Ćwiczenie 7 DYNAMICZNA PRÓBA ROZCIGANIA PRÓBEK Z KARBEM I BEZ KARBU OpracowaÅ‚: dr inż. Jerzy StuczyÅ„ski 1. Wprowadzenie PróbÄ™ dynamicznÄ… rozciÄ…gania przeprowadza siÄ™ na próbkach wykonanych z gotowych elementów konstrukcyjnych narażonych w czasie pracy na obciążenia dynamiczne, jak: Å‚aÅ„cuchy, liny, sworznie, haki, zaczepy itp., lub na próbkach wykonanych z tego samego materiaÅ‚u. Badania gotowych elementów na udarowÄ… próbÄ™ rozciÄ…gania sÄ… przeważnie próbami odbiorczymi, dla których odpowiednie przepisy okreÅ›lajÄ… sposób ich przeprowadzenia. Udarowa próba rozciÄ…gania dla próbek z reguÅ‚y polega na ich rozerwaniu przez jednorazowe uderzenie. Próba ta nie jest znormalizowana. 2. Cel ćwiczenia Cele ćwiczenia sÄ… nastÄ™pujÄ…ce: 2.1. wykazanie wpÅ‚ywu szybkoÅ›ci obciążenia, a zatem i odksztaÅ‚cenia na wÅ‚asnoÅ›ci mechaniczne badanego materiaÅ‚u, 2.2. ocena wpÅ‚ywu karbu na wielkość pracy i odksztaÅ‚cenia przy dynamicznym rozciÄ…ganiu, 2.3. ocena wpÅ‚ywu karbu na wielkość pracy i odksztaÅ‚cenia przy statycznym rozciÄ…ganiu. 3. Próbki do dynamicznego rozciÄ…gania Próbki do badania wykonane sÄ… o przekroju koÅ‚owym z główkami gwintowymi, celem odpowiedniego zamocowania ich w uchwytach maszyny. Próbki użyte w ćwiczeniu sÄ… wykonane z karbem i bez karbu (rys. 1). W miejscu naciÄ™cia karbu Å›rednica jest taka sama jak próbki bez karbu. a) r = (0,5÷0,6)d0 d0 l0 r = (0,5÷0,6)d0 b) d0 l0 Rys. 1. Próbki do udarowej próby rozciÄ…gania: a) bez karbu, b) z karbem 4. UrzÄ…dzenie do udarowych prób rozciÄ…gania UdarowÄ… próbÄ™ rozciÄ…gania przeprowadza siÄ™ na mÅ‚ocie wahadÅ‚owym, którego schemat przedstawiono na rys. 2. PróbkÄ™ 4 mocuje siÄ™ w tylnej części mÅ‚ota, na drugim koÅ„cu próbki zamocowuje siÄ™ poprzeczkÄ™ 3. W najniższym poÅ‚ożeniu mÅ‚ota (najwiÄ™ksza energia kinetyczna) nastÄ™puje 1 uderzenie poprzeczki 3 o podstawÄ™ mÅ‚ota. PracÄ™ zużytÄ… na rozerwanie próbki odczytujemy na podziaÅ‚ce mÅ‚ota. WpÅ‚yw temperatury na otrzymane wyniki jest znaczny, dlatego przy wykonywaniu prób w temperaturze otoczenia należy dążyć do jak najdalej idÄ…cego zachowania staÅ‚ej temperatury w czasie próby. 2 4 3 1 3 1 Rys. 2. Schemat próby udarowego rozciÄ…gania przy użyciu mÅ‚ota wahadÅ‚owego: 1 - podstawa mÅ‚ota, 2 - mÅ‚ot, 3 - poprzeczka, 4 - próbka 5. Naprężenia i odksztaÅ‚cenia przy dynamicznym rozciÄ…ganiu 5.1. Falowy charakter rozchodzenia siÄ™ naprężeÅ„ i odksztaÅ‚ceÅ„ Naprężenia i odksztaÅ‚cenia dla próbki bez karbu rozchodzÄ… siÄ™ z punktu przyÅ‚ożenia siÅ‚y ze skoÅ„czonÄ… prÄ™dkoÅ›ciÄ… tworzÄ…c falÄ™ naprężeÅ„ i odksztaÅ‚ceÅ„ przebiegajÄ…ce od punktu przyÅ‚ożenia siÅ‚y udarowej do miejsc podparcia. PrÄ™dkość rozchodzenia siÄ™ fal odksztaÅ‚ceÅ„ zostaÅ‚a zmierzona i równa jest prÄ™dkoÅ›ci rozchodzenia siÄ™ fali dzwiÄ™kowej w danym oÅ›rodku. W punkcie przyÅ‚ożenia siÅ‚y udarowej powstaje fala odksztaÅ‚ceÅ„, którÄ… można rozÅ‚ożyć na falÄ™ podÅ‚użnÄ… i poprzecznÄ…. Fale te interferujÄ… miÄ™dzy sobÄ… dajÄ…c w poÅ‚ożeniach wÄ™zÅ‚owych szczególnie duże odksztaÅ‚cenia, a co za tym idzie i naprężenia. DobierajÄ…c odpowiedni ksztaÅ‚t i sposób obciążenia próbki można doprowadzić do tego, że próbka pÄ™knie na przykÅ‚ad w dwóch miejscach równoczeÅ›nie. Przemawia to na korzyść falowego charakteru rozchodzenia siÄ™ naprężeÅ„ i wystÄ™powania lokalnych wÄ™złów. 5.2. SpiÄ™trzenie naprężeÅ„ Zerwanie próbki z karbem nastÄ™puje w miejscu karbu, ponieważ wystÄ™puje w tym miejscu spiÄ™trzenie naprężeÅ„. Praca wÅ‚ożona na zerwanie próbki z karbem jest znacznie mniejsza niż próbki bez karbu. OdksztaÅ‚cenia próbek z karbem sÄ… mniejsze w porównaniu z 2 odksztaÅ‚ceniem próbek bez karbu ze wzglÄ™du na maÅ‚Ä… zdolność tych próbek do powstawania odksztaÅ‚ceÅ„ trwaÅ‚ych. OdksztaÅ‚cenia te powstajÄ… tylko w strefie karbu. 6. WpÅ‚yw karbu na wielkość pracy i odksztaÅ‚cenie przy statycznym rozciÄ…ganiu 6.1. WstÄ™p RozciÄ…ganie statyczne próbek z naciÄ™tym karbem daje odmienne wyniki zarówno co do wielkoÅ›ci wytrzymaÅ‚oÅ›ciowych jak i plastycznych materiaÅ‚u niż rozciÄ…ganie próbek bez karbu. DziaÅ‚anie karbu przejawia siÄ™ ogólnie w tym, że zamiast jednoosiowego stanu wystÄ™puje trójosiowy, nierównomierny stan naprężenia, a w przypadku próbek rozciÄ…ganych stan trójosiowego równomiernego rozciÄ…gania. Ten stan naprężenia zmienia dodatkowo swojÄ… wartość i nie jest jednakowy, w caÅ‚ym przekroju karbu. Na dnie karbu jest dwuosiowy, a w pobliżu osi próbki przechodzi w coraz to bardziej równomierny trójosiowy. Praca zerwania próbki z karbem (K) jest znacznie mniejsza niż dla próbki bez karbu z powodów analogicznych jak w p. 5.2. 6.2. Próbki do statystycznego rozciÄ…gania Próbki do badania wykonane sÄ… o przekroju koÅ‚owym z główkami cylindrycznymi bez gwintu, celem odpowiedniego zamocowania ich w uchwytach maszyny. Próbki użyte w ćwiczeniu sÄ… wykonane z karbem i bez karbu (rys. 3). W miejscu naciÄ™cia karbu Å›rednica jest taka sama jak próbki bez karbu. a) r = (0,5÷0,6)d0 d0 l0 r = (0,5÷0,6)d0 b) d0 l0 Rys. 3. Próbki do statycznej próby rozciÄ…gania: a) bez karbu, b) z karbem 6.3. Krzywe rozciÄ…gania Podczas prób statycznego rozciÄ…gania próbek wykonanych za stali miÄ™kkiej, uzyskuje siÄ™ na ogół krzywe rozciÄ…gania przedstawione na rys. 3. Na rys. 3a przedstawiono krzywÄ… dla próby statycznego rozciÄ…gania próbek bez karbu, a na rys. 3b dla próbek z karbem. AnalizujÄ…c wykresy i wyniki z badaÅ„ statycznego rozciÄ…gania próbek z karbem obserwujemy wydatne zmniejszenie siÄ™ wÅ‚asnoÅ›ci plastycznych i podwyższenie granicy plastycznoÅ›ci i wytrzymaÅ‚oÅ›ci przy równoczesnym zmniejszeniu plastycznoÅ›ci. MateriaÅ‚ plastyczny staje siÄ™ pozornie kruchy. Fakt ten tÅ‚umaczy siÄ™ przejÅ›ciem jednoosiowego stanu naprężenia w trójosiowy stan naprężeÅ„ w miejscu karbu. Jest to dostateczny powód, aby materiaÅ‚ przeszedÅ‚ ze stanu plastycznego w kruchy. StÄ…d zarówno zanika granica plastycznoÅ›ci, jak i podwyższa siÄ™ wskutek tego wytrzymaÅ‚ość. Na zachowanie siÄ™ materiaÅ‚u przy rozciÄ…ganiu wpÅ‚ywa istotnie promieÅ„ krzywizny dna karbu, a co za tym idzie uwarunkowany nim stan naprężeÅ„. 3 a) b) F (daN) 1250 F (daN) 1000 950 500 500 10 5 3 "l (mm) "l (mm) Rys. 3. Krzywe rozciÄ…gania dla prób statycznego rozciÄ…gania dla próbek wykonanych ze stali miÄ™kkiej: a) bez karbu, b) z karbem 7. Wykonanie sprawozdania Sprawozdanie należy wykonać wedÅ‚ug punktów: 1. tytuÅ‚ i cel ćwiczenia, 2. rysunki próbek do dynamicznego i statycznego rozciÄ…gania, 3. wyniki uzyskane z pomiarów, 4. wykresy rozciÄ…gania statycznego próbki z karbem i bez karbu w ukÅ‚adzie P = f("L) z zaznaczeniem sposobu obliczenia pracy, 5. uwagi i wnioski z próby statycznej i dynamicznej, 6. wyniki uzyskane z pomiarów i obliczenia zamieÅ›cić w tabeli pomiarowej. Tabela pomiarowa. Wyniki pomiarów udarnoÅ›ci Lp. MateriaÅ‚ Rodzaj karbu Rodzaj próby d0 S0 K Fe Fm [mm] [cm2] [J] [daN] [daN] 1 stal bez karbu statyczna 2 stal bez karbu dynamiczna 3 stal z karbem statyczna 4 stal z karbem dynamiczna Literatura [1] Bachmacz W.: WytrzymaÅ‚ość materiałów. Badania doÅ›wiadczalne. Skrypt Politechniki CzÄ™stochowskiej, CzÄ™stochowa 1973. [2] Banasik M.: Ćwiczenia laboratoryjne z wytrzymaÅ‚oÅ›ci materiałów. PWN, Warszawa 1977. [3] Boruszak A., Sykulski R., WrzeÅ›niowski K.: WytrzymaÅ‚ość materiałów. DoÅ›wiadczalne metody badaÅ„. Wydawnictwo Politechniki PoznaÅ„skiej, PoznaÅ„ 1977. [4] DylÄ…g Z., OrÅ‚oÅ› Z.: WytrzymaÅ‚ość zmÄ™czeniowa materiałów. Warszawa. WNT 1962. [5] JastrzÄ™bski P., Mutermilch J., OrÅ‚oÅ› W.: WytrzymaÅ‚ość materiałów. Warszawa. Arkady 1985. [6] KatarzyÅ„ski S., KocaÅ„da S., Zakrzewski M.: Badania wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci mechanicznych metali. WNT, Warszawa 1967. [7] AÄ…czkowski R.: WytrzymaÅ‚ość materiałów. GdaÅ„sk. WPG 1988. [8] Mazurkiewicz S.: Laboratorium z wytrzymaÅ‚oÅ›ci materiałów. Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków 1978. [9] NiezgodziÅ„ski M.E., NiezgodziÅ„ski T.: Wzory wykresy i tablice wytrzymaÅ‚oÅ›ciowe. Warszawa. WNT 1996. [10] OrÅ‚oÅ› Z.: DoÅ›wiadczalna analiza odksztaÅ‚ceÅ„ i naprężeÅ„. PWN, Warszawa 1977. [11] Walczyk Z.: WytrzymaÅ‚ość materiałów. GdaÅ„sk. WPG 1998. 4