INSTYTUT MASZYN I URZĄDZEŃ ENERGETYCZNYCH Politechnika Śląska w Gliwicach INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH BADANIE ZACHOWANIA SIĘ MATERIAŁÓW PODCZAS ŚCISKANIA Instrukcja przeznaczona jest dla studentów następujących kierunków: 1. Inżynieria Bezpieczeństwa - sem. 2 NoM
1 Opis zagadnienia Badanie wytrzymałości tworzyw inżynierskich, czy wykonanych z nich elementów maszynowych i konstrukcyjnych na ściskanie opisują stosowne normy np.: - w przypadku tworzyw polimerowych: PN-EN ISO 604, - dla tworzyw metalicznych: PN-H 04320:1957, PN-EN ISO 4385:1996, PN-EN ISO 6282:1998, - dla tworzyw ceramicznych: o cement: PN-EN 196-1:2006, - dla kompozytów: o żelbeton PN-S 10040:1999, o ceramika techniczna PN-EN 658-2:2004, PN-EN 1894:2007, PN-EN 12290:2007, PN-EN 12291:2004. Metody oznaczania własności tworzyw inżynierskich przy ściskaniu stosujemy do określenia wytrzymałości na ściskanie, modułu ściskania i innych cech zależności naprężenie/odkształcenie przy ściskaniu, w określonych warunkach badania. 2 Terminy oraz definicje prędkość badania ν [mm/min] prędkość zbliżania się płyt maszyny wytrzymałościowej podczas badania; odcinek pomiarowy L 0 [mm/min] początkowa odległość między znakami pomiarowymi w środkowej części kształtki do badań; naprężenie ściskające σ [MPa] obciążenie ściskające na jednostkę powierzchni początkowego przekroju poprzecznego, przenoszone przez kształtkę do badań (UWAGA: w badaniach ściskania, naprężenia σ i odkształcenia ε są ujemne. Zazwyczaj znak ujemny jest pomijany. Jeżeli powoduje to nieporozumienia, znak ujemny można dodać. Jest to zbyteczne w przypadku nominalnego odkształcenia ściskającego σ c ). naprężenie ściskające przy granicy plastyczności σ Y [MPa] pierwsza wartość naprężenia, przy której wraz ze wzrostem odkształcenia nie występuje wzrost naprężenia; wytrzymałość na ściskanie σ M [MPa] maksymalne naprężenie ściskające, jakie wytrzymuje kształtka do badań w czasie badania przy ściskaniu; naprężenie ściskające przy złamaniu (zniszczeniu) σ B [MPa] naprężenie ściskające przy którym kształtka ulega złamaniu; naprężenie ściskające przy odkształceniu σ X [MPa] naprężenie przy którym odkształcenie osiąga określoną wartość x%; odkształcenie ściskające ε [%] zmniejszenie długości w stosunku do początkowej długości odcinka pomiarowego L 0 ; nominalne odkształcenie ściskające ε c [%] zmniejszenie długości w stosunku do początkowej długości L kształtki do badań; nominalne odkształcenie ściskające przy granicy plastyczności ε cy [%] odkształcenie odpowiadające naprężeniu ściskającemu przy granicy plastyczności σ Y ; nominalne odkształcenie ściskające przy wytrzymałości na ściskanie ε cm [%] odkształcenie odpowiadające wytrzymałości na ściskanie σ M ; - 2 -
nominalne odkształcenie ściskające przy złamaniu ε cb [%] odkształcenie przy złamaniu kształtki do badań; moduł ściskania E c [MPa] stosunek różnicy naprężeń (σ 2 - σ 1 ) do odpowiadającej mu wartości różnicy odkształceń (ε 2 =0,0025 - ε 1 =0,0005). 3 Zasada oznaczania Kształtkę do badań ściska się wzdłuż jej głównej osi ze stałą prędkością, aż do pęknięcia kształtki lub do uzyskania założonej wartości siły lub założonego zmniejszenia długości kształtki. Podczas badania mierzy się siłę, jaką przenosi kształtka oraz jej wydłużenie (skrócenie). 4 Aparatura Badanie wytrzymałości na ściskanie przeprowadza się na maszynie wytrzymałościowej. Maszyna ta powinna spełniać następujące wymagania: prędkość badania: Maszyna powinna umożliwić utrzymanie prędkości badania podane w Tabeli 1. Jeżeli stosuje się inne prędkości, maszyna powinna mieć możliwość utrzymania prędkości z dokładnością +/- 20% w przypadku prędkości mniejszych od 20mm/min i 10% dla prędkości większych niż 20mm/min: Tabela 1. Zalecane prędkości badania Prędkość badania mm/min 1 2 5 10 20 Tolernacja % +/- 10 Przyspieszenie, sztywność i podatność maszyny mogą być przyczyną krzywoliniowego przebiegu na początku zależności naprężenie/odkształcenie. - narzędzie ściskające: Do przykładania urządzenia deformującego kształtkę do badań należy stosować płyty ściskające za stali utwardzonej, skonstruowane w taki sposób, aby obciążenie przenoszone na kształtkę było współosiowe w zakresie 1:1000 i przekazywane przez polerowane powierzchnie. Można stosować urządzenia do współosiowania automatycznego. - wskaźnik obciążenia: powinien być wyposażony w mechanizm umożliwiający wskazanie całkowitego obciążenia ściskającego. Mechanizm powinien być całkowicie pozbawiony opóźnień bezwładnościowych przy określonej prędkości badania i powinien wskazywać wartość obciążenia z dokładnością +/- 1% mierzonej wartości lub większą. - ekstensometr: powinien zawierać mechanizm odpowiedni do oznaczenia względnych zmian długości określonej części kształtki do badań. Jeśli mierzy się odkształcenie ściskające, długością tą jest odcinek pomiarowy, w innych przypadkach dla nominalnego odkształcenia ściskającego jest to odległość między powierzchniami narzędzia ściskającego. Zaleca się, ale nie jest to niezbędne, aby przyrząd automatycznie zapisywał tę odległość. - 3 -
5 Zalecany typ kształtki oraz ich liczba: Próbki powinny mieć kształt prostopadłościanu, walca lub rury. Tabela 2. Wymiary zalecanych typów kształtek: Typ Pomiar długość l [mm] A Moduł 50 +/- 2 B Wytrzymałość 10 +/- 0,2 szerokość b [mm] grubość t [mm] 10 +/- 0,5 4 +/- 0,2 Liczba próbek tworzyw izotropowych do prawidłowego wykonania oznaczenia powinna wynosić co najmniej 5. Liczba próbek tworzyw anizotropowych do prawidłowego wykonania oznaczenia powinna wynosić co najmniej 10 - pięć próbek do badań prostopadle i pięć równolegle. 6 Wykonanie ćwiczenia 6.1 Sposób postępowania: - Oznaczenie przeprowadzić w temperaturze 20 C (+/-5 C). - Zmierzyć wymiary kształtek w trzech punktach wzdłuż jej długości z dokładnością do 1%. - Kształtkę do badań umieścić między powierzchniami płyt ściskających i ustawić wzdłuż linii łączącej środki powierzchni płyt ściskających, upewnić się, czy powierzchnie końców kształtki są równoległe do powierzchni płyt ściskających i tak ustawić maszynę, aby powierzchnie płyt lekko dotykały kształtkę. - W przypadku precyzyjnych badań zaleca się naniesienie odpowiedniego smaru. - Przed badaniem nie należy zbyt mocno obciążać kształtki. Lecz wstępne obciążenie może być niezbędne aby uniknąć krzywoliniowego przebiegu na początku wykresu naprężenie/odkształcenie. - Prędkość badania ν [mm/min], ustawić na wartość podaną w specyfikacji tworzywa, a w razie braku, ustawić na taką wartość podaną w Tablicy 1, która stanowiłaby najlepsze przybliżenie do: ν =0,02l (l w milimetrach) w przypadku pomiaru modułu. ν =0,01l (l w milimetrach) w przypadku pomiaru wytrzymałości tworzyw, które ulegają złamaniu przed granicą plastyczności. ν =0,05l (l w milimetrach) w przypadku pomiaru wytrzymałości tworzyw, które płyną. - W czasie badania zapisywać siłę (naprężenie) i odpowiadającą jej działaniu ściskanie (odkształcenie), stosując jeśli to możliwe system automatycznej rejestracji, zapisujący dla tej operacji kompletną krzywą naprężenie/odkształcenie. 6.2 Obliczenia dla przeprowadzonych pomiarów Naprężenie: Odkształcenie: Moduł ściskania: σ = F A L [MPa] ε = 100 [%] E C = σ σ 2 1 L ε 2 ε 1 F siła obciążająca [N] A powierzchnia początkowego przekroju kształtki [mm 2 ] L 0 długość odcinka pomiarowego kształtki do badań [mm] L - zmniejszenie długości odcinka pomiarowego kształtki do badań [mm] σ 1 naprężenie mierzone przy wartości ε 1 = 0,0005 [MPa] σ 2 naprężenie mierzone przy wartości ε 2 = 0,0025 [MPa] 0 [MPa] - 4 -
6.3 Zawartość protokołu przeprowadzonego badania: a) wszystkie informacje niezbędne do identyfikacji badanego materiału, b) kształt i wymiar kształtek do badań, c) metodę przygotowania kształtek, d) warunki badania, e) liczbę badanych próbek, f) prędkość badania, g) określenie powierzchni, do której przyłożono siłę, h) wyniki badań. - 5 -