ΑΝΤΟΧΗ ΥΛΙΚΩΝ Πείραμα Κρούσης ΕργαστηριακήΆσκηση 6 η
Σκοπός Σκοπός του πειράµατος είναι να κατανοηθούν οι αρχές του πειράµατος κρούσης οπροσδιορισµόςτουσυντελεστήδυσθραυστότητας ενόςυλικού. Η δοκιµή, είναι δυνατό να πραγµατοποιηθεί για πλήθος τιµών θερµοκρασίας ώστε να κατασκευαστεί ένα διάγραµµα συντελεστή δυσθραυστότητας - θερµοκρασίας, από όπου µπορεί να προσδιοριστεί η µεταβατική θερµοκρασία του υλικού (µετάβαση από ψαθυρή σε όλκιµη θραύση) και να εκτιµηθεί η καταλληλότητά του για συγκεκριµένες συνθήκες λειτουργίας της κατασκευής.
Κρούση- ορισμοί Ένα φορτίο ονοµάζεται κρουστικό όταν η χρονική διάρκεια επιβολής του είναι το πολύ ίση µε τη θεµελιώδη φυσική περίοδο που αντιστοιχεί στην ιδιοσυχνότητα της κατασκευής. Ως κρουστικά χαρακτηρίζονται τα φορτία τα οποία είτε µεταβάλλουν γρήγορα το µέγεθος τους (π.χ. χτύπηµα µε σφυρί) είτε µετακινούν γρήγορα το σηµείο επιβολήςτους (π.χ. τροχοίκινούµενουτραίνουεπάνωσεσιδηροτροχιά).
Διάδοση τασικών κυμάτων Αποτέλεσµα της εφαρµογής ενός κρουστικού φορτίου σε ένα υλικό είναι η δηµιουργία και η διάδοση τασικών (ελαστικών) κυµάτων µέσα σε αυτό. Τα τασικά κύµατα είναι είτε διαµήκη, οπότε προκαλούν διόγκωση (αλλαγή διαστάσεων), είτε εγκάρσια, οπότε προκαλούν στρέβλωση (αλλαγή σχήµατος) του δοκιµίου. Η ταχύτητα διάδοσης των κυµάτων αποτελεί ιδιότητα του υλικού και δε σχετίζεται µε τη διέγερση. H ταχύτητα διάδοσης των διαµηκών κυµάτων εξαρτάται από το µέτρο διάτµησης (G), την πυκνότητα (ρ),το λόγο µέτρο διόγκωσης(κ) του υλικού υ = p K+ 4 / 3G ρ H ταχύτητα διάδοσης των εγκαρσίων δεν εξαρτάται από το µέτρο διόγκωσης.
Συντελεστής Δυσθραυστότητας(Toughness) Ο συντελεστής δυσθραυστότητας αποτελεί µέτρο της ενέργειας που απορροφά ένα υλικό πριν τη θραύση του και αποτελεί χαρακτηριστικό του υλικού. Oι στατικές δοκιµές δεν αναφέρονται σε ενέργεια αλλά σε τιµή τάσης για το συντελεστή δυσθραυστότητας (αντοχή). Γενικά, όσο µεγαλύτερη είναι η τιµή του συντελεστή δυσθραυστότητας του υλικού, τόσοπιοόλκιµοείναι. Η τιµή του συντελεστή δυσθραυστότητας µεταβάλλεται ανάλογα µε τις αλλαγές της κατάστασης της ύλης, όπως για παράδειγµα αυτές που συµβαίνουν µε την επίδραση µικρής θερµικής κατεργασίας ή µερικής σφυρηλάτησης.
Αντοχή σε κρούση παράγοντες επηρροής Εκτός από το συντελεστή δυσθραυστότητας η αντοχή ενός υλικού σε κρουστικά φορτία επηρεάζεται από 1. την ταχύτητα της παραµόρφωσης και 2. τηθερµοκρασία. Συγκεκριµένα, η αντοχή του υλικού σε κρουστικά φορτία 1. µειώνεται µε τη µείωση της θερµοκρασίας και 2. µειώνεται µε την αύξηση της ταχύτητας παραµόρφωσης.
Επίδραση θερμοκρασίας στην δυσθραυστότητα Οι κοινοί χάλυβες παρουσιάζουν υψηλές τιµές συντελεστή δυσθραυστότητας σε θερµοκρασία περιβάλλοντος, ενώ σε Τ<0 η τιµή του είναι πολύ χαµηλή. Οι υψηλές τιµές δυσθραυστότητας συνδέονται µε µεγάλη πλαστική παραµόρφωση (όλκιµηθραύση), ενώσεχαµηλέςτιµέςηθραύσηείναιψαθυρή. Στην ενδιάµεση περιοχή, παρουσιάζονται φαινόµενα µεικτής θραύσης και εµφανίζεται η µεταβατική θερµοκρασία Τµ. Η µεταβατική θερµοκρασία αυξάνεται ανάλογα µε το πάχος και το πλάτος τουδοκιµίου, τηναιχµηρότητατηςδιατοµήςκαιτηνταχύτητακρούσης. Η αύξηση της απόστασης των εδράσεων του δοκιµίου µειώνει την Τµ. ΗΤµεπηρεάζεταιαντουλικόέχειυποστείγήρανση, ενψυχρώπαραµόρφωση, οποιαδήποτε θερµική κατεργασία ή εµφανίζει ανοµοιογένειες δοµής και µεγέθους κόκκων.
Αστοχία λόγω κρούσης Ένα υλικό µπορεί να αστοχήσει 1. κατ' αποχωρισµό 2. κατ' ολίσθηση (πλαστικήπαραµόρφωση) 3. µεµεικτότρόπο. Οτρόποςαστοχίαςτουεξαρτάταιαπότηνολκιµότητάτου. Σεπερίπτωσηµικρήςήαµελητέαςολκιµότηταςτουλικόαστοχείκατ' αποχωρισµό (ψαθυρή θραύση στα υλικά µε µεγάλη τιµή ολκιµότητας το υλικό καταρρέει χωρίς διάδοση ρωγµών. Οιενδιάµεσεςκαταστάσειςθραύσηςαντιστοιχούνστηνόλκιµηθραύσηκαισ' αυτές παρατηρείται ταυτόχρονη διάδοση ρωγµών και πλαστικές ζώνες.
Αστοχία λόγω κρούσης Κατά τη θραύση ενός υλικού από την επίδραση κρουστικών φορτίων εµφανίζονταιοιπαρακάτωιδιαιτερότητες: (α) οι µηχανικές ιδιότητές του διαφέρουν από αυτές που µετριούνται σε στατικές καταπονήσεις, (β) αναπτύσσεται έντονα ανοµοιογενές και χρονικά ασταθές εντατικό πεδίο, λόγω ανάκλασης των τασικών κυµάτων στα όρια του δοκιµίου µε αποτέλεσµα τη δηµιουργία πολλών εστιών αστοχίας συγχρόνως (γ) η τοπική αστοχία προκαλεί διάδοση ρωγµών η οποία άλλοτε σταµατά και άλλοτε όχι, µε αποτέλεσµα να δηµιουργούνται εστίες αστοχίας σε διαφορετικά σηµεία και να υπάρχει θρυµµατισµός σε όλη την έκταση του δοκιµίου.
Πειραματική διάταξη Η µηχανή εκτέλεσης δοκιµών κρούσης είναι ένα µηχανικό εκκρεµές του οποίου η αιωρούµενη µάζα αφήνεται από καθορισµένο ύψος έτσι ώστε στο κατώτερο σηµείο της τροχιάς της να έχει την ταχύτητα που ορίζουν οι κανονισµοί. Η µηχανή είναι εφοδιασµένη µε αντύγα, ο δείκτης της οποίας παρασύρεται από το βραχίονα του εκκρεµούς και δίνει την απορροφούµενη ενέργεια σε kpm. Kατά τη δοκιµή κρούσης, ένα δοκίµιο απορροφά ενέργεια ίση µε E=mg(H-h) mg το βάρος της σφύρας που χρησιµοποιείται για την εφαρµογή του φορτίου, Hτούψοςαπότοοποίοξεκινάησφύρακαι hτούψοςστοοποίοκαταλήγειµετάτηνθραύσητουδοκιµίου. Η ενέργεια αυτή ανάγεται στην εγκάρσια διατοµή του δοκιµίου που αποµένει µετά την αφαίρεση της επιφάνειας της εγκοπής και ο λόγος αυτός ονοµάζεται συντελεστής δυσθραυστότητας και ισούται µε. E= E F = mg( H F h) kpm mm 2
Υπολογισμός συντεστή δυσθραυστότητας Kατά τη δοκιµή κρούσης, ένα δοκίµιο απορροφά ενέργεια ίση µε E=mg(H-h) mg το βάρος της σφύρας που χρησιµοποιείται για την εφαρµογή του φορτίου, Hτούψοςαπότοοποίοξεκινάησφύρακαι hτούψοςστοοποίοκαταλήγειµετάτηνθραύσητουδοκιµίου. Η ενέργεια αυτή ανάγεται στην εγκάρσια διατοµή του δοκιµίου που αποµένει µετά την αφαίρεση της επιφάνειας της εγκοπής και ο λόγος αυτός ονοµάζεται συντελεστής δυσθραυστότητας και ισούται µε. a= E F = mg( H F h) kpm mm 2
Πειραματική διαδικασία Υπάρχουνδύοτρόποιπραγµατοποίησηςτηςδοκιµής, 1. κατά Charpy και 2. κατά Izod, διαφοροποιούνται ως προς τη µορφή του δοκιµίου και τον τρόπο στήριξήςτου. Στη δοκιµή κρούσης η εντατική κατάσταση, το φορτίο και η ταχύτητα καταπόνησης είναι προκαθορισµένες από τη γεωµετρική µορφή του δοκιµίου καιτηνπειραµατικήδιάταξη. Σύµφωνα µε τους κανονισµούς εκτελούνται τουλάχιστον τρεις δοκιµές κρούσηςµετηµίαήτηνάλληµέθοδο Ως συντελεστής δυσθραυστότητας του υλικού λαµβάνεται ο µέσος όρος τηςαπορροφουµένηςενέργειαςανάµονάδαελαχίστηςδιατοµής. Η δοκιµή ολοκληρώνεται µε τον έλεγχο της µορφής της επιφάνειας θραύσης του δοκιµίου ώστε να καθοριστεί το είδος της θραύσης (ψαθυρή ή όλκιµη) αναλόγως µε το αν επικρατούν λείες και στιλπνές ή ανώµαλες και κοκκώδεις επιφάνειες.
Δοκιμή κατά Charpy (Ευρώπη) Κατά τη δοκιµή κατά Charpy, που είναι η πιο διαδεδοµένη, το δοκίµιο στηρίζεται ως αµφιέρειστη δοκός, µεαπόσταση 40 mmµεταξύτωνεδράσεων. Η ακµή της σφύρας προσκρούει στην πλευρά του δοκιµίου απέναντι από εκείνην που έχει την εγκοπή, έτσι ώστε η εγκοπή να βρίσκεται στην περιοχή των εφελκυοµένων ινών. Το δοκίµιο θραύεται και η ενέργεια απορρόφησης διαβάζεταιαπευθείαςστηµηχανή. Στη δοκιµή Charpy η ταχύτητα κρούσης της σφύρας είναιίσηµε 5.75 m/s.
Δοκιμή κατά Izod (ΗΠΑ και Αγγλία) Κατά τη δοκιµή κατά Izod το δοκίµιο πακτώνεται σε κατάλληλο σύστηµα αρπαγών έτσι ώστε το κέντρο της εγκοπής του να συµπίπτει µε το όριο πάκτωσης. Η σφύρα προσκρούει σε µια τοµή του δοκιµίου που βρίσκεται 22 mm πάνω απότηνπάκτωση, µεταχύτητα 3.75 m/s. Στη δοκιµή κατά Izod η επιφάνεια επαφής σφύρας - δοκιµίου βρίσκεται στην ίδια πλευρά του δοκιµίου που βρίσκεται και η εγκοπή, ώστε πάλι να καταπονείται εφελκυστικά η περιοχή της εγκοπής. ιαστάσεις δοκιµίου 75x10x10
Δοκίμια Η δοκιµή της κρούσης πραγµατοποιείται, συνήθως, σε χάλυβες και χυτοσιδήρους. Τα δοκίµια είναι πρισµατικές ράβδοι τετραγωνικής διατοµής 10x10 που φέρουνστηµίαπλευράτουςεγκοπήβάθους 2 mm. Οιεγκοπέςέχουνσχήµαοπήςκλείθρου, Π, V ή U. Από αυτές η τελευταία έχει το σχετικό πλεονέκτηµα ότι παρουσιάζει περισσότεροοµοιόµορφηκατανοµήτουτασικούπεδίουστηνπεριοχήτης. Ο σκοπός της ύπαρξης της εγκοπής είναι η δηµιουργία συγκέντρωσης τάσης στην περιοχή αυτή έτσι ώστε αφενός να υπάρχουν συνθήκες σχετικά ψαθυρής θραύσης και αφετέρου να είναι προκαθορισµένη η θέση της διατοµής θραύσης.
Μετρήσεις
Αποτελέσματα Υπολογισµός Συντελεστή υσθραυστότητας