμίου. :Αρχική διατομή δοκιμίου :Διατομή μετά τη θραύση (after fracture). Μετράται από το λαιμό του σπασμένου δοκιμίου. 16
Ολκιμότητα έναντι Ψαθυρότητας Μόνο τα όλκιμα υλικά εμφανίζουν λαιμό Όλκιμα ε f >8% Ψαθυρά ε f < 5% 17
Όλκιμη & Ψαθυρή Θραύση (a) Ψαθυρή θραύση (b) Όλκιμη θραύση (c) Πολύ όλκιμη θραύση (a) (c) 18
Επανάταξη Επανάταξη: Μέτρο της ικανότητας για την απορρόφηση ενέργειας στην ελαστική περιοχή. Κατά την αποφόρτιση αποδίδεται η ενέργεια. Μονάδες J/m 3 =Nm/m 2 =Pa U y d o 1 y y 2 y y :Παραμόρφωση διαρροής :Όριο διαρροής ε y 19
Δυσθραυστότητα Δυσθραυστότητα: Μέτρο της ικανότητας για την απορρόφηση ενέργειας Μονάδες J/m 3 =Nm/m 2 =Pa U f d o ( y 2 u ) f f y u :Παραμόρφωση θραύσης :Όριο διαρροής :Αντοχή σε εφελκυσμό 20
Τυπικές Μηχανικές Ιδιότητες Υλικών Υλικό Όριο διαρροής (MPa) Αντοχή σε εφελκυσμό (MPa) Διάταση θραύσης % Μέτρο Ελαστικότητας (MPa) Λόγος Poisson 1040 χάλυβας 350 520 30 207000 0.30 1080 χάλυβας 380 615 25 207000 0.30 2024 κράμα Al 100 200 18 72000 0.33 316 ανοξ. χάλυβας 210 550 60 195000 0.30 70/30 ορείχαλκος 75 300 70 110000 0.35 6-4 κράμα Ti 942 1000 14 107000 0.36 AZ80 κράμα Mg 285 340 11 45000 0.29 21
Επιτρεπόμενη Τάση Τάση Σχεδιασμού επ σ επ = επιτρεπόμενη τάση στο προς κατασκευή στοιχείο = τάση σχεδιασμού σ y = όριο διαρροής n = συντελεστής ασφάλειας n y Πολύ μεγάλο n Υπερδιαστασιολόγηση στοιχείου Συνήθως 1.2 n 4 22
Σκλήρυνση Μετάλλων Συνήθως στοχεύουμε στη σκλήρυνση του μετάλλου, δηλ. την ισχυροποίησή του έναντι πλαστικής παραμόρφωσης Η σκλήρυνση χαρακτηρίζεται από: Αύξηση της σκληρότητας Αύξηση του ορίου διαρροής Αύξηση της αντοχής του Μείωση πλαστικότητας Μείωση δυσθραυστότητας 23
Εξαφάνιση Αποτελεσμάτων Σκλήρωσης με Ανόπτηση Ηανόπτησηείναι μία μεταλλουργική θερμική κατεργασία κατά την οποία ένα μέταλλο ή κράμα, το οποίο έχει πολλές ατέλειες (π.χ. εξαιτίας ψυχρής διέλασης), θερμαίνεται σε υψηλή θερμοκρασία (500 850 C) και κατόπιν ψύχεται αργά για αρκετές ώρες, έτσι ώστε να εξαλειφθούν οι ατέλειες. Η ανόπτηση γίνεται συνήθως σε μέταλλα ή κράματα που έχουν υποστεί ψυχρή έλαση και περιλαμβάνει τρία στάδια: Αποκατάσταση Ανακρυστάλλωση Μεγέθυνση κόκκων 24
Αποκατάσταση Κατά το στάδιο αυτό, το υλικό θερμαίνεται σε θερμοκρασία περίπου ίση με 0,3Τm, όπου Τm η θερμοκρασία τήξης του υλικού.. Με την θέρμανση του υλικού, επιτυγχάνεται αναδιοργάνωση και αποδέσμευση των κρυσταλλικών διαταραχών (ατελειών). Η πυκνότητα των διαταραχών μειώνεται λίγο με συνέπεια την μικρή μείωση της σκληρότητας και την μικρή βελτίωση της ολκιμότητας του υλικού. 25
Ανακρυστάλλωση Πραγματοποιείται σε θερμοκρασία υψηλότερη από 0,4Τm = θερμοκρασία ανακρυστάλλωσης. Χαρακτηρίζεται από ανάπλαση των κόκκων που έχουν υποστεί πλαστική παραμόρφωση και την ανάπτυξη νέου ιστού κόκκων. Παρατηρείται σημαντική μείωση της πυκνότητας των διαταραχών, επειδή απορροφώνται από τα όρια των κόκκων του νέου ιστού. Ο μηχανισμός της ανακρυστάλλωσης συνίσταται σε εμφάνιση νέων πυρήνων κρυστάλλωσης διαφορετικού προσανατολισμού, οι οποίοι αναπτύσσονται βαθμιαία και συναντώνται μεταξύ τους, έως ότου ολόκληρος ο αρχικός ιστός του πλαστικά παραμορφωµένου μετάλλου μετατραπεί σε νέο ιστό που δεν έχουν κοινό προσανατολισμό Η μικροδομή του υλικού γίνεται πιο σφαιρική. 26
Μεγέθυνση κόκκων Αύξηση του μεγέθους των κόκκων (κρυστάλλων) επιτυγχνάνεται με διατήρηση του υλικού σε υψηλή θερμοκρασία για μεγάλο χρόνο. Το μέγεθος των κόκκων αυξάνει σε βάρος γειτονικών με την αύξηση της θερμοκρασίας. Mειώνεται σημαντικά η σκληρότητα του υλικού, αλλά και η αντοχή του. Το φαινόμενο αυτό εξαρτάται από την θερμοκρασία την διαφορά στα αρχικά μεγέθη των κόκκων την καθαρότητα του μετάλλου το μέσο αρχικό μέγεθος κόκκων 27
Μεταβολή Ιδιοτήτων μέσω Ανόπτησης 28
Πειραματική διαδικασία Σκοπός της άσκησης είναι εξαγωγή διαγράμματος εφελκυσμού για χαλύβδινο δοκίμιο St37 Χρησιμοποιούνται τυποποιημένο χαλύβδινο δοκίμιο χάλυβα St37 (κατεργασμένο στον τόρνο) διαμέτρου 6mm και μήκους 26mm. Τα δοκίμιο τοποθετείται στη μηχανή εφελκυσμού και υποβάλλεται στη δοκιμασία του εφελκυσμού μέχρι την θραύση του Καταγράφονται οι τιμές του φορτίου F και της επιμήκυνσης ΔL στο χιλιοστομετρικό χαρτί που είναι τοποθετημένο στο τύμπανο της μηχανής εφελκυσμού Με βάση τις τιμές αυτές υπολογίζονται οι αντίστοιχες τιμές τάσης σ και παραμόρφωσης ε Χαράσσεται το διάγραμμα εφελκυσμού 29