MATERIAŁOZNAWSTWO vs WYTRZYMAŁOŚĆ MATERIAŁÓW

Transkrypt

1 ĆWICZENIA LABORATORYJNE Z MATERIAŁOZNAWSTWA Statyczna próba rozciągania stali Wyznaczanie charakterystyki naprężeniowo odkształceniowej. Określanie: granicy sprężystości, plastyczności, wytrzymałości na rozciąganie, naprężenia urywającego oraz parametrów odkształceniowych. Statyczna próba ściskania materiałów kruchych Wyznaczanie wytrzymałości na ściskanie oraz modułu sprężystości podłużnej (modułu Younga) PAWEŁ KAMIŃSKI pkamin@agh.edu.pl

2 SUWMIARKA Suwmiarką nazywamy przyrząd pomiarowy z noniuszem, używany do pomiaru wymiarów zewnętrznych, wewnętrznych, a gdy suwmiarka ma wysuwkę głębokościomierza również do pomiaru głębokości oraz do pomiaru gwintów.

3 MATERIAŁOZNAWSTWO vs WYTRZYMAŁOŚĆ MATERIAŁÓW Wytrzymałość materiałów jest częścią mechaniki o praktycznym, inżynierskim charakterze. W rozwiązywaniu konkretnych zadań wykorzystuje się pewne uogólnienia i uproszczenia. Uproszczenia dotyczą opisu właściwości materiału i opisu kształtu elementu konstrukcyjnego. Dzięki uproszczeniom rzeczywisty obiekt zostaje przekształcony w pewien model, który umożliwia rozwiązanie problemu za pomocą określonego schematu obliczeniowego. Model (schemat obliczeniowy) musi zachowywać istotne dla rozwiązywanego problemu cechy i właściwości rzeczywistego obiektu. UPROSZCZENIA: - modelu ciała -> ciało jednorodne, -właściwości materiału -> ciało izotropowe, którego właściwości we wszystkich kierunkach są identyczne (ciało anizotropowe różne właściwości), ciało sprężyste - sposobu rozwiązywania -> uproszczenia inżynierskie.

4 Statyczna próba rozciągania W statycznej próbie rozciągania rozciąga się odpowiednio wykonany pręt o przekroju okrągłym. W czasie próby rejestruje się zależność przyrostu długości próbki od wielkości siły rozciągającej

5 Wytrzymałość na rozciąganie Wytrzymałość na rozciąganie R m to naprężenie odpowiadające największej sile rozciągającej F uzyskanej w czasie próby rozciągania, odniesionej do pierwotnego przekroju poprzecznego tej próbki: Badanie wytrzymałości na rozciąganie polega na odkształceniu próbki materiału pod wpływem siły zewnętrznej, działającej w osi próbki. Próba rozciągania jest podstawowym źródłem informacji o mechanicznych własnościach materiału i możemy w ten sposób badać wszystkie nie kruche materiały.

6 Wykres Początkowo wzrost naprężenia powoduje liniowy wzrost odkształcenia. W zakresie tym obowiązuje prawo Hooke'a. Granica proporcjonalności R H jest to naprężenie do którego występuje proporcjonalność naprężenie do wydłużenia jednostkowego (prostoliniowy odcinek wykresu)

7 Prawo Hooke'a Głosi ono, że odkształcenie ciała pod wpływem działającej na niego siły jest wprost proporcjonalne do tej siły. Współczynnik między siłą a odkształceniem jest często nazywany współczynnikiem(modułem) sprężystości. Ta prawidłowość, sformułowana przez Roberta Hooke'a ( ) w formie "ut tensio sic vis", pozostaje prawdziwa tylko dla niezbyt dużych odkształceń, nie przekraczających tzw. granicy Hooke'a (zwanej też granicą proporcjonalności), i tylko dla niektórych materiałów. Prawo Hooke'a zakłada też, że odkształcenia ciała, w reakcji na działanie sił, następują w sposób natychmiastowy i całkowicie znikają, gdy przyłożone siły przestają działać. Takie uproszczenie jest wystarczające jedynie dla ciał o pomijalnie małej lepkości. Względne wydłużenie takiego pręta jest wprost proporcjonalne do siły przyłożonej do pręta, do jego długości i odwrotnie proporcjonalne do pola przekroju poprzecznego pręta. Współczynnikiem proporcjonalności jest moduł Younga E gdzie: F - siła rozciągająca, S - pole przekroju, l - wydłużenie pręta, l - długość początkowa.

8 Moduł Younga (E) inaczej moduł odkształcalności liniowej albo moduł sprężystości podłużnej(w układzie jednostek SI) wielkość określająca sprężystość materiału. Wyraża ona, charakterystyczną dla danego materiału, zależność względnego odkształcenia liniowego ε materiału od naprężenia σ, jakie w nim występuje w zakresie odkształceń sprężystych. Jednostką modułu Younga jest paskal, czyli N/m 2. Moduł Younga jest hipotetycznym naprężeniem, które wystąpiłoby przy dwukrotnym wydłużeniu próbki materiału, przy założeniu, że jej przekrój nie ulegnie zmianie (założenie to spełnione jest dla hipotetycznego materiału o współczynniku Poissonaυ=0). Przybliżone wartości modułu Younga dla różnych materiałów Materiał Moduł Younga (E) GPa Guma 0,01 0,10 Polietylen (LDPE) 0,2 Polipropylen (PP) 1,5 2,0 Żelazo kute i stal Poli(tereftalan etylenu) (PET) 2,0 2,5 Polistyren (PS) 3,0 3,5 Nylon 2 4 Drewno dębowe 11 Beton >27 Magnez (Mg) 45 Stop glinu (Al) 69 Współczynnik Poissona(ν) Jest stosunkiem odkształcenia poprzecznego do odkształcenia podłużnego przy osiowym stanie naprężenia. Współczynnik Poissona jest wielkością bezwymiarową i nie określa sprężystości materiału, a jedynie sposób w jaki się on odkształca.

9 Wykres Po osiągnięciu naprężenia R sp, zwanego granicą sprężystości materiał przechodzi w stan plastyczności, a odkształcenie staje się nieodwracalne. Przekroczenie granicy sprężystości, zauważalne w okresie chwilowego braku przyrostu naprężenia, powoduje przejście materiału w stan plastyczny. Dalsze zwiększanie naprężenia powoduje nieliniowy wzrost odkształcenia, aż do momentu wystąpienia zauważalnego, lokalnego przewężenia zwanego szyjką. R el dolna granica plastyczności R eh górna granica plastyczności

10 Wykres Naprężenie, w którym pojawia się szyjka, zwane jest wytrzymałością na rozciąganie R m. Dalsze rozciąganie próbki powoduje jej zerwanie przy naprężeniurozrywającymr u.

11 Wydłużenie i przewężenie Wydłużenie, zdefiniowane zależnością: gdzie: A = L L L0 długość początkowa próbki, Lu długość próbki po zerwaniu; L u % Przewężenie, zdefiniowane zależnością: gdzie: A = A0 początkowy przekrój próbki, Au przekrój próbki po zerwaniu. A0 Au 100% A u

12 Statyczna próba ściskania, obok statycznej próby rozciągania jest jedną z podstawowych prób stosowanych dla określenia właściwości mechanicznych materiałów. Próba ściskania jest niejako odwróceniem próby rozciągania - wykres ściskania niektórych metali jest symetryczny do wykresu rozciągania w zakresie ujemnych naprężeń i odkształceń jego prostoliniowa część jest niemal równa, co do wielkości tej części przy rozciąganiu.

13 Typowe charakterystyki naprężenie - odkształcenie uzyskane różnych typów materiałów.

14 Badanie wytrzymałości betonu na ściskanie Jest to metoda badania betonu, należąca do niszczących. Wytrzymałość betonu na ściskanieokreślasięnapróbkachsześciennych(f ck,cube )lubwalcowych(f ck,cyl ). Częstotliwość pobierania próbek nie powinna być mniejsza niż 1 próbka na 100 zarobów, 1 próbka na 50 m 3 betonu, 1 próbka na zmianę roboczą i minimum 3 próbki z danej partii betonu(pn-en :2001). Warunki przygotowania próbek do badania i ich pielęgnację określa PN-EN :2001, Badania betonu. Część 2: Wykonywanie i pielęgnacja próbek do badań wytrzymałościowych. Wg PN-EN 206-1:2003, Beton Część 1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność klasę betonu określa się na podstawie wytrzymałości charakterystycznej betonu na ściskanie zdefiniowanej jako wartość, poniżej której może znaleźć się nie więcej niż 5% wyników wszystkich pomiarów wytrzymałości.

15 PRÓBKA

16 PRÓBKA

17 WIELKOŚĆ PRÓBKI

18 Badanie wytrzymałości betonu na rozciąganie (PN-G-04302:1997 Skały zwięzłe - Oznaczanie wytrzymałości na rozciąganie metodą poprzecznego ściskania) Wytrzymałość betonu na rozciąganie zależy w dużej mierze od przyczepności ziaren kruszywa do stwardniałego zaczynu cementowego. Ze względu na duże zróżnicowanie ziaren kruszywa, wyniki tego typu badań wykazują duży rozrzut i są zależne od kształtu i wielkości próbek. Z tego względu dla celów praktyki budowlanej, wytrzymałość na rozciąganie uzależnia się od wytrzymałości na ściskanie. Badanie wytrzymałości betonu na rozciąganie przy rozłupywaniu nazywane jest często metodą brazylijską. Wytrzymałość próbek na rozciąganie przy rozłupywaniu oblicza się ze wzorów: dla próbek kostkowych f cl spl =2F/πd 2 dla próbek walcowych f cl spl =2F/πdl

19 ŚCISKANIE JEDNOOSIOWE / ŚCISKANIE TRÓJOSIOWE

20 STANOWISKO POMIAROWE