1
Ć
wiczenie 7
DYNAMICZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA PRÓBEK
Z KARBEM I BEZ KARBU
Opracował: dr inż. Jerzy Stuczyński
1. Wprowadzenie
Próbę dynamiczną rozciągania przeprowadza się na próbkach wykonanych z gotowych
elementów konstrukcyjnych narażonych w czasie pracy na obciążenia dynamiczne, jak:
łańcuchy, liny, sworznie, haki, zaczepy itp., lub na próbkach wykonanych z tego samego
materiału. Badania gotowych elementów na udarową próbę rozciągania są przeważnie
próbami odbiorczymi, dla których odpowiednie przepisy określają sposób ich
przeprowadzenia. Udarowa próba rozciągania dla próbek z reguły polega na ich rozerwaniu
przez jednorazowe uderzenie. Próba ta nie jest znormalizowana.
2. Cel ćwiczenia
Cele ćwiczenia są następujące:
2.1. wykazanie wpływu szybkości obciążenia, a zatem i odkształcenia na własności
mechaniczne badanego materiału,
2.2. ocena wpływu karbu na wielkość pracy i odkształcenia przy dynamicznym rozciąganiu,
2.3. ocena wpływu karbu na wielkość pracy i odkształcenia przy statycznym rozciąganiu.
3. Próbki do dynamicznego rozciągania
Próbki do badania wykonane są o przekroju kołowym z główkami gwintowymi, celem
odpowiedniego zamocowania ich w uchwytach maszyny. Próbki użyte w ćwiczeniu są
wykonane z karbem i bez karbu (rys. 1). W miejscu nacięcia karbu średnica jest taka sama jak
próbki bez karbu.
a)
b)
Rys. 1. Próbki do udarowej próby rozciągania: a) bez karbu, b) z karbem
4. Urządzenie do udarowych prób rozciągania
Udarową próbę rozciągania przeprowadza się na młocie wahadłowym, którego schemat
przedstawiono na rys. 2.
Próbkę 4 mocuje się w tylnej części młota, na drugim końcu próbki zamocowuje się
poprzeczkę 3. W najniższym położeniu młota (największa energia kinetyczna) następuje
r = (0,5
÷
0,6)d
0
d
0
l
0
r = (0,5
÷
0,6)d
0
d
0
l
0
2
uderzenie poprzeczki 3 o podstawę młota. Pracę zużytą na rozerwanie próbki odczytujemy na
podziałce młota. Wpływ temperatury na otrzymane wyniki jest znaczny, dlatego przy
wykonywaniu prób „w temperaturze otoczenia” należy dążyć do jak najdalej idącego
zachowania stałej temperatury w czasie próby.
Rys. 2. Schemat próby udarowego rozciągania przy użyciu młota wahadłowego: 1
−
podstawa młota, 2
−
młot, 3
−
poprzeczka, 4
−
próbka
5. Naprężenia i odkształcenia przy dynamicznym rozciąganiu
5.1. Falowy charakter rozchodzenia się naprężeń i odkształceń
Naprężenia i odkształcenia dla próbki bez karbu rozchodzą się z punktu przyłożenia siły
ze skończoną prędkością tworząc falę naprężeń i odkształceń przebiegające od punktu
przyłożenia siły udarowej do miejsc podparcia. Prędkość rozchodzenia się fal odkształceń
została zmierzona i równa jest prędkości rozchodzenia się fali dźwiękowej w danym ośrodku.
W punkcie przyłożenia siły udarowej powstaje fala odkształceń, którą można rozłożyć na falę
podłużną i poprzeczną. Fale te interferują między sobą dając w położeniach węzłowych
szczególnie duże odkształcenia, a co za tym idzie i naprężenia. Dobierając odpowiedni kształt
i sposób obciążenia próbki można doprowadzić do tego, że próbka pęknie na przykład w
dwóch miejscach równocześnie. Przemawia to na korzyść falowego charakteru rozchodzenia
się naprężeń i występowania lokalnych węzłów.
5.2. Spiętrzenie naprężeń
Zerwanie próbki z karbem następuje w miejscu karbu, ponieważ występuje w tym
miejscu spiętrzenie naprężeń. Praca włożona na zerwanie próbki z karbem jest znacznie
mniejsza niż próbki bez karbu. Odkształcenia próbek z karbem są mniejsze w porównaniu z
1
2
3
4
3
1
3
odkształceniem próbek bez karbu ze względu na małą zdolność tych próbek do powstawania
odkształceń trwałych. Odkształcenia te powstają tylko w strefie karbu.
6. Wpływ karbu na wielkość pracy i odkształcenie przy statycznym rozciąganiu
6.1. Wstęp
Rozciąganie statyczne próbek z naciętym karbem daje odmienne wyniki zarówno co do
wielkości wytrzymałościowych jak i plastycznych materiału niż rozciąganie próbek bez
karbu. Działanie karbu przejawia się ogólnie w tym, że zamiast jednoosiowego stanu
występuje trójosiowy, nierównomierny stan naprężenia, a w przypadku próbek rozciąganych
– stan trójosiowego równomiernego rozciągania. Ten stan naprężenia zmienia dodatkowo
swoją wartość i nie jest jednakowy, w całym 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 rozciągania
Próbki do badania wykonane są o przekroju kołowym z główkami cylindrycznymi bez
gwintu, celem odpowiedniego zamocowania ich w uchwytach maszyny. Próbki użyte w
ć
wiczeniu są wykonane z karbem i bez karbu (rys. 3). W miejscu nacięcia karbu średnica jest
taka sama jak próbki bez karbu.
a)
b)
Rys. 3. Próbki do statycznej próby rozciągania: a) bez karbu, b) z karbem
6.3. Krzywe rozciągania
Podczas prób statycznego rozciągania próbek wykonanych za stali miękkiej, uzyskuje się
na ogół krzywe rozciągania przedstawione na rys. 3. Na rys. 3a przedstawiono krzywą dla
próby statycznego rozciągania próbek bez karbu, a na rys. 3b dla próbek z karbem.
Analizując wykresy i wyniki z badań statycznego rozciągania próbek z karbem
obserwujemy wydatne zmniejszenie się własności plastycznych i podwyższenie granicy
plastyczności i wytrzymałości przy równoczesnym zmniejszeniu plastyczności. Materiał
plastyczny staje się pozornie kruchy. Fakt ten tłumaczy się przejściem jednoosiowego stanu
naprężenia w trójosiowy stan naprężeń w miejscu karbu. Jest to dostateczny powód, aby
materiał przeszedł ze stanu plastycznego w kruchy. Stąd zarówno zanika granica
plastyczności, jak i podwyższa się wskutek tego wytrzymałość. Na zachowanie się materiału
przy rozciąganiu wpływa istotnie promień krzywizny dna karbu, a co za tym idzie –
uwarunkowany nim stan naprężeń.
r = (0,5
÷
0,6)d
0
d
0
l
0
r = (0,5
÷
0,6)d
0
d
0
l
0
4
a)
b)
Rys. 3. Krzywe rozciągania dla prób statycznego rozciągania dla próbek wykonanych ze stali miękkiej: a)
bez karbu, b) z karbem
7. Wykonanie sprawozdania
Sprawozdanie należy wykonać według punktów:
1. tytuł i cel ćwiczenia,
2. rysunki próbek do dynamicznego i statycznego rozciągania,
3. wyniki uzyskane z pomiarów,
4. wykresy rozciągania statycznego próbki z karbem i bez karbu w układzie P = f(
∆
L) z
zaznaczeniem sposobu obliczenia pracy,
5. uwagi i wnioski z próby statycznej i dynamicznej,
6. wyniki uzyskane z pomiarów i obliczenia zamieścić w tabeli pomiarowej.
Tabela pomiarowa. Wyniki pomiarów udarności
Lp.
Materiał
Rodzaj karbu
Rodzaj próby
d
0
[mm]
S
0
[cm
2
]
K
[J]
F
e
[daN]
F
m
[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.: Wytrzymałość materiałów. Badania doświadczalne. Skrypt Politechniki Częstochowskiej,
Częstochowa 1973.
[2] Banasik M.: Ćwiczenia laboratoryjne z wytrzymałości materiałów. PWN, Warszawa 1977.
[3] Boruszak A., Sykulski R., Wrześniowski K.: Wytrzymałość materiałów. Doświadczalne metody badań.
Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 1977.
[4] Dyląg Z., Orłoś Z.: Wytrzymałość zmęczeniowa materiałów. Warszawa. WNT 1962.
[5] Jastrzębski P., Mutermilch J., Orłoś W.: Wytrzymałość materiałów. Warszawa. Arkady 1985.
[6] Katarzyński S., Kocańda S., Zakrzewski M.: Badania właściwości mechanicznych metali. WNT, Warszawa
1967.
[7] Łączkowski R.: Wytrzymałość materiałów. Gdańsk. WPG 1988.
[8] Mazurkiewicz S.: Laboratorium z wytrzymałości materiałów. Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej,
Kraków 1978.
[9] Niezgodziński M.E., Niezgodziński T.: Wzory wykresy i tablice wytrzymałościowe. Warszawa. WNT
1996.
[10] Orłoś Z.: Doświadczalna analiza odkształceń i naprężeń. PWN, Warszawa 1977.
[11] Walczyk Z.: Wytrzymałość materiałów. Gdańsk. WPG 1998.
∆
l (mm)
5
F (daN)
10
950
500
∆
l (mm)
3
F (daN)
1000
500
1250