instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych

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
Badanie zachowania się materiałów podczas ściskania
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 L0[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 σc).
naprężenie ściskające przy granicy plastyczności σY[MPa] pierwsza wartość naprężenia, przy której wraz
ze wzrostem odkształcenia nie występuje wzrost naprężenia;
wytrzymałość na ściskanie σM[MPa] maksymalne naprężenie ściskające, jakie wytrzymuje kształtka do
badań w czasie badania przy ściskaniu;
naprężenie ściskające przy złamaniu (zniszczeniu) σB[MPa] naprężenie ściskające przy którym kształtka
ulega złamaniu;
naprężenie ściskające przy odkształceniu σX[MPa] naprężenie przy którym odkształcenie osiąga
określoną wartość x%;
odkształcenie ściskające ε [%] zmniejszenie długości w stosunku do początkowej długości odcinka
pomiarowego L0;
nominalne odkształcenie ściskające εc[%] zmniejszenie długości w stosunku do początkowej długości L
kształtki do badań;
nominalne odkształcenie ściskające przy granicy plastyczności εcY[%] odkształcenie odpowiadające
naprężeniu ściskającemu przy granicy plastyczności σY;
nominalne odkształcenie ściskające przy wytrzymałości na ściskanie εcM[%] odkształcenie
odpowiadające wytrzymałości na ściskanie σM;
- 2 -
Badanie zachowania się materiałów podczas ściskania
nominalne odkształcenie ściskające przy złamaniu εcB[%] odkształcenie przy złamaniu kształtki do
badań;
moduł ściskania Ec[MPa] stosunek różnicy naprężeń (σ2- σ1) do odpowiadającej mu wartości różnicy
odkształceń (ε2=0,0025 - ε1=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
%
+/- 20
+/- 20
+/- 20
+/- 20
+/- 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 -
Badanie zachowania się materiałów podczas ściskania
5 Zalecany typ kształtki oraz ich liczba:
Próbki powinny mieć kształt prostopadłościanu, walca lub rury.
Tabela 2. Wymiary zalecanych typów kształtek:
długość
Typ
Pomiar
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:
σ=
F
A
Odkształcenie:
[MPa]
ε=
Moduł ściskania:
∆L
⋅100 [%]
L0
EC =
F – siła obciążająca [N]
2
A – powierzchnia początkowego przekroju kształtki [mm ]
L0 – długość odcinka pomiarowego kształtki do badań [mm]
∆L - zmniejszenie długości odcinka pomiarowego kształtki do badań [mm ]
σ 1 – naprężenie mierzone przy wartości ε1 = 0,0005 [MPa]
σ 2 – naprężenie mierzone przy wartości ε2 = 0,0025 [MPa]
- 4 -
σ 2 − σ1
[MPa]
ε2 − ε1
Badanie zachowania się materiałów podczas ściskania
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 -