SPRAWOZDANIE Z ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska Spec. Inżynieria Mineralna	Podstawy nauk o materiałach
Damian Krupa (254492) Andrzej Kałkowski (254491)	III. Wyznaczanie odporności materiałów na wstrząs cieplny
Termin zajęć: 03.12.2015

1. Wstęp

1.1 Cel ćwiczenia

Zbadanie wytrzymałości mechanicznej szkła poddanego wstrząsowi cieplnemu i określenie na tej podstawie wpływu naprężeń cieplnych II rodzaju na ich wytrzymałość mechaniczną.

1.2 Podstawy teoretyczne

Jednym z podstawowych typów naprężeń cieplnych można prześledzić na następującym układzie modelowym:

- anizotropowymi posiadający jednorodny rozkład temperatury,

Powstają w nim naprężenia cieplne, gdyż niemożliwa jest swobodna roz­szerzalność poszczególnych elementów objętości materiału, w obrębie, którego istnieje zróżnicowanie temperatury. Swobodna ekspansja każdego z obszarów prowadziłaby do ich rozdzielenia. Ponieważ jednak są one „uwięzione” w objętości tego samego ciała, muszą powstać naprężenia określane mianem naprężeń II rodzaju. Prowadzą one, w przypadku przekroczenia wytrzymałości materiału, do jego spękań i zniszczenia. Naprężenia II rodzaju mogą powstać zarówno w materiałach ceramicznych, jak i metalicznych, organicznych oraz kompozytowych. Z tymi naprężeniami spotykamy się zarówno w życiu codziennym (np. podczas wlewania wrzącej wody do chłodnej szklanki), jak i w technice (np. podczas wlewania roztopionego metalu do znacznie chłod­niejszej kadzi metalowej wyłożonej materiałem ogniotrwałym, w trakcie przebicia ele­ktrycznego dielektryka itd.) W tych przypadkach wskazana jest znajomość odporności materiałów na wstrząs cieplny, bowiem pomoże nam to dobrać odpowiedni materiał dla danego zastosowania.

Wielkości fizyczne występujące przy określaniu wielkości naprężeń cieplnych II rodzaju. Temperatura w dowolnym punkcie ciała jest funkcją miejsca i czasu. Układ wartości temperatury w danej chwili i we wszystkich punktach rozpatrywanej przestrzeni nazywa się polem temperatury. Jeżeli temperatura zależy od czasu, to pole jest nieustalone, a gdy nie zależy — ustalone. Odpowiednio do tego mówimy o nieustalonym i ustalonym przewodzeniu ciepła.

Dla przeprowadzenia analizy naprężeń cieplnych II rodzaju obok znajomości pola temperatury konieczna jest znajomość własności termomechanicznych badanego two­rzywa:

- współczynnika przewodzenia ciepła λ,

- współczynnika wymiany ciepła h,

- współczynnika rozszerzalności cieplnej α,

- modułu sprężystości E,

- współczynnika Poissona v,

W obliczeniach zazwyczaj zakłada się, że wielkości: λ, v, α, h są stałe w badanym zakresie temperatur, że tworzywo jest izotropowe i doskonale sprężyste do mo­mentu zniszczenia. Pomimo tych uproszczeń rozwiązania analityczne są możliwe tylko dla prostych kształtów i warunków, podczas gdy dla kształtów i warunków bardziej złożonych stosuje się rozwiązania graficzne i numeryczne.

Naprężenia cieplne II rodzaju w cienkim walcu o przekroju kołowym

Jeżeli cienki walec kołowy, którego temperatura w całej objętości jest jednakowa T^‑₁, umieścimy w płynie (cieczy lub gazie) o wyższej temperaturze T₂ (lub niższej), ciepło zacznie przenikać przez powierzchnię do wnętrza. Temperatura w określonym punkcie wewnętrznym walca uzależniona będzie od szybkości wnikania ciepła przez powierzchnię (współczynnik h), od zdolności przewodnictwa cieplnego walca (współczynnik λ) oraz odległości tego punktu od powierzchni.

Jeżeli pominąć wymianę ciepła przez wolne końce, która w istotny sposób zmienia rozkład temperatury tylko w ich pobliżu, to rozkład temperatury po czasie t jest osiowo symetryczny i nie zależy od współrzędnej w kierunku osiowym Układ sprowa­dza się, zatem do dwuwymiarowego. Rozkład temperatury wzdłuż osi walca jest para­boliczny o średniej temperaturze oznacza tu temperaturę średnią kalorymetryczną, tzn. taką, jaką miałby rozpatrywany walec, gdyby ilość ciepła wymieniona z otoczeniem przyjmowana była z jednakową szybkością przez całą objętość walca.

Te różnice temperatury w przekroju poprzecznym wywołują tendencję do rozsze­rzania się tworzywa w obszarze, w którym temperatura jest wyższa od T_sr oraz kurcze­nia się w obszarze, gdzie temperatura jest niższa od T_sr. Zbiór punktów o temperaturze T_sr traktowany jest, jako punkt odniesienia. W czasie t>t₀ izotermy w przekroju po­przecznym mają kształt kół współśrodkowych.

1.3 Aparatura pomiarowa

Na aparaturę wykorzystaną w eksperymencie składały się następujące urządzenia:

1. Piec ceramiczny z regulatorem temperatury.

2. Termometr rtęciowy (do zmierzenia temp. wody).

3. Kamień szlifierski (do zaokrąglenia krawędzi walcowych próbek).

4. Suwmiarka do zmierzenie średnic próbek,

5. Suszarka do suszenia próbek,

6. Maszyna zginająca z aparaturą mierzącą podłączoną do komputera PC.

2. Charakterystyka badanego materiału

Badanym materiałem były walcowe próbki szklane.

3. Metodyka i obliczenia

Uruchomiono piec poprzez wciśnięcie czerwonego przełącznika. Na elektronicznym panelu sterującym ustawiono odpowiednią temperaturę. Zatkano ceramicznym korkiem wejście do pieca. Ostre krawędzie szklanych walcowych próbek zostały zaokrąglone na kamieniu szlifierskim. Po czasie, gdy piec się nagrzał do odpowiedniej temperatury, za pomocą pęsety wprowadzono do pieca trzy próbki. W międzyczasie za pomocą termometru rtęciowego dokonano pomiaru wody w specjalnym baseniku. Próbki grzano w zadanej temperaturze przez 15 minut, po czym otworzono piec, przechylono i wsypano je do uprzednio przygotowanego baseniku z wodą o zadanej temperaturze. Następnie przeniesiono je pęsetą na szalkę Perttiego i poddano procesowi suszenia (10min/ 100^oC). Po tym czasie zmierzono średnice próbek za pomocą suwmiarki, a następnie poddano je działaniu siły zginającej w odpowiedniej aparaturze.

Wyniki pomiarów zanotowano. Wymienione powyżej czynności dokonano sześciokrotnie dla różnych temperatur.

Obliczono ΔT_{max ze} wzoru:

$\text{ΔT}_{\max} = \frac{\sigma_{\text{wytrz}}(1 - v)}{\alpha*\ E}$ _{= 153 [}^o_C]

_Następnie

Obliczono w wytrzymałość na zaginanie σ_zg za pomocą równania:

$$\mathbf{\sigma}_{\mathbf{\text{zg}}} = \frac{\mathbf{8*P*l}}{\mathbf{\pi*\ }\mathbf{d}^{\mathbf{3}}}$$

gdzie:

P – wartość siły łamiącej [N],

L – rozstaw podpór [cm] ????????????????

D – średnica badanej próbki.

Sporządzono także wykres i wyznaczono linię trendu (wielomian 2 stopnia)

Tab. 1 Dane pomiarowe i wartości obliczone dla szklanych, walcowych próbek przy założeniu, że rozstaw 5 cm

Wyniki pomiarów	Wyniki obliczeń
Temperatura pomiaru	Nr próbki
	[^oC]
a)	Temp. otoczenia
b)	134
c)	154
d)	174
e)	194
f)	214

4. Podsumowanie i wnioski

Węglik krzemu (SiC) to materiał ceramiczny o wiązaniach kowalencyjnych. Ten zaś typ materiałów (i wiązań) charakteryzuje się stosunkowo najniższymi wartościami rozszerzalności cieplnej, jeśli porównamy go do metali, czy polimerów, gdzie parametr ten może być wyższy nawet o rząd wielkości (w przypadku polimerów).

Próbka SiC nie wydłużyła się zbytnio, mimo skorygowania wyniku o współczynnik rozszerzalność tlenku glinu, z którego zbudowana była rurka dylatometru. Wynik jest bliski temu, który występuje w literaturze 4.3 [1/^oC] x 10^-6 [J. Białoskórski i in., Laboratorium z nauk o materiałach].

Na wynik miały wpływ także inne czynniki. Węglik krzemu może krystalizować w kilku układach krystalograficznych (tu był nieznany), gdzie niektóre osie mogą być faworyzowane pod względem rozszerzalności (układ tetragonalny, trygonalny i heksagonalny). Również istotnym czynnikiem jest przedział temperatur, w którym dokonujemy pomiaru.

Rozszerzalność cieplna ma niewymowne znaczenie w budownictwie, elektrotechnice, elektronice, odlewnictwie, motoryzacji i w wielu innych działach nauki oraz przemysłu.

5. Literatura

J. Białoskórski i in., Laboratorium z nauk o materiałach, Uczelniane Wydawnictwo Naukowo-Dydatktyczne, Kraków 2000