Propriet ăţ i mecanice

1. Proprietăţi mecanice 3.2. PROPRIETĂŢILE MECANICE Proprietăţile mecanicereflectăcomportarea metalelor şi aliajelorsub acţiunea unor forţe exterioare de natură mecanică.  Structura metalului, care reprezintă modul de distribuţie a atomilor, cât şi forţele de legătură dintre atomi pot influenţa profund caracteristicile mecanice. Studiul caracteristicilor mecanice se efectuează conform standardelor, pentru fiecare metal în parte, în laboratoare de specialitate, cu ajutorul aparatelor speciale de încercări mecanice. Prin încercări mecanice se studiază modul de comportare al unei epruvete (piesă de probă) din materialul studiat până cand aceasta se rupe. Se înregistrează valorile parametrilor caracteristici pe timpul încercării. Se analizează felul ruperii cât şi aspectul ruperii. Concluzie: Prin încercări mecanice se stabilesc caracteristicile mecanice ale tuturor materialelor care apoi sunt menţionate în STAS-urile de materiale. III.3.22.

2. 1. REZISTENŢA MECANICĂ ► Materialele sunt apreciate după rezistenţa lor mecanică, adică după capacitatea de a suporta încărcări apreciabile fără a se înregistra deformaţii considerabile. ► Comportarea materialelor la solicitări mecanice poate fi explicată prindeformarea structurii cristaline. Observăm din următoarea succesiune de imagini cum se deplaseaza atomii metalului când acesta e supus unei solicitări. Deformare elastică Creşterea deformării elastice şi apariţia alunecării atomilor la limita de elasticitate Deformare plastică prin forfecare Deformare plastică prin rotirea unor grupe de atomi faţă de planul de deformare (maclare) Cristalul iniţial Încercările mecanice de rezistenţă urmăresc în principal determinarea comportării la solicitările simple de: întindere (tracţiune), compresiune forfecare încovoiere  răsucire (torsiune). Dacă un corp este supus simultan la minimum două solicitări simple, atunci corpul este solicitat la solicitări compuse. III.3.23.

3. L  = Lo ÎNCERCAREA LA TRACŢIUNE Încercarea la tracţiune se execută aplicând unei epruvete o forţă axială crescătoare, înregistrând continuu variaţiile de lungimeL, până în momentul ruperii. L = L-Lo Aplicarea unei forţe exterioare F determină apariţia în epruvetă a unor reacţiuni numite tensiuni normale, care se calculează cu relaţia: [N/mm²] Fiecărei tensiuni îi corespunde o anumită alungire care se calculeaza astfel: Aparat de încercare la tracţiune Alungirea relativă:  = ·100 [%] III.3.24.

4. CURBA TENSIUNE - DEFORMAŢIE Prin reprezentarea grafică a variaţiei tensiunii în raport cu alungirea, rezultă curba caracteristică a materialului, numităşi curba tensiune-deformaţie.  Prima parte a curbei caracteristice este o linie dreaptă, tensiunile normale fiind proporţionale cu deformaţiile ceea ce se exprimă prinlegea lui Hooke: e- Limita elasticăreprezintă tensiunea la care alungirea specifică remanentă atinge o valoare prescrisă. e p = E ·  • σ - tensiunea normală • se măsoară în [N/mm²] • ε - alungire, deformaţia elastică • E - modulul de elasticitate longitudinal •  este constanta de material •  este factor de proportionalitate, •  se măsoarăîn [N/mm²].  p e Domeniul elastic p -Limita de proporţionalitate până la care materialul prezintă o comportarea elastică proporţională, conform legii lui Hooke. III.3.25.

5.  e p  p e Fmax r= So Domeniul plastic: curgerea, ruperea Dincolo de limita elastică, deformaţiile cresc mai repede decât tensiunile. La o anumită valoare a forţei de întindere, deformaţia epruvetei creşte fără ca forţa de întindere să crească sensibil, materialul “curge”. • c -Limita de curgere aparentă • reprezintă raportul dintre sarcina • corespunzătoare unei alungiri • neproporţionale prescrise şi aria • secţiunii transversale iniţiale a • epruvetei, măsurată în [N/mm²]. r c c este alungirea la curgere. • c0,2 -Limita de curgere remanentă • reprezintă raportul dintre tensiunea • normală căreia îi corespunde o alungire remanentă prescrisă • c =0,2%. c r r -Limita de rupereeste tensiunea maximă pe care o poate suporta materialulîncercat fără să se rupăşi reprezintă rezistenţa la rupere a materialului. • unde: Fmax - forţa maximă de rupere • So – secţiunea transversală iniţială a epruvetei. r este alungirea la rupere. III.3.26.

6. L t= = F F Lo do d L do Lo ÎNCERCAREA LA COMPRESIUNE Încercarea la compresiune a unei epruvete cilindrice având lungimea şi diametrul egale cu 20mmse efectuează pe o presă. În timpul încercării măsurându-se forţa aplicată epruvetei şi scurtarea acesteia L= Lo-L. La solicitarea de compresiune se obţin tensiuni normale de sens opus celor de la întindere, scurtarea specificăεşi umflarea transversală specificăt. Rezistenţa la compresiune – este proprietatea corpurilorsolide de a se opune deformăriisub acţiunea a două forţe axialede sens contrar, orientate cătreinteriorul piesei. FLAMBAJUL La barelor subţiri, tuburile cu pereţi subţiri supuse la compresiune se verifică suplimentar la stabilitate, adică flambaj.Flambajul este fenomenul pierderii stabilităţii elastice a unui corp. Fenomenul este periculos , deformaţiile ce apar sunt foarte mari şi ruperea se produce la o creştere foarte mică a sarcinii aplicate. Fenomenul de flambaj se poate produce atât în domeniul elastic cât şi în domeniul plastic. Influenţa materialului barei se evidenţiazăîn formulele de calcul prin modulul de elasticitate, fie prin efortul unitar critic de flambaj. III.3.27.

7. F · L L= E · A RIGIDITATEA Condiţia de rigiditate a unei bare drepte cere ca valorile alungirii l sau deformaţia să fie cât mai mici faţă de lungime. În legea lui Hooke  = E·înlocuim = F/Aşi = L/L, deducem lungirea L. Din această relaţie se observă că variaţia de lungime a barei este invers proporţională cu produsul E·A, care poartă numele de modul de rigiditate la întindere, respectiv modul de rigiditate la compresiune. • Observăm de asemenea că sunt mai rigide barele cu lungimi mai mici şi secţiuni mai mari. • Pentru bare având aceeaşi formă şi aceleaşi dimensiuni, cele din oţel sunt mai rigide decât cele din aluminiu, deoarece modulul de elasticitate longitudinal este mai mare la oţel decât la aluminiu. • Prin încercările de întindere şi compresiune se stabileşte astfel şi rigiditatea unui material. III.3.28.

8. So-Sr Z = · 100 [%] So GÂTUIREA LA RUPERE Pentru aprecierea proprietăţilor mecanice ale unui material, de mare importanţă este gâtuirea la rupere. La o valoare mai mare decât rezistenţa la rupere, deformaţia epruvetei se concentreazăîntr-un singur loc, pe epruvetă apare o gâtuire şi în acest loc se va produce ruperea. Gâtuirea la rupere se notează cu: So este aria secţiunii iniţiale a epruvetei Sr este aria secţiunii la rupere Gâtuirea la rupere măsoară tenacitatea materialului încercat. TENACITATEA Tenacitatea este proprietatea materialelor de avea deformaţii plastice mari înainte de rupere. • Se execută exclusiv din materiale tenace: • Elementele de rezistenţă a unui ciocan de forjă • Recipienţii de gaze sub presiune mare FRAGILITATEA Fragilitatea, opusă tenacităţii, este proprietatea materialelor de a se rupe fără a avea deformaţii mari. Pentru piesele solicitate prin şoc sau la vibraţii se evită folosirea materialelor fragile. III.3.29.

9. Rezistenţa la forfecare -este proprietatea corpurilor solide de a se opune acţiunii momentane a două forţe paralele, egale ca mărime, de sens contrar şi dispuse perpendicular pe axa corpului, la foarte mică distanţă una fata de alta, de o parte şi de alta a unei secţiuni. T = A ÎNCERCAREA LA FORFECARE T Neglijând efectul încovoierii, în secţiunea A acţionează forţele tăietoare T care produc tensiuni tangenţiale:  • Rezistenţa de rupere la forfecare • se obţine efectuând o încercare cu astfel de • solicitare până la rupere, • se calculeaza prin raportul dintre forţa de • rupere şi aria secţiunii. A T Asamblare prin nituire Aparat de încercare la forfecare Identificaţi poziţia secţiunii de forfecare a nitului. T T Click aici pentru răspuns. III.3.30.

10. ÎNCERCAREA LA ÎNCOVOIERE O bară dreaptă este solicitată la încovoiere atunci când sarcinile ce I se aplică sunt forţe care se aflăîn plane ce trec prin axa barei. În fiecare secţiune a barei iau naştere reacţiuni situate în planul de acţionare a forţelor: o forţă tăietoare şi un cuplu Mî, numit moment încovoietor. Axa barei se deformează , fibrele din partea convexă se lungesc (întindere), iar cele din partea concavă se scurtează (compresiune). Rezistenţa la încovoiere este proprietateacorpurilor solide de a se opune deformării sub acţiunea unor forţe sau cupluri de forţe care se aflăîn planul care trece prin axa barei. Aparat pentru măsurarea deformaţiilor la încovoiere T Identificaţi elementul solicitat la încovoiere Click aicipentru răspuns. III.3.31.

11. ÎNCERCAREA LA TORSIUNE O bară dreaptă de secţiune circulară sau inelară este solicitată la răsucire pură dacă asupra ei acţionează la extremităţi două cupluri Mt situate în planuri perpendiculare pe axa barei.  Rotirea relativă a două secţiuni transversale ale barei are ca efect apariţia unor tensiuni tangenţiale aflate în planul acestor secţiuni.    În baza legii lui Hooke , tensiunile tangenţiale  , din planul secţiunii transversale, sunt proporţionale cu lunecarea specifică.  = G · G- modul de elasticitate transversal care este constantă de material şi exprimă deformaţia materialului la solicitare; se măsoarăîn [daN/mm²] - lunecarea specifică, care se calculează cu relaţia: = r ·  [rad· mm] r - raza barei masuratăîn [mm]  - unghiul de rotire specifică a celor două secţiuni, situată una faţa de alta la o distanţă egală cu unitatea; se măsoarăîn [rad] Studiul proprietăţile mecanice la forfecare pură se efectuează în mod obişnuit prin încercarea la răsucire a unui tub cu perete foarte subţire. Se măsoară momentul de răsucire aplicat probei şi unghiul de torsiune al acesteia. Se determină apoi, mărimile: tensiunea tangenţială τ şi lunecarea specifică γ. III.3.32.

12. REZISTENŢA LA TORSIUNE Rezistenţa la torsiune este proprietatea corpurilor solide de a se opune deformării sub acţiune a două cupluri de răsucire Mt situate în planuri perpendiculare pe axa barei. Aparat de încercare la torsiune Identificaţi elementele solicitate la torsiune din imaginile alăturate. Click aicipentru răspuns. III.3.33.

13. EXERCIŢII 1 7 Identificaţi solicitările din imagini. 4 TORSIUNE TORSIUNE FORFECARE 5 8 2 TORSIUNE FORFECARE ÎNCOVOIERE 3 COMPRESIUNE ÎNCOVOIERE ÎNTINDERE COMPRESIUNE 6 ÎNTINDERE 9 ÎNCOVOIERE Click aici pentru răspuns. III.3.34.

14. EXERCIŢII Identificaţi solicitările din imagini. 1 2 ÎNTINDERE FORFECARE 3 TORSIUNE 4 TORSIUNE Click aicipentru răspuns. III.3.35.

15. 2. ELASTICITATEA Elasticitatea - proprietatea metalelor de a se deforma sub acţiunea forţelor exterioare şi dea reveni la forma şi dimensiunile lor iniţiale după ce solicitarea care a produs deformaţia şi-aîncetat acţiunea. Proprietatea de elasticitate o au doar unele dintre materiale, până la anumite nivele de solicitare. Se pot obţine deformaţii elastice pentru oricare tip de solicitare a corpurilor executate din materiale elastice. 3. PLASTICITATEA Plasticitatea este proprietatea materialelor de a nu mai reveni la forma şi dimensiunile iniţiale după încetarea acţiunii solicitării care a produs deformarea. În cazul depăşirii limitei de elasticitate, deformaţiile corpurilor sunt parţial elastice şi parţial plastice. Componentele plastice ale acestor deformaţii se menţin şi după eliminarea totală a solicitării, reprezentând deformaţiile remanente. Acestea sunt cu atât mai mari cu cât mărimea deformaţiei produse de solicitare este mai mare. La unele materiale se observă pe curba caracteristică σ = f(ε) o porţiune dreaptă orizontală care corespunde unor deformaţii relativ mari la o solicitare constantă. Fenomenul care corespunde acestei porţiuni se numeşte curgere aparentă, iar mărimea solicitării reprezintă limita de curgere aparentă σc. III.3.36.

16. FLUAJUL Fluajul este fenomenul de deformare lentăşi continuă a materialelor sub acţiunea sarcinilor. Metoda relaxăriistudiază experimental variaţia în timp a eforturilor unitare prin menţinerea constantă a deformaţiei piesei. Instalaţia de încercare este prevazută cu un dispozitiv de reglare a sarcinii de lucru pe care o micşorează pe măsură ce creşte deformaţia eprivetei, ceea ce reduce deformaţia la valoarea constantă prescrisă. Pe baza acestei încercari se stabileşte limita de fluaj. Pe baza calculului la fluaj (curgere lentă) se dimensionează cazanele cu aburi care lucrează la presiuni şi temperaturi înalte. Cu cât temperatura este mai ridicată , cu atât deformaţia prin fluaj creşte mai rapid. OŢEL Tenacitatea este proprietatea materialelor solide de a acumula o energie mare de deformaţie plastică până la rupere. Un material tenace se va rupe deci numai după deformaţii plastice specifice mari.. Tenacitatea materialelor depinde de natura lor şi felul solicitării care pot fi de două feluri: statice şi dinamice. Ca măsură a tenacităţii dinamice s-a introdus mărimea numită rezilienţă FONTĂ Fragilitatea este proprietatea unor materiale de a nu permite practic deformaţii plastice până la rupere, fiind proprietatea opusă plasticităţii. Pentru piesele solicitate prin şoc sau la vibraţii se evită folosirea materialelor fragile. III.3.37.

17. 4. REZILIENŢA MATERIALE TENACE (rezistă la şocuri puternice) metale tenace : fier, aluminiu, plumb, cupru MATERIALE FRAGILE (se rup la şocuri mici) aliaje fragile: fontă, oţel călit Rezilienţa reprezintă capacitatea unui material de a suporta solicitări prin şoc. Ea este determinată de proprietatea acestora de a acumula energie de deformaţie mare înainte de a se rupe. Rezilienţa depinde de tenacitatea materialelor. Rezilienţa se determină la materialele din care se fac piese şi scule supuse la şocuri (loviri) în timpul utilizării lor: roţi dinţate, poansoane, matriţe, etc. Criteriul uzual de apreciere a tenacităţii sau fragilităţii metalelor îl asigură rezultatele încercărilor de rezilienţă. III.3.38.

18. Pendulul Charpy Erupere KCU = [J/m 2] S Schema de principiu DETERMINAREA REZILIENŢEI Rezilienţa se determină cu pendulul de rezilienţă Charpy. Încercarea constă în ruperea unei epruvete prismatice, prevăzută cu o crestătură în formă de U sau V în zona de mijloc. Se ridică pendulul la o anumită înălţime. Se lasă apoi să cadă liber lovind epruveta în partea opusă crestăturii. Se constată că după ruperea epruvetei pendulul se ridică la o înălţime mai mică decât cea iniţială. Diferenţa dintre energia potenţială iniţială a pendulului şi cea finală reprezintă energia de rupere (Erupere). K – rezilienţa C – pendul Charpy U – forma crestăturii epruvetei S – secţiunea de rupere III.3.39.

19. 5. DURITATEA Duritateaeste proprietatea materialelor de a se opune pătrunderii în masa lor a unor corpuri străine care tind să le deformeze suprafaţa. DURIMETRU aparat pentru măsurarea durităţii Durimetru portabil III.3.40.

20. METODE DE DETERMINARE A DURITĂŢII HRB 2.METODA ROCKWELL 1. METODA BRINELL HB HRC Se folosesc mai multe metode de determinare a durităţii care diferă prin forma corpului de penetrare (sferă, piramidă, con). 3.METODA VICKERS HV 3.33. 3.40.

21. DURITATEA METALELOR Duritatea metalelor se determină utilizând in general duritatea Brinell HB=F/s [daN/mm ] unde: F- forta de apăsare; s- aria amprentei Exemplu de notare şi citire a durităţii: 270HB/5/750/30 – duritate Brinell de 270 HB, determinată cu o bilă de oţel cu D=5mm şi o forţă F= 750 daN, aplicată timp de 30 secunde. 2 3.41.

22. DURITATEA METALELOR Între cifrele de duritate (HB, HRC, HV) există corespondenţă. Cifrele de duritate HB şi HV sunt egale în intervalul 50-350 daN/mm , iar între cifrele de duritate HB şi HRC se poate scrie 10 HRC = 1HB în intervalul 25-60 HRC. Pentru a asigura pieselor o valoare optimă a durităţii se folosesc şi alte scale de măsură: Mohs, Share etc. 2 III.3.43.

23. STRIVIRE .Eforturi unitare de contact În majoritatea cazurilor practice, transmiterea sarcinilor între două corpuri are loc prin intermediul unei suprafeţe , deci printr-o presiune de contact ce tinde să strivească suprafaţa corpurilor pe zona contactului. as Se numeşte strivire solicitarea între suprafeţe a două corpuri în contact, ce-şi transmit presiunea pe o arie de dimensiuni relativ mari. La stabilirea diametrului nitului în practică, se are în vedere şi presiunea de contact asdintre nit şi gaură. Presiunea de contactse consideră uniform repartizată pe diametrul găurii. as este rezistenta admisibila la strivirea a materialului mai putin rezistent dintre cele doua aflate in contact. Pe suprafeţele de contact eforturile unitare cresc mai încet decât forţa şi depind de caracteristicile elastice ale materialelor. EXERCIŢIU Identificaţi suprafeţele solicitate la strivire din imaginile alăturate. III.3.44.

24. Arbore cotit 6. OBOSEALA MATERIALELOR Mî Mî Oboseala este un fenomen de reducere a rezistenţei de rupere în cazul solicitărilor repetate de un număr mare de ori. În timpul mişcării fibrele axelor trec ciclic prin poziţii care corespund modificării sensului solicitării. Se produce în cazul axelor de rotaţie sub acţiunea greutăţilor proprii precum şi a altor forţe care nu-şi modifică sensul. Se obţine de asemenea ca efect al vibraţiilor. Se constată că piesele cu solicitări variabile se pot rupe la nivele de solicitare mai mici decât rezistenţa de rupere statică, cu atât mai mici cu cât numărul ciclurilor de solicitare este mai mare. În cazul oţelurilor se observă că sub un anumit nivel de solicitare nu se produce fenomenul de oboseală. III.3.45.

25. REZISTENŢA LA OBOSEALĂ Rezistenţa la oboseală este mărimea maximă a solicitării pentru care piesele au o durabilitate nelimitată. Ea se determină prin încercări de oboseală. Mărimea rezistenţei la oboseală depinde de tipul solicitării, precum şi de forma ciclului de solicitare. Efectul maxim de oboseală se obţine în cazul ciclurilor alternant simetrice de solicitare. Maşină specială de încercare la oboseală III.3.46.

26. Maşină pentru încercare la oboseală prin încovoiere rotativă 1 – greutăţi 2 - rulmenţi 3 – epruvete 4 – dispozitiv de prindere a epruvetelor 5 - lagăre 6 – roată de antrenare în mişcare de rotaţie III.3.47.

27. Proprietăţile mecanice ale metalelor Faceţi corespondenţa dintre cele două coloane. EXERCIŢIU Propoziţii caracteristice PROPRIETĂŢI MECANICE 1. Plasticitate 2. Elasticitate 3. Rezistenţă mecanică 4. Duritate 5. Rezilienţă 6. Rezistenţă la oboseală A. Rezistenţa metalelor la şocuri. B. Rezistenţa metalelor de a se opune pătrunderii unui alt corp la suprafaţa lor. C. Deformarea permanentă sub acţiunea forţelor exterioare. D. Rezistenţa metalelor de a se opune solicitărilor mecanice: întindere, răsucire, încovoiere, forfecare. E. Deformarea temporar sub acţiunea forţelor exterioare. F. Proprietatea metalelor de rezista timp îndelungat la eforturi repetate. Click pe fiecare propoziţie caracteristica pentru verificare. III.3.48.