INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Transkrypt

1 KATEDRA MASZYN I URZĄDZEŃ ENERGETYCZNYCH Politechnika Śląska w Gliwicach INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Instrukcja przeznaczona jest dla studentów następujących kierunków: 1. Energetyka - sem. 3 WM 2. Inżynieria Bezpieczeństwa - sem. 3 WM 3. Mechanika i Budowa Maszyn - sem. 3 WM

2 Cel wykonania ćwiczenia. Za podstawowe doświadczenie w wytrzymałości materiałów, mające doprowadzić do określenia własności mechanicznych materiału, uważa się próbę rozciągania. Jednakże, aby uzyskać pełny obraz właściwości materiału, obok próby rozciągania, wykonuje się próby ściskania, zginania, skręcania, udarności, wytrzymałości zmęczeniowej, pełzania, twardości. Pręt próbny (rys.1) poddajemy próbie rozciągania w maszynie wytrzymałościowej wywołując w nim siłę rozciągającą. Pręt taki wykonuje się z badanego materiału zgodnie z normą PN-EN ISO W wyniku wykonania ćwiczenia otrzymujemy wykres w układzie F = f() (wydłużenie próbki w funkcji siły F), a po przeliczeniu otrzymanych wielkości = f() (wydłużenie względne w funkcji naprężenia ). Przy dostatecznie wielu próbach jednego rodzaju materiału można przeprowadzić obróbkę statystyczną otrzymanych wyników co pozwala na dokładne określenie własności badanych próbek. Wykonanie próby statycznego zerwania próbki ma na celu ukazanie zachowania się materiału podczas rozciągania oraz wyznaczenie wielkości charakteryzujących własności materiału w zakresie odkształceń sprężystych, plastycznych aż do zniszczenia /zerwania/ próbki. Rys. 1. Standardowa próbka do badań Wykres rozciągania. Wykres rozciągania przedstawia się najczęściej we współrzędnych f (rys. 2). Analizując wykres rozciągania dla materiałów z widoczną górną i dolną granicą plastyczności mamy: wraz ze wzrostem obciążenia wydłużenia są bardzo małe, a wykres jest linią prostą. Przy dalszym wzroście obciążeń wykres zakrzywia się materiał pozostaje jeszcze w stanie sprężystym jednakże stosunek przyrostu naprężenia do przyrostu odkształcenia nie jest już proporcjonalny. Dalszy wzrost siły łączy się z powstawaniem trwałych odkształceń i osiągnięciu przez materiał stanu, w którym siła przy wzrastających wydłużeniach oscyluje pomiędzy dolną i górną granicą raz opadając, raz wzrastając. Przy dalszym trwaniu próby wzrostowi wydłużeń towarzyszy wzrost siły. Z chwilą osiągnięcia maksymalnej, w ciągu trwania próby, wartości siły następuje przyrost wydłużenia przy równoczesnym spadku wartości obciążenia. Następnie pręt ulega pęknięciu. Zachowanie się materiału podczas rozciągania. W pierwszej fazie rozciągania po odciążeniu próbka powraca do swej pierwotnej długości, nie można stwierdzić żadnych trwałych wydłużeń linia prosta na wykresie. Potwierdza to ważność obowiązującego prawa Hooke a w odniesieniu do proporcjonalności odkształceń. Dalej wykres rozciągania nieco zakrzywia się jednakże badany materiał jest ciągle w stanie sprężystym odciążenie spowoduje powrót próbki do długości wyjściowej. W dalszej fazie rozciągania następuje powstanie trwałego wydłużenia próbki co dowodzi odstępstwa od prawa Hooke a. Stosunek wydłużenia do obciążenia nie zmienia się już proporcjonalnie. Kolejna faza to odkształcenia, które zachodzą bez wzrostu obciążenia, zachowanie materiału określamy tu jako płynięcie. Z chwilą rozpoczęcia płynięcia na 1 PN-EN ISO : wersja angielska - 2 -

3 powierzchni próbek pojawiają się drobne bruzdy widoczne jako linie 1 nachylone do osi pod kątem około 45. Są to ślady gwałtownych wzajemnych przesunięć (poślizgów) cząstek materiału. Pojawiają się najpierw w jednym miejscu i rozszerzają się później na całą długość próbki. Następnie płynięcie ustaje, następuje tzw. umocnienie materiału, a powstające odkształcenia są wyraźnie o charakterze plastycznym, obciążenie osiąga maksimum. W ostatniej fazie rozciągania obserwujemy pojawienie się w jednym miejscu gwałtownego zwężenia próbki zwanego szyjką 2 - przekrój zmniejsza się w tym miejscu przy spadku obciążenia gdzie następuje też zerwanie badanej próbki i zakończenie testu. a) b) c) R m R u R e R m R u R eh R el R m R u R,2 R s R H R H R H.2 % Rys. 2. Wykres rozciągania dla materiałów z widoczną granicą plastyczności (a), dla materiałów z widoczną dolną i górną granicą plastyczności (b), dla materiałów bez widocznej granicy plastyczności (c) Pojęcia podstawowe: długość pomiarowa L długość cylindrycznej lub pryzmatycznej części próbki, na której w każdej chwili badania prowadzi się pomiar wydłużenia. W szczególności rozróżnia się: - początkową długość pomiarową L długość pomiarowa próbki przed przyłożeniem siły, - długość pomiarową po zerwaniu L u długość pomiarowa po zerwaniu próbki, - długość robocza 3 L c długość równoległej części próbki o pomniejszonym przekroju poprzecznym, - długość całkowita L t długość próbki, wydłużenie /lubl/ przyrost początkowej długości pomiarowej (L ) po zakończeniu próby, wydłużenie względne /procentowe/ wydłużenie wyrażone w procentach początkowej długości pomiarowej (L ), wydłużenie trwałe procentowe przyrost początkowej długości pomiarowej próbki po zdjęciu zadanego naprężenia, wyrażony w procentach początkowej długości pomiarowej (L ), wydłużenie procentowe po rozerwaniu 4 A trwałe wydłużenie długości pomiarowej po rozerwaniu (L u L ), wyrażone w procentach początkowej długości pomiarowej (L ), 1 W literaturze zachodnio-europejskiej nazywane liniami Lüdersa, zaś w rosyjskiej łączą z tym zjawiskiem nazwisko Czernowa, metalurga który pierwszy je opisał. 2 Przy dostatecznie długiej próbce można niekiedy uzyskać dwie, a nawet więcej szyjek, pęknięcie ostatecznie następuje w jednej z nich. 3 W odniesieniu do próbek nie obrobionych mechanicznie pojęcie długości roboczej zastępuje się pojęciem odstępu między uchwytami maszyny wytrzymałościowej, 4 W wypadku próbek proporcjonalnych, dla których początkowa długość pomiarowa nie równa się - 3-5,65 S 5 gdzie S jest początkową powierzchnią przekroju poprzecznego na długości roboczej, oznaczenie A należy uzupełnić indeksem, który jest współczynnikiem proporcjonalności, np.: A 11,3 - wydłużenie procentowe po rozerwaniu, przy początkowej długości pomiarowej (L ) odpowiadającej 11,3 S 4S

4 wydłużenie całkowite procentowe przy rozerwaniu A t - wydłużenie całkowite, (wydłużenie sprężyste i wydłużenie plastyczne) długości pomiarowej w momencie rozerwania, wyrażone w procentach początkowej długości pomiarowej (L ), wydłużenie procentowe przy największej sile przyrost długości pomiarowej próbki przy największej sile, wyrażone w procentach początkowej długości pomiarowej (L ). W tym zakresie rozróżnia się wydłużenie procentowe całkowite przy największej sile (A gt ) i wydłużenie procentowe nieproporcjonalne przy największej sile (A g ), długość pomiarowa ekstensometru L e - długość roboczej części próbki, na której do pomiaru przyrostu zastosowano ekstensometr. (Długość ta może się różnic od L i powinna ona być większa niż b, d lub D, ale mniejsza niż długość robocza (L c ), przyrost powiększenie długości pomiarowej ekstensometru (L e ) mierzone w danym momencie badania, przyrost trwały procentowy powiększenie długości pomiarowej ekstensometru po zdjęciu zadanego naprężenia, wyrażone w procentach długości pomiarowej ekstensometru (L e ), przyrost na granicy plastyczności A e przyrost mierzony miedzy początkiem miejscowego płynięcia a rozpoczęciem równomiernego odkształcenia z umocnieniem, wyrażony w procentach długości pomiarowej ekstensometru (L e ), przewężenie procentowe Z największa zmiana powierzchni przekroju poprzecznego, która następuje podczas próby (S S u ), wyrażona w procentach początkowej powierzchni przekroju poprzecznego (S ), największa sila F m największa siła występująca na próbce podczas badania, po przekroczeniu granicy plastyczności, naprężenie siła w dowolnej chwili badania, podzielona przez początkowa powierzchnie przekroju poprzecznego (S ) próbki, wytrzymałość na rozciąganie R m naprężenie odpowiadające największej sile (F m ), granica plastyczności R e wielu przypadkach po osiągnięciu stanu płynięcia wartość siły rozciągającej ulega małym wahaniom pomiędzy górną i dolną wartością. Umożliwia to wprowadzenie górnej i dolnej granicy plastyczności. Jako wielkość charakteryzującą własności materiału należy przyjąć dolną wartość siły, umowna granica plastyczności R.2 naprężenie, dla którego odkształcenie trwałe wynosi pl =.2%. Definiujemy ją dla celów praktycznych, ponieważ nie wszystkie materiały wykazują w próbie rozciągania wyraźną granicę plastyczności R e, granica proporcjonalności R H - największa wartość naprężenia, przy której zachodzi wprost proporcjonalna zależność między wydłużeniem i naprężeniem /zakres stosowania prawa Hooke a/, granica sprężystości R s - największa wartość naprężenia, przy której nie występują odkształcenia trwałe 1. Maszyna wytrzymałościowa do prób rozciągania Podczas ćwiczeń laboratoryjnych używamy maszyny wytrzymałościowej do badań statycznych. Maszyna przeznaczona jest do testów wytrzymałościowych na rozciąganie, ściskanie i zginanie (a także na ścinanie i skręcanie). Urządzenie spełnia najwyższe wymagania branży badań materiałów i komponentów. Składa się z dwóch kolumn. Za ich pomocą głowica przenosi obciążenie na próbkę testową. Podczas badania maszyna zapewnia obciążenie do 1 kn. Elektroniczny ekstensometr zainstalowany na maszynie umożliwia dokładny pomiar na określonej długości próbki podczas rozciągania lub ściskania. Ponadto, wydłużenie materiału jest mierzone na podstawie przesunięcia trawersy. Wyniki pomiaru (siła i wydłużenie) są zapisywane w pamięci komputera. 1 W rzeczywistości ważność prawa Hooke a prawie dla wszystkich materiałów jest związana z ich sprężystością, można więc w praktyce technicznej zidentyfikować obie granice. Dokładny pomiar wydłużeń sprężystych w zależności od naprężeń pozwala na wyznaczenie modułu sprężystości podłużnej E Young a

5 Wykonanie testu: Przygotowanie oraz wykonanie testu przeprowadza się zgodnie ze wskazówkami zawartymi w instrukcji obsługi zrywarki. Próbę przeprowadza prowadzący ćwiczenia lub osoba przez niego upoważniona. Próbę rozciągania przeprowadzamy na przygotowanych wcześniej próbkach. Próba polega na rozciąganiu próbki aż do rozerwania i wyznaczeniu własności mechanicznych Zadanie, które należy wykonać sprowadza się do: - zapoznania się z obowiązującą normą dotyczącą prób rozciągania metali, - poznania zachowania się różnych materiałów podczas próby rozciągania, - sprawdzenia liniowej zależności wydłużenia w funkcji obciążenia F /prawo Hooke a/, - wyznaczenia charakterystycznych wielkości charakteryzujących własności materiału. Próbę rozciągania przeprowadza się przeważnie na próbkach o stałym przekroju kołowym, która zostaje obciążona w kierunku osiowym siłą rozciągającą F. Siła ta powoduje powstanie naprężeń normalnych w przekroju próbki. Naprężenie to definiujemy jako stosunek przyłożonej siły F do pola przekroju A, w którym ta siła działa. Przyłożenie siły powoduje także powstawanie wydłużenia. Jeżeli wielkość tą odniesiemy do długości początkowej uzyskamy wydłużenie względne /jednostkowe/ (jeśli przemnożymy przez 1% - wydłużenie procentowe). 2 F D A 1% A 4 L gdzie F rozciągająca siła osiowa A pole przekroju poprzecznego próbki o średnicy D (początkowe) wydłużenie względne (procentowe) wydłużenie całkowite długość początkowa L Przebieg próby rozciągania przedstawia się za pomocą wykresu w układzie = f() wykreślanego podczas próby patrz rys.2, lub sporządzonego na podstawie zarejestrowanych parametrów pomiarowych. Przebieg ćwiczenia: 1. Pomiar cech geometrycznych próbki, 2. zaznaczenie długości początkowej L, 3. opracowanie metody badania (wprowadzenie do komputera danych próbki oznaczenie materiału i wymiary), 4. zamocowanie próbki w maszynie, 5. przeprowadzenie próby, 6. pomiar próbki po zerwaniu D u, L u, 7. wyznaczenie charakterystycznych naprężeń: R H, R eh, R el, R p,2, R m, R u, 8. wyznaczenie charakterystycznych wydłużeń: p, t, A g, A gt, A, A t

6 Tablica pomiarów i wyników: Próbka 1 D = mm L = mm A = mm 2 A = % 1 D u = mm L u = mm A u = mm 2 Z = % R H R eh R el R p,2 R m R u e t A g A gt A 2 A t [MPa] [%] Próbka 2 D = mm L = mm A = mm 2 A = % 1 D u = mm L u = mm A u = mm 2 Z = % R H R eh R el R p,2 R m R u e t A g A gt A 2 A t [MPa] [%] Próbka 3 D = mm L = mm A = mm 2 A = % 1 D u = mm L u = mm A u = mm 2 Z = % R H R eh R el R p,2 R m R u e t A g A gt A 2 A t [MPa] [%] Sprawozdanie powinno zawierać: 1. krótki opis statycznej próby rozciągania, 2. opis urządzenia, na którym wykonano badanie (rodzaj i typ maszyny wytrzymałościowej), 3. opis przebiegu ćwiczenia laboratoryjnego, 4. tablica pomiarów i otrzymanych wyników, 5. wykres rozciągania (z zaznaczonymi charakterystycznymi wielkościami), 6. wnioski (porównanie uzyskanych wyników w różnych próbach). 1 Obliczone na podstawie próbki 2 Wyznaczone z wykresu rozciągania - 6 -