background image

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. 

background image

 

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

d

h

o

 

background image

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 

beczkowaty 

kształt 

 

próbek 

ściskanych, 

wykonanych  

z materiałów sprężysto-plastycznych 

a) 

– 

kształt 

początkowy 

próbki, 

b), 

c) 

– 

 

skracanie 

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. 

background image

 

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 

układzie 

,  

(naprężenie – skrócenie względne) 

background image

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

background image

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] 

 

 

background image

 

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. 

background image

  

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: