[ Pobierz całość w formacie PDF ]
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:
L
0
- pierwotna długość pomiarowa próbki, która może pokrywać się z pierwotną wysokością próbki h
0
,
L
1
- chwilowa długość pomiarowa próbki
D
Umowna granica sprężystości przy ściskaniu R
e 0,01
jako naprężenie, po osiągnięciu,
którego długość pomiarowa próbki doznaje trwałego skrócenia równego 0,01% początkowej
długości pomiarowej (2):
,
,
(2)
gdzie:
P
C
0,01
- siła obciążająca powodująca skrócenie próbki równe 0,01 % początkowej długości pomiarowej,
A
0
- pole powierzchni pierwotnego przekroju poprzecznego próbki.
Wyraźną granicą plastyczności przy ściskaniu R
e
nazywa się naprężenie, po
osiągnięciu którego następuje trwałe odkształcenie ściskanej próbki (3):
3
gdzie:
P
C
- siła odpowiadająca wyraźnej granicy plastyczności przy ściskaniu,
A
0
- pole powierzchni pierwotnego przekroju poprzecznego próbki
.
L - bezwzględne skrócenie próbki, jak również względne rozszerzenie przekroju.
Dla metali nie wykazujących wyraźnej granicy plastyczności wyznacza się umowną
granicę plastyczności (4):
,
,
(4)
Wartość umownej granicy plastyczności przy ściskaniu R
e 0,2
równa ilorazowi siły P
C 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 P
c
. Zatem naprężenie R
m
otrzymane jako stosunek największej siły obciążającej P
c
, 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 P
kr
, powstaje również
zginanie pręta momentem Mg = P
kr
y, co może spowodować zniszczenie pręta nawet przy
niewielkim wzroście siły ściskającej) (Rys.2.1b). Zagadnieniu wyboczenia poświęcone zostaną
jedne z kolejnych zajęć laboratoryjnych.
Próba musi być tak przeprowadzona, aby uzyskać osiowe ściskanie, a płaszczyzny
ściskające próbę (uchwyty maszyny wytrzymałościowej) mogły ustawić się równolegle do
płaszczyzn podstaw próbki. Ściskając próbkę między płaskimi uchwytami, w przypadku
próbek z materiałów wysoko-odkształcalnych można zaobserwować, iż próbka zmienia
znacznie swój kształt (np. cylindrycznego na baryłkowaty (Rysunek 2-2).
W sąsiedztwie uchwytów poprzeczne wymiary próbki nie mogą się swobodnie
zwiększać. Wywierają tu wpływ siły tarcia na powierzchni styku próbki z uchwytami [1].
Wpływ ten powoduje, że wartość naprężeń nie odpowiada założeniom o jednostajnym
rozkładzie naprężeń w materiale. Aby tego uniknąć, należałoby część pomiarową odsunąć od
końców (uchwytów) zgodnie z zasadą de Saint-Venanta przynajmniej o 1,5 wymiaru
poprzecznego, a takie odsunięcie próbki spowodowałoby jej wydłużenie, co jest niewskazane
ze względu na wspomniane wyboczenie.
Rysunek 2-2
Zmiana kształtu próbki cylindrycznej w baryłkowatą po ściskaniu [1]
Przy zlikwidowaniu tarcia (również poprzez smarowanie powierzchni uchwytów) dla próbek
kruchych powstają złomy rozdzielcze równoległe do kierunku działania siły. Typy złomów dla
różnych tworzyw przedstawia rysunek 2-3 [3].
Rysunek 2-3
Typy złomów dla: a) metal plastyczny, b) metal małoplastyczny – złom
poślizgowy, c) metal kruchy przy smarowaniu płaszczyzn czołowych, d) beton –
wykruszenie się boków, e) drewno [3]
Zasada de Saint-Venanta
Rozważmy przypadek gdy mamy 3 jednakowe pręty ściskane obciążeniem równym co
do wartości sile P, lecz o różnej realizacji tego obciążenia (Rys 2-3). W pierwszym działanie
siły o wartości P rozkłada się równomiernie na całym przekroju, w drugim tylko na części,
a w trzecim przenosi się za pośrednictwem kulki, a więc rozkłada się na bardzo małą
powierzchnię i nierównomiernie. Zatem rozkłady naprężeń w sąsiedztwie obciążonej
powierzchni będą różniły się między sobą.
Rysunek 2-3
Rozkłady naprężeń w prętach obciążonych taką samą wartością siły P,
lecz realizowaną w inny sposób [1]
Wystarczy jednak przesunąć rozpatrywany przekrój nieco dalej (ok. 1,5d),
a zauważalnych różnic w poszczególnych rozkładach nie będzie i do wyznaczenia naprężeń
można stosować zależność
„Jeżeli na pewien niewielki obszar ciała sprężystego pozostającego w równowadze
działają kolejno rozmaicie rozmieszczone, ale statycznie równowarte obciążenia, to
w odległości od obszaru przewyższającej wyraźnie jego rozmiary powstają praktycznie
jednakowe stany naprężenia i odkształcenia”
(Rys.2-3).
Rysunek 2-4
Charakterystyki naprężenie- odkształcenie uzyskane w rozciąganiu
i ściskaniu dla: A. żeliwa; B. betonu [1]
B
. Do tych wniosków doszedł de Saint-Venant (1855 rok),
formułując jedną z podstawowych zasad, którą przyjmujemy w obliczeniach konstrukcji,
zwaną również zasadą sprężystej równoważności:
A
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
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.
PN-EN 12290:2007
[ Pobierz całość w formacie PDF ]