Statyczna próba ściskania, Ćwiczenia z Materials Physics

Pobierz Statyczna próba ściskania i więcej Ćwiczenia w PDF z Materials Physics tylko na Docsity! STATYCZNA PRÓBA ŚCISKANIA 1. WSTĘP Statyczna próba ściskania, obok statycznej próby rozciągania jest jedną z podstawowych prób stosowanych dla określenia właściwości mechanicznych materiałów. Celem próby na ściskanie materiałów jest wyznaczenie charakterystyki (naprężenie – odkształcenie)   , na podstawie której określa się: wartości naprężeń powodujących zniszczenie materiału, wartości parametrów mechanicznych takich jak: granica sprężystości lub plastyczności materiału oraz wartość pracy odkształcenia (energia odkształcenia próbki). Próba ściskania jest niejako „odwróceniem” próby rozciągania - wykres ściskania niektórych metali jest symetryczny do wykresu rozciągania w zakresie ujemnych naprężeń i odkształceń – jego prostoliniowa część jest niemal równa, co do wielkości tej części przy rozciąganiu. Taki stan, jeżeli pominie się wpływ zamocowania próbki, stanowi o istnieniu jednoosiowego stanu naprężenia w próbce ściskanej jak i rozciąganej. Stąd też, wszystkie wielkości mechaniczne wyznacza się podobnie jak przy próbie rozciągania z tym, że stan odkształcenia próbki w obszarze sprężystym i plastycznym reprezentuje tu względne skrócenie jednostkowe (1):   ∆   (1) gdzie: L0 - pierwotna długość pomiarowa próbki, która może pokrywać się z pierwotną wysokością próbki h0, L1 - chwilowa długość pomiarowa próbki ∆L - bezwzględne skrócenie próbki, jak również względne rozszerzenie przekroju. Umowna granica sprężystości przy ściskaniu Re 0,01 jako naprężenie, po osiągnięciu, którego długość pomiarowa próbki doznaje trwałego skrócenia równego 0,01% początkowej długości pomiarowej (2):  ,   ,     (2) gdzie: PC 0,01 - siła obciążająca powodująca skrócenie próbki równe 0,01 % początkowej długości pomiarowej, A0 - pole powierzchni pierwotnego przekroju poprzecznego próbki. Wyraźną granicą plastyczności przy ściskaniu Re nazywa się naprężenie, po osiągnięciu którego następuje trwałe odkształcenie ściskanej próbki (3):        3 gdzie: PC - siła odpowiadająca wyraźnej granicy plastyczności przy ściskaniu, A0 - pole powierzchni pierwotnego przekroju poprzecznego próbki. Dla metali nie wykazujących wyraźnej granicy plastyczności wyznacza się umowną granicę plastyczności (4):  ,   ,    (4) Wartość umownej granicy plastyczności przy ściskaniu Re 0,2 równa ilorazowi siły PC 0,2 która odpowiada trwałemu skróceniu próbki o 0,2 % początkowej długości pomiarowej i pola powierzchni początkowego przekroju poprzecznego próbki. Ponieważ próbki z materiału plastycznego nie ulegają zniszczeniu, najczęściej po przekroczeniu granicy plastyczności próbę przerywa się. Natomiast próbki z materiałów kruchych (żeliwo, kość) nie mają wyraźnej granicy plastyczności i podczas próby ulegają zniszczeniu. W tym przypadku, granica plastyczności co do wartości zbliżona jest do maksymalnej wartości naprężenia przy siły jaką przenosi próbka Pc. Zatem naprężenie Rm otrzymane jako stosunek największej siły obciążającej Pc, powodującej zniszczenie próbki, do pola powierzchni pierwotnego przekroju poprzecznego nazywa się wytrzymałością na ściskanie.         (5) Przez zniszczenie rozumiemy albo złom, albo osiągnięcie odkształceń trwałych niedopuszczalnie wielkich z punktu widzenia konstrukcji. 2. RODZAJE PRÓBEK Wprawdzie oznaczenie wartości naprężeń przy rozciąganiu i ściskaniu różni je tylko znakiem to jednak przeprowadzenie próby ściskania nastręcza porównaniu z próbą rozciągania wiele trudności, a interpretacja jej wyników – wątpliwości [1]. Rysunek 2-1 Wyboczenie ściskanego pręta Pręt ściskany musi mieć odpowiednie wymiary długości do przekroju, w przeciwnym może dojść do wyboczenia (jest to stan, gdzie oprócz ściskania siłą Pkr, powstaje również Przydatność praktyczna tej zasady jest niewątpliwa, pozwala bowiem na pewne idealizacje i uproszczenia w rozwiązywaniu konkretnych zadań. Próbę ściskania stosuje się do celów technicznych do materiałów kruchych; jest to również konieczne ponieważ materiały wykazują dużo większą wytrzymałość na ściskanie niż na rozciąganie (Rys. 2-4). 3. PRÓBA NA ŚCISKANIE RÓŻNYCH RODZAJÓW MATERIAŁÓW Próba statyczna ściskania dla różnych tworzyw przebiega inaczej ze względu na charakter odkształceń i zniszczenia. Charakterystyki naprężenie- odkształcenie uzyskane w statycznej próbie na ściskanie dla różnych tworzyw przedstawiono na Rys. 3-1. Rysunek 3-1 Typowe charakterystyki naprężenie - odkształcenie uzyskane różnych typów materiałów [4] Tabela 3-1 Normy dotyczące statycznej próby na ściskanie odnoszące się do różnych materiałów konstrukcyjnych. Rodzaj i nazwa normy Przedmiot normy PN-EN 12290:2007 Techniczna ceramika zaawansowana. Właściwości mechaniczne kompozytów ceramicznych w wysokiej temperaturze, w atmosferze gazów obojętnych. Oznaczanie właściwości przy ściskaniu. PN-EN ISO 604:2006 Tworzywa sztuczne. Oznaczanie właściwości przy ściskaniu. PN-EN ISO 604:2004 Tworzywa sztuczne. Oznaczanie właściwości podczas ściskania. PN-EN ISO 7500-1:2002 Metale. Sprawdzanie statycznych jednoosiowych maszyn wytrzymałościowych. Część 1: Maszyny wytrzymałościowe rozciągające/ściskające. Sprawdzanie i kalibracja układu pomiarowego siły. PN-EN 24506:1997 Węgliki spiekane. Próba ściskania. PN-H-83119:1980 Żeliwo szare. Próba statyczna ściskania. PN-D-04102:1979 Drewno. Oznaczanie wytrzymałości na ściskanie wzdłuż włókien. PN-D-04229:1977 Drewno. Oznaczanie wytrzymałości na ściskanie w poprzek włókien. PN-D-04115:1958 Fizyczne i mechaniczne własności drewna. Oznaczanie współczynnika sprężystości przy ściskaniu wzdłuż włókien. PN-H-04320:1957 Próba statyczna ściskania metali. W zależności od badanego materiału, zarówno warunki pomiaru jak i rodzaj czy kształt próbek poddawanych statycznej próbie na ściskanie mogą się różnić między sobą i są one określone w poszczególnych normach. W tabeli 3-1 przedstawiono przykładowe normy dotyczące statycznej próby na ściskanie odnoszące się do różnych materiałów konstrukcyjnych. Statyczna próba ściskania metali jest objęta normą PN-57/H-04320. Według tej normy próba ściskania nazywa się próbą zwykłą, jeżeli jej celem jest wyznaczenie wytrzymałości na ściskanie, wyraźnej granicy plastyczności, skrócenia względnego oraz sporządzenie wykresu ściskania. Celem próby ścisłej jest określenie współczynnika sprężystości wzdłużnej przy ściskaniu Ec, umownej granicy sprężystości i umownej granicy plastyczności. Do statycznej próby ściskania metali używa się próbek w kształcie walca. Wysokość próbek h do próby statycznej zwykłej powinna wynosić h = 1,5 d0. Stawiane są również pewne wymagania dotyczące wykonania próbek. Jednym z ważniejszych wymagań jest równoległość płaszczyzn czołowych oraz ich prostopadłość do osi próbki. Poza tym wszystkie powierzchnie próbek – szczególnie podstawy - powinny być dokładnie obrobione. Statyczna próba ściskania drewna jest objęta normą PN-71/D-04102. Celem próby jest wyznaczenie wytrzymałości drewna na ściskanie wzdłuż włókien. Drewno jest materiałem, którego właściwości mechaniczne są silnie anizotropowe, więc próbki wycinane wzdłuż i w poprzek włókien będą charakteryzowały się różnymi właściwości mechanicznymi. Największą wytrzymałość na ściskanie (40 ÷ 60 MPa) wykazuje drewno, jeżeli siła działa równolegle do włókien, najmniejszą natomiast, jeżeli działa ona w kierunku promienia przekroju i wynosi 10 ÷ 30% wytrzymałości określanej równolegle do kierunku włókien. Dlatego też, biorąc pod uwagę te właściwości istnieją aż dwie normy dotyczące oznaczania wytrzymałości na ściskanie drewna. 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%. 4. OPIS STANOWISKA POMIAROWEGO Właściwości sprężyste i plastyczne materiałów wyznacza się doświadczalnie na odpowiednich próbkach za pomocą uniwersalnych maszyn wytrzymałościowych. W przypadku naszego laboratorium dysponujemy maszynami wytrzymałościowymi MTS MiniBionix 858 o maksymalnym obciążeniu ± 15 kN, oraz MTS Synergie 100 o maksymalnym obciążeniu ± 0,5 kN lub ± 0,01kN. Maszyna wytrzymałościowa Mini Bionix wyposażona jest w uchwyty hydrauliczne pozwalające na badanie próbek płaskich i o przekroju kołowym. Wyposażenie maszyny pozwala na wyznaczanie charakterystyk: siła - przemieszczenie, naprężenie - odkształcenie w przypadku różnych stanów obciążenia: ściskanie, rozciąganie, zginanie trójpunktowe i czteropunktowe. Rysunek 4-1. Maszyna wytrzymałościowa MTS 858 Mini Bionix Pomiar przemieszczeń możliwy jest na dwa sposoby: pomiar przemieszczenia stempla i górnej belki poprzecznej oraz pomiar przemieszczenia względnego ramion ekstensometru mechanicznego, sprzęgniętego z układem pomiarowym maszyny. Pierwszy sposób pozwala na pomiar całkowitego przemieszczenia próbki (w zakresie od 0 do 100mm), drugi natomiast mierzy przemieszczenia na wybranym odcinku pomiarowym (tzw. bazie),którego długość może być zmieniane w zakresie bazy pomiarowej ekstensometru. Rysunek 4-2. A i B Ekstensometry mechaniczne; C. Video-ekstensometr. Wybór sposobu pomiaru przemieszczania musi uwzględniać rodzaj obciążenia próbki (ściskanie, rozciąganie, zginanie), rodzaj testu (badanie niszczące, nieniszczące) a także zakres mierzonych przemieszczeń. 5. Cel i zakres laboratorium Celem pomiarów prowadzonych w ramach zajęć laboratoryjnych jest wyznaczenie charakterystyk naprężenie – odkształcenie dla przykładowych grup materiałów, w próbie jednoosiowego ściskania. Próbki, przygotowane zgodnie z odpowiednimi normami, stanowią 3 grupy materiałów: stop aluminium, polietylen oraz drewno. Na podstawie otrzymanych charakterystyk naprężenie – odkształcenia wyznaczyć, i porównać między sobą, należy parametry mechaniczne: moduł sprężystości wzdłużnej, umowną granicę sprężystości i plastyczność oraz wytrzymałość na ściskanie. B A C