Politechnika Białostocka

Transkrypt

1 Politechnika Białostocka WYDZIAŁ BUDOWNICTWA I INŻYNIERII ŚRODOWISKA Katedra Geotechniki i Mechaniki Konstrukcji Wytrzymałość Materiałów Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych Ćwiczenie nr 1 Temat ćwiczenia: ZWYKŁA STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA STALI KOD: B O Studia:, 1-go stopnia Kierunek: Budownictwo Semestr: 3 Autor: dr inż. Jarosław Malesza Białystok 2018

2 1. Wstęp (Na podstawie Polskiej Normy PN-EN ISO : Metale Próba rozciągania część 1: Metoda badania w temperaturze otoczenia) Właściwości mechaniczne materiałów konstrukcyjnych jak wytrzymałość i odkształcalność są ustalane w statycznych próbach (badaniach) rozciągania i ściskania. Miarą wytrzymałości jest poziom naprężeń (normalnych lub stycznych) i towarzyszące im określone odkształcenia materiału, które gwarantują bezpieczne użytkowanie maszyn lub budynków. Większość badań wytrzymałościowych wykonuje się do momentu zniszczenia próbki, a więc dużo dalej niż punkt bezpieczeństwa. Najbardziej rozpowszechnionym badaniem dla materiałów ciągliwych (stal i inne metale) jest określenie ich wytrzymałości na rozciąganie. Próba rozciągania jest wykonywana na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej oraz na próbkach normowych o ściśle określonych wymiarach (proporcjach). Standardowa próbka do testów ma okrągły przekrój o średnicy d o (np. 10mm). Bazę pomiarową, na której określa się wydłużalność materiału przyjmuje się równą L o = 5d o, stąd L o/d o = 5. Baza pomiarowa podzielona jest na odcinki po 5mm każdy w celu ułatwienia pomiarów. Oba końce próbki mają większy przekrój niż jej środkowa część, aby w czasie badania nie dochodziło do pękania materiału w uchwytach (szczękach) maszyny wytrzymałościowej. Podczas próby wytrzymałościowej maszyna rysuje wykres zależności pomiędzy siłą rozciągającą F, a wydłużeniem próbki ΔL. Wykres ten przedstawia tzw charakterystykę materiału oraz opisuje dynamikę procesu rozciągania.

3 PARAMETRY WYTRZYMAŁOŚCIOWE Wyraźna granica plastyczności (R e) w przypadku stali zwykłej jest to moment, w którym materiał przechodzi z etapu odkształceń sprężystych (odwracalnych) do etapu odkształceń plastycznych (trwałych). Na wykresie rozciągania jest to punkt, w którym widoczny jest gwałtowny wzrost wydłużenia próbki (około 2%) przy względnie stałym obciążeniu - F y. Naprężenia normalne R e jakie powstają w tym momencie w przekroju próbki określa się jako iloraz siły rozciągającej Fy i początkowego pola przekroju poprzecznego próbki S0 : Doraźna wytrzymałość na rozciąganie (R m) większość materiałów plastycznych (ciągliwych) poddanych rozciąganiu doznaje równomiernego rozciągania na całej długości do momentu osiągnięcia największej siły rozciągającej F u. Jest to najwyższy punkt na wykresie. Odpowiadające temu stanowi naprężenia w próbce oblicza się jako iloraz maksymalnej siły F m i początkowego pola przekroju próbki S0. Rzeczywiste naprężenia rozrywające (Ru) po przekroczeniu największej siły rozciągającej materiał wchodzi w etap plastycznej niestabilności, gdzie powstaje lokalne zwężenie próbki tzn tworzy się szyjka o znacznie mniejszym przekroju niż pozostała część próbki. Jest to miejsce, w którym dochodzi do pęknięcia próbki. Na wykresie moment powstawania przewężenia wiąże się ze spadkiem siły rozciągającej. Od tego momentu proces rozciągania nie jest już równomierny i przebiega tylko na zwężonym odcinku próbki. Naprężenia tuż przed pęknięciem próbki są największe w całym procesie badania materiału i obliczane jako iloraz siły rozciągającej Fu i pola przekroju próbki w najwęższym miejscu S1 PARAMETRY GEOMETRYCZNE Ciągliwość (plastyczność) materiału opisuje się jako wydłużenie (odkształcenie) bazy pomiarowej i zwężenie pola przekroju w miejscu pęknięcia próbki. Wydłużenie względne oblicza się w procentach jako proporcja przyrostu długości bazy pomiarowej próbki ΔL=L 1 - L 0 do jej długości początkowej L 0. Δ 100% 100%

4 Zwężenie względne pola przekroju w miejscu pęknięcia jest obliczane jako iloraz zmiany pola przekroju ΔS = S0 - S1 do początkowego pola przekroju próbki S0: 100% 100% gdzie: d 0 początkowa średnica próbki, d 1 średnica próbki w miejscu pęknięcia. 2. Cel badań laboratoryjnych Celem zwykłej statycznej próby rozciągania stali jest określenie następujących parametrów : 1. wyraźnej granicy plastyczności, 2. doraźnej wytrzymałości na rozciąganie, 3. rzeczywistych naprężeń rozciągających, 4. wydłużenia względnego, 5. zwężenia względnego Z. 3. Metodologia badań Zwykłą próbę rozciągania wykonuje się na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej. Maszyna wyposażona jest w elektryczny napęd, który steruje postępem śrubowego mechanizmu do zadawania obciążenia. Mechanizm ten jest sprzężony ze wskazówką pomiaru obciążenia oraz pisakiem do rysowania wykresu zależności pomiędzy siłą rozciągającą, a odkształceniem próbki. Dzięki uniwersalnemu systemowi wymiany zacisków maszyna może być stosowana w badaniu materiałów na rozciąganie, ściskanie lub zginanie. Czynności wymagane w procesie badania materiału na rozciąganie (All measurements are performed by students, the machinery is serviced by qualified personnel): 1. Zmierzyć początkową średnicę próbki - d o, 2. Określić długość bazy pomiarowej L 0 przez zaznaczenie na bocznej powierzchni próbki markerów w odstępie co 5mm, długości bazy nie powinna być mniejsza nić 5d0 3. Umieścić próbkę w uchwytach maszyny wytrzymałościowej. 4. Uruchomić silnik sterujący postępem obciążenia, 5. Obserwować wskazania miernika obciążenia, proces powstawania wykresu oraz zachowanie próbki. Notować wszystkie ważne poziomy obciążenia. 6. Po zakończeniu badania wyciągnąć dwie części próbki z maszyny, ułożyć je na stole, złożyć obie części w najlepiej pasującej do siebie pozycji, 7. Zmierzyć i zanotować długość bazy pomiarowej L 1 i średnicę próbki d 1 w miejscu pęknięcia, Pomiar długości bazy pomiarowej L 1 po badaniu wykonuje się w taki sposób, aby zawierała ona taką samą liczbę odcinków (między markerami) jak L0, a miejsce pęknięcia znajdowało się najbliżej środka tego przedziału.

5 Jeżeli próbka pęknie w pobliżu jednej z głowic należy zmierzyć dystans a położony symetrycznie względem pęknięcia obejmujący kilka markerów; dystans b bezpośrednio przyległy do a powinien być równy połowie brakujących odcinków (należy pamiętać ile odcinków uwzględniono w pomiarze L0); cała długość L1 jest wówczas równa: 8. Obliczyć parametry wytrzymałościowe i geometryczne materiału, 9. Wykres powstały w procesie rozciągania opisać odpowiednim układem współrzędnych oraz zaznaczyć najważniejsze punkty badania. 4. Wymagania BHP Maszyna wytrzymałościowa obsługiwana jest przez uprawnione osoby. Próbka do badan i czujniki zegarowe również są umieszczane w maszynie przez upoważnioną osobę. Studenci dokonują pomiaru długości i średnicy próbki, obserwują przebieg badania z bezpiecznej odległości, odczytują wskazania maszyny wytrzymałościowej. 5. Literatura [1] Laboratorium wytrzymałości materiałów. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, [2] A.Blum, J.Błaszczak, B.Ładecki, A.Siemieniec, A.Skorupa, B.Zachara.: Ćwiczenia laboratoryjne z wytrzymałości materiałów. Kraków [3] Z.Dylag, A.Jakubowicz, A.Orłoś.: Wytrzymałość materiałów. Tom I i II. WNT. Warszawa [4] M.E.Niezgodziński, T.Niezgodziński.: Wytrzymałość materiałów. PWN. Warszawa 1998.

6 Politechnika Białostocka WYDZIAŁ BUDOWNICTWA I INŻYNIERII ŚRODOWISKA Katedra Geotechniki i Mechaniki Konstrukcji Wytrzymałość Materiałów Sprawozdanie z ćwiczeń Ćwiczenie nr 1 Temat ćwiczenia: ZWYKŁA STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA STALI KOD: B O Studia:, 1-go stopnia Kierunek: Budownictwo Semestr: 3 Autor: dr inż. Jarosław Malesza Białystok 2018

7 1. Wymiary próbki 1.1. Przed badaniem Początkowa średnica próbki (średnia z trzech pomiarów): [mm] d0 = [mm] Początkowe pole przekroju próbki: S0 = [mm 2 ] Początkowa długość bazy pomiarowej : L0 = [mm] 1.2. Po badaniu Średnica próbki w miejscu pęknięcia: d1 = [mm] Pole przekroju próbki w miejscu pęknięcia: S1 = [mm 2 ] Długość bazy pomiarowej po badaniu: L 1 = [mm]

8 2. Parametry wytrzymałościowe 2.1. Obciążenie Siła rozciągająca w miejscu granicy plastyczności : Fe = [kn] Maksymalna siła rozciągająca: F m = [kn] Siła rozrywająca próbkę: Fu = [kn] 2.2. Naprężenia normalne Wyraźna granica plastyczności : R e = [MPa] Doraźna wytrzymałość na rozciąganie : R m = [MPa] Rzeczywiste naprężenia rozrywające: R u = [MPa] 2.3. Odkształcenia Wydłużenie względne : ε = [%] Zwężenie względne : Z = [%] 3. Wykres z badania.