Încercările mecanice se realizează cu scopul de a determina modul de comportare a materialelor la acţiunea unor sarcini exterioare aplicate static (creşterea efortului de solicitare se face lent şi continuu de la zero la valoarea maximă), sau dinamic (creşterea efortului este instantanee). S-a acceptat ca valoare limită la delimitarea solicitărilor statice de cele dinamice o viteză de creştere a efortului de 1N/mm 2sec. Principalele încercări mecanice sunt: încercarea de duritate; încercarea la tracţiune; încercarea la încovoiere prin şoc; încercarea la încovoiere; încercarea la oboseală etc. Propri Proprietă etăţil ţilee me mecan canice ice indică indică mo modul dul de co comp mport ortare are a ma mater terial ialelo elorr sub acţiunea diferitelor forţe exterioare la care sunt supuse. 1. Rezistenţa la rupere este proprietatea materialelor de a se opune acţiunii forţelor care tind să le distrugă integritatea. În funcţie de tipul solicitărilor la care sunt sunt supuse supuse ma mate terial rialele ele,, rezist rezistenţ enţaa la rupere rupere poate poate fi: rezist rezistenţ enţaa la întin întinder dere, e, rezistenţa la compresiune, rezistenţa la încovoiere, rezistenţa la torsiune, rezistenţa la forfecare. 2. Elasticitatea este proprietatea materialelor de a se deforma sub acţiunea forţelor exterioare şi de a reveni la forma şi dimensiunile iniţiale după încetarea acţiunii forţelor exterioare. Materialele sunt total elastice până la un anumit grad de solicitare numit limită de elasticitate. O dată cu încetarea acţiunii forţei care a produs deformarea are loc revenirea elastică şi eliberarea unei cantităţi de energie mai mică decât cea care a produs deformarea fenomen cunoscut sub denumirea de histerezis mecanic. 3. Plasticitatea este proprietatea materialelor de a se deforma sub acţiunea sarcinilor exterioare fără a-şi modifica volumul, fără a mai reveni la forma iniţială după încetarea acţiunii forţelor care au produs deformarea şi totodată fără a-şi distruge integritatea. Din punct de vedere a plasticităţii materialele sunt mai uşor deformabile sau mai greu deformabile dar există şi şi materiale care nu se pot deforma plastic (ex. fonta, sticla etc.) care îşi distrug integritatea se sparg la solicitări exterioare. O dată cu creşterea temperaturii materialele îşi pot mări proprietăţile de plasticitate. plasticitate. 4. Tenaci Tenacitat tatea ea este este propri proprieta etatea tea ma mater terial ialelo elorr de a rezist rezistaa la solici solicităr tările ile exterioare şi de a se deforma mult înainte de rupere. 5. Fragilitatea este proprietatea materialelor de a se rupe brusc su acţiunea solicită solicitărilor rilor exterioar exterioare, e, fără a suferi suferi deformaţi deformaţiii plastice plastice prealabil prealabile. e. Proprieta Proprietatea tea prezintă o importanţă deosebită la alegerea materialelor pentru execuţia unor piese supuse la solicitări dinamice. 6. Fluajul este proprietatea materialelor de a se deforma lent şi continuu în timp timp sub sub acţi acţiun unea ea un unor or sarc sarcin inii co cons nsta tant nte. e. Prop Propri riet etat atea ea este este de depe pend nden entă tă de temperatură. Cu cât temperatura este mai ridicată, mărimea sarcinilor suportate de mate ma teri rial alee pâ până nă la ap apar ariţ iţia ia de defo form rmaţ aţii iilo lorr în timp timp este este ma maii mică mică.. Cu acea această stă
proprietate se caracterizează oţelurile refractare şi în general aliajele care lucrează la temperaturi ridicate, sub sarcină. 7. Du Durit ritate ateaa este este propr propriet ietate ateaa ma mater terial ialelo elorr de a se op opune une pătrun pătrunder derii ii în supr supraf afaţ aţaa lor lor a un unor or co corp rpur urii du dure re care care tind tind să le de defo form rmez ezee loca locall supr supraf afaţ aţa. a. Proprietatea permite aprecierea rapidă a caracteristicilor de rezistenţă cât şi a altor proprietăţi. 8. Rezilienţa este proprietatea materialelor de a rezista la solicitări dinamice. Ea se măsoară prin energia consumată la ruperea prin şoc a unor epruvete de secţiune dată. Prin această proprietate se poate aprecia raportul dintre caracterul tenace şi fragil al ruperii. Proprietatea se determină petru materiale destinate unor repere importante supuse la solicitări dinamice. 9. Rezi Rezist sten enţa ţa la ob obos osea eală lă este este prop proprie rieta tate teaa ma mate teria riale lelo lorr de a rezi rezista sta la solici solicităr tării va varia riabil bilee repeta repetate te ciclic ciclic.. Propr Propriet ietate ateaa se măsoar măsoarăă prin prin efortu efortull ma maxim xim admis pentru ca epruveta să nu se rupă după un număr teoretic infinit de cicluri. În practică se acceptă un număr determinat de cicluri respectiv: N=10 7 cicluri pentru oţeluri, N=5.10 7 cicluri pentru aliaje neferoase. 10. Rezistenţa la uzură este proprietatea materialelor de a rezista la acţiunea de distrugere a suprafeţelor lor prin frecare. 11.. Ecru 11 Ecruis isar area ea este este prop propri riet etat atea ea ma mate teria riale lelo lorr de a-şi a-şi mă mări ri rezi rezist sten enţa ţa şi duritatea şi de a-şi micşora plasticitatea în urma deformării plastice la rece.
Încercarea de duritate Vickers. Încerc Încercare areaa Vick Vickers ers este este o me metod todăă univer universal salăă de de deter termi minar naree a du durit rităţi ăţiii aplicabilă tuturor categoriilor de materiale de la foarte moi până la foarte dure, de la groase până la foarte subţiri, inclusiv straturi pe suprafeţe, elemente de structură faze şi constituenţi etc. Încercarea constă în apăsarea unui penetrator piramidal drept cu baza pătrat cu unghiul la vârf între feţe de 136 o din diamant, cu o forţă determinată şi un timp deter de termi minat nat şi mă măsur surare areaa diago diagonal nalelo elorr am ampre prente ntei.i. Schem Schemaa şi unele unele condi condiţii ţii ale încercării sunt prezentate în figura 1.8. Duritatea Vickers HV se exprimă prin raportul dintre forţa de apăsare F şi suprafaţa amprentei A care este un vârf de piramidă drept cu baza pătrat şi se calculează cu relaţia: HV =
F A
=
F
= 1,8544
d 2 2 sin 68
F d 2
[daN / mm 2 ] unde : d =
d 1
+ d 2
2
.
o
Forţ Forţaa de ap apăsa ăsare re se aleg alegee în func funcţi ţiee de mă mări rime meaa du duri rită tăţi ţiii şi gros grosim imea ea materialelor, sarcini mai mici pentru materiale mai subţiri şi durităţi mai mici.
Aparatele pentru încercarea Vickers permit selectarea unor forţe de apăsare de 20, 30, 50, 100 100 Kgf respectiv respectiv 196,1 196,1 ; 294,2 ; 490,3 ; 980,7 980,7 N în cazul încercări încercăriii cu sarcini mari. F 136o
min.2,5 d
min.2,5 d
5 , 1 . n i m d
d d2
1
Fig.1.8 Schema încercării Vickers Există şi aparate Vickers cu sarcini mici 5, 10 Kgf respectiv 49,3 ; 98,6 N şi apara ap arate te cu microsa microsarci rcini ni între între 0,001 0,001 şi 0,200Kg 0,200Kgff respec respectiv tiv 0,0098 0,0098 şi 1,96N 1,96N.. Apar Ap arat atel elee cu micr micros osar arci cini ni pe perm rmit it vizu vizual aliz izare areaa supr supraf afeţ eţei ei,, aleg aleger erea ea zo zone neii de încercare, aplicarea aplicarea amprentei şi măsurarea măsurarea acesteia sub microscop cu cu o mărire de 100 ori. Timpul de apăsare se alege în funcţie de material. La materialele mai moi timpii de apăsare sunt mai mari deoarece acestea au o deformare mai mare şi deci necesită un timp mai mare pentru o cedare completă. - pentru materiale cu duritate mare, oţeluri şi fonte fonte cu sau fără tratamente termice aplicate 10-15 sec duritate medie cupru şi aliaje aliaje de cupru, - pentru materiale cu duritate aluminiu şi aliajele sale 27-33 sec aliaje moi 60-120 sec - pentru metale şi aliaje Suprafaţa de încercat a probei trebuie lustruită ca la probele metalografice şi chiar atacate pentru evidenţierea structurii atunci când este cazul. Aceasta asigură
alături alături de mărirea mărirea la microscop microscop a imaginii imaginii o precizie precizie ridicată ridicată a măsurării măsurării şi deci a determinării durităţii. Notarea durităţii se va face cu simbolul HV F/t urmată de doi indici care reprezintă valorile forţei şi a timpului de apăsare.
Încercarea la tracţiune Încercarea la tracţiune este una din cele mai importante încercări mecanice. Aceas Aceasta ta pe permi rmite te ap aprec recier ierea ea caract caracteri eristi sticil cilor or de rezist rezistenţ enţă, ă, plasti plasticit citate ate cât cât şi a caracterului ruperii materialelor. Încercarea constă în ruperea sub acţiunea unei forţe de tracţiune a unei epruvete de formă caracteristică şi înregistrarea curbei de variaţie a forţei F cu deformaţia ∆l .Epruveta cilindrică cu capete de prindere este forma cea mai utilizată pentru toate tipurile de materiale. În cazul tablelor şi benzilor se recomandă şi utilizarea epruvetelor plate cu capete de prindere. Pentru anumite tipuri de materiale ca: sârme, oţel beton , profile uşoare , benzi înguste etc. se po pott real realiz izaa ep epru ruve vete te şi fără fără cape capete te de prin prinde dere re.. Forma orma şi dim dimen ensi siun unil ilee epruvetelor de tracţiune sunt prezentate în figura 1.10 r
do
D
r
lo
A
L
go
r
bo
B lo
A
r
L
Fig.1.10 Tipuri caracteristice de epruvete de tracţiune
Aspectul curbei F- ∆l este prezentat în figura 1.11. a) pentru materiale cu plasticitate ridicată, curbă cu palier de curgere b) pentru materiale tenace, curbă fără palier de curgere.
F
F
a)
b)
∆l
∆l
Fig.1.11 Aspecte ale curbei de tracţiune F- ∆l. Rezistenţa, efortul este raportul dintre forţa de solicitare şi secţiune. Sub acţiunea acţiunea forţei forţei de tracţiune tracţiune epruveta epruveta se alungeşte alungeşte şi îşi reduce secţiunea secţiunea în timp. timp. Ca urmare se defineşte efortul real, raportul dintre forţă şi secţiunea instantanee F σ = . În practică este dificil de măsurat efortul real şi ca urmare a fost definit S
efortul efortul convenţio convenţional nal =Fmax/So convenţional m
σ =R r
σ
σ
σ
=R1.12. =Rc=Fc/ p02
=Rp001
σ
F S o
.În .În aces aceste te co cond ndiţ iţii ii cu curb rbaa de varia ariaţi ţiee a efor efortu tulu luii ∆l
l o
are acela acelaşi şi aspect aspect cu curba curba F-∆l, figura
Eσ C D B
e
=
cu alungirea relativă
c
So
σ
F
A
=Rp
p
O
Fig.1.12 Curba convenţională efort deformaţie relativă.
∆ l
∆l p ∆l T
l
=
∆l e
l o ∆l p + ∆l e
l
l o
l o
Pe această curbă se definesc următoarele elemente: - zona de proporţionalitate OA pe care se respectă legea lui Hooke σ=E.e în care : E este modulul de elasticitate longitudinal sau modulul lui Young, iar e= ∆l/lo deformaţia relativă reală. - A limita de proporţionalitate σ p sau R p este efortul până la care efortul creşte proporţional cu deformaţia. - B limita de elasticitate σe efortul maxim până la care deformaţia este total elastică, după încetarea acţiunii forţei eruveta revenind la dimensiunile iniţiale sau R p001 limita de elasticitate tehnică , efortul corespunzător unei deformaţii plastice de maxim 0,01%. - CD zona de curgere sau de deformaţie sub sarcină constantă. Se defineşte limita de curgere σc ca raport între forţa de curgere Fc şi secţiunea iniţială a epruvetei sau R p02 limita de curgere tehnică efortul corespunzător unei deformaţii plastice de maxim 0,2%.determinată în cazul materialelor la care curba ridicată la încercarea de tracţiune nu prezintă palier de curgere. - E este este pu punc nctu tull co core resp spun unză zăto torr forţ forţei ei ma maxi xime me.. În aces acestt pu punc nctt în mo modd convenţional se defineşte şi calculeată efortul convenţional de rupere σr sau R m ca raport între Fmax şi secţiunea iniţială S o. În real realit itat atee rup ruperea erea se prod roduc ucee în punc ncttul F. Efo Efortul rtul co conv nven enţţion ional corespunzător punctului F este mai mic ca urmare a raportării forţei la secţiunea iniţială So. În zona EF a curbei epruveta suferă o puternică deformare localizată, o gâtuire care conduce la reducerea pronunţată a secţiunii. În aceste condiţii efortul real are o valoare mult mai ridicată. Valoarea efortului real nu prezintă interes practic in caracterizarea materialului iniţial deoarece acesta rezultă în urma unei deformări plastice la rece puternice care este însoţită de fenomenul de ecruisare şi care modifică esenţial caracteristicile. În urma încercării la tracţiune se determină două mărimi de rezistenţă şi două mărimi de plasticitate: - Rezistenţa la curgere
Rc
- Rezistenţa la rupere Rm - Alungirea la rupere
A5
=
=
=
F c S o
F max S o l r − l o l o
[daN / mm 2 ] [daN / mm 2 ] × 100%
în care 5 =l o/do este raportul de similitudine
în care trebuie să se afle dimensiunile zonei de calibrare a epruvetei pentru a permite compararea compararea rezultatelor obţinute cu epruvete epruvete de dimensiuni dimensiuni diferite.
- Gâtui âtuirea rea la rupe rupere re
z =
S o
−
S o
S r
2
× 100%
sau
z =
2
d o − d r 2
d o
× 100%
pentru pentru epruvetele epruvetele
cilindrice. Analiza zonei de rupere a epruvetelor permite aprecierea caracterului ruperii, astfel ruperea poate fi: a) con-cupă pentru materiale tenace, b) con-con pentru materiale plastice şi c) fractură pentru materialele fragile. Aspectele de rupere sunt prezentate în figura 1.13.
Fig. 1.13 Aspectele ruperii la tracţiune.
a )
b)
c)
Încercarea la încovoiere prin şoc. Încercarea la încovoiere prin şoc permite aprecierea tenacităţii materialelor , a caracterului ruperii cât şi a raportului dintre caracterul tenace şi fragil al ruperii. Încercarea constă în ruperea la o solicitare de încovoiere prin şoc, prin aplicarea unei singure lovituri cu ciocanul pendul Charpy, a unei epruvete prismatice cu secţiune dreptunghiulară prevăzută cu un concentrator de tensiuni, o crestătură şi măsurarea energiei consumate pentru rupere. Schema încercării este prezentată în figura 1.14.
Fig. 1.14 Schema încercării la încovoiere prin şoc Încercarea prezintă două variante: Încercarea de rezilienţă KCU şi încercarea pentru determinarea determinarea energiei de rupere prin şoc KV. KV. Încercarea de rezilienţă sau încercarea pentru determinarea energiei specifice de rupere prin şoc KCU se realizează pe epruvete cu crestătură în forma literei U cu dimensiunile prezentate in figura 1.15.
A
=
55
bo=10: 7,5: 5 mm
bo
=
r=1
ao h
Secţiune iunea a AA
A
ao=10 mm
o
Fig. 1.15 Epruveta pentru încercarea de rezilienţă KCU. Rezilienţa KCU este definită prin raportul dintre energia consumată la ruperea epruvetei W şi secţiunea epruvetei în zona crestăturii S o. KCU =
W S o
=
W bo ( a o
− ho )
2
[ J / cm ]
Încercarea de rezilienţă se realizează la temperatura standard 20 oC. Notarea completă cuprinde simbolul KCU urmat de trei indici care reprezintă W o energia de lovi lovire re a cioc ciocan anul ului ui pe pend ndul ul Char Charpy py , b o lăţim lăţimea ea epruve epruvetei tei,, h o adâncimea crestăturii KCUWo bo ho . În cazul în care încercarea se realizează pe un ciocan pendul cu energie din şirul valorilor standardizate (Wo=100 J, 150 J, 300 J) şi lăţimea epruvetei este b o=10mm (valoare considerată nominală, celelalte valori se utilizează în cazul materialelor subţiri) rezilienţa se notează cu KCU ho indicele reprezentând doar adâncimea crestăturii. Exemplu:KCU Exemplu:KCU 300/ 5/ 2 ; KCU3
