UNIWERSYTET ROLNICZY

IM. HUGONA KOŁŁĄTAJA W KRAKOWIE

WYDZIAŁ INŻYNIERII PRODUKCJI I ENERZGETYKI

Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu:

NAUKA O MATERIAŁACH

Temat ćwiczenia:

Próba statyczna ściskania materiałów
sprężysto - plastycznych i kruchych

1. Wprowadzenie

Próba ściskania jest odwróceniem próby rozciągania, dlatego też wszystkie wielkości mechaniczne wyznacza się podobnie jak przy próbie rozciągania. Próba musi być tak przeprowadzona, aby uzyskać osiowe ściskanie, a płaszczyzny ściskające próbę mogły ustawić się równolegle do płaszczyzn podstaw próbki
(rys. 1).

Rys. 1. Statyczna próba ściskania materiałów

Próba statyczna ściskania dla różnych tworzyw przebiega inaczej ze względu na charakter odkształceń i zniszczenia. Charakterystyki ściskania dla różnych tworzyw przedstawiono na rysunku 2.

Rys. 2. Charakterystyki ściskania dla różnych tworzyw

Próbki z plastycznych metali nie mogą być zniszczone przy ściskaniu, w sensie utraty spójności między częściami próbki, natomiast intensywnie pęcznieją przyjmując kształty beczułkowate. To ostatnie zjawisko jest wynikiem tarcia między podstawami próbki, a płaszczyznami docisku. Ta sama przyczyna podczas ściskania próbek z tworzyw kruchych powoduje to, że płaszczyzna utraty spójności występuje w niej pod kątem około 45°, tj. w jednej z płaszczyzn głównych. Przy zlikwidowaniu tarcia dla próbek kruchych powstają złomy rozdzielcze równoległe do kierunku działania siły. Typy złomów dla różnych tworzyw przedstawia rysunek 3:

a) metal plastyczny,

b) metal małoplastyczny - złom poślizgowy,

c) metal kruchy przy smarowaniu płaszczyzn czołowych,

d) beton - wykruszenie się boków,

e) drewno.

Rys. 3. Typy złomów rozdzielczych

2. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest doświadczalne wyznaczenie wielkości mechanicznych przy statycznej próbie ściskania:

• wytrzymałości na ściskanie R_c w przypadku, gdy próbka materiału podczas próby ulega zniszczeniu (żeliwo, beton, drewno),

• granicy plastyczności R_ec, skrócenia względnego A_kc, rozszerzenia względnego Z_c (sprężysto - plastyczne metale i ich stopy).

Ćwiczenie dzieli się na następujące próby:

I. Próba statyczna ściskania metali

Próba ta jest objęta normą PN-57/H-04320

Wytrzymałość na ściskanie R_c to naprężenie odpowiadające największej sile obciążającej uzyskanej w czasie ściskania w odniesieniu do pola pierwotnego przekroju poprzecznego próbki:

(1

gdzie: F_c - największa siła powodująca zniszczenie próbki [N],

S_o - pole pierwotnego przekroju poprzecznego próbki [mm].

Granica plastyczności R_ec jest to naprężenie, po osiągnięciu którego następuje trwałe odkształcenie ściskanej próbki:

(2

gdzie: F_ec - siła odpowiadająca na wykresie załamaniu krzywej lub przystankowi w przypadku gdy nie występuje wyraźna granica plastyczności [N].

Skrócenie względne A_c to skrócenie próbki po jej ściśnięciu odniesione do dugości

początkowej wyrażone w procentach:

(3

gdzie: l₀ - pierwotna długość pomiarowa próbki [mm],

l₁ - długość pomiarowa próbki po jej skróceniu [mm].

Rozszerzenie względne przekroju Z_c to zwiększenie pola przekroju poprzecznego próbki po jej ściśnięciu, odniesione do pola pierwotnego przekroju wyrażone w procentach:

Próby przeprowadza się na próbkach znormalizowanych o średnicy d₀ = 10, 20 lub 30mm i wysokości:

h₀ = kd₀ (5

gdzie: k - krotność próbki, dla próby statycznej wynosi ona 1,5.

II. Próba statyczna ściskania drewna.

Próba jest objęta normą PN-71/D-04102. Celem próby jest wyznaczenie wytrzymałości drewna na ściskanie wzdłuż włókien. Badania przeprowadza się na kostkach 2x2x3cm (wysokość równa 3cm). Dopuszczalne odchyłki wymiarowe przy wykonywaniu próbek wynoszą ±0,1cm. Wilgotność próbek w chwili badania winna wahać się w granicach 10÷20%.

3. Opis stanowiska badawczego

Do przeprowadzenia ćwiczenia potrzebne są po trzy próbki dla każdego badanego materiału. Przy ściskaniu próbek z materiałów kruchych należy, ze względów bezpieczeństwa, osłonić je drobną siatką. Próbę przeprowadza się na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej, jak na zdjęciu poniżej (rys.6).

Rys. 6. Maszyna wytrzymałościowa MTS wraz z przystawką do ściskania

Charakterystyka techniczna maszyny wytrzymałościowej MTS

Urządzenie napędzane jest przy pomocy precyzyjnego napędu (Precision DC Servo Motor), dzięki któremu jest możliwa zmiana pozycji o 0,001 mm. Daje ono również szeroki zakres prędkości roboczych głowicy od 0,001 do 1000 mm/min. Główne parametry urządzenia podano w tabeli 1.

Tab. 1. Specyfikacja urządzenia wytrzymałościowego Insight 2

Maksymalna siła obciążająca	2 kN
Minimalna prędkość testu	0,001 mm/min.
Maksymalna prędkość testu	1000 mm/min.
Maksymalna siłą obciążająca przy maksymalnej prędkości testu	2 kN
Maksymalna ciągła siła	1 kN
Maksymalna prędkość testu przy ustalonej sile obciążającej	1000 mm/min.
Powrotna prędkość głowicy	1000 mm/min.
Ilość miejsca na próbę w pionie	750 mm
Ilość miejsca na próbę w poziomie	100 mm
Zmiana pozycji	0,001 mm
Dokładność pozycji	0,01 mm
Dokładność ustalonej prędkości [%]	± 0,005
Typ silnika	Precision DC Servo Motor
Typ systemu napędu	DC 4 Quadrant Motor Drive
Pomiar pozycji	Koder optyczny
Typ śrub	Przeciw luzujące
Sztywność ramy	7 kN/mm
Wysokość/ szerokość/ głębokość	1140 X 490 X 450
Waga	50 kg
Moc	0,33 kW

Maszyna sterowana jest z komputera za pomocą programu TestWorks 4. Jest to rozbudowana aplikacja pozwalająca na szerokie wykorzystanie urządzenia pod kątem wytrzymałości materiałów. Główną cechą programu jest łatwe i szybkie testowanie materiałów. W ogólnym pakiecie testowym są wyodrębnione cztery kategorie testowania: rozciąganie, ściskanie, zginanie, ścinanie.

Przed przystąpieniem do badań należy wcześniej wybrać jakie operacje pracy ma realizować program sterujący maszyną, a także wprowadzić odpowiednio potrzebne do tego parametry. Możemy je podzielić na te, które bezpośrednio identyfikują badany materiał (długość, masa) oraz te, które zawierają dane dotyczące i ustalające przebieg procesu.

4. Przebieg ćwiczenia

Dla każdej z wymienionych prób ściskania ćwiczenie należy przeprowadzić następująco:

a) zmierzyć średnicę próbki d₀ i jej wysokość h₀ za pomocą suwmiarki elektronicznej z dokładnością do 0,01mm, pomiary średnicy przeprowadzić w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach, a za średnicę w danym miejscu próbki przyjąć średnią z obu pomiarów,

b) starannie oczyścić z brudu i usunąć wszelkie ślady tłuszczu z powierzchni czołowych próbek i powierzchni płyt naciskowych,

c) ustawić położenie próbki tak, aby oś próbki pokrywała się z osią maszyny,

d) uruchomić maszynę wytrzymałościową i dobrać prędkość ściskania tak, aby nie przekroczyć 10 [N/mm^.s].

e) zarejestrować (o ile istnieje) siłę F_ec odpowiadającą wyraźnemu zatrzymaniu się lub zmniejszeniu wartości siły,

f) zanotować siłę przy zniszczeniu (o ile nastąpiło),

g) zmierzyć wysokość i średnice próbki po odkształceniu,

h) próbę powtórzyć trzy razy, a wyniki umieścić w tabeli pomiarowej 1.

5. Prezentacja i analiza wyników badań

Wyniki pomiarów należy umieścić w tabeli pomiarowej 1.

Należy obliczyć powierzchnię S₀ przekroju poprzecznego próbki z dokładnością do ±0,3%, wyznaczyć wartości R_c, R_ec, A_c oraz Z_c (wzór 1-4), a następnie obliczyć dla nich wartości średnie.

Tabela pomiarowa.

Materiał

Nr pomiaru

Próbka

Wyniki pomiarów

Wymiary

Własności wytrzymałościowe

Własności plastyczne

d0

h0

S0

Fc

Fec

Rc

Rec

d1

h1

S1

Ac

Zc

[mm]

[mm^2]

[kN]

[MPa]

[mm]

[mm^2]

[%]

1

Wartości średnie

6. Sprawozdanie studenckie powinno zawierać:

a) Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego,

b) Opis stanowiska badawczego,

c) Opis przebiegu realizacji eksperymentu,

d) Rysunki zniszczonych próbek,

e) Zestawienie wyników badań w tabelach oraz ich analizę,

f) Wnioski, w których należy omówić obserwowane zjawiska.

7. Literatura

1. Jakowluk Anatoliusz: Mechanika techniczna i ośrodków ciągłych. Ćwiczenia laboratoryjne.

2. Stawarski E., Jakubowski J., Bystrowski Janusz.: Wytrzymałość materiałów. Ćwiczenia laboratoryjne. Wydawnictwa AGH, Kraków 1999.

3. Banasiarska M.: Ćwiczenia laboratoryjne z wytrzymałości materiałów. Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1979.

---