Încercarea la tracţiune

9

L U C R A R E A N R . 1

Î N C E R C A R E A L A T R A C Ţ I U N E

1.1. Curba caracteristică. Definirea caracteristicilor mecanice de rezistenţă

Stările de tensiune întâlnite în practică sunt extrem de variate şi de aceea este imposibilă determinarea experimentală în fiecare caz în parte a caracteristicilor mecanice ale materialelor. Totuşi, o stare de tensiune se poate echivala pe baza anumitor criterii, cu starea de tensiune cea mai simplă şi cea mai uşor de realizat experimental: aceea de la întinderea monoaxială. Comportarea materialelor la întinderea monoaxială prezintă interes nu numai la solicitarea propriu-zisă la tracţiune, ci şi pentru toate celelalte stări de solicitare. De aceea se consideră că încercarea la tracţiune constituie încercarea de bază a unui material. Aceasta este completată, în unele situatii, prin încercări specifice altor solicitări, încovoiere, răsucire, forfecare, solicitări compuse. Încercarea la tracţiune se execută aplicând unei epruvete o forţă axială crescătoare şi măsurând variaţiile corespunzătoare ale lungimii epruvetei. De obicei încercarea se face până la ruperea epruvetei. Deformarea epruvetei în funcţie de forţa de tracţiune se poate evalua în două moduri:

Fig. 1.1. Solicitarea de întindere monoaxială (a) şi moduri de trasare a curbelor

caracteristice la materialele metalice

Lucrări de laborator

10

• prin măsurarea distanţei dintre două puncte A şi B ale sistemului de prindere (fig. 1.1a); maşina de încercat trasează o curbă (fig. 1.1b), care arată creşterea forţei aplicate epruvetei în funcţie de creşterea distanţei dintre cele două puncte.

• prin folosirea unui aparat numit extensometru, fixat pe epruvetă între două secţiuni aflate la distanţa L0, care măsoară variaţia distanţei dintre aceste secţiuni. Citirea indicaţiilor extensometrului se face la anumite intervale de timp, pe măsura creşterii forţei de tracţiune, astfel încât curba de legătură între forţa (Ftracţiune) şi variaţia ∆L a lungimii L0 se poate trasa prin puncte (fig. 1.1c).

Curbele din figurile 1.1b şi 1.1c reprezintă curba caracteristică a materialului care dă indicaţii asupra comportării materialului la diferite stări de solicitare la care este supus. Această curbă exprimă legătura între tensiunea σ care ia naştere în epruvetă şi deformaţia specifică ε. Într-o secţiune transversală a epruvetei, tensiunea este constantă (σ=constant) şi se calculează cu relaţia:

= 2mm

NSFσ (1.1)

în care: F-forţa de tracţiune, S-aria secţiunii transversale. În timpul încercării aria secţiunii transversale fiind variabilă este foarte dificil de măsurat secţiunea epruvetei (S) pe toată lungimea şi pe toată durata incercării, de aceea tensiunea din relaţia 1 se înlocuieşte prin raportul conventional:

0S

FR = (1.2)

în care S0 este valoarea secţiunii iniţiale ale epruvetei. Deformaţia specifică ε nu este constantă pe lungimea

epruvetei în timpul încercării şi de aceea se înlocuieşte cu o altă mărime adimensională numită alungire totală (At).

[ ]%100L

LLA0

0ut ⋅

−= (1.3)

în care L0-lungimea între repere;Lu-lungimea ultimă a epruvetei deformate măsurată între repere la aplicarea unei sarcini F, sau după repere. Dacă alungirea totală At se evaluează după rupere, ea se numeşte alungire la rupere şi reprezintă una din caracteristicile de bază ale materialelor.

Încercarea la tracţiune

11

Curba caracteristică a materialului se obţine, în mod convenţonal, în coordonate (R,At) sau (F,∆L). Formele tipice de curbe caracteristice sunt date în fig.1.2.

Curba caracteristică prezintă o porţiune liniară OA, în care lungirea epruvetei este proporţională cu forţa aplicată. În această zonă este valabilă legea lui Hooke: εσ ⋅= E (1.4) unde E este modulul de elasticitate convenţional al materialului, deci materialul se comportă elastic. Tensiunea corespunzătoare punctului A se numeşte limită de proporţionalitate. În zona OB, îndepărtarea sarcinii face ca epruveta să-şi recapete, între repere, lungimea initială Lo, în această zona lungirea epruvetei este elastică. Tensiunea corespunzătoare punctului B poartă numele de limită de elasticitate. După depăsirea acestei limite, zona BC, materialul începe să capete deformaţii plastice remanente (materialul nu mai revine la dimensiunea iniţială Lo). Zona deformaţiilor plastice pronunţate (după punctul B de pe curba caracteristică) poate avea aspecte diferite, în funcţie de natura materialului.

În cazul oţelurilor cu conţinut redus de carbon (oţeluri moi), în curba caracteristică apare o zonă în care deformaţiile plastice sunt foarte mari şi se produc la o forţă constantă sau descrescătoare. În această fază a încercării materialul “curge”, adică se deformează, deşi sarcina nu mai creşte; pe curba caracteristică se obţine un “palier de curgere” (zona punctului C şi zona palierului de curgere din fig.1.2a).

În zona punctului C şi în zona palierului de curgere forţa F nu mai creşte dar deformaţia plastică creşte, iar tensiunea

Fig. 1.2. Forme tipice de curbe caracteristice

Lucrări de laborator

12

corespunzătoare punctului C se numeste limită de curgere. Limita de curgere poate fi:

a. Limita de curgere convenţională (pentru o alungire neproportională prescrisă), fiind raportul dintre sarcina corespunzătoare F a unei alungiri neproportionale si aria sectiunii transversale initiale a epruvetei (S0); se notează cu Rp cu un indice numeric reprezentând alungirea neproporţională prescrisă; la oţeluri această alungire este de 0,2% şi atunci notaţia este Rp 0.2.

b. Limita de curgere remanentă (pentru o alungire remanentă prescrisă), notată Rr, reprezentând raportul între sarcina corespunzatoare F a unei alungiri remanente prescrise şi aria secţiunii transversale iniţiale a epruvetei (S0). Alungirea remanentă prescrisă se menţionează ca indice la Rr; în cazul oţelurilor alungirea remanentă este 0,2%, astfel că limita de curgere remanentă se notează Rr 0.2. Toate limitele de curgere se măsoară în N/mm2. Pe măsură ce se accentuează gradul de deformare plastică in zona de curgere, metalul se ecruisează şi forţa necesară deformării epruvetei începe să crească. Punctul D al caracteristicii (fig. 1.3) corespunde sarcinii maxime din timpul încercării, Fmax, iar zona aflată înaintea punctului D se numeşte zona de ecruisare (de întărire). La un moment dat, într-o anumită porţiune a epruvetei apare o subţiere (gâtuire), care se accentuează destul de rapid; deformarea în continuare a epruvetei se efectuează numai in zona gâtuirii şi la forţe tot mai mici deoarece secţiunea epruvetei scade continuu. În punctul E de pe curba caracteristică, epruveta se rupe sub acţiunea unei forţe numită sarcina ultimă, Fu. Porţiunea DE se numeste zonă de curgere locală. Rezistenţa la rupere (Rm) reprezintă raportul dintre sarcina maximă (Fmax) pe care o poate suporta epruveta şi aria secţiunii transversale iniţiale (S0):

= 2

0

maxm mm

NS

FR (1.5)

Gâtuirea specifică (Z) se obţine raportând diferenţa dintre aria secţiunii iniţiale (S0) şi cea finală (Su) la secţiunea iniţială:

[ ]%100S

SSZ0

u0 ⋅−

= (1.6)

Materialele metalice care au forma curbei caracteristice ca în figura 1.2a se numesc materiale ductile; proprietatea de

Încercarea la tracţiune

13

ductilitate caracterizează faptul ca ruperea este însoţită de deformaţii plastice mari. Ductile sunt şi materialele din figura 1.2b ale căror curbe caracteristice sunt fără palier de curgere; în această categorie intră cuprul, aluminiul, plumbul şi altele.

În cazul multor materiale, cum ar fi oţelurile pentru arcuri, unele oţeluri călite, fonta şi altele, ruperea epruvetei se face brusc, cu producerea unei gâtuiri neînsemnate, care nu se observă în mod obişnuit. Aceste materiale se numesc fragile; curba lor caracteristică are forma din figura 1.2c. În legătură cu proprietăţile de ductilitate şi fragilitate ale unui material se poate menţiona şi aceea de tenacitate. Aceasta se defineşte ca fiind proprietatea unui material de a absorbi energie în domeniul deformaţiilor plastice. Dacă un material suportă, fără să se rupă, tensiuni accidentale care depăsesc limita de curgere, atunci se spune ca acesta este tenace. După ce se depăseste limita de elasticitate, deformaţiile mari pe care le capătă epruveta încep să producă o micşorare importantă a secţunii transversale. Din această cauză, tensiunea reală din epruvetă, egală cu raportul dintre forţa de tracţiune înregistrată de maşină şi aria secţiunii momentane reale, este mai mare decât valoarea convenţională obţinută prin împărţirea forţei la aria secţiunii iniţiale. Dacă în sistemul de coordonate (R,At) se obţine o curba caracteristică ABCDE convenţională, atunci caracteristica reală arată că în figura 1.3. Deşi în punctul D forţa începe să scadă, tensiunea reală creşte în continuare deoarece epruveta se gâtuieşte iar secţiunea acesteia scade rapid. Până la apariţia gâtuirii, alungirea specifică era aceeaşi pe toată lungimea epruvetei, aşa încât alungirea:

[ ]%100L

LA0

t ⋅=∆

şi alungirea specifică ε erau identice. După gâtuire epruveta suferă o lungire locală puternică (fig.1.3). Caracteristica reală, după punctul D’, este crescătoare până în punctul E’. Alungirea specifică reală la rupere este mai mare decât alungirea la rupere determinată cu baza de măsurare L0.

Fig. 1.3. Curba caracteristică reală

Lucrări de laborator

14

1.2. Epruvete pentru încercarea la tracţiune Forma şi dimensiunile epruvetei trebuie să îndeplinească

următoarele condiţii conform standardelor în vigoare: • dimensiunile epruvetei să fie suficient de mari, astfel încât, pe de o parte, rezultatele să nu fie influenţate de particularităţile de comportare ale unor formaţiuni cristaline ale metalului şi, pe de altă parte, lungirea să se poată măsura cu suficientă precizie; • să existe într-o anumită zonă a epruvetei, o stare de tensiune omogenă; tensiunile locale care apar în porţiunile de prindere ale epruvetei să fie minime şi să nu influenţeze starea de tensiune din zona principală a epruvetei; faptul că există o stare de tensiune omogenă prezintă două avantaje importante: acela că pe curba caracteristică se poate observa uşor momentul apariţiei deformaţiilor plastice şi acela că relaţiile de calcul pentru obţinerea tensiunilor şi deformaţiilor specifice sunt foarte simple.

1.2.1. Forme constructive, dimensiuni Epruveta pentru încercarea la tracţiune trebuie să aibă

secţiune circulară, în cazul produselor sub formă de bare şi secţiune dreptunghiulară, pentru celelalte produse (table, benzi); epruvetele cu secţiune dreptunghiulară pot fi înlocuite cu epruvete rotunde în situaţia în care aparatura nu permite încercarea pe epruvete plate, sau dacă grosimea tablei din care se ia proba este mai mare de 25 mm.

Forma cea mai uzuală şi principalele dimensiuni ale unei epruvete pentru încercarea la tracţiune sunt prezentate în fig. 1.4 pe care s-au notat: Lt-lungimea totală a epruvetei; Lc-lungimea calibrată a epruvetei (lungimea porţiunii de secţiune constantă în limitele toleranţelor prescrise); L0-lungimea iniţială între repere, marcată prin două repere trasate în interiorul lungimii calibrate; d0-diametrul iniţial al epruvetei.

Fig. 1.4. Forma şi dimensiunile unei epruvete cilindrice

Încercarea la tracţiune

15

Lungimea iniţială L0 şi diametrul iniţial d0 se aleg în aşa fel încât raportul n=L0/d0, numit factor dimensional, să aibă valoarea n=5 sau n=10; corespunzător acestor valori, epruveta se numeşte proporţională normală sau proporţională lungă.

Lungimea calibrată se alege în aşa fel încât de la marginile acesteia până la reperele care delimitează lungimea iniţială să fie o distanţă de cel puţin 1/2 d0, ceea ce înseamnă că valoarea minimă a acesteia este Lc=L0+d0; în mod normal Lc=L0+2d0.

1.3. Maşini, aparate şi materiale Pentru efectuarea lucrării se vor folosi:

-maşina de încercat la tracţiune prezentată în fig. 1.5; -şubler sau linie gradată; -ac de trasaj; -epruvete gata confecţionate din oţel, cupru şi aluminiu.

Părţile componente principale ale maşinii pentru încercări statice la tracţiune sunt următoarele: batiul, dispozitivul de fixare a epruvetei, dispozitivul de producere a sarcinii, dispozitivul de măsurare a sarcinii şi dispozitivul de înregistrare a curbei caracteristice.

Există numeroase variante constructive de maşini de încercat, rezultate prin utilizarea unui anumit procedeu de producere a sarcinii şi a unui anumit mod de măsurare a acesteia.

Maşina universală din fig. 1.5 are un cadru fix format din coloanele 1 (fixate pe batiu) şi traversa 6. Pompa hidraulică trimite ulei în cilindrul 7, care este fixat pe traversa 6. Pistonul din cilindrul 7 deplasează în sus cadrul mobil format din traversele 4 şi 9 şi

Fig.1.5. Maşina universală pentru încercări mecanice; schiţă şi maşină servohidraulică, seria TTM cu sarcini de încercare între 100-3000 KN

Lucrări de laborator

16

coloanele 8. Astfel se poate executa încercarea la tracţiune a unei epruvete montate între bacurile 2 şi 3, sau încercarea la compresiune a unei epruvete montate între platourile de pe traversele 4 şi 6, sau încercarea la încovoiere, utilizând reazemele 5. Folosind dispozitive adecvate se poate efectua şi încercarea la forfecare. Uleiul sub presiune din cilindrul 7 ajunge în cilindrul 11, deplasează în jos cadrul 12 şi roteşte pendulul 10, care antrenează (printr-un mecanism nereprezentat) acul indicator 13.

1.4. Modul de lucru Se execută epruvete din tablă de oţel naval de tip A cu

următoarele dimensiuni prescrise (fig. 1.6):

- a0-grosimea epruvetei, a0=13,1 mm; - b0=25,1 mm; - L0=5,65·(S0)1/2=200 mm; - Lc= L0+2·(S0)1/2=225 mm; - r=25 mm

şi se marchează pe aceasta reperele care fixează lungimea L0; epruveta se fixează între fălcile maşinii de încercat la tracţiune; se porneşte maşina, care funcţionează pe principiul descris mai sus.

După rupere acul indicator arată forţa maximă din momentul apariţiei gâtuirii, forţă care se ia în calcul pentru determinarea rezistenţei la rupere prin tracţiune. Se scoate epruveta din fălcile maşinii, se măsoară lungimea finală Lu (după rupere) dintre cele două repere prin punerea cap la cap a celor două bucăţi rezultate în urma ruperii. Se măsoară diametrul secţiunii de rupere şi se calculează aria acesteia (Su); se introduc în relaţiile ce dau rezistenţa la rupere (R), alungirea la rupre (At) şi gâtuirea la rupere (Z).

Cu ajutorul diagramei trasate, în timpul încercării, pe hârtia milimetrică (fig. 1.7), putem calcula celelalte forţe Fp, Fe, Fc, pe

Fig. 1.6. Forma şi dimensiunile epruvetei executată din tablă de

oţel naval

Încercarea la tracţiune

17

care raportându-le la secţiunea iniţială determinăm eforturile unitare corespunzătoare. De asemeni pe diagramă se poate citi şi lungimea epruvetei cu care se calculează alungirea specifică în orice moment. Calculând suprafaţa limitată de curba de tracţiune, axa absciselor şi paralela la (OA) se poate determina lucrul mecanic efectuat pentru producerea ruperii epruvetei.

Încercarea se repetă în cazul că ruperea epruvetei s-a produs lângă unul din reperele ce indică valoarea L0.

1.5. Rezultate, analiza formei şi aspectul epruvetei după rupere

Pentru a obţine rezultate cât mai precise se vor efectua trei încercări, iar valorile caracteristicilor calculate se vor lua ca medie aritmetică. Rezultatele determinate vor fi cuprinse în tabelul 1.

Ruperea unui material poate fi ductilă, fragilă sau mixtă. În cazul ruperii ductile, materialul se deformează plastic într-o măsură importantă; în cazul ruperii fragile, fisura se propagă brusc, nu se produce o deformaţie globală a unei zone a materialului, ci doar o microdeformaţie locală pe suprafaţa de rupere (microdeformaţie care, de obicei, nu se observă decât la analiza prin difracţia razelor X). În cazul epruvetelor supuse la tracţiune, ruperea fragilă produce o secţiune de separaţie normală pe axă (fig. 1.8a);

Tab. 1.1

Nr. probei

Felul materialului

S0

mm2

L0

mm

Su

mm2

Lu

mm

Rc

N/mm2

Rm

N/mm2

At

%

Z

%

1. Ot. Nav. A 328,8 200 166,5 250 308 440 25 49,3

2.

3.

Fig. 1.7. Curba caracteristică determinată experimental pentru oţelul naval

de tip A

Lucrări de laborator

18

ruperea fragilă apare brusc, fără nici o manifestare prealabilă; secţiunea de rupere are o structură cristalină. Acest tip de rupere apare la aliajele Fe3C mai dure cum ar fi fontele.

Epruvetele executate din materiale foarte ductile (aur, plumb)

capătă o gâtuire mare, iar în momentul ruperii secţiunea poate ajunge chiar la un punct (fig. 1.8b). Materialele cu ductilitate medie (de exemplu oţelurile carbon) capătă, înainte de rupere, o gâtuire destul de pronunţată; ruperea începe din centrul secţiunii epruvetei şi apoi se propagă pe direcţiile tensiunilor tangenţiale maxime (la 45o), aspectul suprafeţei de rupere fiind acela din fig. 1.8c, denumit “con-cupă”

Deformarea plastică a epruvetei se produce prin deplasările planelor de alunecare (de maclare) în reţeaua cristalină a metalului; acest fenomen este confirmat de faptul că pe suprafaţa unei epruvete bine şlefuite supuse la tracţiune, în faza deformării plastice, apare un sistem de linii (striuri) de alunecare înclinate la aproximativ 45o şi corespunzând, practic, planelor cu tensiuni tangenţiale maxime (fenomenul de deformare este de fapt, mai complex, având un caracter spaţial şi axial simetric).

1.6. Încercări mecanice de rezistenţă ale materialelor metalice Încercările mecanice cuprind toate metodele care permit

determinarea unor caracteristici şi proprietăţi ce privesc comportarea materialelor metalice sub acţiunea unor sarcini exterioare (forţe şi momente) stabilite în mod convenţional.

Scopurile în care se efectuează încercările mecanice sunt:

Fig.1.8. Suprafeţe de rupere la diferite

materiale metalice

Fig. 1.9. Suprafaţa de rupere

con-cupă la un oţel moale

Încercarea la tracţiune

19

• determinarea caracteristicilor mecanice în vederea verificării calităţii materialelor;

• elucidarea unor cauze de avarii şi scoaterea din exploatare a unor piese;

• verificarea caracteristicilor mecanice a unor repere realizate prin tehnologii noi.

Încercările mecanice ale materialelor metalice sunt clasificate prin STAS 6967-88 după următoarele criterii:

1. După natura caracteristicilor examinate: -încercări de rezistenţă; -încercări tehnologice.

2. 2.După tipul solicitării: -încercări la tracţiune; -încercări la compresiune; -încercări la încovoiere; -încercări la răsucire; -încercări la forfecare; -solicitări compuse, etc.

3. După modul de acţionare a solicitării: -încercări statice, când viteza de acţiune a sarcinii este sub 100N/mm2s; -încercări dinamice, când viteza de acţiune a sarcinii depăşeşte această valoare.

4. După numărul solicitărilor: -cu solicitare unică; -cu solicitări repetate.

5. După temperatura la care se execută încercarea: -la temperatura ambiantă (15-35oC) (SR EN 10002-1:2002); -încercări la cald (peste 35oC) (SR EN 10002-5:1995); -încercări la rece.

6. După durata încercării: -încercări de scurtă durată (sub 100 ore); -încercări de lungă durată (peste 100 ore).

Încercările mecanice în majoritate sunt încercări distructive; ele se efectuează pe epruvete de forme şi dimensiuni prescrise de standarde specifice fiecărui fel de încercare.

La prelevarea probelor (SR EN ISO 377:2000) trebuie avut în vedere ca prin operaţiile de debitare şi de aducere a probelor la forma şi dimensiunile stabilite, să nu se provoace modificări structurale care ar denatura rezultatele. Rugozitatea suprafeţelor active a epruvetelor influenţează foarte mult rezultatele, de aceea

Lucrări de laborator

20

ea trebuie păstrată în limitele indicate de standarde. Încercările mecanice, în ultimul timp, au început să fie executate direct pe piese şi subansamble, lucru care permite obţinerea unor rezultate mult mai apropiate de realitate.

Încercările materialelor prezintă o importanţă deosebită deoarece ele ne pun la îndemână datele cu privire la caracteristicile mecanice şi tehnologice ale materialelor în general şi a materialelor metalice în particular, date care stau la baza folosirii raţionale a materialelor.