Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Transkrypt

1 Politechnika Białostocka Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Temat ćwiczenia: Ścisła próba rozciągania stali Numer ćwiczenia: 2 Laboratorium z przedmiotu: wytrzymałość materiałów II Opracowanie: dr inż. Jarosław Malesza Katedra Mechaniki Konstrukcji 2011

2 1 Wprowadzenie Ścisła próba rozciągania przeprowadzana jest w celu określenia granic stosowania prawa Hook'a oraz wyznaczenia współczynnika sprężystości podłużnej zwanego modułem Younga. Ponadto w materiałach bez wyraźnej granicy plastyczności badanie ma na celu wyznaczenie umownych granic sprężystości i plastyczności. Próba przeprowadzana jest do osiągnięcia przez próbkę wydłużenia trwałego wynoszącego najwyżej 0,3%, co stanowi tylko początkowy zakres zwykłej próby rozciągania. 2 Cel ćwiczenia laboratoryjnego Celem ćwiczenia jest wyznaczenie: umownej granicy sprężystości R 0,05, umownej granicy plastyczność R 0,2 oraz współczynnika sprężystości podłużnej E (moduł Younga) stali średniowęglowej. Na podstawie uzyskanych wyników wykreślany jest dokładny wykres rozciągania, który najlepiej oddaje przebieg badania oraz ukazuje cały zakres odkształceń sprężystych materiału. 3 Przebieg ćwiczenia Po zamocowaniu próbki w maszynie wytrzymałościowej należy założyć na nią zestaw dwu tensometrów. Każdy czujnik styka się dwoma ostrzami z badaną próbką. Początkowa odległość pomiędzy ostrzami wyznacza długość bazy pomiarowej L 0. Próbkę naprężamy początkową siłą równą F 0 = 50N, po czym zerujemy wskazania tensometrów. Następnie obciążenie zwiększamy o 50N (F 1 =100N) i po upływie około 10 sekund odczytujemy tensometry. Następnie obciążenie zwiększamy o kolejne 50N i ponownie zapisujemy wskazania czujników. Czynności te powtarzamy zwiększając siłę rozciągającą o wielokrotność obciążenia F 0. W każdym kroku obciążenia kontrolujemy przyrosty wydłużenia próbki ΔL i tzn obliczamy różnicę pomiędzy bieżącym, a poprzednim wskazaniem czujników. Jednocześnie obliczamy procentowy wzrost długości próbki. W początkowych etapach doświadczenia przyrosty długości powinny być ze sobą porównywalne. Oznacza to, iż materiał rozciąga się sprężyście. Z chwilą odnotowania zwiększonego wydłużenia próbki należy uważnie kontrolować dalszy przyrost długości na poszczególnych etapach tak, aby całkowite wydłużenie nie przekroczyło 0,3%. Zazwyczaj konieczne jest zmniejszenie przyrostu obciążenia do wartości 0,2 F 0 w celu dokładniejszego pomiaru.

3 4 Próbki do badań Ścisła próba rozciągania wykonywana jest na stalowym drucie o średnicy około 1mm. 4.1 Czynności przed badaniem Przed rozpoczęciem próby należy: wstępnie ustalić przybliżoną wartość granicy plastyczności, ustalić początkową siłę rozciągającą: F 0, ustalić kroki obciążenia, najczęściej przyjmowane jako wielokrotności siły F 0, zamocować próbkę w maszynie wytrzymałościowej, naprężyć próbkę siłą F 0 = 50N, zamocować zestaw tensometrów na próbce i ustawić ich wskazania na 0, ustalić długość bazy pomiarowej L 0 (odcinka wyznaczonego przez ostrza tensometrów, na którym dokonywany jest pomiar wydłużenia ΔL próbki). 4.2 Czynności podczas badania W czasie próby rozciągania należy: zwiększać obciążenie zgodnie z procedurą opisaną wcześniej, notować wielkości siły rozciągającej oraz wskazania czujników, wyznaczać bieżące przyrosty wydłużenia próbki i porównywać je z poprzednimi, do chwili uzyskania wydłużenia trwałego równego 0,3%, wyniki pomiarów zestawiać tabelarycznie zgodnie z formularzem podanym w sprawozdaniu 4.3 Czynności po wykonaniu badania Po zakończeniu badania należy: wyznaczyć moduły sprężystości podłużnej E i dla kilku początkowych poziomów obciążenia, a na ich podstawie moduł średni charakteryzujący cały zakres sprężystych odkształceń, sporządzić w odpowiedniej skali wykres wydłużalności próbki w funkcji obciążenia, wyznaczyć, wspomagając się wykresem, umowną granicę sprężystości R 0,05, wyznaczyć, wspomagając się wykresem, umowną granicę plastyczności R 0,2. 5 Opracowanie wyników badania 5.1 Podstawowe wielkości fizyczne 1. umowna granica sprężystości - naprężenie nominalne, wywołujące w próbce wydłużenie plastyczne równe 0,05%: R 0,05 = F 0,05 gdzie: - pole przekroju poprzecznego próbki wyznaczone przed badaniem, F 0,05 - siła rozciągająca wywołująca w próbce wydłużenie plastyczne równe 0,05%,

4 2. umowna granica plastyczności - naprężenie nominalne, wywołujące w próbce wydłużenie plastyczne równe 0,2%: R 0,2 = F 0,2 gdzie: F 0,2 - siła rozciągająca wywołująca w próbce wydłużenie plastyczne równe 0,2% 3. nominalny współczynnik sprężystości podłużnej - współczynnik wyznaczony na wybranym poziomie obciążenia (chwilowy): E i = = i i 1 i i 1 gdzie: i - wybrany poziom obciążenia (siły rozciągającej), σ i - naprężenia rozciągające w próbce wyznaczone w i-tym poziomie obciążenia F i, σ i-1 - naprężenia rozciągające wyznaczone w poprzednim poziomie obciążenia F i-1, i = F i i 1 = F i 1 ε i - odkształcenia względne w rozciąganej próbce wywołane obciążeniem F i, ε i-1 - odkształcenia względne w rozciąganej próbce wywołane obciążeniem F i-1, i = L i L 0 i 1 = L i 1 L 0 gdzie:\\ L 0 - baza pomiarowa wyznaczony przez ostrza tensometrów, ΔL i - średnie wydłużenie próbki odczytane przy obciążeniu F i, ΔL i-1 - średnie wydłużenie próbki odczytane przy obciążeniu F i-1, 4. średni współczynnik sprężystości podłużnej (moduł Younga)} - średnia arytmetyczna współczynników uzyskanych na różnych poziomach obciążenia: E śr = n E i i=1 n

5 6 Wykres zależności F - ΔL (σ - ε) rozciąganej próbki Notowane podczas doświadczenia przyrosty długości próbki służą do sporządzenia wykresu na podstawie, którego ustala się wartości obciążeń odpowiadających umownym granicom. Wykres dokładnie odtwarza przebieg badania, dlatego powstaje w ściśle określonej skali. Linia OD odwzorowuje historię obciążenia próbki, linia DD 1 charakteryzuje odciążenie po zakończonym doświadczeniu. Linia OO 1 dzieli pole odkształceń na część sprężystą (z lewej strony) i plastyczną (zakreskowaną z prawej strony). Na podstawie odczytów odkształceń na odcinku OA oraz odpowiadających im naprężeń wyznaczamy moduł sprężystości podłużnej dla całego zakresu sprężystego. Przyjmując początkową długość bazy pomiarowej L 0 = 100mm, wydłużenie próbki dla odkształcenia równego 0,05% jest równe 0,05mm. Odkładając odcinek B 1 B równolegle do OA odczytamy z wykresu wartość obciążenia w chwili osiągnięcia umownej granicy sprężystości, a następnie obliczymy naprężenia panujące w przekrojach próbki tym momencie. Analogicznie odkładając odcinek C 1 C przy wydłużeniu równym 0,2mm ustalimy naprężenia w chwili osiągnięcia umownej granicy plastyczności. 7 Wymagania BHP Maszyna wytrzymałościowa obsługiwana jest przez uprawnione osoby. Próbka do badań i czujniki zegarowe są również umieszczane w maszynie przez upoważnioną osobę. Studenci obserwują przebieg badania, odczytują siłę rozciągającą próbkę oraz jej wydłużenie.

6 Politechnika Białostocka Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska SPRAWOZDANIE Z ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Z WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW Temat ćwiczenia: Ścisła próba rozciągania stali Numer ćwiczenia: 2 imię i nazwisko studenta:... rodzaj studiów:... kierunek:... specjalność:... semestr:... grupa:... prowadzący ćwiczenia: dr inż. Jarosław Malesza... (data wykonania ćwiczenia)

7 Parametry próbki do badań początkowa długość bazy pomiarowej: L 0 = [mm] początkowa średnica próbki: d 0 = [mm] początkowe pole przekroju poprzecznego próbki: = [mm 2 ] Pomiary wydłużenia próbki Obciążenie F i [N] lewy ΔL i L [mm] Odczyty z czujników prawy ΔL i P [mm] średni ΔL i śr [mm] Odkształcenie ε [%] F 0 = 50N 0,000 0,000 0,000 0,000 F 1 = 100N F 2 = 150N F 3 = 200N F 4 = 250N F 5 = 300N F 6 = 350N F 7 = F 8 = F 9 = F 10 = F 11 = F 12 = F 13 = F 14 =

8 Parametry materiałowe Chwilowe moduły sprężystości 1. moduł sprężystości wyznaczony na poziomie obciążenia F 1 E 1 = 1 1 = F 1 F 0 L 0 L 1 L 0 = 2. moduł sprężystości wyznaczony na poziomie obciążenia F 2 E 2 = 2 2 = F 2 F 1 L 1 L 2 L 1 = 3. moduł sprężystości wyznaczony na poziomie obciążenia F 3 E 3 = 3 3 = F 3 F 2 L 0 L 3 L 2 = 4. moduł sprężystości wyznaczony na poziomie obciążenia F 4 E 4 = 4 4 = F 4 F 3 L 0 L 4 L 3 = 5. moduł sprężystości wyznaczony na poziomie obciążenia F 5 E 5 = 5 5 = F 5 F 4 L 0 L 5 L 4 = Średni moduł sprężystości E śr = n E i i=1 n = Parametry wytrzymałościowe Umowna granica sprężystości F 0,05 = [N] - siła rozciągająca próbkę wywołująca odkształcenie równe 0,05% (odczytana z wykresu) R 0,05 = F 0,05 = Umowna granica plastyczności F 0,2 = [N] - siła rozciągająca próbkę wywołująca odkształcenie równe 0,2% (odczytana z wykresu) R 0,2 = F 0,2 =