FP 1 Měření a analýza mechanických vlastností materiálů a konstrukcí
Úkoly :
1. Určete moduly pružnosti E z ohybu tyče pro 4 různé materiály 2. Určete moduly pružnosti vzorků nepřímo pomocí měření rychlosti šíření ultrazvukového vlnění v materiálu 3. Metodou ultrazvukové defektoskopie proveďte detekci defektů v analyzovaném vzorku materiálu 4. Pomocí Schmidtova kladívka určete pevnost betonu 5. Proveďte vizualizaci a analýzu vnitřního napětí zatěžovaných modelů nosníků a konstrukcí pomocí fotoelasticimetrie
Postup : 1. Měření modulu pružnosti E z průhybu tyče Změřte 3x vzdálenost podpěr a vypočteme střední hodnotu l. Posuvným měřítkem změřte třikrát příčné rozměry tyčí (v různých místech) a vypočtěte střední hodnotu rozměrů b, c. Na tyč navlečte zatěžovací misku a tyč umístěte na podpěry (obr 1).
Obr. 1 Měření modulu pružnosti z průhybu tyče
Instalujte digitální úchylkoměr a vynulujte jej. Šroub dotahujte s citem. Tyč zatěžujte postupně závažím po 100 g do 1 kg (tj. 10 měření) a odečítejte průhyb tyče u. Tyče zatěžujte ve směru rysky, která je na čele tyče (kvůli orientaci měřených rozměrů b,c, b je výška průřezu). Stejným způsobem změřte ostatní tyče. Vypočtěte moment setrvačnosti průřezu tyče (obdélníkový průřez)
c/2 b/2
I=
∫ ∫ y dydx , 2
− c / 2 −b / 2
b 3c I= 12
Vypočtěte modul pružnosti z údajů pro každé zatížení a výsledný modul pružnosti jako střední hodnotu.
Fl 3 E= 48uI Pro všechny čtyři tyče vytvořte graf závislosti průhybu tyče u na hmotnosti závaží m. Vypočtené hodnoty modulů pružnosti E porovnejte s tabulkovými hodnotami. 2. Určení modulu pružnosti pomocí ultrazvuku Pomocí ultrazvukového přístroje (ovládání vysvětlí vyučující) změřte rychlost šíření UZ vlnění ve vzduchu a ve vzorcích různých materiálů.
Obr. 2 Ultrazvukový defektoskop DIO 562
Při měření rychlosti zvuku ve vzduchu ověřte změnu rychlosti v závislosti na teplotě vzduchu. U vzorků dřeva, hliníku a betonu měřte rychlost podélného vlnění pomocí standardních sond. Z naměřené rychlosti šíření vlnění a z vypočítané měrné hmotnosti materiálu ρ vypočtěte modul pružnosti matriálu podle vztahu
E = ρc 2 Vypočtené hodnoty porovnejte s hodnotami získanými podle bodu 1, respektive s tabulkovými hodnotami. 3. Detekce defektů v analyzovaném vzorku materiálu pomocí ultrazvukové defektoskopie Poveďte měření na vzorku dřeva s otvorem. Analyzujte získaný signál (Ascan) v různých místech vzorku a povšimněte si vlivu defektu (otvoru) na zaznamenávaný signál. 4. Určení pevnosti betonu pomocí Schmidtova kladívka Ovládání Schmidtova kladívka vysvětlí vyučující. Změřte pevnost betonu jednak na vzorku betonu v laboratoři, jednak na konstrukčním betonu objektu stavební fakulty. Na každém místě proveďte měření alespoň 3x a to vodorovně i svisle (podle možností). Odečítanou hodnotu převeďte na hodnoty pevnosti pomocí korekčního grafu (viz. obr 2).
Obr. 2 Schmidtovo kladívko s převodní tabulkou
4. Analýza stavu napjatosti v modelech konstrukcí pomocí fotoelasticimetrie Nejprve vyzkoušejte vliv vzájemné orientace dvou polarizačních fólií na intenzitu procházejícího světla. S pomocí polarizačního filtru ověřte že světlo z LCD monitoru je lineárně polarizované. Sestavte jednoduchý lineární polarimetr (obr.3) s použitím LCD počítačového monitoru jako zdroje lineárně polarizovaného záření. K detekci a záznamu měření použijte digitální kameru s otočným polarizačním filtrem.
Obr. 3 Schéma lineárního polarimetru Na monitoru zobrazte bílou plochu. Nastavte polarizační filtr tak aby byla jeho osa kolmá na rovinu polarizace světla vycházejícího z LCD monitoru (obraz monitoru ztmavne). Umísťujte postupně jednotlivé vzorky materiálů a zaznamenejte pomocí kamery stav napjatosti ve zkoumaném vzorku. Vlivem vnitřního napětí vykazují vzorky optickou anizotropii a v důsledku toho dojde k tzv. dvojlomu světla ve zkoumaném vzorku – dopadající optické záření (elektromagnetické vlnové pole) se rozdělí na řádnou a mimořádnou vlnu. Tyto vlny jsou vzájemně kolmo polarizované (ve směru hlavních napětí) a šíří se různou rychlostí. Rozdíl indexů lomu světla pro řádnou a mimořádnou vlnu je úměrný rozdílu hlavních napětí ve zkoumaném vzorku no (λ ) − ne (λ ) = C (λ )(σ 1 − σ 2 ) = C (λ )Δσ
v důsledku toho dojde k fázovému posuvu mezi těmito vlnami, který je roven Δϕ (λ ) =
2π
λ
[n o (λ ) − n e (λ )] d = 2π C (λ )Δσ d λ
,
kde d je tloušťka vzorku a C je pro danou vlnovou délku charakteristická konstanta materiálu. Po převedení na stejný kmitosměr pomocí otočného
polarizátoru dojde k interferenci těchto vln. V závislosti na velikosti fázového rozdílu, který je závislý na stavu vnitřní napjatosti ve zkoumaném vzorku, pak dojde buď k zesílení či potlačení jednotlivých vln. To se pak na záznamu projeví jako tzv. interferenční proužky (obr.4), které udávají místa se stejnou hodnotou rozdílu hlavních vnitřních napětí.
Obr.4 Ukázka interferenčních proužků (zobrazení stavu vnitřní napjatosti) a) model kyčelního kloubu , b) model nosné obloukové konstrukce Uvedená metoda tedy umožňuje provést pseudo-zobrazení rozložení vnitřního napětí ve zkoumané konstrukci. Proveďte záznam dynamického zatěžování modelu nosníku bez defektu a s defektem.
Pomůcky: Měřicí stojan, sada závaží, posuvné měřítko, úchylkoměr, 4 měřené tyče, ultrazvukový přístroj včetně sond, laboratorní váhy, měřítko, trámečky z betonu, Schmidtovo kladívko, polarizační prvky, počítač s LCD monitorem, kamera s polarizátorem, vzorky materiálů, modely z fotoelastického materiálu
