instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych badanie tworzyw

INSTYTUT MASZYN I URZĄDZEŃ ENERGETYCZNYCH
Politechnika Śląska w Gliwicach
INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH
BADANIE TWORZYW SZTUCZNYCH
OZNACZENIE WŁASNOŚCI MECHANICZNYCH
PRZY STATYCZNYM ROZCIĄGANIU
Instrukcja przeznaczona jest dla studentów następujących kierunków:
1. Energetyka - sem. 3 MKiE
2. Mechanika i Budowa Maszyn - sem. 4 MKiE
3. Inżynieria Bezpieczeństwa - sem. 2 NoM
Badanie tworzyw sztucznych – oznaczenie własności mechanicznych przy statycznym rozciąganiu
Cel wykonania ćwiczenia.
Celem badania jest określenie cech wytrzymałościowych przy statycznym rozciąganiu tworzyw
sztucznych przeznaczonych do prasowania, wtrysku i wytłaczania:
a) granica plastyczności (bądź napręŜenie przy umownej granicy plastyczności),
b) maksymalne napręŜenie rozciągające,
c) napręŜenie zrywające,
d) wydłuŜenie względne przy granicy plastyczności,
e) wydłuŜenie względne przy maksymalnym napręŜeniu,
f) wydłuŜenie względne przy zerwaniu.
Dane otrzymane przy oznaczaniu wytrzymałościowych własności mechanicznych przy
statycznym rozciąganiu stosuje się do oceny jakości tworzyw sztucznych. Otrzymane dane moŜna
wykorzystywać do projektowania wyrobów, jeŜeli warunki eksploatacji wyrobu są zbliŜone do warunków
oznaczania ustalonych podczas badania próbek. Wyniki badań są porównywalne w przypadku
zachowania jednakowych warunków oznaczania (rodzaj i sposób przygotowania próbek, prędkość
odkształcenia, temperatura i wilgotność otoczenia).
b2
b1
Kształtki do badań.
Jeśli tylko jest to moŜliwe, kształtki do badań powinny być w formie wiosełek, jak przedstawiono
na rys. 1. Wszystkie powierzchnie kształtek przeznaczone do badań powinny być wolne od widocznych
pęknięć, rys i innych niedoskonałości.
h
L0
L
Rys. 1. Uniwersalna próbka do badań
Pojęcia podstawowe.
długość pomiarowa – długość cylindrycznej lub pryzmatycznej części próbki, na której w kaŜdej chwili
badania prowadzi się pomiar wydłuŜenia. W szczególności rozróŜnia się:
- początkową długość pomiarową L0 – długość pomiarowa próbki przed przyłoŜeniem siły,
- długość pomiarową po zerwaniu Lu – długość pomiarowa po zerwaniu próbki,
- długość roboczą1 Lc – długość równoległej części próbki o pomniejszonym przekroju poprzecznym,
wydłuŜenie λ (∆L) – przyrost początkowej długości pomiarowej (L0) po zakończeniu próby,
wydłuŜenie względne ε – wydłuŜenie wyraŜone w procentach początkowej długości pomiarowej (L0),
wydłuŜenie procentowe po rozerwaniu A – trwałe wydłuŜenie długości pomiarowej po rozerwaniu (Lu –
L0), wyraŜone w procentach początkowej długości pomiarowej (L0),
największa siła Fm – największa siła występująca na próbce podczas badania, po przekroczeniu granicy
plastyczności,
1
W odniesieniu do próbek nie obrobionych mechanicznie pojęcie długości roboczej zastępuje się pojęciem odstępu między
uchwytami maszyny wytrzymałościowej,
- 2 -
Badanie tworzyw sztucznych – oznaczenie własności mechanicznych przy statycznym rozciąganiu
granica plastyczności Re – w wielu przypadkach po osiągnięciu stanu „płynięcia” wartość siły
rozciągającej ulega małym wahaniom pomiędzy górną i dolną wartością. UmoŜliwia to wprowadzenie
górnej i dolnej granicy plastyczności. Jako wielkość charakteryzującą własności materiału naleŜy
przyjąć dolną wartość siły,
umowna granica plastyczności R0.2 – napręŜenie, dla którego odkształcenie trwałe wynosi εpl = 0.2%.
Definiujemy ją dla celów praktycznych, poniewaŜ nie wszystkie materiały wykazują w próbie
rozciągania wyraźną granicę plastyczności Re,
wytrzymałość na rozciąganie Rm – napręŜenie odpowiadające największej sile (Fm),
napręŜenie rozrywające Ru – napręŜenie odpowiadające zerwaniu próbki.
Próbę rozciągania przeprowadza się na próbkach o stałym przekroju poprzecznym, która zostaje
obciąŜona w kierunku osiowym siłą rozciągającą. Siła ta powoduje powstanie napręŜeń normalnych σ w
przekroju próbki. NapręŜenie to definiujemy jako stosunek przyłoŜonej siły do pola przekroju, w którym
ta siła działa. PrzyłoŜenie siły powoduje jednocześnie powstawanie wydłuŜenia λ. JeŜeli wielkość tą
odniesiemy do długości początkowej uzyskamy wydłuŜenie jednostkowe ε.
σ=
F
A0
λ=
FL0
EA0
ε=
λ
L0
⋅ 100%
gdzie:
F - rozciągająca siła osiowa,
A0 - pole przekroju poprzecznego próbki przed badaniem
λ - wydłuŜenie całkowite,
L0 - długość początkowa,
E – moduł spręŜystości podłuŜnej materiału (Young’a),
ε - wydłuŜenie względne (jednostkowe).
Maszyna wytrzymałościowa do prób rozciągania.
Do badań naleŜy stosować urządzenie zapewniające utrzymanie stałej prędkości posuwu uchwytu
zgodnie. Maszyna wytrzymałościowa powinna być wyposaŜona w następujące urządzenia:
a) Uchwyty do próbek, z których jeden jest połączony z częścią nieruchomą (stacjonarną)
maszyny, a drugi – z częścią ruchomą (napędzaną) maszyny. W celu zapewnienia osiowego
przyłoŜenia obciąŜenia do próbek, uchwyty powinny być samoustawne oraz powinny
zabezpieczyć próbki przed wyślizgiwaniem się w czasie badania, dlatego powinny być tak
skonstruowane, by nacisk ich na próbkę wzrastał wraz ze wzrostem obciąŜenia rozciągającego
działającego na próbkę.
b) Urządzenie do pomiaru obciąŜenia rozciągającego działającego na próbkę, o dokładności
wskazań większej niŜ 1 % mierzonej wielkości, nie wykazujące opóźnienia wskutek
bezwładności przy określonej prędkości posuwu.
c) Ekstensometr umoŜliwiający pomiar wydłuŜenia odcinka pomiarowego próbki z dokładnością
co najmniej 1 %.
PoŜądana jest automatyczna rejestracja przyrostu wydłuŜenia w funkcji obciąŜenia próbki.
Wykonanie testu.
1. Przygotowanie oraz wykonanie testu przeprowadza się zgodnie ze wskazówkami zawartymi w
instrukcji obsługi zrywarki. Próbę przeprowadza pracownik ZPKiEM1 lub osoba przez niego
upowaŜniona.
1
Zakład Podstaw Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn
- 3 -
Badanie tworzyw sztucznych – oznaczenie własności mechanicznych przy statycznym rozciąganiu
2. Próbę rozciągania przeprowadzamy na otrzymanych próbkach (zgodnie z zaleceniami normy PN-EN
ISO 527-2: Tworzywa sztuczne. Oznaczanie właściwości mechanicznych przy statycznym
rozciąganiu).
3. Próba polega na rozciąganiu próbki aŜ do rozerwania i wyznaczeniu własności mechanicznych
tworzywa, z którego próbka została wykonana.
4. Oznaczenie własności wytrzymałościowych naleŜy wykonać w temperaturze 23±2 °C i wilgotności
względnej 50±5 %, jeŜeli w normach przedmiotowych dotyczących badanego tworzywa nie ma
innych wskazań.
Przebieg ćwiczenia.
1. pomiar cech geometrycznych próbki:
a) całkowita długość próbki L,
b) grubość h, szerokość b1 i b2 (próbkę mierzymy w trzech róŜnych miejscach – z otrzymanych
danych oblicza się średnią arytmetyczną, a na tej podstawie oblicza się powierzchnię
początkowego przekroju poprzecznego A0),
c) długość pomiarowa L0,
2. zaznaczenie na próbce długości pomiarowej (dla próbek pryzmatycznych długość równoległa jest
równa odległości pomiędzy uchwytami maszyny),
3. opracowanie metody badania i wprowadzenie cech geometrycznych próbki do komputera,
4. zamocowanie próbki w maszynie wytrzymałościowej w taki sposób, aby oś próbki zgodna była z
kierunkiem rozciągania,
5. przeprowadzenie próby,
6. pomiar próbki po zerwaniu – Lu,
7. narysowanie wykresu rozciągania w układzie σ = f(ε) na podstawie zarejestrowanych parametrów
pomiarowych,
8. wyznaczenie charakterystycznych wielkości (patrz cel ćwiczenia),
9. Otrzymane wyniki zamieszczamy w tablicy pomiarowej (na podstawie tablicy 1).
Tablica 1. Pomiary i wyniki
L = ……………… mm
h1 = ……………… mm
b11 = ……………… mm
b21 = ……………… mm
h2 = ……………… mm
b12 = ……………… mm
b22 = ……………… mm
h3 = ……………… mm
b13 = ……………… mm
b23 = ……………… mm
hśr = ……………… mm
b1śr = ……………… mm
b2śr = ……………… mm
L0 = ……………… mm
Lu = ……………… mm
A0 = ……………… mm2
Au = ……………… mm2
1
2
3
4
5
6
7
8
…
F [kN]
λ [mm]
σ [MPa]
ε [mm/mm]
Re = ……………… MPA
σm = ……………… MPa
σu = ……………… MPa
ε(Re) = ……………… %
ε(Rm) = ……………… %
ε(Ru) = ……………… %
- 4 -
n
Badanie tworzyw sztucznych – oznaczenie własności mechanicznych przy statycznym rozciąganiu
Sprawozdanie powinno zawierać:
- krótki opis metody statycznej próby rozciągania tworzyw sztucznych,
- rodzaj i typ maszyny wytrzymałościowej oraz opis działania,
- cechy geometryczne próbki do badań (rysunek z wymiarami),
- tablice pomiarów i otrzymanych wyników (tablica 1),
- wykres rozciągania z zaznaczonymi charakterystycznymi wielkościami,
- obliczenia charakterystycznych wielkości,
- wnioski.
- 5 -