Experimentální analýza velkých deformací

Transkript

1 Experimentální analýza velkých deformací Zpráva z praktického cvičení analýzy konstrukcí Název projektu: Prohloubení praktické přípravy při výchově strojních inženýrů na FS ČVUT v Praze Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem, rozpočtem České republiky a Magistrátem hl. m. Prahy. Vypracovala: Lenka Navrátilová Dne:

2 Obsah Seznam použitých symbolů Úvod Tenzometry a trocha teorie ÚVOD, POUŽITÍ PRINCIP FUNKCE ZÁKLADNÍ VZTAHY TYPY TENZOMETRŮ PARAMETRY TENZOMETRŮ VLASTNOSTI TENZOMETRŮ VLIVY OKOLÍ Instalace a zapojení tenzometrů INSTALACE, POPIS LEPIDEL Lepidla tuhnoucí za běžných teplot Za tepla tvrdnoucí lepidla ZAPOJENÍ TENZOMETRU Polovodičové tenzometry POUŽITÍ, VÝHODY PARAMETRY POLOVODIČOVÝCH TENZOMETRŮ Praktická část ÚVOD PRVNÍ ČÁST MĚŘENÍ ELASTICKÉ DEFORMACE Geometrie původních neupravovaných vzorků Tahová zkouška Vyhodnocení zkoušek prvních dvou vzorků Proměření malých deformací při malých napětích (do 10 MPa) DRUHÁ ČÁST MĚŘENÍ ZJIŠTĚNÍ VLIVU LEPIDLA Instalace tenzometru Tahová zkouška Vyhodnocení zkoušek zúžených vzorků Vyhodnocení zkoušek s destrukcí tenzometrů Závěr Literatura Příloha

3 Seznam použitých symbolů k faktor tenzometru [-] E modul pružnosti [MPa] μ Poissonovo číslo [-] ρ měrný odpor [Ω m], ρ = ρ (T ), kde T je teplota l délka vodiče [m] A plocha průřezu [m 2 ] ε pod podélná deformace [-] ε př příčná deformace [-] a, b šířka vodiče [m] α s, α v teplotní součinitel lineární roztažnosti součásti a mřížky tenzometru [K -1 ] β teplotní součinitel odporu materiálu mřížky tenzometru [K -1 ] E náboj elektronu N počet nositelů náboje r st střední rychlost 3

4 1. Úvod Ke zpracování své práce jsem si vybrala jednu oblast experimentální analýzy napětí - měření deformací pomocí tenzometrů. Při měření větších deformací pomocí tenzometrů dochází často k jejich znehodnocení dříve než k destrukci měřeného dílu. Tenzometr totiž ve většině případů není sám zničen, ale dojde k odtržení jeho části, popř. celého tenzometru od povrchu měřeného dílu, a to dříve, než je udávána maximální možná tažnost tenzometru výrobcem. Proto jsem se zaměřila na instalaci tenzometrů, konkrétně na používání lepidel. Hlavním cílem této práce je prozkoumat vliv použitého druhu lepidla při instalaci tenzometrů a vliv rychlosti zatěžování na destrukci (přetržení, odtržení) tenzometru, který je nainstalován na zatěžované součásti. Práce je rozdělena na dvě hlavní části teoretickou a praktickou. V první části nejprve popíši obecně tenzometry a procedury související s jejich instalací a následným měřením (princip, funkce, použití, korekce příčné citlivosti) Hlavní, praktická část, bude věnována vlastní realizaci experimentu a vyhodnocení dat z tahových zkoušek vzorků, na kterých byly nainstalovány tenzometry. Zejména se zaměřím na postupy instalace tenzometrů, zmíním se o možných modifikacích běžných postupů za účelem dosažení kvalitnější přípravy povrchu před instalací. Částečně rozeberu i sestavení vhodného experimentu řetězce pro tento typ měření s využitím dostupných možností laboratoře odboru pružnosti a pevnosti ústavu mechaniky. 4

5 2. Tenzometry a trocha teorie 2.1. Úvod, použití Tenzometry jsou malé součástky založené na principu změny ohmického odporu, jsou-li vystaveny mechanické deformaci. Vyrábějí se ve dvou základních provedeních, a to kovovém a polovodičovém. Každý z těchto typů má své optimální využití, které odpovídá jeho metrologickým a technickým vlastnostem. Kovové tenzometry jsou senzory měřící ve směru své mřížky povrchovou mechanickou deformaci objektu v místě, ke kterému jsou přitmeleny. Využívají se k měření deformačních polí celých konstrukcí a deformací strojních součástí s cílem optimalizovat jejich dimenzování. Slovo tenzometr pochází z latiny a v překladu znamená měřič napětí, ve skutečnosti se však jedná o snímač deformace. Základní princip vychází z počátků pružnosti a pevnosti a počátků klasické elektrotechniky. To znamená, že bez Roberta HOOKa ( ) a Thomase YOUNGa ( ), kteří popsali vztah mezi napětím a deformací a bez Charlese WHEATSTONEa ( ), který popsal princip můstkového zapojení, by tenzometry nemohly existovat. První sériově vyrobený tenzometr je z roku 1941 a byl určen pro letecký průmysl. [4] Důvody pro měření deformace a napětí Prostřednictvím deformace umožňují tenzometry zjistit stav napjatosti v konstrukci. Stavem napjatosti se musí zabývat každý výpočtář, konstruktér, kontrolor, chce-li mít konstrukci optimálně velkou a těžkou a přitom dostatečně pevnou, to znamená, že konstrukce nesmí být příliš naddimenzována, ale na druhou stranu musí vydržet (s určitým koeficientem bezpečnosti) fungovat za běžného provozu bez poškození. Napjatost se nevypočítává pouze při návrhu konstrukce, ale i v případě již zařízení v provozu, kdy se zkoumá, jaké další zatížení ještě vydrží nebo se v případě destrukce stroje či jiných zařízení, kde napjatost hraje důležitou roli, zkoumá, kde nastala chyba. Napjatost v nejjednodušších součástech lze zjistit relativně snadným výpočtem, v praxi však existují konstrukce a stroje, u kterých už vztahy pro výpočty sestavit nelze, nebo lze pouze za mnoha zjednodušujících předpokladů, které mohou být někdy zavádějící a vést k nesprávným výsledkům. U složitějších konstrukcí je možné využít numerické metody, které pomohou dojít k závěru, jsou však citlivé na sestavení modelu. 5

6 Z těchto důvodů je vhodné výpočtový model zkombinovat s experimentálním měřením. Výpočet upozorní na nebezpečná místa konstrukce, do kterých jsou následně nainstalovány tenzometry, popř. jiné měřící prvky, které poměrně přesně určí napětí, resp. deformaci v daném místě. Porovnáme-li dva základní typy tenzometrů, tak kovové tenzometry se uplatňují tam, kde je vyžadována velká přesnost, zatímco polovodičové tam, kde je třeba velká citlivost, která umožňuje použít je v senzorech miniaturních rozměrů s vysokou tuhostí měřicího členu. Kovové tenzometry jsou používány k měření povrchových deformací kriticky namáhaných dílů i pro měření rozsáhlých deformačních polí složitě namáhaných mechanických konstrukcí. [3, 8] 2.2. Princip funkce Kovové i polovodičové tenzometry napájené stejnosměrným nebo střídavým proudem mění ohmický odpor, jsou-li vystaveny mechanické deformaci. U kovových tenzometrů je změna ohmického odporu způsobena změnou průřezu drátku (fólie) měřicí mřížky a její délky, u polovodičových tenzometrů ve tvaru tyčinky je způsobena především změnou jejího měrného odporu což je primární projev piezorezistentního jevu. Rozdílné fyzikální principy vedou k odlišným metrologickým a technickým vlastnostem obou druhů tenzometrů, a tedy i k rozdílným oblastem jejich hlavního využití v praxi. Mřížka kovového tenzometru, resp. tyčinka polovodičového tenzometru, má věrně sledovat deformaci měřeného povrchu. S povrchem jsou tenzometry spojeny velmi tenkou vrstvou tmelu, který vytváří dostatečný izolační odpor (přibližně Ω). V dalším textu se budu, kromě jedné kapitoly, zabývat už jen kovovými tenzometry. [3] 6

7 2.3. Základní vztahy Základní tenzometrickou rovnici představuje vztah: ΔR R = k ε, kde k je součinitel deformační citlivosti, neboli k-faktor tenzometru, který je závislý na provedení tenzometru a značně se liší u kovových a polovodičových tenzometrů. Pro většinu kovů a odporových slitin je tato závislost poměrné změny odporu na délkovém přetvoření lineární v určitém rozsahu deformace. Jak se zjistí k-faktor tenzometru? Vychází se ze základů elektrotechniky, pružnosti a pevnosti a matematiky. l Odpor vodiče: R = ρ A Změní-li se délka vodiče o Δl, průřez vodiče o ΔA, eventuelně vlivem změny teploty měrný odpor o Δρ, změní se odpor R o ΔR. kde: ρ je měrný odpor [Ω m], ρ = ρ(t ), kde T je teplota l je délka vodiče [m] A je plocha průřezu [m 2 ] Poissonův zákon: ε = μ ε l dr = d ρ = dρ + ρ A A = a b př pod kde: ε pod je podélná deformace [-] ε př je příčná deformace [-] μ je Poissonovo číslo [-] dále: Δl=ε pod l Δa=ε př a, resp. Δb=ε př b, Δa=-μ ε pod a, resp. Δb=-μ ε pod b, kde: a, b je šířka vodiče [m] l dl A l da da = A A = a b a b = dr R dr R 2 A ( a + Δa) ( b + Δb) 2 2 ( 1+ ε ) a b = A( 2ε + ε ) 2Aε = με A pr př př př 2 Δa a b = a 1 + a pod Δb b 1 + a b = b l dl l da dρ + ρ 2 A A A dρ dl da dρ = = + = + ε pod ( 2με pod ) l ρ ρ l A ρ A = dρ / ρ ε + + pod 1 2μ ε pod (dρ/ρ)/ε pod vyjadřuje poměrnou změnu odporu s deformací, při zanedbání této veličiny bude k=1+2μ. U kovů je Poissonovo číslo μ rovno přibližně 0,3 v elastickém stavu a 0,5 v plastickém stavu Za předpokladu plastického chování tenkého drátku, z kterého je vyrobeno vinutí tenzometru, resp. tenké odporové vrstvy, která je nanesena 7

8 na základní fólii, lze předpokládat hodnotu Poissonova čísla 0,5 a tedy k =2. U většiny kovových tenzometrů je k konstantní a bývá 2 4. Vzhledem k tomu že na citlivost k má vliv uspořádání tenzometru, příčná deformace, nosič, lepidlo atd., je velmi obtížné vypočítat k, a proto se určuje empiricky pomocí cejchováni. [1,4] 2.4. Typy tenzometrů Dříve se používaly drátkové (vlásenkové) tenzometry, které jsou vinuté z drátku o průměru 0,01 0,03mm o délce vinutí l = mm. Při malých délkách vinutích jsou tyto tenzometry citlivé na příčnou deformaci, to je dnes odstraněno u fóliových tenzometrů. Při experimentu je poměrně častá nutnost stanovit deformace ve dvou či více směrech v jednom bodě. V tomto případě již nelze vystačit s jednoduchým tenzometrem, ale tenzometry se musí složit do určitého obrazce. Protože je tato operace velmi komplikovaná a náročná na přesnost, přišli výrobci tenzometrů s nabídkou nejrůznějšího uspořádání měřících vinutí na jedné podložce. Tak vznikly tenzometrické kříže, růžice a složité soustavy pro speciální měření. Neexistuje jeden typ tenzometru, který by splňoval veškeré požadavky a byl vhodný pro použití za všech podmínek. Podle účelu může být na izolační podložce jedna nebo více měřících mřížek. Pro měření deformace v jednom směru se používá jednoduchý tenzometr. Tenzometrický kříž (dvě či více měřících mřížek na jedné fólii) se používá pro měření deformací při známých směrech hlavních napětí, existuje také speciální tenzometrický kříž pro měření kroutícího momentu na hřídeli kruhového průřezu a také několik druhů růžic po 45 nebo 60 pro vyšetřování hlavních délkových deformací. Pro měření gradientu deformace se používají celé řetězce tenzometrů. Existuje řada dalších speciálních tenzometrů, např. pro měření zbytkových napětí, velkých deformací, pro měření za vysokých teplot či nepříznivých vlivů prostředí a další. [1] 8

9 Tenzometry LY V praktické části použiji tenzometry typu LY 11, a proto je zde více popíši. Výhody tenzometrů série Y: Univerzální tenzometry Flexibilní, a proto jednoduché na použití Vynikající měřící charakteristiky Široký rozsah geometrií a odporových hodnot Různé způsoby zapojení Specifikace LY 11(jedná se o ocelové tenzometry s jednou měřící mřížkou s vývody) Konstrukce tenzometru polyamidová fólie se zabudovanou měřící mřížkou z konstantanové fólie. [12] TAB.1 k faktor cca 2 Tolerance ±1% Teplotní roztažnost (ocel) -samokompenzace 10, K -1 Mechanická hystereze První cyklus, lepidlo Z70 Třetí cyklus, lepidlo Z70 První cyklus, lepidlo X60 Třetí cyklus, lepidlo X60 1 μi 0,5 μi 2,5 μi 1 μi ± μi ( 5%) Maximální prodloužení Velikost tenzometru Mřížka 6 x 2,8 mm Fólie 13 x 6 mm Nominální odpor 120 Ω ± 0,35% 2.5. Parametry tenzometrů Tenzometry jsou vyráběny v různých velikostech, tvarech a dalších parametrech. Mohou se skládat z jedné nebo více mřížek (např. pro měření příčného zkrácení), výběr záleží na typu zatěžování (jednoosé, víceosé, známý či neznámý směr prodloužení), dále výběr typu tenzometru ovlivní pracovní podmínky, působení okolí, velikosti a přístupnost měřené součásti,.. Parametry ovlivňující instalaci a provozní podmínky: Citlivost slitiny na příčné prodloužení Samokompenzace teploty Podložka Odpor mřížky Délka aktivní části mřížky 9

10 Možnosti nastavení Měřící mřížky jsou vinuty z konstantanového drátku o průměru 0,02 až 0,01 mm, který je připevněn na podložku nebo je vinutí vyleptáno v konstantanové fólii o tloušťce cca 10-3 mm. Aktivní délka mřížky se pohybuje od 0,6 mm do 150 mm, nejčastěji se užívá 3 až 10 mm. Fóliové tenzometry mají řadu vhodnějších vlastností lépe odvádějí teplo, výhodněji přenáší deformace z povrchu součásti do měřící mřížky a mají menší příčnou citlivost. Elektrický odpor kovových tenzometrů bývá v rozmezí 120 až 600 Ω, nejčastěji 120 Ω, 350 Ω a 600 Ω, součinitel deformační citlivosti u konstantanových tenzometru dosahuje přibližně hodnoty 2 - více o citlivosti pojednám v další kapitole Vlastnosti tenzometrů Mezi vlastnosti kovových tenzometrů patří linearita, hystereze, posunutí nuly, relaxace a příčná citlivost. Při zatěžování/odlehčování tenzometru dochází k odchylce od ideální lineární závislosti, odchylka ε L se pohybuje okolo 0,1% (obr. 1). Při odlehčování leží křivka pod křivkou zatěžování a vzniká tak hystereze, která se projeví v posunutí nuly ε H, ta bývá 0,25 až 0,5% skutečné deformace ε s (obr. 1). Posunutí nuly je největší při prvních 5 až 10 cyklech zatěžování a Obr.1 postupně se zmenšuje, z tohoto důvodu se doporučuje před vlastním měřením zatížit tenzometry několika cykly na cca 125% předpokládané deformace. Relaxace vzniká na součástech dlouhodobě zatížených, je způsobena změnami vlastností podložky a lepidla obr. 2 v důsledku dlouhodobého zatížení. Po odlehčení se projeví deformací opačného znaménka, po čase však vymizí (obr. 2). Tato relaxace nemá nic společného s relaxací napětí. 10

11 Stejně jako u ostatních součástí, i u tenzometrů se projeví prodloužení v jednom směru kontrakcí v příčném směru, což má vliv i na k-faktor tenzometru. Speciální tenzometry určené pro měření velkých deformací (±20%) mají speciálně upravené můstky mezi podélnými částmi vinutí, tak aby jejich příčná citlivost se blížila nule. Tenzometry se na povrch měřených součástí instalují pomocí tmelů či lepidel, které se neřídí Hookovým zákonem a jejich charakteristikou veličinou pro dané použití je tečení. Používané tmely, nejčastěji na bázi epoxidové pryskyřice, mohou být zdrojem dominantní chyby měření. Správná instalace tenzometru je velmi důležitá část přípravy měření, při jejím nepečlivém provedení může být znehodnoceno celé měření.[3] Citlivost tenzometru Citlivost tenzometru je dána poměrem relativní změny odporu k prodloužení, nazývá se deformační citlivost tenzometru, či faktor tenzometru a značí se k; ΔR / R0 ΔR / R0 k = =, jedná se o bezrozměrnou veličinu. U většiny tenzometrů bývá Δl / l ε 0 k konstantní a nabývá intervalu hodnot 2 až 4, nejčastěji 2. Předpokládáme-li nezávislost měrného odporu ρ na měření a konstantní teplotu, ε k lze odvodit, že k=1+2μ (viz kap 2.3. Základní vztahy), kde μ je Poissonovo číslo; μ =. Δl ε =..poměrné prodloužení v podélném směru o k l 0 Δb ε =. poměrné zkrácení v příčném směru b 0 Poissonovo číslo je hodnota závislá na materiálu, pro kovové materiály se μ v elastické oblasti deformace pohybuje okolo 0,3. Hodnota Poissonova čísla se v okolí této hodnoty se může značně lišit. Pro nestlačitelné materiály, jako je guma či voda, platí μ=0,5, stejně jako pro konstantan, z něhož je vyrobena mřížka tenzometru. Nejpoužívanější kov ve strojírenství, ocel, má μ=0,28 a hliník a jeho slitiny μ=0,33. Pro mřížku tenzometru, stejně tak jako pro kovy platí lineární závislost mezi prodloužením a relativní změnou odporu. Toto však platí jen do určité míry. Při překročení prodloužení 150 mm/m byla zjištěna nelineární parabolická závislost, která 2 může být dobře aproximována polynomem ε = ε + ε. Pro měření velkých deformací se používají tenzometry, kde je nelinearita automaticky zakomponována. ε 0 11

12 Příčná citlivost tenzometru U vinutí tenzometru, jako i u ostatních kovů, se při zatížení projeví i příčná deformace. Příčný k-faktor tenzometru je dán vztahem k př ΔR / R0 =, kde ε př je příčné zkrácení. ε k př k př Příčná citlivost tenzometru je definovaná: q =, resp. 100 [%]. Snaha je, aby k k tato citlivost byla co nejmenší. Tenzometry mívají běžně příčnou citlivost menší než 0,008. Reakce tenzometru na příčnou deformaci je ovlivněna způsobem vinutí drátku na podložce. Je-li tenzometr vyroben z jednoduchého tenkého drátku, který je navinut tak, že podélné drátky jsou daleko od sebe (což se projeví ve zvětšení šířky mřížky), způsobí to možnost snadného prodloužení v příčném směru. Příčně vedený drátek je totiž relativně dlouhý a tenký. Tato nevýhoda byla při výrobě tenzometrů napravena hustším vinutím, díky kterému se zkrátí délka kolmo vedeného drátku. Dalším vylepšením je propojení podélné mřížky příčnými spoji, mosty, ze silnějšího drátu. Tuto metodu je ale obtížné uplatnit v praxi, je náročná na výrobu. U moderních fóliových tenzometrů lze tento princip jednoduše dodržet podélné vedení se umístí co nejblíže k sobě a příčný směr se zesílí. V oblasti rozšířeného příčného spojení dochází při prodloužení ke kladné změně odporu. Jedná se pouze o malou oblast, větší poměrný vliv má u kratších mřížek, z tohoto důvodu se upřednostňují delší mřížky, které mají menší příčnou citlivost. Dalším efektem je roztažení mřížky v důsledku bokem působících sil. U konstantanových tenzometrů tento efekt způsobuje mírnou negativní změnu odporu. Tímto je vysvětlena negativní příčná citlivost, která se občas objevuje. [1] Korekce příčné citlivosti Korekce příčné citlivosti je důležitá především v případě použití nepříliš kvalitních tenzometrů, které mají vyšší hodnotu příčné citlivosti a může tím dojít k ovlivnění výsledků měření. př 12

13 Tenzometr je konstruován na hodnotu nominálního Poissonova čísla μ 0 = 0,285, pro jednoosou deformaci má korekční vztah tvar: ε skut = ε měř (1 μ 0 q) (1 q μ) = ε 2 1 q měř (1 0,285 q) (1 q μ) 2 1 q μ Poissonovo číslo materiálu V případě aplikace kvalitního tenzometru, jehož příčná citlivost je menší než ±1%, vychází skutečná hodnota rovna měřené hodnotě s chybou menší než ±0,6%. Jestliže použiji ještě kvalitnější tenzometr, jako v případě této práce, s nižší příčnou okolo ±0,1%, bude chyba menší než ±0,06%. Lze ji tedy zanedbat a uvažovat: ε skut ε měř. V případě dvouosé napjatosti s neznámým poměrem hlavních napětí, resp. při měření ve dvou kolmých směrech různých od hlavních směrů je třeba použít dva tenzometry. V případě sestavení kříže ze dvou nezávislých tenzometrů je vhodné volit oba tenzometry se stejnou hodnotou příčné citlivosti (q x = q y =q). [4] Pokud změříme dvě navzájem kolmé deformace, které se však navzájem ovlivňují, lze s jejich pomocí stanovit hodnoty skutečných deformací v těchto dvou kolmých směrech: ε xskut 1 μ0 q 1 μ0 q = ( ε x y ěř ) 2 meř q ε m a ε yskut = ( ε y x ěř ) 2 meř q ε m 1 q 1 q což lze pro tenzometry s malou příčnou citlivostí (1 - q 2 1) zapsat ve tvaru: ε xskut 1 μ q) ( ε q ε ) a ε 1 μ q) ( ε q ε ) ( 0 xmeř yměř yskut ( 0 ymeř xměř 2.7. Vlivy okolí Teplota Změna teploty může mít velmi významný vliv na změnu deformace jak měřené součásti, tak i tenzometru. Pro poměrnou změnu odporu při změně teploty platí vztah ΔR R T = [ k ( α α ) + β ] ΔT s v α s, α v.teplotní součinitel lineární roztažnosti součásti a mřížky tenzometru. β teplotní součinitel odporu materiálu mřížky tenzometru který, vyjadřuje, že vlivem změny teploty dochází i ke změně odporu mřížky Vyloučit vliv teploty můžeme přidáním kompenzačního tenzometru, 13

14 výrobou smyčky tenzometru ze dvou materiálů, které se vzájemně kompenzují, použitím vhodné slitiny pro tenzometr, tak aby β k( α α ) = k( α α ) (tenzometr lze použít jen pro daný materiál součásti.) =. Korekce výpočtem, díky známým teplotním charakteristikám tenzometrů, které uvádějí výrobci. Další vlivy Na přesnost měření s tenzometrem nemá vliv jen teplota, ale i vlhkost, tlak, radioaktivní záření a cyklické zatěžování. Vlhkost má vliv především na trvanlivost lepení tenzometrů, dochází k poklesu izolačního odporu, ke korozi, ke změně objemu či k prokluzu. s v v s 3. Instalace a zapojení tenzometrů Tenzometry se spojují tenkou vrstvou speciálního tmelu přímo s objektem, u kterého se provádí měření mechanických deformací, anebo jsou součástí snímačů. Přesnost měření závisí na kvalitě tenzometrů, vlastnostech lepidla spojujícího tenzometr s měřicím členem snímače a na vlastnostech měřicího členu. Bezchybně fungující měření vyžaduje důkladnou přípravu povrchu, opatrné nalepení, správné propojení a ochranné krytí. Výběr typu tenzometru závisí na účelu použití, na tom, co známe a co chceme změřit, a o jakou součást se jedná. Důležité je také rozhodnout, čím se bude měřit. Tím se rozumí vše, počínaje měřenou součástí či konstrukcí tenzometrem, lepidlem, krycím prostředkem (vznik signálu) vodičem a svorkovnicí (přenos signálu) tenzometrickou aparaturou (zpracování signálu) kabely (přenos dat) počítač (zpracování dat). Způsob zapojení do můstku při měření bývá ovlivňován zadáním, cílem a okolnostmi měření. Požadavky bývají často protichůdné a tak je třeba přistupovat na kompromisy. Při instalaci tenzometrů na povrch měřené součásti záleží na tom, zda je součást zatížena v jednom či ve více směrech, a zda známe hlavní směry přetvoření/napětí. [4,8] 14

15 3.1. Instalace, popis lepidel Instalace tenzometrů na povrch vzorků je velmi důležitou součástí přípravy měření, již od prvních kroků instalace se rozhoduje o přesnosti následujícího měření. Je tedy vhodné této části věnovat dostatek času a pečlivosti. Nejpoužívanějším způsobem upevnění tenzometrů na měřenou plochu jsou lepidla. Funkce lepidla je ideální, přenáší-li po celé funkční délce tenzometru trvale a věrně povrchovou deformaci zkoumaného objektu na mřížku tenzometru a vytváří-li dostatečný izolační odpor mezi vývody tenzometru a zatěžovaným materiálem. Jak již bylo řečeno, lepidla patří k tuhým kapalinám, neřídí se Hookeovým zákonem a k jejich charakteristikám patří tečení. Výrobci tenzometrů vyrábějí lepidla, jejichž tečení je minimální a neomezuje přesnost měření. Uživatelům poskytují návody k lepení. Nezbytným předpokladem je použití speciálně určených lepicích prostředků, které splňují následující kritéria: Přenos (co možná nejvíce beze ztrát) deformace měřené součásti na tenzometry Stabilní chování při co největším rozsahu teplot a prodloužení Tenzometr a testovaný objekt nesmí být chemicky ovlivněny Pro výběr správného lepidla jsou důležitá následující kritéria: Teplota aplikace Materiál měřené součásti a doporučení pro daný tenzometr Požadavky na trvanlivost a opakovatelnost měření Drsnost povrchu Výhody lepidel: Možnost spojovat různé druhy materiálů za různých teplot Neprojevuje se vliv na spojovaný materiál, výjimkou jsou syntetické materiály Možnost ovlivnění doby vytvrzení dle výběru lepidla Napomáhá ke zlepšení izolace mezi tenzometrem a součástí. Používají se následující spojovací techniky: Za tepla tvrdnoucí lepidla Za studena tvrdnoucí lepidla Keramický tmel Bodově svařované spoje Příprava povrchu vzorku před instalací lepidel: 15

16 Mechanicky odstranit hrubé nečistoty (prach, třísky, rez, barva, atd ) Odmastit měřícího místa a okolí Eliminovat nepravidelnosti jako jsou důlky, škrábance, atd.., výplní, broušením či obdobným procesem Odmastit chemicky čistým rozpouštědlem (např. RMS1 od HBM) V případě hladkého povrchu zdrsnit pískovým omíláním nebo použitím smirkového papíru. Pro každý typ lepidla se používá různá drsnost. Dočistit chemicky čistým rozpouštědlem Před instalací si na měřící místo narýsujeme osy, které nám umožní přesnější umístění tenzometrů. Na každé fólii tenzometru jsou rysky jejich os, které se mají překrývat s těmi, které jsem narýsovala na měřící povrch. Vlastní lepení Na místo, kam má být tenzometr nalepen, se nanese patřičné množství lepidla. Postup lepení tenzometrů bývá na obalu tenzometrů a v návodu k použitému lepidlu. Uspokojivě přilepeného spoje je dosaženo pokud lepidlo pokrývá celou stykovou plochu co nejtenčí vrstvou. Z tohoto důvodu musí být povrch před lepením důkladně připraven, očištěn. Podrobnější popis jsem uvedla v praktické části, kde jsem popsala, jak jsem konkrétně povrch očistila já Lepidla tuhnoucí za běžných teplot Výhodou za studena tvrdnoucích lepidel je jejich jednoduché použití spolu s nízkými náklady. Používají se převážně pro experimentální analýzu, tvrdnou za pokojových teplot. Pokud se však při měření předpokládají teploty vyšší než 80 C je vhodné použít lepidla za tepla tvrdnoucí, teplotně odolná, nebo lepidla na bázi epoxidové pryskyřice (např. X280). 16

17 Dvousložkové rychle tuhnoucí lepidlo X60 Rychle tuhnoucí dvousložkové lepidlo X60 od firmy HBM se skládá z práškové pryskyřice A a tekuté složky B. Je vhodné pro tenzometry se spodní nosnou částí vyrobenou z polyamidu a fenolové pryskyřice. Mezi jeho přednosti patří jednoduché použití a krátká doba přípravy lepení. X60 se váže na všechny běžné kovy a řadu nekovových materiálů, jako např. beton, porcelán, sklo, plasty. Dávkování je velmi jednoduché; je přiložena dávkovací lžička. Typickou oblastí použití je nízká teplota, pórovitý materiál nebo zajišťování kabelů. Povrch určen pod lepidlo X60se zdrsňuje pískovým omíláním (zcela čistým korundem zrnitostí stlačený vzduch musí být bez oleje) nebo smirkovým papírem. Přípustná deformace Roztažnost závisí na druhu zpracování, na čistotě a materiálu lepené plochy, rozměru a druhu tenzometru i na teplotě. Společně s velkou roztažností polyamidové podložky lze u vysokotažných tenzometrů za pokojových teplot dosáhnout roztažnosti a stlačitelnosti větší než 10 5 μi. Příprava směsi lepidla Dostatečné množství složky A (práškové pryskyřice) se nabere do lžičky, která je přibalena, přesype se do kalíšku a přidá se 6 až 7 kapek tekuté složky B a vytvoří se tak krémová hmota. Toto množství stačí pro přilepení tenzometru s aktivní zónou 30 mm. Připravená směs musí být co nejdříve použita, což platí především při vyšší okolní teplotě. Tab.2 Teplota 0 C 20 C 30 C Použitelnost připravené smíchané směsi 30 min 5 min 1 min Pozn. Je třeba si dát pozor aby se pryskyřicový prášek (složka A) nedostal do tekuté složky B, i malá stopa na víčku může způsobit ztvrdnutí celého obsahu. Za žádných okolností by se neměl nikdo snažit znovu rozředit směs, složka B totiž není rozpouštědlo, ale činidlo lepidla. 17

18 Doba tuhnutí Jak je u chemických reakcí obvyklé, závisí doba vytvrzení na okolní teplotě, případně na teplotě lepených dílů. Měření nesmí začít dříve, než uplynou následující doby vytvrzení: Tab. 3 Teplota [ C] Doba vytvrdutí [min] dynamická statická Při nižších teplotách lze čas vytvrzení zkrátit opatrným zahříváním například infralampou. Tab. 4 Spodní teplotní limit C Rozsah teplot: Horní teplotní limit vyšší (statický) +60 C Horní limit vyšší (dynamický) +80 C Požití Napěťové analýzy, převážně pro pórovité materiály (beton, dřevo) a pro aplikace za nízkých teplot Série tenzometrů Y, C, LD, DA, V (optimální), K, G, LS (dobré) Trvanlivost Více než 1 rok (za sucha) Doba tuhnutí 5 minut 5 C: 10 minut Doby vytvrzení 20 C: 1 minuta 30 C: 0,5 minut Teploty do 150 C snáší lepidlo bez poškození, ale po dobu působení zvýšené teploty není měření možné (současně je nutné dbát na teplotní meze vlastního tenzometru). Skladování Skladovatelnost vysoce reaktivních monomerů, k nimž patří složka B lepidla, podléhá jistým nezbytným omezením. Při teplotě 20 C a při uzavřeném balení je trvanlivost složky B jeden rok nebo déle. Použitelná je, dokud je tekutá jako voda, nebo benzín a při míchání se složkou A smáčí stěny mističky. Jakmile má olejovitý charakter a táhne se ve vláknech, je nepoužitelná. Intenzivní působení světla (přímé sluneční záření, ultrafialové světlo rtuťových lamp, smíšené světlo a světlo zářivek) může tekutinu předčasně vytvrdit nebo zahustit. Doporučuje se proto lahvičku před spotřebováním tekutiny ukládat v uzavřeném balení. Doba použitelnosti se dá výrazně 18

19 prodloužit uložením v chladničce. Skladováním v přílišném chladu není možné kapalinu poškodit. Před použitím je potřeba nechat X60 samovolně prohřát na pokojovou teplotu, protože přechlazené lepidlo velmi pomalu vytvrzuje. Složka A (prášek) je poměrně netečný a je-li skladován v suchu, je jeho trvanlivost delší než jeden rok. [6] Jednosložkové rychle tuhnoucí lepidlo Z70 Velkou výhodou lepidla Z70 od firmy HBM je jeho velmi jednoduché použití. Jedná se o jednosložkovou rychle-lepící hmotu bez rozpouštědla ze skupiny kyanoakrylátů. Z70 se hodí k nalepení odporových tenzometrů s podložkou z pryskyřice akrylové, pryskyřice fenolické a polyamidu. Z70 se pojí se všemi v praxi obvyklými kovy a s mnoha plastickými hmotami. Nehodí se k lepení porézních hmot, jako např. betonu, dřeva, pěnové plochy apod. Povrch určen pod lepidlo Z70 se zdrsňuje pískovým omíláním (zcela čistým korundem zrnitostí 320 stlačený vzduch musí být bez vody a oleje) nebo smirkovým papírem (zrnitosti ). Zrnitost je větší než pro použití lepidla X60. Proces vytvrdnutí Vytvrzení je možné pouze při velmi slabé vrstvě lepidla a za pokojové teploty pod tlakem palce. Vytvrzení kyanoakrylátové lepicí hmoty nastává katalytickým působením absorbované vlhkosti ze vzduchu. Nejvhodnější podmínky se jeví při relativní vlhkosti vzduchu mezi 40 a 70%. Vytvrzování není možné za určitých nepříznivých podmínek (relativní vlhkost pod 40%, povrch s kyselou reakcí nebo nízká teplota). V těchto případech může být použit akcelerátor BCY01. Více než 80% relativní vlhkost způsobí rázové vytvrzení a napětí, která vzniknou ve vrstvě lepící hmoty, sníží pevnost spoje. Je tedy nutno dbát na to, aby nebyly překročeny mezní hodnoty relativní vlhkosti. Vytvrzování probíhá úplně jen u tenkých vrstev lepidla a v uvedeném čase. Tlusté vrstvy lepící hmoty se vytvrzují pomalu a neúplně. Proto jsou nevhodné velmi zdrsněné spojovací plochy. Potřebný tenký film lepidla, u kterého reakce proběhne, se docílí stejnoměrným přitlačením tenzometru na měřený objekt. Vytvrzovací rychlost je závislá na chemickém stavu dílů, které se mají spojovat. Zásadité materiály zrychlují tuhnutí, kyselé materiály mohou tvrzení nejen zpozdit, ale i úplně zastavit. Hodnoty vytvrzování v závislosti na lepeném materiálu při okolní teplotě 20 C a relativní vlhkosti 65% jsou uvedeny v tabulce 6. 19

20 Tab. 5 Spodní teplotní limit - 70 C Rozsah teplot: Horní teplotní limit vyšší (statický) +100 C Horní limit vyšší (dynamický) +120 C Požití Převážně napěťové analýzy, jednoduché snímače Série tenzometrů Y, C, LD, LE, V (optimální), K, G (dobré) Trvanlivost 6 měsíců; při teplotě 15 C téměř neomezená Doby vytvrzení 5 C: 10 minut 20 C: 1 minuta 30 C: 0,5 minut Tab. 6 Materiál Ocel Hliník Umělá hmota Vytvrzovací doba s s s Skladování Z70 je nutno chránit před teplem, slunečním svitem a vlhkostí; a proto se uskladňuje v suchu a chladu. Za těchto podmínek zaručuje HBM použitelnost 5 měsíců od natištěného data expedice. Podle dřívější zkušenosti je možné prodloužit dobu použitelnosti. Lepidlo lze upotřebit, pokud se nezvýší značně viskozita. Skoro neomezené doby skladovatelnosti se docílí zmrznutím lepící hmoty při 15 C. Před upotřebením se Z70 rozpustí a musí se bezpodmínečně přivést na pokojovou teplotu. [7,11] Jednosložkové rychle tuhnoucí lepidlo M-Bond 200 Lepidlo M-Bond 200 od firmy VISHAY Micro-Measurements uvádím zde pro srovnání, i když ho nebudu používat ve své praktické části. Je vhodné pro běžné experimentální analýzy, velmi jednoduché na používání a velmi rychle se vytvrzuje, téměř okamžitě vytvoří pevný spoj bez creepu, odolný únavě a s kapacitou prodloužení 5% i více. M-Bond 200 je kyanoakrylátové lepidlo, je vynikající pro všeobecné použití v laboratorních podmínkách nebo pro krátkodobé aplikace. Charakteristiky Ke správnému pevnému vytvrzení je důležitý jednominutový tlak palcem, po kterém následuje minimálně dvouminutová pauza, než se odlepí izolepa. Pevnost 20

21 lepidla se výrazně zvýší po pěti minutách. Doba vytvrzení musí být zvýšena při nevhodných okolních podmínkách (teplota nižší než 21 C nebo vlhkost menší než 40%). K zajištění větší spolehlivosti je vhodné instalace na povrch o teplotě C a za vlhkosti 30-65%. [13] Tab. 7 Krátkodobý -185 C až +956 C Rozsah teplot Dlouhodobý 32 C až + 65 C 3 měsíců při teplotě 24 C Trvanlivost 6 měsíců při teplotě 5 C Kapacita Více než 5% při teplotě 24 C, prodloužení 3% při teplotě 24 C a za použití CEA nebo EA tenzometrů. Doba vytvrzení Cca 1 min Za tepla tvrdnoucí lepidla Za tepla tvrdnoucí lepidla lze použít tam, kde testovaná součást může být vystavena vyšším teplotám, které jsou nutné pro vytvrdnutí lepidla. Používá se např. tam, kde může být stroj rozmontován, tak aby se mohl tenzometr připevnit na požadovanou součást. Za tepla tvrdnoucí lepidla splňují vyšší kladené požadavky na kvalitu a mohou být použity za větších teplotních rozsahů než za studena tuhnoucí lepidla. Tab.8 Lepidlo EP 250 EP310S Popis 2-složkové epoxidové, vhodný pro porézní i hladné povrchy 2-složkové epoxidové, tekuté vhodné pro neporózní povrchy, umožňuje velmi tenké vrstvy či spray Další možnosti instalace Vhodný tenzometr Y,C,K,G,LD,LE Y, C, K, G, LD, LE Tvrdnutí 0,5-16 hod Při 100 C:10 hod při 150 C: 2 hod při 200 C: 1 hod Rozsah teplot C C (statické), +310 C (dynamické) Bodově svařované spoje se použijí tam, kde není zaručena požadovaná čistota povrchu. Nutné jsou ale speciální tenzometry (LS31). Není zapotřebí téměř žádná příprava a jejich instalace nevyžaduje téměř žádné zkušenosti. 21

22 Propojení s měřící aparaturou Po nalepení tenzometru se v jejich blízkosti nalepí svorkovnice a k nim se připájí přívody od tenzometrů, aby se na svorku mohly následně připájet i vodiče od měřící aparatury. Na svorkovnice nejsou kladeny speciální požadavky pevnosti spoje, stačí obyčejnější lepidlo, např. chemopren a pokud možno se povrch předtím alespoň očistí. Ochrana tenzometru, krycí prostředky Všeobecně je doporučováno, aby byl tenzometr chráněn proti vlivům vnějšího prostředí, jako je vlhkost či mechanické poškození, poněvadž i malá změna vlhkosti ve vzduchu může ovlivnit signál z tenzometru. Vhodný krycí prostředek musí co nejméně ovlivňovat měřící místo. Tenzometr ani testovaná součást by neměly být vůbec ovlivněny. Krycím prostředkem může být transparentní či silikonová guma, polyuretanový nátěr, hliníková fólie, transparentní či silikonová pryskyřice či viskózní tmel. Vhodný prostředek se vybírá podle teploty aplikace a podle působících vlivů v okolí, jako voda (a zda působí pod tlakem, v podobě páry, či se jedná o tropické klima), olej (motorový, minerální, hydraulický), tuky, rozpouštědla, paliva, alkohol, kyselina, UV záření, Pro každý prostředek je specifikováno, čemu odolává. Jelikož každé měření je specifické, je lepší, když si každý uživatel provede vlastní test odolnosti. Pro praktické použití se prodávají celé soupravy, díky kterým je možná pohodlná i první instalace. Obsahují nejen samotné tenzometry, ale i lepidla, pájecí koncovky, čistící prostředky, smirkový papír, propojovací dráty. Výdrž tenzometrů Chování lepidla a tenzometrů po dlouhé době od instalace závisí podstatně na ochraně místa měření proti vlhkosti a dalším okolním podmínkám (např. okolní teplota). Jakou zátěž tenzometr vydrží je hodně specifické, závisí to na okolních podmínkách, jako je teplotní gradient, způsob spojení, kvalita aplikace a ochrana měřícího místa, v průměru to je 1-5% (-10%). 22

23 3.2. Zapojení tenzometru Při měření tenzometry dochází jen k malým změnám odporů (od 10-4 do 10-2 Ω), proto se nepoužívá přímé metody měření odporu (bylo by velmi obtížné), ale metody srovnávací Wheatstonův můstek, jehož výhoda vynikne především spolu s využitím zesilovače. Díky operačním zesilovačům lze levně realizovat téměř ideální napěťový zdroj pro napájení můstku (s vnitřním odporem blízkým nule) a měřící zesilovač s téměř nekonečným vstupním odporem. Z těchto důvodů se ustálilo v praxi napájení můstku konstantním napětím a snímání napěťového C R 1 R 4 U 1 A B R 3 R 2 D U o U 4 Obr. 3 Wheatstonův můstek U i výstupu můstku obvodem s vysokým vstupním odporem. Zapojení můstku napájeného konstantním napětím je na obr.3 Čtyři odpory značené R 1, R 2, R 3 a R 4 jsou uspořádány do můstku, napájecí diagonála mezi uzly C a D je připojena ke zdroji konstantního napájecího napětí U i, výstupní napětí můstku U o mezi uzly A a B je připojeno k přístrojovému zesilovači s teoreticky nekonečným vnitřním odporem. Napětí U 1 a U 4 lze dle základních zákonů vyjádřit vztahem: U 1 = R1 U i R + R a R4 U 4 = U R + R o Odkud: U o = U 1 U 4 R1 = U i R1 + R 2 R 3 R4 + R 4 U U o i R1 = R1 + R2 R4 R + R 3 4 = ( R + R ) ( R + R ) 1 R R Můstek se nachází ve vyváženém stavu, jestliže U o je nulové, tedy pokud jsou všechny odpory v můstku rovny nule nebo když R 1 R 3 = R 2 R 4. Malé napěťové změny způsobené změnou hodnot odporů v můstku budou vztaženy k tomuto klidovému stavu a budou zesilovány k dalšímu zpracování přístrojovým zesilovačem. Změna výstupního napětí U o je způsobena změnou odporů R 1, R 2, R 3 nebo R 4 o ΔR 1, ΔR 2, ΔR 3 nebo ΔR 4. Tato změna odporu tenzometru vzniká jeho délkovým přetvořením, popř. změnou teploty. 23 R 2 3 R 4 4

24 Chování můstkového zapojení v závislosti na změnách odporů či přetvoření lze při určitém zjednodušení (zanedbání linearity, která nemá větší vliv než 1%) vyjádřit vztahem: ΔU U i o = 1 4 ΔR R1 1 ΔR R 2 2 ΔR + R 3 3 ΔR R 4 4 = k 4 ( ε ε + ε ε ) Způsoby zapojení Existují tři základní možnosti zapojení: celomostové, čtvrtmostové a půlmostové. Celomůstek se používá pro měření s vysokými nároky na dlouhodobou stabilitu, Jedná se o plně teplotně samokompenzační zapojení, které při vhodné instalaci tenzometrů až čtyřnásobně zesílí výstupní signál (obr. 4). Půlmůstek je nejčastější zapojení, kdy jsou zapojeny dva aktivní tenzometry vedle sebe se společným uzlem na výstup U o, doplněné do plného můstku náhradními odpory. Používají se buď dva aktivní tenzometry nebo jeden jako kompenzační. (obr.5). Čtvrtmůstek je nejjednodušší, použije pouze jeden aktivní tenzometr a tři náhradní odpory (obr 6). Pro udržení stálého vstupního napětí se používá zesilovače se zpětnou vstupní vazbou, koriguje se tím vliv odporu přívodní kabeláže. Pro čtvrtmůstej jsou tak použity čtyři vodiče, pro půlmůstek je použito vodičů pět a pro plný můstek je požito vodičů šest. Obr. 4 Obr. 5 Obr. 6 24

25 4. Polovodičové tenzometry 4.1. Použití, výhody Elektrické polovodičové tenzometry se používají k měření deformačních polí v případech, kdy je potřeba měřit extrémně malé deformace na malé ploše, např. u unikátních vědeckých přístrojů či v lékařství. Jsou založeny na principu piezorezistentního jevu, tj. na změně elektrického odporu monokrystalu některého materiálu, např. křemíku či germania. Většina polovodičových tenzometrů v současné době je vyráběna z plátku křemíku ve tvaru tyčinek. Jejich předností je extrémně vysoká citlivost (přibližně 60x větší než u kovových tenzometrů), která umožňuje konstruovat senzory velmi malých rozměrů s vysokou tuhostí jejich měřících členů. Umožňuje také měřit velmi malé veličiny ve jmenovitém rozsahu např. pro sílu 0,05 N nebo zrychlení 0,5 ms -2. Nevýhodou jsou vysoké nároky na tmel spojující polovodičové tenzometry s měřeným objektem Parametry polovodičových tenzometrů ΔR dρ / ρ Součinitel citlivosti dosahuje hodnot k = , k = = 1+ 2μ +, εr ε Δρ o jeho velikosti rozhoduje velikost součinitele piezorezistence π i, = π iσ, ρ k = 1 + 2μ + π E i Specifický odpor polovodiče je vyjádřen závislostí kde e...náboj elektronu N i.počet nositelů náboje r str jejich střední rychlost 1 ρ =, en i r str Měrný odpor ρ lze považovat za jeden z parametrů, kterým je charakterizován materiál polovodiče z hlediska piezorezistentního jevu. K výrobě snímačů se volí materiály s 2 3 ρ 10, 10 Ω / mm. Pro nejpoužívanější materiál lze odvodit parabolickou závislost změny odporu na deformaci. ΔR = C ε C R ε, hodnoty C 1 a C 2 jsou závislé na měrném odporu ρ a jsou uváděny výrobcem tenzometru. Při měření je třeba vzít v úvahu vliv teploty. Závislost odporu nedeformovaného 1 T T0 A1 T T0 tenzometru na teplotě lze vyjádřit vztahem: = ( ) + ( ) 2 A 1 a A 2 jsou konstanty a opět jsou uváděny výrobcem tenzometru. Tato lineární závislost 25 ΔR R A, kde hodnoty

26 však platí jen v určitém rozsahu teplot, do 70 C lze pro běžné materiály dosáhnout samokompenzačních vlastností a není potřeba vliv teploty (ani času) uvažovat. Jinak je nutné uvažovat, že odpor je funkcí deformace ε, teploty T a času t. Polovodičové tenzometry jsou vyráběny mechanickým oddělováním z dotovaného monokrystalu křemíku, dále mechanickým opracováním na žádaný tvar a rozměr a posléze jsou opracovány chemicky. Aktivní délka tyčinky tenzometru mezi vývody je 2 až 10mm, šířka 0,2 až 0,4 mm a tloušťka 0,01 až 0,03 mm. Ohmický odpor polovodičového tenzometru může být 60 až 1000 Ω. Hlavní výhody těchto snímačů tedy jsou: malá velikost nízká hmotnost vysoká přesnost dlouhodobě nezávislá na čase vysoká hodnota výstupního elektrického signálu. 26

27 5. Praktická část 5.1. Úvod V této části se zaměřím na přípravu měření a samotné testování. Cílem mého měření je pozorovat elastické a plastické chování vzorku a instalovaných tenzometrů při opakovaném zatěžování, různou silou a různou rychlostí. Během měření budu také zkoumat vliv různých druhů lepidel a metod přilepení tenzometrů na testované vzorky. Veškerá příprava měření i samotná zkouška probíhala v prostorách ČVUT v laboratořích, které má odbor pružnosti a pevnosti k dispozici. Využila jsem jednak laboratorní učebnu a také prostor v přízemí, kde je umístěn trhací stroj, na kterém jsme zatěžovali vzorky tahem. Použité tenzometry Vzhledem k tomu, že cílem této práce je zjistit vliv lepidel a postupu lepení tenzometrů na jejich trvanlivost při vyšším namáhání, použila jsem při všech zkouškách stejný typ tenzometru. Je to z toho důvodu, aby se nemohly zaměnit jednotlivé vlivy a všechny naměřené údaje byly srovnatelné. Použila jsem tenzometry 6/120LY11 (balení viz obr. 7), jedná se o ocelové tenzometry s jednou měřící mřížkou s vývody. Tyto tenzometry se mohou použít jak pro měření podélné, tak i příčné deformace, záleží pouze na směru instalace. Pro měření příčné a podélné deformace, kterou jsem se zabývala, je vhodné použít tenzometrický kříž. V případě, kdy zkoumám vliv lepidla, je však vhodnější použít dva nezávislé tenzometry, přestože instalace je náročnější. Musela jsem lepit tenzometry dva místo jednoho a musela jsem si také dát pozor na přesnost jejich vzájemně kolmé instalace. Mohu také posoudit, zda dojde k destrukci tenzometrů nainstalovaných podélně a příčně v různou dobu, či zda bude okamžik destrukce téměř stejný. Zvolila jsem si tento typ tenzometrů také proto, že byl na fakultě v době měření k dispozici a je levnější než tenzometrické kříže. Obr. 7 27

28 Použitý materiál Pro všechna měření jsem volila vzorky ze stejného materiálu, aby byla data porovnatelná bez dalších potřebných úprav. Tímto materiálem je dural. Dural je nejrozšířenější hliníkovou skupina Al-Cu4-Mg. Je to typická vytvrditelná slitina. V měkkém stavu má pevnost 200 N/mm 2 a tažnost 20 %. Ve vytvrzeném stavu dosahuje pevnosti 400 až 420 N/mm 2. Má však malou odolnost proti korozi. V praxi se proto někdy plátuje čistým hliníkem v tloušťce asi 5 % tloušťky plechu nebo se spíše upravuje eloxováním. Modul pružnosti je okolo N/mm 2. Hlavní použití je ve stavbě letadel a dopravních zařízení.[9,10] Duralový materiál byl tedy vybrán ze dvou důvodů: jednak splňuje požadovanou tažnost a jednak na ústavu byly k dispozici tyče tohoto materiálu, které bylo možno jednoduše použít na vzorky. Tažnost duralu dosahuje 20% a udávaná maximální tažnost tenzometrů LY je ± 5%, což není ani tažnost zaručená. Čtyřnásobná rezerva v tažnosti materiálu se mi jeví jako dostatečná, s vysokou pravděpodobností se dá očekávat, že ke kolapsu tenozometrů dojde dříve než dojde k poškození duralového materiálu. Ploché tyče duralového materiálu, které byly k dispozici, nebylo třeba speciálně upravovat. V první části měření jsem se zaměřila na elastickou oblast deformací, a proto jsem použila vzorky bez jakýchkoli úprav, přesně tak, jak byly k dispozici v laboratořích přímo od výrobce. Pro další část měření, kde už jsem se zaměřila na plastické chování a tedy větší deformace, při kterých už je vysoce pravděpodobná destrukce tenzometrů, jsem nechala vzorky zúžit. Tvar a rozměry vzorků pro tahové zkoušky jsou normalizovány, a proto se i tato úprava provedla dle norem, a to konkrétně dle normy ČSN : Zkoušení kovů. Zkušební tyče ploché, tloušťky od 4 do 50 mm, pro zkoušku tahem. Původní vzorky se zúžily ve svém středu na polovinu původní tloušťky, tím se zvýšilo maximální dosažitelné napětí v daném případě ze 400 MPa na 800 MPa, což už umožňovalo dostatečně velkou deformaci (předpoklad minimálně 10%), pro destrukci tenzometrů je dostatečná deformace 5%. Kombinace duralového materiálu s tenzometry LY Na první pohled by mohl nastat problém při použití kovových tenzometrů spolu s duralovým materiálem. Tyto dva materiály mají rozdílný teplotní součinitel lineární roztažnosti a při změně teplot okolí i při konstantním namáhání by mohlo dojít ke změnám naměřených hodnot. Tyto zkoušky jsem ale prováděla v laboratorních 28

29 podmínkách, kde se předpokládá stálá okolní teplota, tj. 20 C. Když vezmu v úvahu teplotní součinitel roztažnosti ocelového tenzometru 10, K -1 a duralu 23, K -1, pak při k-faktoru tenzometru 2,05. ΔR R T = k( α α ) ΔT s v 29 ΔR / R0 ΔR / R k = = Δl / l ε ΔR / R0 6 6 ε T = = [( α s α v )] ΔT = ( 10,8 23,5) 10 1 = 12,7 10 = k Změna okolní teploty o 1 C vyvolá změnu deformace o 12,7 µi. Změny v jednotkách stupňů teploty tedy vyvolají změnu v desítkách mikrojednotek deformace. V mém případě budou deformace dosahovat hodnot tisíců až desetitisíců µi, tudíž uvažuji-li deformaci zapříčiněnou i pětistupňovou změnu teploty, bude to zanedbatelná změna vůči prodloužení vyvolanému tahem. Změna okolní teploty o 1 C tedy způsobí změnu v celkové deformaci 0,1% až maximálně 1% při nízkých hodnotách deformací. Použité druhy lepidel Pro měření postupně použiji dvě různá lepidla, u kterých očekávám rozdílné charakteristiky chování při zatěžování. Předpokládám, že za nižších hodnot deformací se obě lepidla budou chovat stejně, ale při vyšších deformacích již budou patrné rozdíly. Rozpoznat a popsat tyto rozdíly je právě cílem mé práce: 1) Z70, které se aplikuje za běžných teplot, je jednosložkové lepidlo s velmi jednoduchou aplikací. Aplikuje se tenká tekutá vrstva. V praktické aplikaci se jedná o obdobu vteřinového lepidla 2) X60, jenž se také aplikuje za pokojových teplot, je dvousložkový tmel Polymethyl Methacrylát a aplikuje se na rovné savé nebo zdrsněné povrchy. Doba tuhnutí je 5 min při teplotě 20 C, to dává možnost korigovat polohu tenzometru při špatném prvním položení. Detailnější popis obou lepidel je uveden v teoretické části, kde je možné se dozvědět, pro jaké tenzometry jsou lepidla vhodná, při jakých teplotách se používají a je zde návod na použití/lepení a skladování. Celé měření se dá rozdělit do dvou částí. Cílem mého prvního měření (dva vzorky) bylo vypozorovat charakteristické vlastnosti vzorků a tenzometrů, jako je modul pružnosti a Poissonovo číslo. Tyto hodnoty sloužily jako referenční pro další měření. Při další části měření už jsem se zaměřila na vliv různých druhů lepidel, metod instalace/lepení tenzometrů na testované vzorky a rychlosti zatěžování při tahové zkoušce. Při první části měření používám pouze jeden druh lepidla a to Z70, které je 0 0

30 jednodušší na instalaci, a teprve v druhé části jsem vyzkoušela i lepidlo X60 a mohla skutečně sledovat rozdíly v chování obou lepidel. Provedené zkoušky Vzorky, na kterých jsou umístěny tenzometry, jsem zatěžovala prostým tahem. Namáhání tahem nastává tehdy, když na součást v její ose působí dvě stejně velké síly opačného smyslu. Namáhání součástí bývá však daleko složitější (namáhání kombinované). Zkouška tahem je nejrozšířenější mechanickou zkouškou, je jednou ze základních a nejdůležitějších zkoušek vůbec a je předepsaná normou EN Použité zařízení Ke zkouškám sloužil Univerzální trhací stroj FPZ 100/1 (obr. 8), hodnoty byly zaznamenávány pomocí měřící ústředny HBM Spider 8 (obr. 9). Tato ústředna umožňuje zaznamenávat data z externího měřícího zařízení, tj. deformace měřené pomocí tenzometrů. Dále nabízí možnost řízení pomocí osobního počítače přes paralelní rozhraní (LPT). Vlastní program přebírá kontrolu nad tenzometrickou ústřednou a zaznamenává poměrné deformace jednotlivých tenzometrů, umožňuje snímaní až 8 kanálů současně. Maximální možné přenášené zatížení trhacím strojem FPZ 100 je silou 100 kn. Obr. 8 Obr První část měření elastické deformace V první části jsem se zaměřila na měření charakteristik při elastických deformacích. Pomocí hodnot získaných z tenzometrů budu zkoumat vlastnosti duralového materiálu, který jsem měla k dispozici. Vyzkouším si prakticky, jak správně očistit povrch a instalovat tenzometry, v této první části pouze s lepidlem Z70, avšak přípravu povrchu, kterou si zde natrénuji budu moci využít i ve druhé části, kde použiji i dvousložkové lepidlo X60. 30

31 Geometrie původních neupravovaných vzorků První zkoušky se uskutečnily na neupravených vzorcích s původními rozměry. Začala jsem se dvěma vzorky, na kterých jsem si vše mohla vyzkoušet a naučit a také vypozorovat vlastnosti materiálu a tenzometrů. Před samotnou zkouškou a instalací tenzometrů jsem vzorky pečlivě proměřila, abych mohla dále zpracovávat data z následné tahové zkoušky. Obě duralové tyče jsou v průměru dlouhé 330 mm. aktivní délka OBR. Tab. 9 [mm] [mm 2 ] Zk. těleso Veličina Rozměry Průměr Směrodatná Plocha Směrodatná odchylka průměr odchylka Vzorek šířka 24,9224,9124,9824,9124,91 24,93 ±0, ,4 ±1,892 1 tloušťka10,07 9,92 9,88 9,88 9,93 9,94 ±0,0701 Vzorek šířka 24,9224,9324,9324, ,95 ±0, tloušťka 9,91 9,9 9,91 9,9 9,93 9,91 ±0, ,2 ±0,586 Rozměry obou vzorků jsou téměř identické a dají se považovat za stejné. Rozdíl v ploše příčného průřezu, který se použije při výpočtu napětí je minimální, v řádu desetin mm, průřez A 1 = 247,66 ±1,892 mm 2, A 2 = 247,21 ±0,586 mm 2. Tento rozdíl je menší než rozptyl hodnot v rámci jednoho vzorku. Rozhodnutí o umístění tenzometrů Tenzometry se umísťují do míst, kde je žádoucí zjistit míru deformace. V mém případě není toto místo specificky určeno, a proto jsem určila, že tenzometry umístím doprostřed aktivně měřené oblasti. Tímto docílím, aby tenzometry byly umístěny uprostřed mezi čelistmi v trhacím stroji. Nejprve jsem si musela kovový prvek proměřit a pak rozhodnout, kam tenzometry umístit. Vzhledem k tomu, že na jedné straně duralového vzorku byly kruhové otvory, které by nejspíše ovlivnily měření, uvažovala 31