Temat 2 (2 godziny) : Próba statyczna ściskania metali

2.1. Wstęp

Próba statyczna ściskania jest podstawowym sposobem badania materiałów kruchych takich
jak żeliwo czy beton, które mają znacznie lepsze własności mechaniczne przy ściskaniu w
porównaniu z rozciąganiem. Dla tych materiałów podstawą do wyznaczania własności
mechanicznych jest próba statyczna ściskania metali objęta Polską Normą PN-91/H-04320
[2].

2.2. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie na podstawie statycznej próby ściskania wielkości
wytrzymałościowych takich jak wyraźna granica plastyczności przy ściskaniu, wytrzymałość
na ściskanie, względne skrócenie.

2.3. Rodzaje stosowanych próbek

W tym doświadczeniu przeważnie stosuje się próbki walcowe. Średnica próbki d

0

musi być

niewiele mniejsza od jej wysokości h, aby nie nastąpiła utrata stateczności w postaci
wyboczenia podczas jej ściskania. Zaleca się stosowanie średnic próbek 10, 20 lub 30 mm.
Wysokość próbki h zwykle powinna wynosić:

h = x d

o,

(2.1)

gdzie:
x – krotność próbek przy ściskaniu:

x = 1,5 dla próbek krótkich, przeznaczonych do próby zwykłej,
x = 3,0

dla próbek długich, przeznaczonych do wyznaczania umownej granicy

plastyczności przy ściskaniu R

c0,2

, czyli naprężenia, którego osiągnięcie

powoduje trwałe skrócenie próbki o 0,2% pierwotnej długości pomiarowej,

x = 10 dla próbek długich przeznaczonych do wyznaczenia modułu sprężystości

podłużnej przy ściskaniu E

c

.

Próbki powinny być obrabiane mechanicznie. Powierzchnie czołowe próbki powinny być
równoległe względem siebie i prostopadłe do osi próbki. Zaleca się szlifowanie powierzchni
czołowych próbki.
Próbę przeprowadza się na uniwersalnych maszynach wytrzymałościowych, bądź z użyciem
zwykłych pras hydraulicznych wyposażonych w siłomierz i rejestrator, który rejestruje
zmiany skrócenia próbki w zależności od siły ściskającej. Prawidłowe ustawienie próbki
między płytami naciskowymi maszyny pokazane jest na rysunku 2.2.

Rys. 2.1. Próbka walcowa przewidziana do przeprowadzania statycznej próby ściskania

Rys.

2.2.

Schemat

prawidłowego

ustawienia

próbki

między

płytami

maszyny

wytrzymałościowej

1 – przegub kulisty, 2 – ściskana próbka , d

o

, h

o

– średnica i wysokość próbki, r

k

– promień przegubu

kulistego

Powierzchnie płyt naciskowych powinny być płaskie, polerowane i twardsze od badanych
próbek. Jedna z płyt naciskowych powinna mieć przegub kulisty, który eliminuje punktowy
styk między płytą a podstawą próbki oraz ułatwia równomierne przyleganie. Oś próbki
powinna pokrywać się z osią obciążenia.
2.4. Ściskanie materiałów sprężysto-plastycznych

Na rys.2.5 przedstawiono przykładowy wykres ściskania próbki okrągłej d

o

= 15 mm i h =

22,5 mm wykonanej ze stali niskowęglowej. Kształt wykresu, podobnie jak przy rozciąganiu,
zależy od rodzaju materiału i wymiarów próbki. Wykres ściskania we współrzędnych :

naprężenie w przekroju prostopadłym do osi próbki:

0

S

F

oraz skrócenie względne

0

h

h

przedstawione jest na rys.2.6. Krzywa przedstawia naprężenia rzeczywiste obliczone jako
iloraz aktualnej siły ściskającej F do pola przekroju próbki S

0

. W początkowym okresie

ściskania, materiały sprężysto-plastyczne takie jak aluminium, miedź, cynk, miękka stal

r

k

d

o

h

o

zachowują się podobnie jak podczas próby rozciągania: występuje więc granica
proporcjonalności R

H

, granica sprężystości R

s

, oraz wyraźna granica plastyczności R

plc

,:

0

S

F

R

plc

plc

,

(2.2)

gdzie:
S

0

– powierzchnia początkowa przekroju poprzecznego próbki ściskanej.

Granicy plastyczności R

plc

na wykresie odpowiada załamanie lub wygięcie krzywej, a na

siłomierzu jest to zatrzymanie się wskazówki, a czasami jej spadek przy szybkim wzroście
odkształcenia. Dalsze zwiększanie siły ściskającej powoduje pęcznienie i skrócenie próbki,
przedstawione schematycznie na rys. 2.3. Krzywa na wykresie zaczyna szybko wzrastać do
końca zakresu maszyny wytrzymałościowej, wtedy najczęściej próbę się przerywa.

a)

b)

c)

Rys.

2.3.

Spłaszczenie

i

beczkowaty

kształt

próbek

ściskanych,

wykonanych

z materiałów sprężysto-plastycznych

a)

–

kształt

początkowy

próbki,

b),

c)

–

skracanie

i

pęcznienie

próbki

w trakcie zwiększania siły ściskającej

Mimo spłaszczenia nie widać na próbce oznak pęknięć, na powierzchni bocznej mogą się
pojawiać drobne rysy spowodowane naprężeniami rozciągającymi, a nie ściskającymi, które
powstają wskutek przyjmowania przez próbkę kształtu beczkowatego. To ostatnie zjawisko
jest wynikiem tarcia jakie występuje między podstawami próbki, a płytami dociskowymi.
Ponieważ próbki z metali sprężysto-plastycznych nie ulegają zniszczeniu kruchemu, dlatego
dla tych materiałów wytrzymałości na ściskanie nie wyznaczamy.

Rys. 2.4. Wykres ściskania stali niskowęglowej w układzie F –

L (siła – skrócenie),

d

o

= 15 mm, h = 22,5 mm

Rys.

2.5.

Wykres

ściskania

stali

niskowęglowej

w

układzie

,

(naprężenie – skrócenie względne)

2.5. Ściskanie materiałów kruchych

Próbę przeprowadza się w identycznych warunkach jak dla materiałów sprężysto-
plastycznych, jednak ściskanie ma inny przebieg. Na rysunku 2.6 pokazany jest
przykładowy wykres ściskania próbki wykonanej z żeliwa o średnicy d

0

= 20 mm i

wysokości h = 30 mm.

a)

b)

Rys. 2.6. Wykresy ściskania próbki wykonanej z żeliwa o średnicy d

0

= 25 mm i wysokości h = 37,5 mm, we

współrzędnych:
a) siła – skrócenie, b) naprężenie – skrócenie względne

Wykresy prawie od początku posiadają charakter krzywoliniowy, odbiegający od prawa
Hooke’a. Nie można więc tu mówić o stałej wartości modułu sprężystości podłużnej E, ani o
granicy proporcjonalności R

H

. Dla celów praktycznych wprowadza się wartość średnią

modułu E. W miarę wzrostu siły ściskającej wykres coraz bardziej się zakrzywia, osiąga
maksimum, po czym nagle się urywa z powodu zniszczenia próbki. Kształt próbki
bezpośrednio przed zniszczeniem jest lekko beczkowaty, co świadczy o istnieniu niewielkich
tylko odkształceń trwałych. Nie ma tu wyraźnej granicy plastyczności R

plc.

Obciążenie

maksymalne F

c

służy do wyznaczenia wytrzymałości na ściskanie R

c

:

R

c

=

o

c

S

F

[MPa]

(2.3)

Rys. 2.7. Złom próbki wykonanej z żeliwa

Wytrzymałość na ściskanie R

c

dla żeliwa jest około 3 razy większa od wytrzymałości na

rozciąganie R

m

. Jest to cecha materiałów kruchych, przykładowo dla betonu R

c

= (5 ÷ 20) R

m

,

dla granitu R

c

= (40 ÷ 70) R

m

, próbka zostaje również ścięta w płaszczyźnie nachylonej do osi

próbki pod kątem

4

.

2.6. Ściskanie innych materiałów

Wykresy przedstawiające ściskanie są różne dla różnych materiałów, ze względu na charakter
odkształceń i zniszczenia końcowego. Przykładowe wykresy ściskania przedstawiono dla
różnych materiałów pokazanych na rysunku 2.8. Próbki metali plastycznych, takich jak
miękka stal, cynk, aluminium, ołów nie mogą ulec zniszczeniu przy ściskaniu, natomiast ich
odkształcenie polega na pęcznieniu, które przyjmuje kształt beczkowaty, co jest wynikiem
tarcia między podstawami próbki a płaszczyznami docisku (rys. 2.9 a). Przy ściskaniu
materiałów kruchych, takich jak stale o podwyższonej zawartości węgla, żeliwo występuje

złom poślizgowy w płaszczyźnie nachylonej do osi próbki pod kątem

4

(rys. 2.9 b).

Rys. 2.8. Porównanie wykresów ściskania kilku wybranych materiałów [18]

Rys. 2.9. Typy złomów próbek wykonanych z różnych materiałów [18]

a – stal niskowęglowa, złom plastyczny, b – stal o zwiększonej zawartości węgla, złom poślizgowy, c – stal
o zwiększonej zawartości węgla, przy smarowaniu płaszczyzn czołowych, złom kruchy, d – beton, uwidocznione

stożki, próbę przeprowadza się po upływie 28 dni od momentu wykonania próbek, e – drewno, złom
poślizgowy, próbki wykonane są w kształcie kostek 20 20 30 mm

2.7. Przebieg ćwiczenia:

– zmierzyć średnicę próbki d

0

za pomocą suwmiarki i określić krotność próbki,

– przygotować maszynę do próby ściskania, to jest wybrać odpowiedni zakres maksymalnej siły,

sprawdzić czystość płyt dociskowych i urządzenie rejestrujące wykres ściskania,

– ustawić próbkę między płytami dociskowymi maszyny,
– uruchomić maszynę i obserwować przebieg ściskania,
– zmierzyć za pomocą suwmiarki wymiary próbki, podać wielkości pomiarowe,
– wyniki wpisać do protokółu pomiarów.

2.8. Opracowanie wyników badań

Sprawozdanie powinno zawierać:

– określenie celu próby,
– rysunki próbek przed ściskaniem i po ściskaniu,
– wykres ściskania otrzymany z maszyny wytrzymałościowej,
– protokół pomiarów, tabela protokółu dostępna jest na pulpicie monitora komputerowego pod

nazwą ściskanie.xls,

– wnioski.

Protokół pomiarów: statyczna próba ściskania
Próbka nr:
Materiał:

próbka przed ściskaniem

próbka po ściskaniu

Krotność próbki x =
d

o

=

[mm]

d

u

=

[mm]

a

o

=

[mm]

a

u

=

[mm]

b

o

=

[mm]

b

u

=

[mm]

h

o

=

[mm]

h

u

=

[mm]

S

o

=

[mm

2

]

S

u

=

[mm

2

]

Warunki wykonania próby
Zrywarka

Zakres siłomierza

[kN]

Dokładność odczytu [N]

Posuw roboczy

[mm/min]

Wartości sił obciążających
F

plc

=

[N]

F

c

=

[N]

F

u

=

[N]

Wyniki próby
R

plc

=

[MPa]

R

c

=

[MPa]

A =

[%]

Z =

[%]

Uwagi dotyczące przełomu i inne

Podpis wykonującego ćwiczenie: