Politechnika Warszawska

Wydział Inżynierii Środowiska

Laboratorium nr 3

Statyczna próba rozciągania metali.

Statyczna próba ściskania metalu oraz betonu.

Wykonali:

Piotr Owczarczyk gr. 7

Marek Paukszto gr. 7

Jarosław Maślany gr. 7

Prowadzący: dr. Szymon Imiełowski

Data wykonania ćwiczenia: 20.04.2004

Data oddania sprawozdania: 04.05.2004

Warszawa 20.04.2004

Główne cele przeprowadzania próby rozciągania.

Przedmiotem statycznej próby rozciągania było doświadczalne wyznaczenie charakterystyki materiałowej oraz określenie jednej lub kilku podstawowych parametrów materiałowych takich jak:

• wydłużenie względne Ap [%]

• wydłużenie równomierne Ar [%]

• przewężenie względne Z [%]

• wyraźna granica plastyczności Re [MPa]

• granica wytrzymałości doraźnej Rm [MPa]

• naprężenie rozrywające Ru [MPa]

Do zalet statycznej próby rozciągania zalicza się:

• Możliwość klasyfikacji materiałów na podstawie właściwości mechanicznych.

• Możliwość obserwacji reakcji próbki na rozciąganie aż do momentu jej zniszczenia.

• Łatwość przeprowadzenia próby.

Schemat i opis stanowiska badawczego

Nasz stanowisko badawcze składało się z:

• maszyny wytrzymałościowej,

• urządzenia do rejestracji odkształceń, czyli tzw. ekstensometru

• oraz urządzenia do pomiaru rejestracji obciążeń i odkształceń, czyli dynamometru.

Do przeprowadzenia statycznych prób rozciągania wykorzystuje się maszyny wytrzymałościowe.

Maszyna wytrzymałościowa

Za pomocą układu napędowego poprzez układ sterujący (3) doprowadzany jest sygnał do ruchomej belki (8). Belka przesuwając się generuje sygnał odpowiadający mechanicznej funkcji obciążenia. Przetwornik wielkości mierzonej - siłomierz lub ekstensometr - mierzy obciążenie próbki (7). Wzmacniacz pomiarowy (5) przetwarza sygnał podawany na przetwornik na napięcie - wartość rzeczywistą - proporcjonalnie do wielkości mechanicznej. Wartość zadana i rzeczywista są doprowadzane do wzmacniacza regulującego (4), który tworzy różnice obydwu sygnałów (błąd). Różnica ta jest przetwarzana za pomocą zasilacza na odpowiedni prądowy sygnał sterujący, który jest doprowadzany przez układ sterowniczy (3) do układu napędowego (2).

Dodatkowo nasza maszyna wytrzymałościowa, wyposażona w siłomierz dźwigniowo-uchylny i ekstensometr lusterkowy Martensa, dzięki którym mogliśmy określić siły działające na próbkę oraz wydłużenie próbki podczas próby rozciągania. Pomiar wielkości siły wykonuje się wykorzystując istnienie stopów metali o dużej wytrzymałości, które mają prostoliniowy przebieg wykresu siły obciążającej w funkcji wydłużenia. Wyskalowany dynamometr umożliwia sprawdzenie i wyregulowanie wskazań maszyny wytrzymałościowej przed przystąpieniem do badań.

Rysunek próbek pomiarowych

Do próby wykorzystujemy próbki okrągłe z główkami do mocowania w szczękach. Miały one następujące kształty i wymiary:

• długość części roboczej - l0

• średnica części roboczej - d₀

• długość części przeznaczonej do chwytania szczękami - m

• średnica części przeznaczonej do chwytania szczękami - D

Próbka okrągła nr 1.

d₀ = 12,16 [mm]; l0 = 140 [mm];

Wymiary próbki po rozciągnięciu:

lu = 158 [mm] - długość części pomiarowej próbki po rozerwaniu

du = 10 [mm] - średnica próbki w miejscu rozerwania

dr = 11,6 [mm] - średnica próbki po rozerwaniu mierzona na dłuższej części

Analiza odkształceń próbki:

Zakres maszyny dla rozciągania 100 kN

Początkowa średnica próbki d0 = 12.16 mm

Początkowa długość próbki l0 =140 mm

Długość próbki po zerwaniu lu =158 mm

Średnica próbki w miejscu rozerwania du = 10mm

Średnica szyjki (w połowie dłuższej części ) po zerwaniu dr = 11,6 mm

Siła odpowiadająca granicy plastyczności Fe=42,1 kN

Siła odpowiadająca granicy wytrzymałości doraźnej Fm=58,1 kN

Siła zrywająca Fu=57,2 kN

Wyraźna granica plastyczności:

Naprężenie odpowiadające działaniu siły Fe [42,1kN]

• Fe -siła rozciągająca, odpowiadająca wyraźnej plastyczności

• So -powierzchnia przekroju początkowego próbki

Re= 362,6 ± 10,2 [MPa]

Wytrzymałość na rozciąganie:

Naprężenie umowne odpowiadające maksymalnej wartości siły rozciągającej Fm [58,1 kN]

• Fm -największa siła działająca na próbkę - odczytana z wykresu

• So -powierzchnia przekroju początkowego próbki

Rm = 500,4 ± 12,5 [MPa]

Naprężenie rozrywające:

Naprężenie rzeczywiste występujące w przekroju poprzecznym próbki bezpośrednio przed zerwaniem, odpowiadające działaniu siły Fu [57,2kN]

• Fu -siła rozciągająca w momencie zerwania próbki

• Su -powierzchnia przekroju poprzecznego w miejscu zerwania próbki

Ru = 728,7 ± 20,3 [MPa]

Wydłużenie bezwzględne

Różnica między długością próbki zmierzoną po jej odkształceniu l₁=158 mm a jej pierwotną długością l₀=140mm,

l = l₁-l₀

l=18 ± 0,2[mm]

Ostatecznie Δ(Δl)=0,2 mm.

Wydłużenie względne

Jest to stosunek wydłużenia bezwzględnego
l do pierwotnej długości próbki l₀.

,

Ap = 12,85%
0,15%

Przewężenie względne

Jest to stosunek przewężenia bezwzględnego Δz do pierwotnego pola przekroju próbki

Względne wydłużenie równomierne

Próbka okrągła nr 2.

d₀ = 12,15 [mm]; l0 = 140 [mm];

Wymiary próbki po rozciągnięciu:

Lu = 145,5 [mm] - długość części pomiarowej próbki po rozerwaniu

du = 7 [mm] - średnica próbki w miejscu rozerwania

dr = 11,7 [mm] - średnica próbki po rozerwaniu mierzona na dłuższej części

Analiza odkształceń próbki

Zakres maszyny dla rozciągania 100 kN

Początkowa średnica próbki d0 = 12.15 mm

Początkowa długość próbki l0 =140 mm

Długość próbki po zerwaniu lu =145,5 mm

Średnica próbki w miejscu rozerwania du = 7mm

Średnica szyjki (w połowie dłuższej części ) po zerwaniu dr = 11,7 mm

Siła odpowiadająca granicy plastyczności Fe=53 kN

Siła odpowiadająca granicy wytrzymałości doraźnej Fm=57,1 kN

Siła zrywająca Fu=37,8 kN

Wyraźna granica plastyczności:

Naprężenie odpowiadające działaniu siły Fe [53 kN]

Re= 457,3 ± 11,8 [MPa]

Wytrzymałość na rozciąganie:

Fm [57,1 kN]

Rm = 492,7± 9,4 [MPa]

Naprężenie rozrywające:

Fu [37,8kN]

Ru = 981,8 ± 41,1 [MPa]

Wydłużenie bezwzględne

Różnica między długością próbki zmierzoną po jej odkształceniu l₁=145,5 mm a jej pierwotną długością l₀=140mm,

l = l₁-l₀

l=5,5 ± 0,2[mm]

Ostatecznie Δ(Δl)=0,2 mm.

Wydłużenie względne

,

Przewężenie względne

Względne wydłużenie równomierne

WNIOSKI:

Próbka nr 1 po wykonaniu próby została rozerwana, jest to przełom mieszany, drobnoziarnisty. Nie jest zauważalne wytworzenie się tzw. szyjki co świadczy o tym, że próbka była wykonana z materiału bardziej sztywnego. Dodatkowo można powiedzieć, że materiał, z jakiego wykonana była próbka nr 1 był mniej trwały na rozciąganie, o czym świadczy chociażby siła rozerwania obu próbek.

Próbka nr 2 również została rozerwana, jest to przełom mieszany, drobnoziarnisty. Wyraźnie utworzyła się szyjka, a więc materiał, z którego była wykonana próbka był ciągliwy i bardziej odporny na rozciąganie.

STATYCZNA PRÓBA ŚCISKANIA

Opis celu wykonywanych prób:

Statyczne próby ściskania wykonuje się dla materiałów przeznaczonych na konstrukcje przenoszące obciążenia ściskające. W ramach naszego ćwiczenia przeprowadzaliśmy dwie próby ściskania betonu oraz próbę ściskania próbki metalowej (obejmującą wyznaczenie umownej granicy plastyczności, skrócenia względnego, wyznaczenia zależności naprężeń jako funkcji skróceń).

Podczas próby ściskania zaszło zjawisko tarcia badanego materiału o powierzchnię płyt dociskowych, co spowodowało złożony stan naprężenia. Zjawisko to było powodem nierównomiernego przyrostu średnicy próbki na całej długości (średnice w pobliżu zetknięci z powierzchnią płyty powiększały się wolniej niż średnice przekrojów oddalonych od tych powierzchni ). W rezultacie próbka wykonana z mosiądzu przyjęła kształt beczkowaty, bez widocznych gołym okiem pęknięć. Podobne zjawisko zaszło podczas ściskania próbki betonowej. Pierwsza próbka zainstalowana w maszynie z gumowymi podkładkami (niwelującymi ewentualne nierówności materiału)uległa podłużnym pionowym pęknięciom. Druga (na podkładce drewnianej) uległa zniszczeniu przyjmując kształt klepsydry.

Próbki materiałów użyte w doświadczeniach:

Próbka z betonu z gumowymi podkładkami

d₁ = 81,8 mm

h = 81 mm

Próbka z betonu bez podkładek

d₁ = 80,6 mm

h = 80,8 mm

Obliczenia parametrów mechanicznych dla ściskania betonu:

Próba ściskania betonu przeprowadzona została w hydraulicznej maszynie wytrzymałościowej. Doświadczenie wykonano w dwóch wariantach:

1. beton umieszczony pomiędzy dwoma podkładkami gumowymi;

2. beton bez podkładek

Dla betonu badamy wartość naprężenia odpowiadającego sile ściskającej (F_c ) powodującej zniszczenie próbki podzielonej przez pole przekroju poprzecznego próbki (S₀).

[MPa]

W podkładkach gumowych

S₀ = (3,14*(81,8)²)/4 = 5255 [mm²]

Fc₁ = 54,1kN = 54100 N

= 10,3 ± 0,1 [MPa]

Bez podkładek

S₀ = (3,14*(80,6)²)/4 = 5102

Fc₂ = 135kN = 135000 N

= 26,46 ± 0,10 [MPa]

Po wykonaniu próby ściskania betonu próbka uległa zniszczeniu. Otrzymaliśmy złom w kształcie dwóch stożków - z czego jeden uległ zniszczeniu na skutek skumulowania dość dużej energii.

Próbka do ściskania metalu (miedź)

d = 19,9mm

l_p = 30,0mm

Po wykonaniu próby:

l = 23,3mm

Δl = l₀ - l = 30,0 - 23,3 = 6,7mm

Obliczenia parametrów mechanicznych dla ściskania metalu:

Wytrzymałość na ściskanie:

gdzie: S₀- pole powierzchni pierwotnego przekroju próbki

Rc = 391,96 ± 2,59 [MPa]

Skrócenie względne

Błąd skrócenia bezwzględnego Δ(Δl) = Δl₀+ Δl₁ ponieważ błędy pomiaru długości próbek się sumują. Ostatecznie Δ(Δl)=0,2 mm.

,

WNIOSKI

Wykonane próby ściskania metalu oraz betonu ukazały indywidualne własności wytrzymałościowe, którymi charakteryzują się poszczególne materiały. Podczas ściskania próbki miedzianej dowiedzieliśmy się, że charakteryzuje się ona dużą plastycznością przy jednocześnie dość małej wytrzymałości na ściskanie. Jednak pomimo to na tle wytrzymałości betonu okazuje się to wynik bardzo dobry.

Dla porównania:

Miedź - Rc = 434,0 ± 2,7 [MPa]

Beton - Rc = 10,3 ± 0,1 [MPa]

Beton - Rc = 391,96 ± 2,59 [MPa]

Dzięki przeprowadzonej próbie wiemy także, że newralgicznym konstrukcyjnie punktem w przekroju betonowym są krawędzie i te miejsca są najbardziej narażone na uszkodzenia.

Istnieją także zależności wytrzymałości próbki betonu od działania na nią sił tarcia podczas ściskania. Porównując wyniki prób wytrzymałości betonu z tarciem (bez podkładek) i bez tarcia (z podkładkami) wnioskujemy, że beton, na którego działają przy ściskaniu siły tarcia posiada zdecydowanie większą wytrzymałość.

Podsumowując powyższe wnioski możemy stwierdzić większą wytrzymałość materiałów metalowych niż betonowych, dzięki temu beton zbroimy prętami metalowymi.

Z naszego doświadczenia wynika, że w miarę zwiększania siły rozciągającej obserwowaliśmy zwężanie próbek i powstawanie szyjek, w miejscu, których nastąpiło późniejsze zerwanie. Przy próbce pierwszej zaobserwowaliśmy przełom mieszany, drobnoziarnisty, nie było zauważalne wytworzenie się szyjki (czyli materiał był sztywny). W próbce drugiej również nastąpił przełom mieszany, drobnoziarnisty. Wyraźnie utworzona szyjka świadczy o tym, że materiał, z którego wykonana była próbka był ciągliwy.

- 2 -

---