Właściwości mechaniczne

Transkrypt

1 Ćwiczeie r 3 Właściwości mechaicze 3.1. Cel ćwiczeia: Celem ćwiczeia jest zapozaie się z podstawowymi właściwościami mechaiczymi oraz metodami ich pomiarów Wstęp teoretyczy: Podstawowe właściwości mechaicze Właściwości mechaicze to te które charakteryzują materiał poddaway różego rodzajom obciążeiom, w wyiku których dochodzi do odkształceia tego materiału. Odkształceie może być sprężyste, plastycze, lub prowadzić do ieodwracalego ziszczeia (rozpadu) struktury materiału. Do podstawowych właściwości mechaiczych zaliczymy: - twardość mówi o wielkości obciążeia wymagaego do wywołaia określoego odkształceia plastyczego. - sprężystość mówi o maksymalej wartości aprężeia działającego a dae ciało, po którego ustaiu wraca oo do swej poprzediej postaci. W przypadku materiałów kostrukcyjych wartość graiczą obserwuje się w okolicach odkształceia ε=0,02, zaś w przypadku materiałów biologiczych ε=0,05. Zwykle określaiu tej właściwości towarzyszą także moduły sprężystości, takie jak p. moduł Youga czy moduł Kirchhoffa. W teście TPA sprężystość ma ieco ie zaczeie oraz geezę, o czym poiżej. - plastyczość ajczęściej charakteryzowaa przez wartość graicy plastyczości, która jest wartością aprężeia, po przekroczeiu której astępuje trwałe plastycze odkształceie. Miedzy graicą sprężystości a graicą plastyczości bywa obserwoway obszar przejściowy. - udarość mówi o wytrzymałości materiału a aprężeia dyamicze (uderzeia). Określaa jest jako stosuek pracy włożoej w złamaie próbki do pola przekroju próbki w daym miejscu. Jest moco skorelowaa z twardością. - lepkość jest to zdolość do przeoszeia aprężeń styczych przez pły, tym samym charakteryzująca jego opór przeciwko płyięciu. - wytrzymałość (a: ściskaie, ściaie, ścieraie, rozłupywaie itp.) mówi o maksymalej wartości aprężeia, po której przekroczeiu astępuje ziszczeie daego materiału. Przykładem wytrzymałości jest łamliwość określaa w teście TPA. - kąt tarcia jest to kąt achyleia do poziomu rówi pochyłej, po którego przekroczeiu astępuje samoiste przesuwaie się materiału w dół tejże rówi. - kąt usypowy dotyczy materiałów sypkich i mówi o kącie achyleia do poziomu powierzchi boczej stożka, usypaego swobodie z daego materiału Moduł sprężystości wzdłużej Jak wspomiao powyżej, moduł sprężystości wzdłużej, azyway także modułem Youga, mówi o sprężystości materiału którego dotyczy. Ściślej rzecz ujmując, charakteryzuje o sposób zachowaia się ciała idealie sprężystego, poddawaego aprężeiu ormalemu (prostopadłemu) względem powierzchi przekroju poprzeczego tego ciała, w początkowej fazie jego odkształcaia, gdy aprężeie w materiale jest wprost proporcjoale do zadaego odkształceia. Rys.3.1: Zależość aprężeia od odkształceia oraz kąt achyleia do poziomu jej odcika o charakterze liiowym.

2 Co do wartości, moduł Youga odpowiada tagesowi kąta achyleia wspomiaego odcika liiowego do osi odkształceia, staowi o zatem współczyik kierukowy tego odcika. Stąd ajprostszą metodą jego wyzaczeia dla daego materiału, jest przeprowadzeie testu ściskaia lub rozciągaia oraz skorzystaie z rówań regresji liiowej, w celu wyzaczeia zależości opisującej początkowy, prostoliiowy odciek wspomiaej zależości. Przekształcoe a potrzeby obliczeia modułu Youga rówaie regresji liiowej, wygląda astępująco: i i i i i=1 i =1 i=1 E E= 2 i i i i i=1 i =1 i 2 i i (14) 2 2 i 2 i gdzie: Ê - średia wartość modułu Youga [Pa], - ilość puktów a wykresie opisaych liią prostą, ε i - poszczególe wartości odkształceia względego [-], σ i - poszczególe wartości aprężeia [Pa], δ E - wartość odchyleia średiej wartości modułu Youga [Pa], 2, E = Pamiętać ależy, że powyższe podejście do zagadieia sprężystości, właściwe jest materiałom idealie sprężystym takim jak a przykład stal wysokogatukowa, atomiast materiał biologiczy, główie ze względu a swą strukturę i dużą iejedorodość, stwarza trudości w opisie jego właściwości sprężystych. Odczuwaa fizyczie przez obserwatora sprężystość materiałów biologiczych, z reguły jest wypadkową sprężystości poszczególych elemetów, czy też tkaek, staowiących ich strukturę, co a wykresie zależości pomiędzy aprężeiem a odkształceiem owocować może ie jedym a wieloma odcikami o charakterze liiowym ułożoymi względem siebie pod różymi kątami a awet, porozdzielaymi obszarami odkształceia plastyczego. Dlatego też, sesowość stosowaia zaprezetowaego wyżej podejścia zależy od charakteru badaego materiału Praca ściskaia Ściskaie (zgiataie), czyli oddziaływaie a jedostkę materiału dwiema siłami działającymi w jedym kieruku, lecz o przeciwych zwrotach (skierowaych do tego materiału), jest jedym z podstawowych sposobów mechaiczego rozdrabiaia. Proces te ależy do ajbardziej eergochłoych w całym przetwórstwie materiałów biologiczych, zaś obiżeie tej eergochłoości, przekładające się pośredio a obiżeie kosztów całego procesu, wymaga określaia jedostkowej pracy zgiataia oraz właściwości mających wpływ a jej wartość, w celu jej miimalizacji. Rys. 3.2: Wykres ściskaia materiału biologiczego oraz sposób wyzaczaia pola pod im. By wyzaczyć wartość pracy zgiataia materiału, ależy a jego elemetarej jedostce przeprowadzić próbę ściskaia, aż do ziszczeia (zgieceia), rejestrując zależość siły (F) ań działającej i odkształceia względego (Δl). Wartość pracy włożoej w zgieceie materiału będzie odpowiadała polu pod wykresem akreśloej a podstawie próby zależości F=f(Δl) (Rys.3.2). Zazaczyć przy tym ależy, że materiał biologiczy, z powodu swej iejedorodości i wysoce złożoej struktury, może ulegać wielokrotemu częściowemu ziszczeiu (zgieceiu), im astąpi jego całkowite zgieceie do wartości zadaej, co obrazują pukty ozaczoe jako F Z1, F Z2 i F Z3 a Rys.3.2. Jedym ze sposobów a wyzaczeie pola pod wykresem ściskaia, a tym samym pracy zgiataia jest jego plaimetrowaie, które polega a dzieleiu go a elemetare figury proste (p. Prostokąty), obliczeie i zsumowaie ich pól.

3 3.2.4 Tekstura materiału - test TPA Test TPA (Texture Profile Aalysis), służy do opisywaia tekstury materiału, a którą składają się właściwości, wpływające a wrażeia odbierae przez kosumeta podczas przeżuwaia produktów spożywczych w ustach, dlatego test te wykorzystyway jest ajczęściej właśie w odiesieiu do produktów spożywczych. Polega o a dwukrotym ściśięciu próbki w zakresie odkształceń 50-70% w krótkim odstępie czasu, podczas których rejestrowae jest przemieszczeie Rys. 3.3: Aaliza profilu tekstury wykres testu TPA. tłoka oraz siła z jaką działa o a próbkę. Efektem takiego testu jest możliwość wyzaczeia kilku parametrów tekstury daego materiału, takich jak: twardość, łamliwość, sprężystość, kohezyjość, adhezyjość, gumiastość czy żujość; w astępujący sposób: - twardość jest to maksymala wartość siły użytej podczas testu (F T a Rys. 3.3). Wielkość wyrażaa w jedostkach siły, p.. - łamliwość jest to wartość siły przy której doszło do zaczego ziszczeia struktury wewętrzej materiału, towarzyszy temu agły (chwilowy) spadek siły, który moża zaobserwować a wykresie przedstawiającym przebieg testu TPA (F Ł a Rys. 3.3). - sprężystość parametr, który iterpretoway bywa różie albo jako różica w wysokości próbki przed i po pierwszym cyklu ściskaia (wówczas opatrzoy jest jedostką długości, p. [m]), albo jako stosuek czasu ściskaia (który jest wprost proporcjoaly do odkształceia!) w drugim cyklu do czasu ściskaia w pierwszym cyklu (wówczas wyrażay jest wielkością bez wymiarową). - kohezyjość (ściśliwość) jej wartość odpowiada stosukowi pracy (pola pod krzywą) ściskaia w cyklu drugim, do pracy (pola pod krzywą) w cyklu pierwszym. - adhezyjość jej wartość odpowiada pracy jaką trzeba włożyć w oderwaie tłoka od powierzchi próbki po pełym cyklu jej ściskaia. Jedostką adhezyjości jest, jedostka pracy, czyli [J]. - gumiastość wartość tego parametru określaa jest przez iloczy twardości i kohezyjości, wyrażaa w jedostkach siły. - żujość wartość tego parametru wyzaczaa jest a podstawie iloczyu gumiastości i sprężystości. Jedostką jego jest zatem jedostka siły lub pracy (w zależości od podejścia).

4 3.3. Istrukcja wykoaia pomiarów: -Próbkę r 1 umieścić a podstawie urządzeia wytrzymałościowego (Texture Aalizer) i określić jej wysokość początkową. - Przeprowadzić test TPA próbki r 1, zadając odkształceie rówe ε=0,7 (70%). - Z wykresu przedstawiającego przebieg testu, odczytać wartość siły maksymalej (twardość), kohezyjość, i gumiastość. - Czyości te powtórzyć dla pozostałych próbek. - Uzyskae a podstawie testu serie daych (siła, czas i przemieszczeie) zapisać do dalszych obliczeń. Przy użyciu arkusza kalkulacyjego przekształcić je a aprężeie w fukcji odkształceia i przedstawić w formie wykresu początkowe przebiegi (od ε=0 do ε=0,05). - Wykorzystując regresję liiową wyzaczyć wartość modułu sprężystości podłużej (modułu Youga), 3.4. Wyiki pomiarów i obliczeń: Tabela 3.1: Parametr Szybkość ściskaia Jedostka [mm/s] Materiał: Wartość Materiał: Numer próbki [-] l 0 - Wysokość próbki d - Średica próbki [mm] [mm] A - Pole przekroju [mm 2 ] F max - Twardość Średia twardość Kh - Kohezyjość [-] Gs - Gumiastość E - Moduł Youga Średia kohezyjość [-] Średia gumiastość Średi moduł Youga 3.5. Wioski: [MPa] [MPa]

5 3.6. Wykresy: Rys.3.4: Wykres aprężeia w fukcji odkształceia względego: σ=f(ε) w zakresie do ε=0,05.