Politechnika Białostocka WYDZIAŁ BUDOWNICTWA I INŻYNIERII ŚRODOWISKA Katedra Geotechniki i Mechaniki Konstrukcji Wytrzymałość Materiałów Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych Ćwiczenie nr 2 Temat ćwiczenia: ŚCISŁA PRÓBA ROZCIĄGANIA METALI BEZ WYRAŹNEJ GRANICY PLASTYCZNOŚCI KOD: B O 3 3 2 0 Studia:, 1-go stopnia Kierunek: Budownictwo Semestr: 3 Autor: dr inż. Jarosław Malesza Białystok 2018
1. Wstęp (Na podstawie Polskiej Normy PN-EN ISO 6892-1:2016-09 - Metale Próba rozciągania część 1: Metoda badania w temperaturze otoczenia) Niektóre metale jak aluminium nie wykazują w próbie rozciągania wyraźnej granicy plastyczności. Dla tych materiałów określa się umowne parametry wytrzymałościowe, które ustala się na podstawie określonych wielkości odkształceń. Zazwyczaj umowny poziom naprężeń odpowiadający granicy plastyczności przyjmuje się, gdy odkształcenia trwałe materiału osiągają 0,2%. Na podobnej zasadzie możliwe jest też ustalenie umownej granicy sprężystości, którą przyjmuje się dla odkształcenia równego 0,05%. Naprężenia i odkształcenia nie są wielkościami bezpośrednio mierzonymi w próbie rozciągania. Nie uzyskuje się ich wprost z maszyny wytrzymałościowej. Do wyznaczenia tych wielkości potrzebny jest pomiar siły rozciągającej F i wydłużenia próbki ΔL, które jest mierzone za pomocą ekstensometru zamocowanego bezpośrednio na próbce. Aby ustalić poziom obciążenia odpowiadający wydłużeniu próbki równemu 0,05% (F005) i 0,2% (F02) należy wykonać odpowiedni wykres na podstawie pomiarów z badania.
Dzieląc odczytane z wykresu wielkości obciążenia F005 i F02 przez pole przekroju próbki S0 wyznaczamy naprężenia odpowiadające umownej granicy sprężystości R005 i umownej granicy plastyczności R02. Oprócz wspomnianych naprężeń w doświadczeniu ustala się również wartość współczynnika odkształcalności podłużnej materiału E (moduł Young a). Moduł ten charakteryzuje proporcjonalną zależność odkształcenia materiału od powstałych w nich naprężeń, co opisuje prawo Hooke a (naprężenia są wprost proporcjonalne do odkształceń = ). Zależność ta ujawnia się w początkowym etapie obciążania próbki i oznacza, że materiał deformuje się (wydłuża się) sprężyście. PARAMETRY WYTRZYMAŁOŚCIOWE Moduł Young a E moduł odkształcalności podłużnej, charakteryzuje bezpośrednią wprost proporcjonalną zależność naprężeń od odkształceń Na podstawie prawa Hooke a moduł E oblicza się jako proporcja przyrostu naprężeń do przyrostu odkształceń: = Δ Δ = i odpowiada bieżącemu poziomowi siły rozciągającej, i -1 odpowiada poprzedniemu poziomowi siły rozciągającej. Naprężenia σi na różnych poziomach siły rozciągającej Fi są obliczane na podstawie zależności : bieżący = Poziom naprężeń poprzedni = Odkształcenia εi na różnych poziomach siły rozciągającej Fi są obliczane na podstawie zależności : Odkształcenia względne bieżące poprzednie = Δ gdzie: ΔLi jest wydłużeniem bazy pomiarowej (próbki). = Δ Moduł odkształcenia podłużnego oblicza się na kilku początkowych etapach próby rozciągania: = Δ Δ Ostateczna wartość E jest średnią z obliczeń cząstkowych: = n ilość etapów o zbliżonych wynikach odkształcenia próbki (o podobnych przyrostach długości próbki).
Umowna granica sprężystości R005 poziom naprężeń odpowiadający odkształceniu próbki równemu 0.05%: = F005 siła rozciągająca odpowiadająca odkształceniu 0.05% (odczytana z wykresu). S0 początkowe pole przekroju próbki Umowna granica plastyczności R02 poziom naprężeń odpowiadający odkształceniu próbki równemu 0.2%: = F02 siła rozciągająca odpowiadająca odkształceniu 0.2% (odczytana z wykresu). S0 początkowe pole przekroju próbki 2. Cel badań laboratoryjnych Celem ścisłej próby rozciągania stali jest określenie następujących parametrów : - umownej granicy sprężystości R005, - umownej granicy plastyczności R02, - średniej wartości modułu Young'a Esr. 3. Metodologia badań Ścisłą próbę rozciągania wykonuje się na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej. Wraz z pomiarem siły rozciągające konieczne jest mierzenie zmian długości bazy pomiarowej. Pomiar taki jest możliwy po zamocowaniu na próbce ekstensometru. Zestaw czujników opiera się o badaną próbkę w dwóch miejscach, w punkcie A i B. Ostrza ekstensometru w punkcie A są nieruchome, a w punkcie B są ruchome i współpracują z trzpieniami czujników zegarowych. Trzpienie poruszają wskazówkami czujników.
Doświadczenie to rozpoczyna się wstępnym naciągnięciem badanej próbki siłą F0 = 50N, po czym zeruje się wskazania czujników. Początkowy dystans pomiędzy ostrzami A i B wyznacza długość bazy pomiarowej L0 i jest równy 100mm. Zaznaczenie na wykresie odkształcenia próbki odpowiadającego umownej granicy sprężystości i umownej granicy plastyczności jest możliwe dopiero po przesunięciu linii wykresu do zera obciążenia. Wykonanie takiego przesunięcia jest niezbędne do właściwego oznaczenia odcinka odpowiadającego wydłużeniu =.% i wydłużeniu! =.!%. 4. Wymagania BHP Maszyna wytrzymałościowa obsługiwana jest przez uprawnione osoby. Próbka do badań i czujniki zegarowe również są umieszczane w maszynie przez upoważnioną osobę. Studenci dokonują pomiaru długości i średnicy próbki, obserwują przebieg badania z bezpiecznej odległości, odczytują wskazania maszyny wytrzymałościowej. 5. Literatura [1] Laboratorium wytrzymałości materiałów. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 2001. [2] A.Blum, J.Błaszczak, B.Ładecki, A.Siemieniec, A.Skorupa, B.Zachara.: Ćwiczenia laboratoryjne z wytrzymałości materiałów. Kraków 1998. [3] Z.Dylag, A.Jakubowicz, A.Orłoś.: Wytrzymałość materiałów. Tom I i II. WNT. Warszawa 1996. [4] M.E.Niezgodziński, T.Niezgodziński.: Wytrzymałość materiałów. PWN. Warszawa 1998.
Politechnika Białostocka WYDZIAŁ BUDOWNICTWA I INŻYNIERII ŚRODOWISKA Katedra Geotechniki i Mechaniki Konstrukcji Wytrzymałość Materiałów Sprawozdanie z ćwiczeń Ćwiczenie nr 2 Temat ćwiczenia: ŚCISŁA PRÓBA ROZCIĄGANIA METALI BEZ WYRAŹNEJ GRANICY PLASTYCZNOŚCI KOD: B O 3 3 2 0 Studia:, 1-go stopnia Kierunek: Budownictwo Semestr: 3 Autor: dr inż. Jarosław Malesza Białystok 2018
1. Parametry geometryczne Średnica początkowa próbki: d0 = [mm] Początkowe pole przekroju próbki: S0 = [mm 2 ] Początkowa długość bazy pomiarowej: L0 = [mm] 2. Wyniki pomiarów Siła rozciągająca Fi [N] lewy ΔLi,L [mm] Odczyty z czujników (wydłużenie) prawy ΔLi,R [mm] średni ΔLi,m [mm] "# $ "# $% [mm] ε [%] F0 = 50N 0.000 0.000 0.000 0.000 F1 = 100N F2 = 150N F3 = 200N F4 = 250N F5 = 300N F6 = 350N F7 = 400N F8 = 450N F9 = 500N F10 = 550N F11 = 600N F12 = F13 = F14 = F15 = F16 =
Moduł sprężystości podłużnej E1 = E2 = E3 = E4 = E5 = Esr = Parametry wytrzymałościowe Umowna granica sprężystości F005 = [N] (odczytana z wykresu) R005 = [MPa] Umowna granica plastyczności F02 = [N] (odczytana z wykresu) R02 = [MPa]