Politechnika Białostocka Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Temat ćwiczenia: Zwykła statyczna próba ściskania metali Numer ćwiczenia: 3 Laboratorium z przedmiotu: wytrzymałość materiałów II Opracowanie: dr inż. Jarosław Malesza Katedra Mechaniki Konstrukcji 2011
1 Wprowadzenie Próby ściskania podobnie jak rozciągania, mają na celu ustalenie podstawowych cech mechanicznych materiałów stosowanych w budownictwie. Badaniom poddawane są zarówno materiały plastyczne jak i kruche. W przypadku materiałów plastycznych (stal niskowęglowa, miedź, aluminium) za najważniejszą przyjmuje się granicę plastyczności, która występuje w chwili pojawienia się plastycznego odkształcenia próbki bez wzrostu obciążenia. W przypadku materiałów kruchych (beton, żeliwo) niewykazujących wyraźnej granicy plastyczności ustala się ich wytrzymałość na ściskanie. Wyznaczenie jej wiąże się z zanotowaniem obciążenia, przy którym próbka ulega zniszczeniu. Próby ściskania wykonuje się jako zwykłe i ścisłe, gdzie dodatkowo wyznaczamy moduł sprężystości podłużnej przy ściskaniu. 2 Cel ćwiczenia laboratoryjnego Celem ćwiczenia jest wyznaczenie: wyraźnej granicy plastyczność stali niskowęglowej, wytrzymałości na ściskanie żeliwa oraz wytrzymałości na ściskanie drewna wyznaczonej w kierunku równoległym i prostopadłym do włókien. 3 Przebieg ćwiczenia 3.1 Ustalenie granicy plastyczności stali niskowęglowej Poddając ściskaniu stal niskowęglową obserwujemy w początkowej fazie skrócenie sprężyste, tzn. proporcjonalne do przyłożonego obciążenia. Analogicznie do prób rozciągania po osiągnięciu pewnego obciążenia następuje gwałtowny przyrost odkształceń plastycznych. a) b) Rys. 1. Próba ściskania stali niskowęglowej: a) wykres z badań, b) deformacje próbki
Często towarzyszy im zatrzymanie wzrostu obciążenia, co można zaobserwować na siłomierzu maszyny wytrzymałościowej. Wielkość tego niezmiennego obciążenia F ec odpowiada granicy plastyczności. Rys. 2. Postać deformacji ściskanej próbki stalowej Kolejny wzrost obciążenia wywołuje zmianę kształtu próbki. Przybiera ona formę beczkowatą i w konsekwencji ulega coraz większemu spłaszczeniu. Obciążenie wzrasta niewspółmiernie do odkształceń próbki. Pomimo widocznych rys badanie należy zakończyć, gdyż próbka nie ulegnie zniszczeniu przed wyczerpaniem zakresu maszyny wytrzymałościowej. 3.2 Ustalenie wytrzymałości na ściskanie materiałów kruchych W przypadku ściskania materiałów kruchych (żeliwa, betonu, stali hartowanej), w początkowej fazie jest zauważalny odcinek odkształceń sprężystych. Po chwili wykres przechodzi w krzywoliniowy i szybko urywa się z powodu zniszczenia próbki. W badaniach materiałów kruchych nie występuje wyraźna granica plastyczności, a jedynie niewielki odcinek odkształceń plastycznych. W tej fazie obciążenia próbki przyjmują kształt lekko beczkowaty, po czym pękają. a) b) Rys. 3. Próba ściskania materiałów kruchych: a) wykresy z badań, b) deformacje próbek Większość metali kruchych doznaje podczas ściskania pęknięcia poślizgowego (ścięcia). Zjawisko to wywołane jest naprężeniami stycznymi występującymi pod kątem 45 0 do kierunku naprężeń głównych.
Rys. 4. Postać zniszczenia ściskanej próbki żeliwnej W przypadku badania betonu, niszczenie rozpoczyna się u podstawy próbki, po czym odspojeniu ulegają części boczne. Próbka przybiera kształt stożków lub ostrosłupów w przypadku próbek sześciennych, połączonych wierzchołkami, co pokazano na rysunku. 3.3 Ustalenie wytrzymałości na ściskanie drewna Drewno jest materiałem, który wykazuje odmienne własności mechaniczne dla różnych kierunków ułożenia włókien. Próbka wycięta równolegle do kierunku włókien będzie miała inną wytrzymałość na ściskanie niż taka sama próbka pochodząca z tego samego fragmentu drzewa ściskana prostopadle do jego włókien. a) b) Rys. 5. Próba ściskania drewna: a) wykresy z badań, b) próbki do badań Ustalenie wytrzymałości na ściskanie wzdłuż włókien odbywa się ustawiając próbkę dłuższym bokiem w kierunku działającego obciążenia. W początkowym etapie ściskania obserwuje się krótki krzywoliniowy wykres, po czym następuje faza odkształceń sprężystych do osiągnięcia granicy proporcjonalności.
Podczas ściskania w poprzek włókien próbkę układa się dłuższym bokiem na płycie maszyny wytrzymałościowej. Kierunek obciążenia może być prostopadły do układu słojów drzewa (promieniowy) lub równoległy do nich (styczny). Rys. 6. Postacie zniszczenia próbek drewnianych przy obciążeniu działającym równolegle do kierunku włókien Zasadniczy wpływ na wyniki badań ściskanego drewna ma jego wilgotność. Dowiedziono, iż przy wilgotności około 30% (całkowite nasycenie wodą) spadek wytrzymałości na ściskanie może być rzędu 50%, dlatego zgodnie z normą badanie powinno być wykonywane na próbkach o wilgotności około 12%. Przed badaniem należy dokładnie określić wilgotność drewna, a otrzymany wynik wytrzymałość sprowadzić do wielkości odpowiadającej wilgotności materiału równej 12%, stosując odpowiednie wzory. 4 Próbki do badań Zwykłą próbę ściskania metali wykonuje się, zgodnie z normami PN-H-04320:1957, PN-H-83119:1980, na próbkach walcowych o średnicach d 0 : 10, 20 lub 30mm i wysokości h 0 = 1,5 d 0. Próbka powinna mieć płaszczyzny czołowe równoległe względem siebie i prostopadłe do osi próbki. Próbki do badań wytrzymałości betonu na ściskanie mogą mieć kształt walca lub sześcianu. Wymiary są uzależnione od średnicy kruszywa grubego użytego do wykonania mieszanki betonowej. Zgodnie z normą PN-EN-206:2003 próbki walcowe powinny mieć średnicę 150mm i wysokość 300mm, a sześcienne 150x150x150mm$. Zgodnie z normami: PN-D-04102:1979, PN-D-04229:1977 i PN-EN 13183-1, próbę ściskania drewna wykonuje się na próbkach prostopadłościennych o wymiarach: 20x20x30mm. 4.1 Czynności przed badaniem Przed rozpoczęciem próby należy: wykonać pomiar długości średnic i wysokości próbek metalowych w kilku miejscach za pomocą suwmiarki, wykonać pomiar długości boków próbek drewnianych, oczyścić i odtłuścić powierzchnie czołowe próbki i płyt dociskowych, gdyż na wyniki pomiarów mają duży wpływ siły tarcia powstające na styku próbki z powierzchnią płyty maszyny wytrzymałościowej, zmierzyć wilgotność drewna,
4.2 Czynności podczas badania W czasie próby rozciągania należy: odczytać obciążenie odpowiadające granicy plastyczności: Fec, odczytać obciążenie odpowiadające wytrzymałości na ściskanie Fc próbki żeliwnej i próbek drewnianych, 4.3 Czynności po wykonaniu badania Po zakończeniu badania należy: zmierzyć średnicę próbki stalowej w najszerszym miejscu oraz jej skrócenie, wyznaczyć granicę plastyczności próbki stalowej: R ec, wyznaczyć wytrzymałość na ściskanie próbki żeliwnej i drewnianej, 5 Opracowanie wyników badania 5.1 Próba ściskania stali niskowęglowej 1. granica plastyczności - naprężenie, wywołujące trwałe odkształcenie ściskanej próbki: R ec = F ec - pole przekroju poprzecznego próbki wyznaczone przed badaniem, F ec - siła ściskająca wywołująca w próbce skrócenie plastyczne. 2. skrócenie względne - skrócenie próbki wywołane ściskaniem odniesione do jej początkowej długości: A c = h 0 h 1 h 0 100% h 0 wysokość (długość) próbki przed badaniem h 1 wysokość (długość) próbki po badaniu 3. rozszerzenie względne - proporcja przyrostu pola przekroju poprzecznego próbki po badaniu do początkowego pola przekroju: Z c = S 1 100%
S 1 - pole przekroju poprzecznego w najszerszym miejscu próbki obliczone po badaniu, - pole przekroju poprzecznego próbki przed badaniem, 5.2 Próba ściskania żeliwa (materiał kruchy) wytrzymałość na ściskanie - graniczne naprężenia, wywołujące zniszczenie próbki: R c = F c - pole przekroju poprzecznego próbki wyznaczone przed badaniem, F c - graniczna siła powodująca pęknięcie (rozkruszenie) próbki. 5.3 Próba ściskania drewna 1. wytrzymałość na ściskanie wzdłuż włókien - graniczne naprężenia, wywołujące zniszczenie próbki ściskanej wzdłuż (równolegle do kierunku) włókien: R cw = F cw - pole przekroju poprzecznego próbki wyznaczone przed badaniem, F cwⅡ - graniczna siła niszcząca przyłożona równolegle do kierunku włókien, 2. wytrzymałość na ściskanie wzdłuż włókien wyznaczona dla drewna o wilgotności 12% - sprowadzony wynik wytrzymałości określonej wyżej: R c12 =R cw [1 W 12 ] W wilgotność drewna w [%], α - współczynnik zmiany wytrzymałości drewna na ściskanie wzdłuż włókien przy zmianie jego wilgotności o 1% (w przedziale 12±3%); α = 0,040.
3. wytrzymałość na ściskanie w poprzek włókien - graniczne naprężenia, wywołujące zniszczenie próbki ściskanej prostopadle do kierunku włókien drewna: R cw = F cw a h F cw - graniczna siła niszcząca przyłożona prostopadle do kierunku włókien, a szerokość próbki, h wysokość próbki, 4. wytrzymałość na ściskanie w poprzek włókien wyznaczona dla drewna o wilgotności 12% - sprowadzony wynik wytrzymałości określonej wyżej: R c12 =R cw [1 W 12 ] W wilgotność drewna w [%], α - współczynnik zmiany wytrzymałości drewna na ściskanie w poprzek włókien przy zmianie jego wilgotności o 1% (w przedziale 12±3%); α = 0,035. 6 Wymagania BHP Maszyna wytrzymałościowa obsługiwana jest przez uprawnione osoby. Próbki do badań są również umieszczane w maszynie przez upoważnioną osobę. Studenci obserwują przebieg badania, odczytują wskazania siły ściskającej, mierzą wymiary próbek za pomocą suwmiarki..
Politechnika Białostocka Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska SPRAWOZDANIE Z ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Z WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW Temat ćwiczenia: Zwykła statyczna próba ściskania Numer ćwiczenia: 3 imię i nazwisko studenta:... rodzaj studiów:... kierunek:... specjalność:... semestr:... grupa:... prowadzący ćwiczenia: dr inż. Jarosław Malesza... (data wykonania ćwiczenia)
1. Próba ściskania stali niskowęglowej 1.1. Wymiary próbki przed badaniem: - początkowa wysokość próbki: h 0 = - początkowa średnica próbki: d 0 = - początkowe pole przekroju poprzecznego próbki: = [mm 2 ] 1.2. Wymiary próbki po badaniu: - wysokość próbki: h 1 = - średnica próbki w najszerszym miejscu: d 1 = - pole przekroju poprzecznego próbki: S 1 = [mm 2 ] 1.3. Obciążenie próbki odpowiadające granicy plastyczności: F ec = [kn] 1.4. Parametry wytrzymałościowe - granica plastyczności R ec = F ec = [MPa] 1.5. Parametry geometryczne - skrócenie względne: A c = h 0 h 1 100%= h 0 - rozszerzenie względne: Z c = S 1 100%=
2. Próba ściskania żeliwa 2.1. Wymiary próbki przed badaniem: - początkowa wysokość próbki: h 0 = - początkowa średnica próbki: d 0 = - początkowe pole przekroju poprzecznego próbki: = [mm 2 ] 2.2. Obciążenie niszczące próbkę: F c = [kn] 2.3. Wytrzymałość na ściskanie: R c = F c = [MPa] 3. Próba ściskania drewna (równolegle do kierunku włókien) 3.1. Wymiary próbki przed badaniem: - początkowa wysokość próbki: h = - początkowe wymiary przekroju próbki: a = - początkowe pole przekroju poprzecznego próbki: = [mm 2 ] - wilgotność drewna: W = [%]
3.2. Obciążenie niszczące próbkę: F cw = [kn] 3.3. Wytrzymałość na ściskanie drewna o wilgotności W: R cw = F cw = [MPa] 3.4. Wytrzymałość na ściskanie sprowadzona do drewna o wilgotności 12%: R c12 =R cw [1 W 12 ]= [MPa] 4. Próba ściskania drewna (prostopadle do kierunku włókien) 4.1. Wymiary próbki przed badaniem: - początkowa wysokość próbki: h = - początkowe wymiary przekroju próbki: a = - wilgotność drewna: W = [%] 4.2. Obciążenie niszczące próbkę: F cw = [kn] 4.3. Wytrzymałość na ściskanie drewna o wilgotności W: R cw = F cw a h = [MPa] 4.4. Wytrzymałość na ściskanie sprowadzona do drewna o wilgotności 12%: R c12 =R cw [1 W 12 ] [MPa]