INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Transkrypt

1 INSTYTUT MASZYN I URZĄDZEŃ ENERGETYCZNYCH Politechnika Śląska w Gliwicach INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH BADANIE ZACHOWANIA SIĘ MATERIAŁÓW PODCZAS ŚCISKANIA Instrukcja przeznaczona jest dla studentów następujących kierunków: 1. Inżynieria Bezpieczeństwa - sem. 2 NoM - 1 -

2 Cel wykonania ćwiczenia. Celem badania jest zapoznanie się z zachowaniem różnych materiałów inżynierskich podczas ściskania oraz zapoznanie się z otrzymanymi wykresami wytrzymałości na ściskanie. Wyniki otrzymane z próby ściskania stosuje się do oceny własności materiałów inżynierskich i oceny zachowania się materiału podczas obciążenia siłą ściskającą. Otrzymane wielkości wykorzystuje się do projektowania elementów, które podczas eksploatacji są ściskane. Wyniki badań dla danego materiału są porównywalne w przypadku zachowania jednakowych warunków oznaczania (rodzaj i sposób przygotowania próbek, prędkość odkształcenia, temperatura i wilgotność otoczenia). Porównanie wyników badań dla różnych materiałów są dopuszczalne przy zachowaniu jednakowych warunków badania. Opis zagadnienia Badanie wytrzymałości tworzyw inżynierskich, czy wykonanych z nich elementów maszynowych i konstrukcyjnych na ściskanie opisują stosowne normy np.: w przypadku tworzyw polimerowych: PN-EN ISO 604:2006 dla tworzyw metalicznych: PN-H 04320:1957, PN-H-83119:1980, PN-EN ISO 4385:1996, PN-EN ISO 6282:1998 dla tworzyw ceramicznych: o cement: PN-EN 196-1:2006 o dla kompozytów: beton: PN-EN-206:2003 o żelbeton PN-S 040:1999 o ceramika techniczna PN-EN 658-2:2004, PN-EN 1894:2007, PN-EN 12290:2007, PN-EN 12291:200 o drewno: PN-D-042:1979, PN-D-04229:1977, PN-EN Metody oznaczania własności tworzyw inżynierskich przy ściskaniu stosujemy do określenia wytrzymałości na ściskanie, modułu ściskania i innych cech zależności naprężenie/odkształcenie przy ściskaniu, w określonych warunkach badania. Próbki do badań. Próbki do badań wykonuje się najczęściej w formie walca, rury lub prostopadłościanu o stałym przekroju na całej długości. Zewnętrzna powierzchnia pomiarowa kształtek do badań powinna być wolna od widocznych pęknięć, rys i innych niedoskonałości. Przykładowa próbka do badań przedstawiona jest na Rys. 1. Zalecane wymiary kształtek do badań podano w Tablica 1. Liczba próbek tworzyw izotropowych do prawidłowego wykonania oznaczenia powinna wynosić co najmniej 5. Liczba próbek tworzyw anizotropowych do prawidłowego wykonania oznaczenia powinna wynosić co najmniej - pięć próbek do badań prostopadle i pięć równolegle. Podstawowe cechy geometryczne. Początkowa długość próbki L 0 długość cylindrycznej lub pryzmatycznej części próbki, na której w każdej chwili badania prowadzi się pomiar wydłużenia (skrócenia). Jest to długość próbki przed przyłożeniem siły. Odpowiada ona odległości między znakami pomiarowymi w środkowej części kształtki do badań lub jest równa całkowitej wysokości próbki

3 Pole przekroju poprzecznego A 0 przekrój poprzeczny próbki przed badaniem wyznaczony na podstawie kształtu przekroju (okrągłego pomiar średnicy, pierścieniowego pomiar średnicy i grubości lub pomiar obu średnic, prostokątnego pomiar długości boków). Rys. 1. Przykładowa próbka do badań Tablica 1. Wymiary zalecanych typów kształtek do badania w ramach laboratorium: Lp. 1. Materiał Stal i inne tworzywa metaliczne Próbki walcowe średnica długość D 0 [mm] L 0 [mm] 20 1,5D 0 30 Próbki prostopadłościenne długość szerokość grubość L 0 [mm] a [mm] b [mm] Beton Drewno Zasada oznaczania Kształtkę do badań ściska się wzdłuż jej głównej osi ze stałą prędkością, aż do pęknięcia kształtki lub do uzyskania założonej wartości siły lub założonego zmniejszenia długości kształtki. Podczas badania mierzy się siłę, jaką przenosi kształtka oraz jej wydłużenie (skrócenie). Siła ściskająca powoduje powstanie naprężeń normalnych w przekroju próbki. Naprężenie to definiujemy jako stosunek przyłożonej siły do pola przekroju początkowego próbki, w którym ta siła działa (wzór 1). Przyłożenie siły powoduje jednocześnie powstawanie wydłużenia (skrócenia). Jeżeli wielkość tą odniesiemy do długości początkowej uzyskamy wydłużenie jednostkowe (wzór 2). Wykorzystując naprężenia oraz odkształcenia można wyznaczyć moduł sprężystości przy ściskaniu E c (wzór 3). F (1) 0% (2) L A 0 gdzie: F[N] rozciągająca siła osiowa mierzona przez urządzenie do badań A 0 [mm 2 ] pole przekroju poprzecznego próbki przed badaniem [mm] wydłużenie próbki mierzone przez urządzenie do badań L 0 [mm] długość początkowa odkształcenie/wydłużenie względne (jednostkowe, procentowe) E c [MPa] moduł sprężystości przy ściskaniu 1 [MPa] naprężenie mierzone przy wartości 1 =0, [MPa] naprężenie mierzone przy wartości 2 =0, E c (3) 2 1 UWAGA: W badaniach ściskania, naprężenia i odkształcenia są ujemne. Zazwyczaj znak ujemny jest pomijany

4 Maszyna wytrzymałościowa do prób ściskania. Badanie wytrzymałości na ściskanie przeprowadza się na maszynie wytrzymałościowej. Maszyna ta powinna spełniać następujące wymagania: Prędkość badania: maszyna powinna umożliwić utrzymanie prędkości badania podane w Tablica 2. Jeżeli stosuje się inne prędkości, maszyna powinna mieć możliwość utrzymania prędkości z dokładnością % w przypadku prędkości mniejszych od 20mm/min i % dla prędkości większych niż 20mm/min. Przyspieszenie, sztywność i podatność maszyny mogą być przyczyną krzywoliniowego przebiegu na początku zależności naprężenie/odkształcenie. Tablica 2 Zalecane prędkości badania Prędkość badania mm/min Tolernacja % +/- Narzędzie ściskające: do przykładania urządzenia deformującego kształtkę do badań należy stosować płyty ściskające za stali utwardzonej, skonstruowane w taki sposób, aby obciążenie przenoszone na kształtkę było współosiowe w zakresie 1:00 i przekazywane przez polerowane powierzchnie. Można stosować urządzenia do współosiowania automatycznego. Wskaźnik obciążenia: powinien być wyposażony w mechanizm umożliwiający wskazanie całkowitego obciążenia ściskającego. Mechanizm powinien być całkowicie pozbawiony opóźnień bezwładnościowych przy określonej prędkości badania i powinien wskazywać wartość obciążenia z dokładnością +/- 1% mierzonej wartości lub większą. Ekstensometr: powinien zawierać mechanizm odpowiedni do oznaczenia względnych zmian długości określonej części kształtki do badań. Jeśli mierzy się odkształcenie ściskające, długością tą jest odcinek pomiarowy, w innych przypadkach dla nominalnego odkształcenia ściskającego jest to odległość między powierzchniami narzędzia ściskającego. Zaleca się, ale nie jest to niezbędne, aby przyrząd automatycznie zapisywał tę odległość. Wykonanie testu. 1. Przygotowanie oraz wykonanie testu przeprowadza się zgodnie ze wskazówkami zawartymi w instrukcji obsługi maszyny wytrzymałościowej. Próbę przeprowadza pracownik ZPKiEM 1 lub osoba przez niego upoważniona. 2. Próbę ściskania przeprowadzamy na wykonanych przez studentów próbkach (dopuszczalne rodzaje materiałów: drewno, stal, stopy aluminium, stopy miedzi, cement, beton, gips, lub inny uzgodniony wcześniej z prowadzącym ćwiczenie laboratoryjne). Próbki powinny spełniać wymagania podane w Tablica Kształtkę do badań umieścić między powierzchniami płyt ściskających i ustawić wzdłuż linii łączącej środki powierzchni płyt ściskających, upewnić się, czy powierzchnie końców kształtki są równoległe do powierzchni płyt ściskających i tak ustawić maszynę, aby powierzchnie płyt lekko dotykały kształtkę. Przed badaniem nie należy zbyt mocno obciążać kształtki. Wstępne obciążenie może być czasami niezbędne, aby uniknąć krzywoliniowego przebiegu na początku wykresu naprężenie/odkształcenie. 1 Zakład Podstaw Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn - 4 -

5 4. W przypadku precyzyjnych badań zaleca się naniesienie odpowiedniego smaru na powierzchnie styku kształtki z płytami ściskającymi. 5. Prędkość badania v [mm/min], ustawić na wartość podaną w specyfikacji tworzywa, a w razie braku, ustawić na taką wartość podaną w Tablica 2, która stanowiłaby najlepsze przybliżenie do: v=0,02l 0 w przypadku pomiaru modułu v=0,01 L 0 w przypadku pomiaru wytrzymałości tworzyw, które ulegają złamaniu przed granicą plastyczności v=0,05 L 0 w przypadku pomiaru wytrzymałości tworzyw, które płyną. 6. Oznaczenie przeprowadzić w temperaturze 20 C (+/-5 C). Przebieg ćwiczenia. 1. Pomiar cech geometrycznych próbki: a) pomiar długości próbki, b) pomiar przekroju poprzecznego (wykonać w trzech punktach wzdłuż długości). 2. Opracowanie metody badania i wprowadzenie cech geometrycznych próbki do komputera. 3. Zamocowanie próbki w maszynie wytrzymałościowej. 4. Przeprowadzenie próby. 5. Organoleptyczna ocena próbki po badaniu. 6. Narysowanie wykresu ściskania na podstawie zarejestrowanych parametrów pomiarowych siły F [N] i wydłużenia (skrócenia) [ m]. 7. Narysowanie wykresu ściskania na podstawie wyznaczonych parametrów naprężenia [MPa] i odkształcenia [%]. 8. Wyznaczenie modułu sprężystości przy ściskaniu. 9. Omówienie zachowania się próbek podczas ściskania i omówienie otrzymanych wykresów. Sprawozdanie powinno zawierać: 1. Krótki opis próby ściskania. 2. Rodzaj i typ maszyny wytrzymałościowej oraz opis działania. 3. Cechy geometryczne próbek do badań (rysunek z wymiarami). 4. Metodę przygotowania kształtek do badań. 5. Wykresy ściskania (dopuszcza się przedstawienie wyników badań dla różnych próbek/materiałów na jednym diagramie pod warunkiem zachowania dobrej widoczności wszystkich). 6. Wyznaczenie modułu sprężystości przy ściskaniu i porównanie wartościami zamieszczonymi w tablicach materiałowych. 7. Opis zachowania się próbek z różnych materiałów podczas ściskania, omówienie na podstawie uzyskanych wykresów ściskania i spostrzeżeń podczas przebiegu badań. 8. Wnioski