Badanie wytrzymałości na ścinanie

I.Cel ćwiczenia.

Metodyka obliczania elementów pracujących na ścinanie w znacznej mierze opiera się na 

teorii czystego ścinania. Zwykle jednak w przekrojach ścinanych elementów 

konstrukcyjnych występują równocześnie naprężenia normalne. Materiał pracuje więc tu w 

bardziej złożonym stanie naprężeń niż dla przypadku czystego ścinania. Dlatego też 

wyznaczenie naprężeń dopuszczalnych dla sworzni, nitów itp. powinno być oparte na danych 

doświadczalnych uzyskanych z prób wytrzymałości na ścinanie całych połączeń lub 

oddzielnie pracujących elementów, a nie na podstawie czystego ścinania lub hipotez 

wytężenia. Próba ścinania technologicznego jest więc próbą o charakterze czysto 

praktycznym.

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z praktycznym sposobem wykonania próby ścinania ( 

technologicznego ), zgodnie z obowiązującą normą PN - 86 / H - 04321, używanymi do 

tego celu próbkami i urządzeniami oraz interpretacja i opracowaniem wyników próby.

Wykonanie ćwiczenia polega na poddaniu próbek obciążeniu ścinającemu w 

przystosowanym do tego celu przyrządzie, obserwacji zachowania się tych próbek pod 

wzrastającym obciążeniem aż do ich zniszczenia, wyznaczeniu wytrzymałości na ścinanie Rt 

oraz przeprowadzeniu analizy i dyskusji otrzymanych wyników.

 

II.Wiadomości uzupełniające.

 

1.Uwagi ogólne.

Proste ścinanie dowolnej próbki rozumiane jako cięcie materiału może być dokonane tylko 

przez siły tnące, tzn. siły leżące na wspólnej płaszczyźnie i posiadające przeciwne zwroty. 

Warunek ten spełniałyby tylko dwa ostrza nieskończenie cienkie. W rzeczywistości noże o 

pewnej grubości podczas wnikania w materiał prowadzą do rozsunięcia sił, które tworzą 

parę ( rys. 1.1 ) i wywołują w materiale naprężenia zginające. Początku stopniowego 

niszczenia materiału przy tego rodzaju ścinaniu należy doszukiwać się zwykle w zbyt wielkich 

ciśnieniach wywieranych przez ostrze noża. W praktyce laboratoryjnej przeprowadza się 

próbę ścinania ( technologicznego ) wg prostego schematu pokazanego na rysunku 1.1.

 

 

 

 

 

Rys.1.1.Schemat ścinania

 technologicznego.

 

 

 

 

 

 

2.Próbki.

Do próby ścinania używa się próbek okrągłych , obrobionych mechanicznie, których 

średnica nominalna i dopuszczalne odchyłki, a także długość powinny odpowiadać 

wymaganiom wg tabeli 1. Chropowatość próbek obrobionych mechanicznie nie powinna 

przekraczać 1,25 mm wg parametru Ra PN-73/M-04251. Dopuszcza się badanie próbek z 

drutu w stanie dostawy ( odcinki próbne bez obróbki skrawaniem ). Na powierzchni próbki 

nie powinno być pęknięć, rozwarstwień, wtrąceń niemetalicznych, wżerów powstałych na 

skutek korozji i uszkodzeń mechanicznych.

 

Tablica 1.

Wymiary próbek na ścinanie ( wg PN-86/H-04321 )

 

d	dopuszczalne odchyłki	L min		d	dopuszczalne odchyłki	L min
2	- 0,020 - 0,370	50		12	- 0,016 - 0,193	110
3	- 0,020 - 0,370	50		14	- 0,016 - 0,193	110
4	- 0,030 - 0,390	50		16	- 0,016 - 0,193	110
5	- 0,030 - 0,390	50		18	- 0,016 - 0,193	130
6	- 0,030 - 0,345	50		20	- 0,020 - 0,212	130
8	- 0,040 - 0,370	50		25	- 0,020 - 0,212	130
10	- 0,013 - 0,186	110

3.Urządzenia do próby ścinania.

Próbę ścinania przeprowadza się na uniwersalnych zrywarkach przy zastosowaniu 

specjalnego przyrządu pokazanego na rysunku 2. Przyrząd składa się z korpusu 1, w którym 

podczas próby przesuwa się płytka ślizgowa 2. W korpusie 1 i płytce ślizgowej 2 znajdują 

się otwory o jednakowej średnicy D. W otworach korpusu osadza się wymienne wkładki 3 

ustalające położenie próbki 4, a w otworze płytki ślizgowej - wkładkę ścinającą 5. Wkładki 

ustalające 3 i ścinające 5 dobiera się w zależności od średnicy d próbki. Śruby dociskowe 6 

służą do ustalania położenia wkładek 3, w części niegwintowanej otworów w korpusie 1.

Części chwytowe korpusu i płytki ślizgowej powinny być dostosowane do uchwytów 

maszyny i zapewnić współosiowość sił ścinających. W przypadku przeprowadzania próby 

ścinania siłami ściskającymi części chwytowe urządzenia powinny mieć płaszczyzny 

prostopadłe do kierunku działania siły, a w przypadku przeprowadzania próby ścinanie 

siłami rozciągającymi części uchwytowe powinny być dostosowane do uchwytów maszyny 

wytrzymałościowej. Luz pomiędzy wkładką ustalającą a wkładką ścinającą powinien 

wynosić najwyżej 0,10 mm. Twardość wkładek ustalających i ścinających powinna wynosić 

min. 700 HV ( 60,1 HRC ).

4.Wykonanie próby ścinania i jej wyniki.

Przy prawidłowym zamocowaniu przyrządu do badania wytrzymałości na ścinanie, między 

wkładkami ustalającymi a wkładką ścinającą nie powinno występować tarcie i przy jałowym 

biegu maszyny ( przed wstawieniem próbki ), wskazanie siłomierza powinno być niezmienne 

Prędkość ścinania należy utrzymać nie większą niż 10 MPa/s.

 

Rys.1.2. próba ścinania siłami ścinającymi.

Wytrzymałość na ścinanie ( technologiczne ) Rt wyznacza się ze wzoru:

 

Rt = 2 F / p d2 [Pa] lub [MPa] ( 1 )

gdzie:

F - największa siła uzyskana w czasie próby ścinania [N]

d - średnica badanej próbki [mm]

Wzór ( 1 ) opiera się na założeniu równomiernego rozkładu naprężeń tnących w ścinanych 

przekrojach i pominięciu naprężeń pochodzących od zginania. Założenie to jest w gruncie 

rzeczy bardzo odległe od rzeczywistości. Określoną w powyższy sposób wytrzymałość Rt 

należy traktować jako pewną wielkość umowną, porównawczą, dającą jedynie orientacyjną 

ocenę jakości badanego materiału, a nie jego rzeczywistą wytrzymałość na czyste ścinanie.

Naprężenia zginające są tym intensywniejsze, im większe są luzy między próbka a ścianami 

otworów w przyrządzie. Moment zginający powiększa się wraz ze wzrostem wymiarów a i b 

i przyjmuje największą wartość w przekroju symetrii przyrządu. W określonych warunkach, 

szczególnie podczas badania metali wykazujących stan kruchości prowadzi to do powstania 

pęknięcia w tym przekroju. Pęknięcie to pojawia się jeszcze przed ścięciem próbki .Próbki z materiałów sprężysto - plastycznych ulegają charakterystycznemu zgięciu oraz 

zgniotowi wskutek dużych nacisków, co poznaje się po pewnym spłaszczeniu próbki ( rys. 

Stąd też wytrzymałość na technologiczne ścinanie określona wzorem ( 1 ) zależy nie 

tylko od własności wytrzymałościowych materiału próbki, lecz jednocześnie od kształtu i 

wielkości przekroju oraz wymiarów przyrządu i dokładności przylegania próbki do jego 

otworów. Należy więc zachować dużą ostrożność w interpretowaniu i porównywaniu 

wyników uzyskanych w różnych warunkach.

Wytrzymałość na ścinanie Rt określoną w opisany wyżej sposób można uważać za 

orientacyjny wskaźnik jakości materiału w połączeniach sworzniowych, nitowanych itp. 

Wartość Rt jest zwykle większa od naprężenia ścinającego, wyznaczonego na podstawie 

próby skręcania. Na podstawie licznych prac doświadczalnych stwierdzono, iż wartość 

stosunku Rt/Rm dla różnych stali zawarta jest w przedziale 0,7 - 0,8, a dla żeliwa szarego 

wynosi ok. 1,1.

Próbę należy przeprowadzić w temperaturze od 10 do 35 oC. Próbkę umieszczamy 

pomiędzy wkładki ustalające i ścinające, a następnie równomiernie przykładamy obciążenie 

w taki sposób, aby szybkość przyrostu naprężenia próbki, do momentu ścięcia próbki nie 

był większy niż 10 MPa / s.

 

III.Przebieg ćwiczenia.

 1.Przygotować arkusz protokółu.

2.Narysować w protokóle schemat próby ścinania i zapisać dane dotyczące próbki ( 

materiał, wymiary ). Średnicę d próbki należy zmierzyć przy pomocy mikrometru z 

dokładnością do 0,01 mm.

3.Ustalić zakres siłomierza maszyny i założyć odpowiednie obciążniki. Orientacyjną wartość 

siły niszczącej oblicza się ze wzoru:

F = 2 So Rt = pd2 Rt /2 [N]

gdzie:

Rt - wytrzymałość na ścinanie w [Pa], przyjęta na podstawie tablic lub zależności

Rt = 0,7 - 0,8 Rm dla stali oraz Rt = 1,1 Rm dla żeliwa szarego.

4.Sprawdzić działanie urządzenia do próby ścinania zgodnie z wytycznymi zawartymi w 

punktcie 2.4.

5.Wstawić próbkę i poddać ją wzrastającemu obciążeniu aż do jej ścięcia. Obserwować 

przebieg ścinania na wykresie. Zapisać w protokóle wartość obciążenia niszczącego.

6.Wykonać obliczenia Rt wg wzoru ( 1 ) i zrobić szkic zniszczonej próbki.

7.Zapisać w protokóle warunki w jakich została wykonana próba

Połaczenia nitowe -połączenia najczęściej blach lub elementów konstrukcji stalowych - dźwigarów, wsporników, wiązarów itp, za pomocą łączników zwanych nitami. Połączenia tego typy zostały współcześnie wyparte przez połączenia spawane i zgzrewane

Nit w swej wyjściowej formie składa się z główki (1) i trzonu (szyjki) (2). Umieszony w otworze w łączonych elementach zostaje zakuty (zamknięty), tworząc zakówkę (3). Zamykanie nitu może się odbywać ręcznie, przy pomocy młotka ręcznego lub pneumatycznego i ręcznej nitownicy (kształtującej zakówkę) lub za pomocą maszynowej nitownicy.
Nity niewielkich rozmiarów można zakuwać na zimno. Większe i w bardziej odpowiedzialnych konstrukcjach zakuwa się na gorąco.
Przy nitowaniu zakładkowym (gdy arkusze blachy zawinięte są na krawędziach) i przy dużej gęstości nitów, można uzyskać wysoką szczelność połączenia. Pozwalało to na stosowanie nitów przy budowie zbiorników ciśnieniowych.

.
Przedstawianie połączeń nitowych
w rysunku technicznym maszynowym
(rysowanie dokładne i uproszczenie)
W prawdzie połączenie nitowe jest przynajmniej częściowo połączeniem ciernymn,to obliczenia wytrzymałościowe połączeń nitowych dokonuję się zakładając, że to nit lub ich grupa przenosi całe obciążenie. Nity najczęściej pracują na rozciągane lub na ścinane i te warunki konstruktor musi uwzględnić projektując połączenie nitowe

---