Dynamiczne badania drewna modyfikowanego powierzchniowo

Transkrypt

1 KYZIOŁ Lesław 1 Dynamiczne badania drewna mdyfikwaneg pwierzchniw WSTĘP Próba udarnści (zginania udarweg) (PN-EN 145-1:1994 i PN-EN ISO 14556:U) plega na złamaniu jednym uderzeniem mła wahadłweg Charpy eg próbki z karbem (bez karbu) pdparej swbdnie na bu kńcach i pmiarze pracy jej złamania. Próbka jes ułżna ak, by uderzenie mła nasąpił z przeciwległej srny karbu. Jak wynik próby udarnści pdaje się zużyą pracę K (w J) na złamanie próbki [ ]. Określenie skuków krókrwałych bciążeń dynamicznych (udarwych), wysępuje dla szeregu dpwiedzialnych knsrukcji. Obciążenia e wywłują na gół sany eksremalne, usyuwane miejscw lub w całej knsrukcji. Warści ych eksremów decydują jej bezpieczeńswie. Przykładw knsrukcje mrskie muszą skuecznie przeciwsawiać się zagrżenim związanym z wybuchem pwierznym lub pdwdnym. T wszysk sprawia, że kreślenie właściwści udarwych maeriału ma bardz isne znaczenie ak na eapie prjekwania knsrukcji kręwych, jak i ich eksplaacji. W prcesie prjekwania i dbru nwych maeriałów raz ich płączeń knsrukcyjnych d budwy specjalnych knsrukcji mrskich niezbędna jes znajmść dprnści na bciążenia udarwe raz desrukcyjne działanie wdy i śrdwiska mrskieg. Bardz nieliczne są badania dynamiczne drewna mdyfikwaneg w zmiennych warunkach emperaurwych i wilgnści. Dlaeg eg ypu badania są bardz ważne uwzględniając zasswanie drewna mdyfikwaneg na knsrukcje mrskie. 1 UDARNOŚĆ I CHARAKTERYSTYKA MATERIAŁU Badania ma młcie Charp`eg były jednymi z pierwszych badań dynamicznych mających na celu kreślenie właściwści drewna. Rzwój badań dynamicznych w ym udarnściwych w ciągu sanich kilku la spwdwał dkładniejszą znajmść właściwści maeriałów. Pnad, bardz precyzyjne przyrządwanie umżliwia pmiar zmian prędkści mła niszcząceg próbkę pdczas uderzenia. Wykrzysując II praw Newna wykrzysan właściwści mła udarnściweg umżliwiająceg kreślenie właściwści dynamicznych maeriałów. Zgdnie z ym prawem: sąd, F a =, (1) m F = ma. Jeżeli ciężar ciała znaczymy F g, jeg warść masie m wynsi F g = mg. Wówczas: d d u F = a = =. () g gd d Przebieg siły niszczącej próbkę, jaka zsała pddana działaniu srza mła udarweg jes pdbny jak na rysunku 1 [1]. 1 Akademia Mrska w Gdyni, Wydział Mechaniczny, 81-5 Gdynia, ul. Mrska 81-87, Tel.: , fax: , lkyz@am.gdynia.pl) 659

2 Rys. 1. Kszał siły brazującej niszczenie próbki kmpzyu drewna na młcie udarwym [1] Obszar pd krzywą brazuje pęd J : Przekszałcając J = Fd (3) sąd, 1 d J = m d = m d, (4) d J ( ) = m 1. (5) Rys.. Typwa krzywa niszczenia próbki z kmpzyu drewna na młcie udarwym w układzie czas-prędkść [1] 653

3 Na rysunku przedsawin zmianę przebiegu prędkści wahadła niszcząceg bszar próbki z kmpzyu drewna. Krzywa a charakeryzuje się dwma charakerysycznymi pchyleniami maksymalnym (I) i średnim (II). Przebieg krzywej z dwma charakerysycznymi przegięciami pzwala na kreślanie właściwści maeriału. Maksymalną siłę niszczącą próbkę kreśla się na pdsawie (I) nachylenia charakerysyki pnieważ dpwiada na maksymalnemu przyspieszeniu. Średnie nachylenie charakerysyki (II) pzwala na kreślenie warści energii kineycznej. Pniżej przedsawin spsób kreślania wielkści na pdsawie rysunku [1]: i Jednakże, d amax = = =, (6) d a =. ' ' (7) + =. (8) Wykrzysując zależnść przemieszczenia jak funkcję prędkści i czasu, mżna zapisać: i gdzie: u I + = + pcząkwa prędkść wahadła, prędkść wahadła p zniszczeniu próbki. ( ) ( ' ) u ' II =, (1) (9) Uwzględniając (6) w równaniu () i Energia kineyczna F a max = = (11) g g F F g =. g ' ' (1) sąd, Wykrzysując równania (13) i (14) E k = u u d d Fdu = m du = m d = d d m d, (13) m E k = = au. (14) 6531

4 Przyjmując, że u =, E k u = a du = g u g ' + '. (15) E k =. (16) g Uwzględniając zależnść (3), J = F = ( ). (17) g Rys 3. Kierunki anamiczne próbki drewna pddanej bciążeniu w kierunku wzdłużnym włókien L [1] Na rysunku 3 przedsawin kierunki anamiczne próbki drewna pddanej przykładw bciążeniu w kierunku wzdłużnym włókien. Drewn nadal jes ważnym maeriałem knsrukcyjnym, kóreg rczne świawe zużycie jes,5 razy większe niż zużycie sali. Właściwści drewna zależą d jeg sanu. Drewn śwież wykazuje kł rzykrnie mniejszą wyrzymałść d wysuszneg. Przykładw, użye d badań elemeny ssny zawarści 1% wdy wykazują wyrzymałść na zginanie R g = 53 MPa, gęsść ρ = 35 kg/m 3. Umwna granica wyrzymałści na rzciąganie drewna ssnweg jes akże dpwiedni większa d wyrzymałści na zginanie i ściskanie. Wynika z budwy anamicznej drewna. Pdczas próby ciskania rurkwe kmórki ław ulegają wybczeniu i raczej indywidualnie, a nie jak spójna całść. Aby wzmcnić srukurę drewna becne w niej zw. racheidy wypełnin plimeakrylanem meylu i kmpleksw pddan badanim [9, 11]. Zakładając zasswanie drewna mdyfikwaneg na knsrukcje mrskie, bardz isna jes znajmść jeg nasiąkliwści wdą mrską, jak również właściwści wyrzymałściwe p nasiąknięciu wdą i w bniżnych emperaurach. W prakyce częs wykrzysuje się w ym celu próbki wyknane w małej i dużej skali, kóre bada się we współmiernych lub eksremalnie rudnych warunkach aż d zakresu knrlwaneg lub nagłeg ich zniszczenia. Wyniki ych badań sanwią punk dniesienia i krelacji z wynikami późniejszych badań przeprwadznych na mdelach i knsrukcjach rzeczywisych. W dsępnej lieraurze niewiele jes danych dyczących udarnści w niskich emperaurach drewna mdyfikwaneg p uprzednim nasiąknięciu wdą mrską [1, 15, 16]. Zarówn drewn nauralne jak mdyfikwane charakeryzuje się pdanścią d pchłaniania wilgnści przez c bniżają się właściwści wyrzymałściwe [3, 5-9, 11]. 653

5 MATERIAŁY I METODYKA BADAŃ Badania wyknan na nauralnym i mdyfikwanym drewnie ssny dla kierunku prmieniweg i syczneg. Drewn mdyfikwane zawierał % plimeru meakrylanu meylu (PMM) w ssunku d masy zupełnie sucheg drewna ssny [13]. Dświadczenia przeprwadzn na próbkach zgdnie z bwiązującą nrmą. Badan próbki suche z drewna nauralneg i mdyfikwaneg pddając je próbie udarnści w emperaurze czenia (93 ± K) raz w emperaurach bniżnych (73 43K). Drugą parię próbek pddan nasiąkaniu wdą mrską a nasępnie badanim mechanicznym w emperaurach jak dla próbek suchych. Próbki zsały nasiąknięe wdą mrską dpwiedni przez 1, 3 i 6 dób. Szczegółwe wyniki badań przedsawin w pracwaniu [11]. Udarnść drewna mdyfikwaneg rzparywan w funkcji zawarści plimeru W, zawarści wdy Z raz emperaury T dla kierunku prmieniweg (R) i syczneg (T). Mżna ująć zależnścią U = f ( W, Z, T ). Próbę udarnść próbek z uwzględnieniem kierunku syczneg (T) lub prmieniweg (R) przedsawin na rysunku 4. Rys. 4. Pmiar udarnści medą Charpy eg 1 - próbka; - srze wahadła mła; 3 napry; 4 - pdpry Pmiary przeprwadzn na młcie Charpy eg zapasie energii 3J. Udarnść bliczn ze wzru: L U = [ hj / m ], (18) ab gdzie: L - praca zużya na dynamiczne złamanie próbki [hj], a - wymiar próbki w kierunku prmieniwym [m], b - wymiar próbki w kierunku sycznym [m]. Przeprwadzn pnad badania mające na celu kreślenie wpływu zawarści plimeru w kmpzycie i wdy na zmianę jeg wyrzymałści [11]. 3 OPRACOWANIE I ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Zasadnicze badania jakie przeprwadzn miały na celu kreślenie wpływu zawarści plimeru na właściwści wyrzymałściwe drewna mdyfikwaneg. Badania przeprwadzn na znrmalizwanych próbkach pddanych saycznej próbie rzciągania [9, 11, 13]. 6533

6 Rys. 5. Zależnść wyrzymałści na rzciąganie drewna mdyfikwaneg dla kierunku wzdłużneg włókien w funkcji zawarści PMM Na pdsawie przeprwadznych prób rzciągania drewna mdyfikwaneg, mżna zabserwwać wyraźny wzrs wyrzymałści maeriału ze wzrsem zawarści plimeru [9, 11]. Rys. 6. Udarnść drewna mdyfikwaneg zależnie d zawarści PMM dla sałych emperaur Analiza wyników wykazała, że zwiększanie zawarść PMM w kmpzycie drewn plimer wpływa na wzrs udarnści. Na rysunku 6 przedsawin zmiany udarnści próbek suchych i nasiąknięych wdą kmpzyu drewna w funkcji zawarść plimeru dla pkjwej i niższych emperaur [11]. W celu pełniejszeg zbrazwania zmian udarnści kmpzyu, sprządzn wykresy brazujące dpwiedni zależnści udarnści d czasu nasiąkania próbek w wdzie mrskiej raz zawarści plimeru dla sałych emperaur badanych próbek (rysunki 7 i 8). 6534

7 U[hJ/m^] W[kg/kg] T=93K.5 6 T=43K 4 [dby] Rys. 7. Zależnść udarnści kmpzyu drewna d zawarści plimeru i czasu nasiąkania wdą dla sałych warści emperaur, kierunek prmieniwy U[hJ/m^] W[kg/kg] T=93K.5 6 T=43K 4 [dby] Fig. 8. Zależnść udarnści kmpzyu drewna d zawarści plimeru i czasu nasiąkania wdą dla sałych warści emperaur, kierunek syczny 4 OCENA WYNIKÓW BADAŃ Wzrs zawarści plimeru w drewnie wpływa na pdwyższenie jeg własnści wyrzymałściwych. Ze wzrsem zawarści plimeru w kmpzycie drewna bniża się jeg nasiąkliwść wdy. Wyrzymałść na rzciąganie próbek kmpzyu wzdłuż włókien największej zawarść plimeru p nasiąknięciu w wdzie mrskiej, była większa aniżeli drewna ssnweg nie pddaneg emu prceswi [9-11]. Z danych uzyskanych w rezulacie badań wynika, że udarnść kmpzyu drewna wzrasa ze wzrsem zawarści plimeru; bniżeniem emperaury; spadkiem zawarści wdy w srukurze kmpzyu

8 Najwyższy wzrs udarnści wykazał kmpzy max zawarści plimeru raz w emperaurze bniżnej d (43K), dla kierunku prmieniweg w sanie suchym. Warść udarnści przekrczyła 11 [hj/m ]. Najniższą udarnść wykazały próbki drewna nauralneg największej nasiąkliwści, pddane próbie udarnści w emperaurze czenia dla kierunku prmieniweg. Próbki wykazały udarnść rzędu 5 [hj/m ], czyli pnad dwukrnie mniejszą d kmpzyu największej zawarści plimeru i w sanie pwierzn-suchym. Udarnść kmpzyu drewna wzrasa z bniżeniem emperaury, dwrnie jak jes w ssunku d sali niskwęglwej, kórej udarnść maleje wraz z bniżeniem emperaury [14]. Złmy próbek miały charaker schdkwy zn., że zniszczenie próbek nie nasąpił w jednej płaszczyźnie lecz przebiegał schdkw wzdłuż próbki. Wzrs właściwści mechanicznych kmpzyu drewn-plimer ze wzrsem zawarści plimeru wynika z faku wypełnienia prów drewna plimerem. Wypełnine pry drewna plimerem pwduję, że srukura drewna saje się zwara i przypmina właściwści maeriału izrpweg. Srukura drewna zsała wypełnina plimerem wrząc zw. kplimer, cząseczki drewna i plimeru pd wpływem plimeryzacji swrzyły rwałą i zwarą srukurę. Obniżenie nasiąkliwści wdą kmpzyu i wzrs jeg udarnści wynika z faku, że ylk nieznaczna część prów zsała wypełnina wdą. Obniżenie emperaury badaneg kmpzyu spwdwał ddakwe umcnienie srukury dzięki czemu nasąpił wzrs właściwści dynamicznych badaneg maeriału. WNIOSKI 1. Udarnść kmpzyu drewn plimer wzrasa ze wzrsem zawarści plimeru.. Obniżenie nasiąkliwści i wzrs właściwści wyrzymałściwych kmpzyu drewn-plimer wynika z uzyskania srukury przypminającej maeriał izrpwy. 3. Udarnść kmpzyu wzrasa z bniżeniem emperaury i siąga największe warści dla kierunku anamiczneg prmieniweg. 4. Kmpzy drewn-plimer pd względem wyrzymałści i udarnści spełnia kryeria jakie są wymagane d maeriałów sswanych na knsrukcje kręwe. Sreszczenie Opisan medykę i wyniki badań udarnści drewna nauralneg i mdyfikwaneg plimeakrylanem meylu. Próbę udarnści maeriałów wyknuje się w celu dknania ceny zachwania się maeriału w warunkach sprzyjających kruchemu pęknięciu. Badania przeprwadza się dla dużych szybkści dkszałceń wywłaną działaniem dynamicznym siły raz emperaury. Próby udarwe należą d prób dynamicznych kreślających zdlnść maeriału d przenszenia gwałwnych bciążeń ypu uderzeniweg. Charakeryzują ne e własnści mechaniczne maeriału, kórych nie mżna wykryć przy pmcy prób saycznych. Udarnść próbek w sanie pwierzn-suchym raz nasiąknięych wdą mrską przeprwadzn w bniżnych emperaurach. Zmiany udarnści kreślan w zależnści d czasu przebywania próbek w wdzie mrskiej, zawarści plimeru w kmpzycie raz emperaury badanych maeriałów. Badania udarnści drewna mdyfikwaneg przeprwadzn w knekście zasswania g na knsrukcje mrskie. Dynamic esing f he surface mdified wd Absrac The paper describes he mehdlgy and resuls f he impac f naural wd and mdified mehyl mehacrylae. The Impac es maerials is rder ealuae he behair f he maerial under cndiins cnducie brile rupure. Tess is perfrmed fr high raes f defrmain caused by he acin f dynamic frces and emperaure. The impac ess are dynamic ess fr deermining ha a wihsand lads maerial f he percussie ype. Characerize he mechanical prperies f he maerial, which can n be deeced by he saic es. The impac srengh samples in air-dry sae and saked wih sea waer were carried u a reduced emperaures. The impac srengh is a funcin f residence ime in seawaer samples, he plymer cnen in he cmpsie and he emperaure f he esed maerials. The impac Tess were perfrmed f he mdified wd be used in he marine srucures. 6536

9 BIBLIOGRAFIA 1. Bding J., Jayne B., A.: Mechanics f wd and wd cmpsies, Van Nsrand Reinhld, 198, New Yrk.Fllansbee P. S., Fundamenals f srengh. Wiley, New Jersey, 14.. Dbrzański L.A.: Pdsawy nauki maeriałach i mealznawsw, WNT, Warszawa,. 3. Helińska-Raczkwska L., Mliński W.: Wpływ krzji amsferycznej w knakcie z rdzewiejącym żelazem na udarnść lignmeru, Zeszyy Prblemwe Psępów Nauk Rlniczych, 1981 z ISO dis 319 : Wd - Sampling mehds and general requiremen fr Physical and mechanical ess, Iner. Org. Sandard., Kyził L.: Analiza wybranych właściwści drewna mdyfikwaneg d budwy kręów, Knferencja, Plimery i kmpzyy, Kzubnik 5-7.X Kyził L.: Zasswanie drewna d budwy kręów specjalnych, Knferencja, Wd Mdificain 95, Pznań -4 Augus Kyził L.: Ocena sswania drewna jak maeriału knsrukcyjneg w budwie specjalnych jednsek pływających, Przemysł Drzewny, Warszawa 1-96 s Kyził L.: Analiza celwści sswania drewna mdyfikwaneg w kręwnicwie, Zeszyy Naukwe A M W Nr s Kyził L., Drewn mdyfikwane na knsrukcje mrskie, AMW, Gdynia Ławniczak M., Hruzik G., Walenynwicz T.: Opracwanie przemysłwej echnlgii mdyfikacji drewna medą plimeryzacji ermicznej, Sprawzdanie z pracy n.b., AR Pznań 1977r. 11. Kyził L.: The influence f plymehylmehacrylae cnen in a wd cmpsie n is impac srengh, Marine Technlgy Transacins, Gdańsk, Vl. 1, 1, pp Kyził L.: Wpływ nasiąkliwści lignmeru na jeg udarnść w niskich emperaurach, Knferencja, Plimery i Kmpzyy Knsrukcyjne, Usrń X.1996, s Kyził L.: Wpływ zawarści meakrylanu meylu na wybrane własnści drewna mdyfikwaneg, VII Sympzjum Wjskwej Techniki Mrskiej, Gdynia -1 październik, 1999, s Pgdin Aleksiejew D., I.: Wyrzymałść dynamiczna i kruchść meali, WNT, Warszawa Raczkwski J., Bicz G.: Wpływ krzji amsferycznej w knakcie z rdzewiejącym żelazem na udarnść drewna, Rczniki AR w Pznaniu 1979, 11: Raczkwski J.: Odprnść drewna zmdyfikwaneg plisyrenem na krzję amsferyczną w warunkach knaku z rdzewiejącym żelazem, Zeszyy Prblemwe Psępu Nauk Rlniczych, 198, 31: