Temat 2 (2 godziny) : Próba statyczna ściskania metali

Transkrypt

1 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 [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 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.

2 ho d o Rys Próbka walcowa przewidziana do przeprowadzania statycznej próby ściskania r k Rys 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 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 : F h naprężenie w przekroju prostopadłym do osi próbki: oraz skrócenie względne S 0 h0 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

3 zachowują się podobnie jak podczas próby rozciągania: występuje więc granica proporcjonalności R H, granica sprężystości R s, oraz wyraźna granica plastyczności R plc,: Fplc Rplc, (2.2) S 0 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 Krzywa na wykresie zaczyna szybko wzrastać do końca zakresu maszyny wytrzymałościowej, wtedy najczęściej próbę się przerywa. a) b) c) Rys 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.

4 Rys Wykres ściskania stali niskowęglowej w układzie F L (siła skrócenie), d o = 15 mm, h = 22,5 mm Rys Wykres ściskania stali niskowęglowej w układzie, (naprężenie skrócenie względne)

5 2.5. Ściskanie materiałów kruchych Próbę przeprowadza się w identycznych warunkach jak dla materiałów sprężystoplastycznych, 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 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 :

6 R c = F c [MPa] (2.3) S o Rys 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 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 Porównanie wykresów ściskania kilku wybranych materiałów [18]

7 Rys 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 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 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.

8 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: