Mekaniska Egenskaper och Brottanalys

Transkript

1 Mekaniska Egenskaper och Brottanalys Sida 1 (11) Linköpings Tekniska Högskola IEI Konstruktionsmaterial Mekaniska Egenskaper och Brottanalys TMKM11 Konstruktionsmaterial HT-2012

2 Mekaniska Egenskaper och Brottanalys Sida 2 (11) LABORATION 4: MEKANISKA EGENSKAPER Innehållsförteckning 1 INLEDNING 3 2 FÖRBEREDELSER OCH FÖRBEREDELSEUPPGIFTER Viktigt att Läsa Obligatoriska förberedelsesuppgifter 3 3 UTFÖRANDE Dragprovning Dragprovningsutrustning Utförande av dragprovning och analys av resultatet Trepunkts böjprovning Provningsmetod Utförande av böjprovning och analys av resultatet Slagprovning Slagprovningsutrustning Utförande av slagprovning och analys av resultatet Studie av brottytor 7 4 TEORI Sprödhet seghet duktilitet Nominellt spännings töjningsdiagram Övre och nedre sträckgräns Deformationshårdnande Nominell spänning och töjning Sann spänning naturlig töjning Brottytor Segt brott Sprödbrott 10 5 SLUTORD 10 6 BILAGA 1 11

3 Mekaniska Egenskaper och Brottanalys Sida 3 (11) 1 Inledning I denna laboration kommer du att stifta bekantskap med tre olika provningsmedtoder dvs dragprovning, böjprovning och slagprovning. Dragprovning är en av de vanligaste metoderna att karakterisera materials hållfasthetsegenskaper. För sprött material som kan brista spontant under last är böjprovning mer lämpligt. Slagprovning (Charpy provning) är en metod för att karakterisera materials slagseghet och den används också för att bestämma eventuell omslagstemperatur hos metalliska material. Målet med laborationen är att du ska få en förståelse för hur olika material beter sig under olika typer av belastning samt vilka mekanismer som styr deformationen och att resultatet påverkas av vilken provningsmetod som använts. Dessutom ska labben ge en jämförelse av mekaniska egenskaper hos polymerer och metaller. Förhoppningsvis har du efter denna laboration fått en bättre uppfattning om några av de viktigaste mekaniska egenskaperna hos olika material. 2 Förberedelser och förberedelseuppgifter 2.1 Viktigt att Läsa För att kunna få ut något av denna labration är det viktikt att läsa följande sidor i boken Materials for Engineers (Mechanical Behavior) och 42-46, (Mechnical Failure) samt teori delen Kapitel 4 i labbhäftet. Ni skall också läsa igenom labbhäftet noga. 2.2 Obligatoriska förberedelsesuppgifter Skriftliga svar till nedanstående uppgifter måste visas upp vid labbtillfällets början. Den som inte gör det måste lämna in en labbredogörsele till labbassistenten inom en vecka efter labbens genomförande för att bli godkänd på labben. 1. Förklara begreppet elastitetsmodul (Youngs Moduls). 2. Vad är sträckgräns (yield stress) respektive brottgräns (ultimatestress and tensile stress)? 3. Vad är skillnaden mellan duktilitet (duktility) och seghet (thoughness)? 4. Förklarade de båda begreppen slagseghet (impact toughness) och omslagstemperatur (ductile-to-brittle transition temperature). 5. Ge exempel på material som brukar uppvisa omslagstemperatur och material som saknar omslagstemperatur.

4 Mekaniska Egenskaper och Brottanalys Sida 4 (11) 3 Utförande Under laborationen kommer du att studera olika material och en del av deras mekaniska egenskaper. Några provstavar kommer att förberedas för de olika provningarna. 3.1 Dragprovning Dragprovning sker genom att en provstav med midja belastas med en dragkraft. Dragkraften och förlängningen mäts och med hjälp av dessa kan E-modul, sträckgräns, brottgräns och brottsförlängning tas fram Dragprovningsutrustning Dragprovmaskinen består av några enheter. Den viktigaste är själva dragmaskinen. Se Fig. 1 för en schematisk bild över uppställningen. Resultat av dragprovningen får du av skrivaren som visar diagram kraft mot töjning. Rörlig balk Lastcell Grippar Nödstopp Fig. 1 Schematisk bild över dragprovutrustningen

5 Mekaniska Egenskaper och Brottanalys Sida 5 (11) Utförande av dragprovning och analys av resultatet Provstavar av olika material kommer att dras av. 1. Dragprovning Innan provningen mät upp stavarnas begynnelsedimensioner och utgångsarean A 0 beräknas. Bestäm en mätlängd L 0 (25 mm). Montera staven i dragprovmaskin och koppla töjningsgivare på staven. Sedan dra av provstaven, i flera steg p.g.a. töjningsgivarens begränsningar. 2. Rita dragprovsdiagram (spännings-töjningskurvor) över materialen och undersöka dessa genom att gå igenom dragprovsdiagrammens olika delar och beskriva vad som händer i materialet. Till hjälp har du utskriften från skrivaren och den avdragna provstaven. 3. Studera delar av dragprovningskurvan och förklara mekanismerna som ligger bakom de beteenden. 4. Bestäm elasticitetsmodulen (E), sträckgränsen ( 0.2 ), brottgränsen ( b ), brottspänningen och brottförlängningen. 5. Jämför de olika materialens dragprovbeteende utifrån dragprovsdiagramen. 3.2 Trepunkts böjprovning Med hjälp av trepunkts böjprovning ska ni bestämma elasticitetsmodulen, E, för de olika materialen. Provningen går till på följande sätt Provningsmetod En provstav av materialet placeras på två stöd och belastas på mitten, se Fig. 2. Nedböjningen registreras med hjälp av en mätklocka. Obs! Mätklockan är ett känsligt instrument och ska hanteras varsamt! Se till så att inga delar av provningsutrustningen eller vikter kan ramla ner på mätklockan! Fig.2 Trepunkts böjprovning Utförande av böjprovning och analys av resultatet 1. Utför böjprovning på stål, aluminiumlegering, polyeten, trä (bok) och polyester med glasfiber.

6 Mekaniska Egenskaper och Brottanalys Sida 6 (11) 2. Bestäm, med hjälp av formlerna nedan, E-modul [N/m 2 =Pascal, Pa] för; stål, aluminiumlegering, polyeten, trä, och polyester med glasfiber. E 3 L F 3 4wh Där w är lika med breden [m], h är lika med tjocklecken [m], δ är lika med nedböjningen [m] dvs. Mätklockansvärde, F är lika kraften [N] dvs. F= m (Vikten [kg]) * g (g= 9.81 [m/s 2 ]), L är lika med längden mellan stöden [m]. 3. Jämför materialdata och förklara skillnader i egenskaperna utifrån struktur/mikrostruktur och atombindning. 4. Jämför resultatet från och förklara skilnnaden mellan de två träsprovstavarna. 3.3 Slagprovning Slagprovning sker genom att en anvisad stav utsätts för ett slag med en pendelhammare. Därvid ska provstaven brista. Den förbrukade energin bestäms och anges som slagseghet i joule Slagprovningsutrustning Slagprovmaskinen, se Fig. 3, består av en pendelhejare, vinkelmätare och stöd för provstaven som är beroende på vilken provningsmetod det är frågan om. Ett materials slagseghet fås genom att använda en slagprovsmaskin. Slagsegheten är den absoberade energi som en provstav tar upp. Den absoberade energi är den pontiala energi skillanden mellan utslaget för pendelhammaren utan prov och med prov dvs skillnaden mellan höjden h 1 och h 2. h 1 h 2 Fig. 3 Principskiss över slagseghetsprovning

7 Mekaniska Egenskaper och Brottanalys Sida 7 (11) Utförande av slagprovning och analys av resultatet Laborationsassistenten hjälper till med själva slagprovet. En provstav av olika material och temperatur ska slås av. Slagsegheten fås genom att läsa av vinkeln för pendelhammaren på slagprovsmaskin. Med hjälp av tabelen i bilaga 1 konventeras vinkel till slagseghet. Jämför slagsegheten för de olika materialen vid olika temperaturer. Förklara och jämför temperaturinverkan på brottbeteende för stål respektiv aluminium. Studera brottytorna och förklara vad du ser. Finns det några skillnader mellan brottytorna? Varför i så fall? 3.4 Studie av brottytor Studera och jämför de metalliska provstavarna som brast under dragprovningen i 3.1. Hur skiljer provstavarna makroskopiskt? Sedan undersöks några av brottytorna i ett svepelektronmikroskop (SEM) för att kunna se skillnaden på mikroskopisk nivå. Vad kännetecknar brottyta från ett segt respektive ett sprött brott?

8 Mekaniska Egenskaper och Brottanalys Sida 8 (11) 4 Teori 4.1 Sprödhet - seghet - duktilitet Har du problem med ovan nämnda begrepp? Följande kanske kan klara ut det lite. Något högtravande skulle man kunna säga att seghet är motsatsen till sprödhet när det gäller konstruktioners förmåga att motstå belastning innan de havererar. Sprött eller segt beteende avgörs av det sätt på vilket brottsprickor utbreder sig i materialet. I ett sprött material utbreder sig sprickan mycket snabbt när brottspänningen (brottgränsen) uppnåtts utan nämnvärd plastisk töjning. I ett segt material rör sig sprickan långsammare genom att sprickspetsen avtrubbas, mer ju segare materialet är. Detta innebär att ett segt material undergår en märkbar plastisk töjning före brott. Ett mått på seghet är energiåtgång till brott, dvs ytan under spänning - töjning kurvan. Vid plastisk bearbetning talar man om duktilitet som är motsatsen till sprödhet när det gäller materials förmåga att formas plastiskt. Duktilitet beskriver alltså graden av plastisk deformation före brott. Mått på duktilitet kan vara töjning vid brott eller brottkontraktionen. 4.2 Nominellt spännings - töjningsdiagram II I III IV Fig.4 Nominellt spänning-töjningsdiagram Figur 4 visar en vanlig dragprovkurva; nominellt spänning-töjningsdiagram av ett metalliskt material. är nominell spänning och är linjär töjning. I är sträckgränsen ( y) eller 0.2 gräns 0,2,dvs den spänning då man har en kvarstående (plastisk) deformation på 0,2%. Detta mått på sträckgräns används ofta om den elastiska deformationen har en flytande övergång till plastisk. Det är då svårt att få fram en bestämd sträckgräns och 0,2 används i stället. II är brottgränsen b. III är den enbart elastiska töjningen. IV är brottförlängningen Den streckade linjen motsvarar den verkliga (sanna) spänningen t och töjningen t som materialet uppnår om hänsyn tages till areareduktionen.

9 Mekaniska Egenskaper och Brottanalys Sida 9 (11) Övre och nedre sträckgräns Många stål med låg kolhalt och några andra material uppvisar ofta en sk övre och nedre sträckgräns. Fenomenet förklaras av att dislokationer blockeras av "Cottrell-atmosfär", som består av interstitiellt lösta atomer (C, N) Deformationshårdnande Deformationshårdnande innebär att när materialet börjar plasticera krävs ökande spänning för fortsatt plastisk deformation. Deformationshårdnandet beror på att dislokationer som skapas när materialet deformeras plastiskt låser varandra. Detta gör att det krävs en ständigt ökande spänning för att deformera materialet ytterligare Nominell spänning och töjning Sambandet mellan spänning och töjning enligt Fig. 3 kallas nominellt därför att ingen hänsyn tas till att tvärsnittsarean minskar vid beräkning av spänningen, dvs F är dragkraften F A0 A 0 är ursprungliga arean Den töjning som avsätts mot kallas linjär och definieras som L L0 där L 0 är en referenslängd och L är ändringen av denna referenslängd Sann spänning - naturlig töjning Sann spänning fås då hänsyn tas till att tvärsnittsarean minskar. Linjär töjning definieras av: L L0 Om referenslängden L 0 tillåts ändra sig under deformationen kan den sk naturliga töjningen definieras enligt följande formel: dl d L För så stora töjningar att den elastiska töjningen kan försummas gäller S 0 L 0 = SL. Den naturliga töjningen fås med hjälp av: S 0 ln S Gör gärna härledningen själv som förberedelseuppgift för att förvissa dig om att det stämmer. 4.3 Brottytor Även brottytan kan ge viktig information om brottet. Detta kan vara bra att känna till i "verkligheten" då man oftast inte har en X-Y-plott på brottbeteendet utan står inför fullbordat faktum med en komponent som brustit. Som maskiningenjör förutsätts du veta precis vad som hänt. Så vad kan man då få ut av brottytan?

10 Mekaniska Egenskaper och Brottanalys Sida 10 (11) Segt brott Material som givit ett segt eller duktilt brott vid dragbelastning (som i vårt dragprov) har ofta en markerad midja. Karakteristiskt för ett sådant brott är de koppliknande intryck som finns på de båda brottytorna. Dessa intryck i brottytorna kallas på engelska för dimples och den försvenskade varianten är "dimpler". I material förekommer det normalt oönskade partiklar såsom slagger och andra typer av föroreningar både i korngränser och kristallkorn. Då ett material utsätts för en last brister gränsytan mellan partiklar och grundmaterial och det bildas ihåligheter runtomkring dessa inneslutningar. Dimplernas form avslöjar även vilken typ av spänning som orsakat brottet. Inneslutningarna är vanligen för små för att beskådas via lupp eller ens ljusmikroskop utan här det krävs elektronmikroskop Sprödbrott Rena sprödbrott ger ett annat utseende. Först och främst kan vi inte finna någon brottkontraktion. (Materialet plasticerar ju inte). På grund av detta blir spänningstillståndet i centrum så väl som på ytan i det närmaste enaxligt. Överallt i provstaven finns spänningskoncentrationer av olika anledningar, (sprickor, inneslutningar mm). Eftersom spänningen kommer att vara störst kring någon av dessa är det också så att här kommer materialet att brista. Det spröda materialet kan dock inte plasticera och avtrubba sprickspetsen varför spänningskoncentrationen består. Sprickan propagerar kritiskt antingen genom att gå längs korngränser eller genom att klyva kornen rakt igenom. Vanligtvis startar sprickan längs korngränser men när hastigheten ökar hinner inte brottet ändra riktning, varför kornen klyvs rakt av. Vad vi kan se utan mikroskop är att brottet gått tvärs igenom provet i 90 riktning mot dragriktningen. Sprickans utbredningsriktning är ofta synlig genom att brottytan erhåller ett fibröst utseende där sprickan propagerat. Brott kan även uppvisa en blandning av ovanstående brottbeteenden. 5 Slutord Denna labb är till för dig för att du ska lära dig de grundläggande materialegenskaperna, och kanske få med dig något som ingenjör om teori och praktik. Så kom utvilad med nyvässade pennor så blir det nog en lärorik stund. Ett lärotillfälle är alltid en samverkan mellan lärare och elever. Det är alltså lika mycket upp till er som oss lärare och handledare i kursen att denna kurs/lab blir en bra kurs/lab. Allt blir till det man gör det till. Det gäller din tid i här på Tekniska Högskolan, denna kurs och denna laboration. Man kan ha attityden "Allt är skit, obligatoriska labbar buuu" eller "Jag gör det bästa möjliga av situationen, lär mig om material inte bara från böcker, uppstår det svårigheter så lär jag mig hantera dessa, hurra!" Valet är ditt.

11 Mekaniska Egenskaper och Brottanalys Sida 11 (11) 6 Bilaga 1 Tabell till Pendelhejareför 15 kilogrammeter slagarbetet Omvandling från kgcm till J används en faktor dvs 150 kgcm = 150 * J Avläst Grader Brottarbete [kgcm] Avläst Grader Brottarbete [kgcm] Avläst Grader Brottarbete [kgcm] Avläst Grader Brottarbete [kgcm]