Politechnika Warszawska
Wydział Inżynierii Środowiska
Zakład Budownictwa Wodnego i Hydrauliki
Laboratorium nr 3
TEMAT: Statyczna próba ściskania i próba udarności
Wykonali:
Nazwisko i Imię
Grupa
Zespół
Podpis
Andziak Izabella
5
3B
Kołodziej Izabela
5
3B
Pidek Elżbieta
5
3B
Sotniczuk Aleksandra
5
3B
Wiśniewska Justyna
5
3B
Termin:
0
-1
-2
inny
Prowadzący: dr inż. Eugeniusz Wilk
Data wykonania ćwiczenia: 30.11.2012 r.
Data oddania sprawozdania: ..................
Warszawa, 13.12.2012 r.
PRÓBA UDARNOŚCI METALI
Udarność jest parametrem charakteryzującym stopień kruchości materiału, definiowana jako
odporność materiału na działanie obciążeń dynamicznych i wyraża się stosunkiem pracy
zużytej na złamanie próbki do powierzchni jej przekroju poprzecznego w miejscu złamania.
Na prędkość odkształcenia mogą wpływać czynniki takie jak:
1) obciążenie- w przypadku materiałów kruchych praktycznie nie obserwujemy odkształceń
trwałych przed zniszczeniem. Może to stanowić ogromne zagrożenie gdyż czas od
zaobserwowania pęknięcia do wystąpienia zniszczenia jest przeważnie niewielki.
2) temperatura- w pewnych zakresach zaobserwowano bardzo zasadniczy wpływ wahań
temperatur na kruchość materiałów. Na przykładzie stali wykazano, że przejście tego
materiału w stan kruchy następuje przy obniżeniu temperatury od temperatury górnego progu
kruchości do temperatury dolnego progu kruchości. Oznacza to iż dopiero poniżej dolnej
wartości stal nabiera charakteru materiału kruchego.
-prędkość odkształceń- wzrost prędkości odkształcenia powoduje zwiększenie się temperatury
dolnego progu kruchości, co powoduje zwiększenie możliwości wystąpienia stanu kruchości
już w temperaturze otoczenia.
-działanie karbu- obecność karbu w próbce znacznie ułatwia zniszczenie jej w danym miejscu
-inne- tj. skład chemiczny, wielkość ziarna
Udarność jest więc ważnym parametrem, który bierze się pod uwagę przy wyborze materiału
konstrukcyjnego.
Przeprowadzając próbę udarności badamy jaka praca potrzebna jest by złamać próbkę. Próbę
udarową przeprowadza się dla materiałów konstrukcyjnych, które w czasie eksploatacji
poddawane są obciążeniom udarowym i dynamicznym, w celu kontroli zastosowanej obróbki
cieplnej, stwierdzenia skłonności materiału do starzenia, kruchości na zimno lub na gorąco.
Budowa i schemat działania młota Charpy’ego
Do badania udarności zastosowano młot Charpy’ego . Składa się on z podstawy, do której
szczytu, na łożyskach przymocowany jest młot. Młot można regulować w zależności do tego,
z jaką siłą chcemy przeprowadzić próbę. Na szczycie podstawy znajduje się również zapadka,
która przytrzymuje młot w pionowej pozycji i po jej zwolnieniu uwalniamy młot, który
uderza w próbkę. Do osi obrotu młota przymocowana jest wskazówka ze skalą o dokładności
do 0,5 % największej energii uderzenia. W momencie zwolnienia młota wskazówka przesuwa
się wskazując siłę z jaką próbka pękła. Młot Charpy’ego wyposażony jest również w hamulec
ręczny, który pozwala go bezpiecznie zatrzymać.
Rys.1: Schemat budowy młota Charpy’ego
1- podstawa stanowiska,2 – młot,3 – zabierak,4 – podziałka,5 – wskazówka,6 - próbka,
7 – hamulec.
Próbki wykorzystywane w próbie udarności
Próbki dzieli się ze względu na kształt karbu dzielimy na:
- próbki typu V - kąt rozwarcia karbu 45
, większą koncentrację naprężeń
- próbki typu U - występujące promieniowe zakończenie karbu powoduje złagodzenie
naprężeń.
Próbka z karbem V Próbka z karbem U
Wyniki i obliczenia
Otrzymane złomy
Obliczenia:
udarność KC
– wykonana praca [J]
S
0
– powierzchnia początkowa przekroju w miejscu karbu [mm
2
]
pole powierzchni początkowe przekroju w miejscu karbu
S = 0,01*b(a-h) [cm
2
]
gdzie:
b – szerokość próbki
h – głębokość karbu
wykonana praca
gdzie:
E
0
– energia początkowa
E
1
– energia próby
Przykładowe obliczenia:
Próbka St3
Materiał próbki
St3
PA6
NC11
Rodzaj karbu
U
U
U
L-długość
[mm]
54,85
55,13
55,05
a-wysokość
[mm]
10,10
9,93
10,12
b-szerokość
[mm]
10,09
9,91
10,31
h-głębokość karbu
[mm]
5,50
5,28
5,16
a-h
[mm]
4,60
4,65
4,96
S0=0,01*b(a-h)
[cm^2]
0,46
0,46
0,51
E0-energia początkowa
[kGm]
0,02
0,02
0,02
E1-energia próby
[kGm]
8,50
1,35
1,05
E0-energia początkowa
[J]
0,20
0,20
0,20
E1-energia próby
[J]
83,39
13,24
10,30
E1-E0
[J]
83,19
13,05
10,10
KC=E1-E0/S0
[J/cm^2]
179,04
28,31
19,76
Oznaczenie udarności
KCU
83,39/5,5/10,09
KCU
13,24/5,28/9,91
KCU
10,3/5,16/10,31
Wnioski:
Na wyniki próby udarności badanego materiału duży wpływ wywierają wymiary i kształt
próbek udarnościowych, a głównie kształt karbu. Szczególnie ważna jest głębokość karbu i
promień zaokrąglenia jego dna. Materiały ciągliwe są bardziej wrażliwe na głębokość i
promień zaokrąglenia karbu niż materiały kruche. Wyniki tej próby zależą przede wszystkim
od składu chemicznego i fazowego tworzywa metalicznego, rodzaju młota i próbki oraz
temperatury badanej. Wszystkie czynniki, które przyczyniają się do wzrostu umocnienia
struktury, przyczyniają się również do obniżenia udarności. Szczególnie niekorzystny wpływ
na udarność wywiera obecność w strukturze kruchych faz, wydzielonych na granicach ziaren.
Efektem tego jest występowanie przełomu międzykrystalicznego. Ogólnie roztwory stałe
mają większą udarność niż mieszaniny i roztwory przesycone lub umocnione przez
odkształcenie.
Z przeprowadzonych badań zauważamy iż największą wartość energii próby obserwujemy
przy próbce St3, zaś najmniejszą dla NC11.
Próbka PA6 i NC11 uzyskała przełom rozdzielczy, zaś St3 poślizgowy.
NC11- próbka drobno ziarnista z metalicznym połyskiem, St3 ma większą średnicę ziarna i
jej przełom jest matowy. Stąd można wywnioskować, że próbka St3 jest bardziej krucha.
Badanie przeprowadzono w temperaturze 22
o
C , gdyby badanie przeprowadzane było w
niższej temperaturze, nastąpiłby wzrost kruchości materiału co obniżyłoby udarność metalu.
PRÓBA ŚCISKANIA
Statyczne próby ściskania stosuje się dla materiałów, które są przeznaczone na konstrukcje
przenoszące obciążenia ściskające. W próbach tego rodzaju na normowe próbki wywierane są
naciski osiowe wywołane mechanizmem napędowym w prasach hydraulicznych lub
uniwersalnych maszynach wytrzymałościowych.
Celem próby zwykłej jest określenie:
- wytrzymałości na ściskanie
- wyraźnej granicy plastyczności
- skrócenia względnego
- zależności naprężeń jako funkcji skróceń
Celem próby ścisłej jest określenie:
- współczynnika sprężystości podłużnej przy ściskaniu
- umownej granicy sprężystości
- umownej granicy plastyczności
Schemat i opis stanowiska badawczego:
Do badania użyto maszyny wytrzymałościowej wyposażonej w specjalne płyty naciskowe
Zakres maszyny dla próbki z betonu wynosił 100 kN lub 200 kN dla próbki miedzianej.
Rys2: Schemat maszyny wytrzymałościowej
1 – Sterownik maszyny wytrzymałościowej 2 – Rejestrator 3 – Wskaźnik siły 4 – Pokrętła
sterujące 5 – Rama maszyny wytrzymałościowej 6 – Zaciski maszyny wytrzymałościowej
Material
d
0
[mm] l
0
[mm] l
1
[mm] P
c
[KN] S
0
[mm
2
] ∆S
0
[mm
2
] a
C
[-]
l [mm] R
c
[Mpa]
Próbka 5.
Miedź M1E
15,87
24,43
22,81
30
197,81
19,78
Próbka 6.
Miedź M1E
15,91
23,33
23,25
60
198,68
198,7
0,004
0,08
303,32
próbka 5
wytrzymałość na ściskanie:
mm
2
skrócenie bezwzględne:
skrócenie względne:
Próbka 6
wytrzymałość na ściskanie:
skrócenie bezwzględne:
skrócenie względne:
beton:
wytrzymałość na ściskanie
], gdzie:
P
C
B5:
G5:
Materiał
d
0
[mm]
h
0
[mm]
S
0
[mm
2
]
F
c
[KN]
R
c
[Mpa]
Beton B5
80,56
82,76
5097,17
80
Beton G5
76,68
81,89
4986,73
155
Próbka G5
Wnioski:
Dla próbek miedzianych wskutek działania siły tarcia średnice przekrojów poprzecznych
próbki w pobliżu zetknięcia z powierzchnią płyty zwiększają się dużo wolniej niż średnice
przekrojów oddalonych od płyt. W ten sposób próbka przyjmuje kształt beczki.
Efekt kształtu beczki widoczny jest przy materiałach plastycznych, stąd można wnioskować,
że miedź jest materiałem plastycznym.
Zastosowanie podkładek gumowych spowodowało redukcję tarcia miedzy próbką a płytami
maszyny wytrzymałościowej. Powierzchnia styku próbki z płytą maszyny wytrzymałościowej
jest spękana, obserwowaliśmy próbę uzyskania beczułkowatego kształtu, co skutkowało
powstaniem złomu kruchego- próbka pękła równolegle do osi działania siły, przez co
obserwujemy układ „słupków”.
B5 G5
Próbka betonowa bez podkładek pękła nieprawidłowo. Zniszczeniu uległ zbyt duży procent
próbki i nie byliśmy w stanie dokonać końcowych pomiarów. Teoretycznie próbki tej nie
powinno się uwzględniać w obliczeniach i badanie powinno zostać powtórzone.