Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Transkrypt

1 Politechnika Białostocka Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Temat ćwiczenia: Zwykła próba rozciągania stali Numer ćwiczenia: 1 Laboratorium z przedmiotu: wytrzymałość materiałów II Opracowanie: dr inż. Jarosław Malesza Katedra Mechaniki Konstrukcji 2011

2 1 Wprowadzenie W budownictwie wykorzystuje się różne materiały, z których powstają elementy konstrukcyjne. W czasie eksploatacji budynku przenoszą one obciążenia wywołujące różne naprężenia w przekrojach prętów. W elementach konstrukcji żelbetowych przyjmuje się, że naprężenia rozciągające w całości są przejmowane przez pręty zbrojenia. Stąd ustalenie najważniejszych parametrów wytrzymałościowych stali odbywa się w statycznych próbach rozciągania. Próby wytrzymałościowe mają na celu uzyskanie informacji o najważniejszych własnościach mechanicznych materiałów konstrukcyjnych jak wytrzymałość, czy odkształcalność. Najczęściej wykonywane są dwa rodzaje badań znane jako zwykła i ścisła próba rozciągania. W przypadku materiałów plastycznych za najważniejsze naprężenia, które powstają w przekroju próbki uważa się granicę plastyczności. Materiały kruche nie wykazują granicy plastyczności dlatego dla nich najistotniejsza jest wytrzymałość na rozciąganie (stal hartowana) lub ściskanie (beton, żeliwo). Statyczna próba rozciągania metali opisana jest w normie PN-EN :2004. Na podstawie tych badań uzyskuje się informacje o charakterystycznych naprężeniach powstających przy różnych poziomach obciążenia: granicy proporcjonalności, sprężystości, plastyczności (górna i dolna), wytrzymałości na rozciąganie oraz wydłużalności sprężystej i plastycznej badanego materiału. Zazwyczaj próba wykonywana jest do momentu rozerwania próbki. Wykresy zależności wydłużenie - obciążenie w zwykłej próbie rozciągania

3 Do prób rozciągania używane mogą być próbki w kształcie cylindrycznym (toczone) lub płaskie. Próbki toczone przygotowywane są w taki sposób, aby ich średnica d 0 była jak największa w stosunku do możliwości maszyny wytrzymałościowej. Długość środkowej części próbki L 0 jest zależna od rodzaju wskaźnika wydłużenia. Wielkość ta jest wielokrotnością średnicy: L 0 = n d 0. Wskaźnik wydłużenia wynosi zgodnie z normą: n = 5 lub 10. Próbki zakończone są głowicami o średnicy większej niż ich część środkowa. Próbki toczone cylindryczne używane w zwykłej próbie rozciągania: a) z materiałów plastycznych, b) z żeliwa 2 Cel ćwiczenia laboratoryjnego Wyznaczenie cech wytrzymałościowych stali niskowęglowej, takich jak: wyraźna granica plastyczności: R e doraźna wytrzymałość na rozciąganie: R m rzeczywiste naprężenia rozrywaj ce: R u wydłużenie względne: A k, (A 5 ) przewężenie względne: Z 3 Przebieg ćwiczenia 3.1 Próbki do badań Zwykła próba rozciągania wykonywana jest na stalowych próbkach toczonych o średnicy 10mm i wskaźniku wydłużenia Prędkość obciążania Zwykła próba rozciągania powinna mieć charakter statyczny. Oznacza to, iż prędkość wzrostu obciążenia nie powinna przekraczać 0,1MPa/s, co odpowiada prędkości wydłużania około 0, 3% na minutę. 3.3 Przebieg badania Początek badania charakteryzują sprężyste odkształcenia próbki. Zależność pomiędzy obciążeniem i wydłużeniem próbki jest wówczas liniowa. W stali niskowęglowej (o zawartości węgla do 0,5%) po osiągnięciu obciążenia F e pojawia się gwałtowne wydłużenie plastyczne (trwałe) przy stałej wielkości siły rozciągającej. Przyjmuje się, iż zjawisko to odpowiada pojawieniu się w badanym materiale wyraźnej granicy plastyczności. Dalszemu wzrostowi długości próbki towarzyszy wzrost obciążenia.

4 Wzajemna relacja ma charakter nielinowy. Po osiągnięciu maksymalnej wartości F max obciążenie zaczyna spadać. W dalszym ciągu wzrasta wydłużenie próbki i jednocześnie pojawia się przewężenie (szyjka). Rozerwanie próbki następuje w najwęższym miejscu przy obciążeniu równym F u, które zazwyczaj jest mniejsze od F e. 3.4 Czynności przed rozpoczęciem badań Przed rozpoczęciem badań należy: 1. dokonać pomiaru średnicy początkowej d 0 próbki w kilku miejscach, 2. ocechować próbki, tzn zaznaczyć rysikiem kreski co 5 mm w ilości większej niż wynika to ze wskaźnika wydłużenia, zgodnie z rysunkiem, 3. dokonać pomiaru długości początkowej L 0 próbki, podając jednocześnie liczbę działek po 5mm na odcinku L 0 odpowiadającą wskaźnikowi wydłużenia, 4. zamocować próbki w maszynie wytrzymałościowej. Próbka do badań z zaznaczonymi kreskami 3.5 Czynności podczas badania W czasie próby rozciągania konieczne jest zanotowanie: 1. siły, przy której pojawia się plastyczne wydłużenie próbki (granica plastyczności): F e, 2. maksymalnej siły rozciągającej: F max, 3. siły rozrywającej próbkę: F u. 3.6 Czynności po wykonaniu badania Po zakończeniu badania należy: 1. dokładnie złożyć obie części próbki ze sobą, tak aby tworząca próbki była linią prostą

5 2. zmierzyć średnicę próbki w miejscu pęknięcia, 3. dokonać pomiaru długości po zerwaniu L 1 w taki sposób aby odcinek ten zawierał taką samą liczbę działek jak L 0 oraz przewężenie znajdowało się najbliżej środka tego odcinka, co pokazano na rysunku; jeżeli próbka zerwie się w pobliżu jednej z głowic należy przyjąć odcinek a położony symetrycznie względem szyjki i odpowiadający paru działkom; odcinek b równy połowie brakującej liczby działek przyjmujemy obok odcinka a zgodnie z rysunkiem 4b; cała długość L 1 jest wówczas równa: L 1 = a + 2 b Ustalanie długości pomiarowej L 1 po zerwaniu próbki: a) w okolicach środka, b) w pobliżu jednej z głowic 4 Opracowanie wyników badania 4.1 Parametry wytrzymałościowe 1. wyraźna granica plastyczności - stałe naprężenie (stałe obciążenie), przy którym następuje gwałtowny przyrost odkształceń plastycznych: R e = F e gdzie: F e - siła rozciągająca, przy której próbka wydłuża się w sposób plastyczny - pole przekroju poprzecznego próbki wyznaczone przed badaniem, 2. doraźna wytrzymałość na rozciąganie naprężenia panujące w próbce w chwili osiągnięcia największej siły rozciągającej : R m = F m gdzie: F m największa siła rozciągająca w próbce zanotowana w czasie badań

6 3. rzeczywiste naprężenia rozrywające - naprężenia, przy których następuje rozerwanie próbki: R u = F u S 1 gdzie: F u siła, przy której następuje rozerwanie próbki, S 1 przekrój próbki w najwęższym miejscu 4. wydłużenie względne proporcja przyrostu długości próbki do długości początkowej podana w procentach: A 5 = L 1 L 0 L 0 100% 5. przewężenie względne proporcja spadku pola przekroju poprzecznego w miejscu przewężenia do początkowego pola przekroju próbki: Z = S 1 100% 5 Wymagania BHP Maszyna wytrzymałościowa obsługiwana jest przez uprawnione osoby. Próbka do badań jest umieszczana w maszynie przez upoważnioną osobę. Studenci obserwują przebieg badania, odczytują wskazania sił rozciągających, mierzą wydłużenie próbki po zakończeniu doświadczenia.

7 Politechnika Białostocka Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska SPRAWOZDANIE Z ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Z WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW Temat ćwiczenia: Zwykła próba rozciągania stali Numer ćwiczenia: 1 imię i nazwisko studenta:... rodzaj studiów:... kierunek:... specjalność:... semestr:... grupa:... prowadzący ćwiczenia: dr inż. Jarosław Malesza... (data wykonania ćwiczenia)

8 Parametry próbki do badań początkowa długość bazy pomiarowej: L 0 = początkowa średnica próbki (wartość średnia z sześciu pomiarów): d 0 = początkowe pole przekroju poprzecznego próbki: = [mm 2 ] Parametry próbki po badaniu całkowita długość bazy pomiarowej: - mierzona pomiędzy skrajnymi kreskami: L 1 = - obliczona na podstawie wzoru L 1 =a 2 b : a =, b = L 1 = średnica próbki w najwęższym miejscu: d 1 = pole przekroju poprzecznego próbki w najwęższym miejscu: S 1 = [mm 2 ] Pomiary sił rozciągających siła wywołująca wyraźną granicę plastyczności: F e = [kn] maksymalna siła rozciągająca w próbce: F m = [kn] siła rozrywająca próbkę: F u = [kn]

9 Parametry wytrzymałościowe stali 1. Wyraźna granica plastyczności R e = F e = 2. Doraźna wytrzymałość na rozciąganie: R m = F m = 3. Rzeczywiste naprężenia rozciągające: R u = F u S 1 = Parametry geometryczne 1. Wydłużenie względne: A 5 = L 1 L 0 L %= 2. Przewężenie względne: Z= S %=