B2-015_Ozn_kompozytow.pdf

Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie

Wydział InŇynierii Mechanicznej i Robotyki

Katedra Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn

Instrukcja do ęwiczeı laboratoryjnych z przedmiotu:

Podstawy nauki o materiałach

Ęwiczenie B2-015

Temat ęwiczenia:

Oznaczanie cech wytrzymało Ļ ciowych struktur z

tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknami

pawilon B2 niski parter sala 015

Miejsce ęwiczenia:

ProwadzĢcy ęwiczenia:

dr inŇ. Sławomir Zimowski (B2/016)

Kraków 2010

Podstawy nauki o materiałach – laboratorium B2–015

1. Cel, zakres ę wiczenia i wymagania

Cel:

oznaczenie udarno Ļ ci kształtki wykonanej z kompozytu poliestrowo-szklanego

poprzez pomiar energii zu Ň ytej na złamanie tej kształtki.

Zakres:

wykonanie próby udarno Ļ ci, identyfikacja rodzaju uszkodzenia, obliczanie

udarno Ļ ci, obliczenie modułu Younga kompozytu równolegle i prostopadle do

włókien, raport z ę wiczenia w formie karty pracy.

Wymagania: obecno Ļę obowi Ģ zkowa, zapoznanie si ħ z instrukcj Ģ do ę wiczenia, udzielenie

odpowiedzi na zadawane pytania w trakcie zaj ħę , wypełnienie i oddanie karty

pracy (str. 9), kalkulator in Ň ynierski.

UWAGA:

Efektem ko ı cowym laboratorium b ħ dzie wypełnienie (w formie pisemnej) i oddanie na

ko ı cu zaj ħę karty pracy wg zamieszczonego w tej instrukcji wzoru (str. 9). Kart ħ pracy ka Ň dy

uczestnik zaj ħę wypełnia indywidualnie i w zwi Ģ zku z tym jest zobligowany do przyniesienia tej

karty na zaj ħ cia. Dodatkowo ka Ň dy student w formie pisemnej b ħ dzie musiał odpowiedzie ę na

pytanie/a z zakresu realizowanego ę wiczenia. Brak karty pracy uniemo Ň liwia zaliczenie zaj ħę .

2. Wprowadzenie

2.1. Zastosowanie i rodzaje prób udarowych

W elementach konstrukcyjnych bardzo cz ħ sto pojawiaj Ģ si ħ zmienne obci ĢŇ enia

dynamiczne, które charakteryzuj Ģ si ħ bardzo gwałtownymi zmianami. Mówimy wtedy, Ň e mamy

do czynienia z udarno Ļ ci Ģ . Zjawisko to wymaga okre Ļ lenia oddzielnych wła Ļ ciwo Ļ ci materiału.

Do okre Ļ lania tych wła Ļ ciwo Ļ ci słu Ň y próba udarowa maj Ģ ca na celu okre Ļ lenie jako Ļ ci materiału

pod wpływem zwi ħ kszonej szybko Ļ ci obci ĢŇ enia. Stosuje si ħ nast ħ puj Ģ ce próby udarowe:

i) próba rozci Ģ gania, ii) próba Ļ ciskania, iii) próba skr ħ cania, iv) próba zginania.

Najcz ħĻ ciej stosowan Ģ w praktyce jest próba zginania wykonywana na próbkach z karbem

lub bez karbu. Wyniki bada ı w znacznym stopniu zale ŇĢ od procesów technologicznych jakim

był poddawany półwyrób, ewentualnych defektów strukturalnych (zwłaszcza na granicy

osnowa/wzmocnienie), kierunkowo Ļ ci wzmocnienia, a tak Ň e temperatury bada ı . Du Ň e znaczenie

ma te Ň udział wzmocnienia w całkowitej obj ħ to Ļ ci kompozytu. Warto Ļ ci udarno Ļ ci uzyskane na

próbkach ró Ň nego rodzaju kształtu nie s Ģ ze sob Ģ porównywalne.

2.2. Definicja udarno Ļ ci

Udarno Ļę jest miar Ģ krucho Ļ ci materiałów okre Ļ lon Ģ przez energi ħ potrzebn Ģ do

dynamicznego złamania próbki i odnoszon Ģ do wielko Ļ ci poprzecznego przekroju próbki

(kształtki). Udarno Ļę a c wyra Ň ona jest ilorazem energii uderzenia pochłoni ħ tej podczas złamania

kształtki i pocz Ģ tkowej powierzchni przekroju poprzecznego kształtki. Udarno Ļę w zale Ň no Ļ ci od

rodzaju kształtki oblicza si ħ wg wzorów:

•

udarno Ļę kształtek bez karbu

;

•

udarno Ļę kształtek z karbem

gdzie: E C [J] – skorygowana energia pochłoni ħ ta przy złamaniu kształtki, h [mm] – grubo Ļę

kształtki do bada ı , b [mm] – szeroko Ļę kształtki do bada ı , b N [mm] – pozostała szeroko Ļę

kształtki z karbem do bada ı .

Udarno Ļę wyra Ň a si ħ w kJ/m 2 , co liczbowo opowiada w przybli Ň eniu dawniej u Ň ywanej

jednostce kGcm/cm 2 . Ta ostania warto Ļę daje lepsze wyobra Ň enie o udarno Ļ ci jako pracy

łamania beleczki odwa Ň nikiem o masie 1kg spadaj Ģ cym na beleczk ħ o przekroju 1 cm 2 z

wysoko Ļ ci 1cm. Powszechnie stosowana jest równie Ň jednostka J/cm 2 .

Podstawy nauki o materiałach – laboratorium B2–015

2.3. Urz Ģ dzenia do próby udarno Ļ ci

Próby udarno Ļ ci tworzyw sztucznych przeprowadzane s Ģ wg metody Charpy’ego [1],

Dynstat [2] lub Izoda [3] stosuj Ģ c specjalne urz Ģ dzenia. Przewa Ň nie udarno Ļę oznacza si ħ metod Ģ

Charpy’ego na urz Ģ dzeniach zwanych młotami wahadłowymi.

Zasada metody Charpy’ego polega na tym, Ň e kształtk ħ do bada ı w postaci beleczki,

podpart Ģ w pobli Ň u jej ko ı ców i uło Ň on Ģ poziomo, uderza si ħ pojedynczym uderzeniem

młota udarowego w Ļ rodku mi ħ dzy podporami i zgina z du ŇĢ , nominalnie stał Ģ pr ħ dko Ļ ci Ģ .

Metoda Charpy’ego, w porównaniu do metody Izoda jest bardziej odpowiednia do badania

materiałów charakteryzuj Ģ cych si ħ mi ħ dzywarstwowym przełomem po Ļ lizgowym lub

materiałów wykazuj Ģ cych efekty powierzchniowe spowodowane czynnikami Ļ rodowiskowymi.

Schemat działania młota wahadłowego Charpy’ego przedstawia rysunek 2.1.

Rys. 2.1. Schemat działania młota wahadłowego Charpy’ego

0 - poło Ň enie wyj Ļ ciowe młota o minimalnej energii potencjalnej, 1 - poło Ň enie młota

(pocz Ģ tkowe) o maksymalnej energii potencjalnej, 2 - maksymalne wychylenie młota po

zniszczeniu próbki, 3 - wychylenie młota przy biegu jałowym, 4 – próbka (kształtka),

5 - podziałka.

Młot z poło Ň enia 1 o wysoko Ļ ci h , opada do poło Ň enia wyj Ļ ciowego 0 osi Ģ gaj Ģ c maksymaln Ģ

pr ħ dko Ļę :

(1)

gdzie: g =9,81m/s 2 - przy Ļ pieszenie ziemskie.

Po zniszczeniu próbki młot wznosi si ħ na wysoko Ļę h ’ w poło Ň enie 2 . Młot puszczony luzem z

poło Ň enia 1 osi Ģ gnie poło Ň enie 3 . Uwzgl ħ dniaj Ģ c to, Ň e straty spowodowane tarciem w młocie

nie mog Ģ przekracza ę 1% , mo Ň na przyj Ģę a » a 0 , a wobec tego równie Ň h » h 0 . W zwi Ģ zku z

powy Ň szym energia potencjalna młota w poło Ň eniu 3 lub 1 wynosi:

(2)

gdzie: G r - ci ħŇ ar młota zredukowany do Ļ rodka uderzenia.

Podstawy nauki o materiałach – laboratorium B2–015

Energia potencjalna młota po złamaniu próbki, w poło Ň eniu 2 wynosi:

(3)

Zatem energia zu Ň yta na zniszczenie próbki wynosi:

(4)

Z rysunku 4 wynika:

(5)

(6)

gdzie: l - długo Ļę wahadła fizycznego.

Po wstawieniu wzorów (5) i (6) do (4) otrzymujemy:

(7)

Maksymaln Ģ pr ħ dko Ļę młota obliczy ę mo Ň na wstawiaj Ģ c do zale Ň no Ļ ci (1) wzór (5):

(8)

Prób ħ udarno Ļ ci przeprowadza si ħ tak, aby: uderzenie młota było Ļ rodkowe, je Ň eli oznaczane s Ģ

kształtki z karbem o Ļ karbu musi le Ň e ę w płaszczy Ņ nie ruchu młota, a karb nale Ň y skierowa ę do

podpór. Do przeprowadzenia prób u Ň ywa si ħ młotów wahadłowych o energii od 100 do 300Nm,

przy czym pr ħ dko Ļę w chwili uderzenia powinna wynosi ę 4÷7m/s, a dopuszczalne straty

wywołane tarciem do 1%.

3. Opis laboratoryjnego stanowiska badawczego

Młot 2 jest zamocowany wahliwie na podstawie 1 (rys. 3.1) . Na osi obrotowej,

poł Ģ czonej sztywno z wahadłem, znajduje si ħ wskazówka 5 , która z pewnym oporem mo Ň e

obraca ę si ħ wokół osi. Po zamocowaniu wahadła w górnym, pocz Ģ tkowym poło Ň eniu, przy

wychyleniu o k Ģ cie a wskazówk ħ 5 , powinno si ħ dosun Ģę do ogranicznika 3 . Po zwolnieniu

zaczepu młot opada na próbk ħ 6 , po czym wychyla si ħ o k Ģ t b .

W czasie ruchu wahadła wskazówka, opieraj Ģ c si ħ o ogranicznik 3 i nie maj Ģ c mo Ň liwo Ļ ci

obracania si ħ wraz z osi Ģ wahadła, zostaje przesuni ħ ta w poło Ň enie 180 o −b wzgl ħ dem wahadła.

Po zatrzymaniu wahadła za pomoc Ģ hamulca 7 , 8 i ustaleniu si ħ w poło Ň eniu 5 pionowym

odczytuje si ħ warto Ļę k Ģ ta b na podziałce 4 . Znaj Ģ c charakterystyk ħ młota i jego energi ħ oraz k Ģ t

b , obliczy ę mo Ň na dla ró Ň nych warto Ļ ci k Ģ ta b prac ħ L u ze wzoru (7).

Rys. 3.1. Schemat młota wahadłowego

Charpy’ego

1 - podstawa, 2 - młot, 3 - ogranicznik – zapadka,

4 - podziałka, 5 - wskazówka, 6 – próbka

(kształtka), 7 - d Ņ wignia hamulca, 8 - pas

hamulca młota

Podstawy nauki o materiałach – laboratorium B2–015

4. Kształtki do bada ı

Kształtki powinny by ę przygotowane zgodnie z odpowiednimi specyfikacjami

dotycz Ģ cymi tworzyw. Je Ň eli nie ma takich specyfikacji, kształtki nale Ň y bezpo Ļ rednio

formowa ę metod Ģ prasowania, wtryskiwania lub obrabia ę mechanicznie z płyt, które zostały

przygotowane z kompozycji metod Ģ prasowania lub wtryskiwania.

4.1. Typy i wymiary kształtek

Kształtki maj Ģ posta ę prostopadło Ļ cianów o grubo Ļ ci h , szeroko Ļ ci b i długo Ļ ci l . Typ

i wymiary kształtek (tabl. 4.1) s Ģ zale Ň ne od rodzaju materiału poddawanego testom dla:

a) materiałów nie wykazuj Ģ cych mi ħ dzywarstwowego przełomu po Ļ lizgowego nale Ň y

stosowa ę kształtki z karbem typu 1 o wymiarach b×h×l = 10×4×80 [mm] (karb

powinien by ę umiejscowiony na Ļ rodku kształtki do bada ı ),

b) materiałów wykazuj Ģ cych mi ħ dzywarstwowego p ħ kanie po Ļ lizgowe (np. materiały

wzmocnione długim włóknem) nale Ň y stosowa ę kształtki bez karbu typu 2 lub 3,

wymiary kształtki nie s Ģ Ļ ci Ļ le okre Ļ lone – jedynym istotnym parametrem jest stosunek

wielko Ļ ci rozstawu podpór do wymiaru kształtki w kierunku uderzenia.

Je Ň eli kształtki s Ģ wycinane z płyty lub wyrobu do wymiaru 10,2mm, to wówczas wymiar

h powinien by ę równy grubo Ļ ci arkusza lub wyrobu.

Tabl. 4.1. Typ kształtek, wymiary i rozstaw podpór [1]

6.3.2 – patrz 4.1. b

6.3.2.2. – badanie w kierunku uderzenia „płaszczyznowego prostopadłego”: dla materiałów wzmocnionych o

strukturze rozdrobnionej (cienkie tkaniny i włókna o zorientowaniu równoległym) szeroko Ļę kształtki powinna

wynosi ę 10mm, a 15mm w przypadku materiałów wzmocnionych o gruboziarnistej strukturze punktowej

(tkaniny rowingowe) lub strukturze nieregularnej.

6.3.1.2. – materiały w postaci płyt. Kształtki z materiałów grubszych ni Ň 10,2mm nale Ň y obrobi ę do grubo Ļ ci

10mm ±0,2mm.

Kształtki typu 1 mo Ň na równie Ň wycina ę z uniwersalnych kształtek do bada ı typu A zgodnie z

ISO 3167. Przy wycinaniu odcinków próbnych na próbki nale Ň y unika ę miejscowego

nagrzewania lub rozwarstwienia, które mogłoby zmieni ę własno Ļ ci mechaniczne. Odcinki

próbne wycina si ħ stosuj Ģ c odpowiednie narz ħ dzia do obróbki skrawaniem. Liczb ħ próbek

i sposób ich pobierania ustalaj Ģ normy przedmiotowe lub warunki techniczne. Jako obróbk ħ

ko ı cow Ģ zaleca si ħ szlifowanie.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: