LABORATORIUM WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW Ćwiczenie 2 RÓBA STATYCZNA ŚCISKANIA METALI 2.1 Wprowadzenie Do niedawna próba statyczna ściskania metali była kolejną, po próbie statycznej rozciągania metali próba podstawową, mającą na celu określenie własności mechanicznych metali. róba ta była przedmiotem normy N-57/H-432 wraz ze zmianami podanymi w Informatorze KN z 1982 r. Jednak w 25 r. norma ta została odwołana i z nieznanych przyczyn w chwili obecnej dla metali nie ma żadnej normy, która jednaznacznie określałaby sposób przeprowadzania pomiarów. Nie występowanie obecnie normy KN nie oznacz, że dotychczasowa norma N-57/H-432 nie precyzuje sposobu prowadzenia testu i do momentu pojawienia się aktualizacji zdaniem autorów jest dokumentem wystarczającym do prowadzenia badań. Stąd dalsze rozważania prowadzone będą w oparciu o normę wycofaną z użytku. 2.2 cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zbadanie własności wytrzymałościowych na ściskanie materiałów kruchych i plastycznych, jednorodnych i niejednorodnych, oraz zaznajomienie się z maszynami wytrzymałościowymi i aparaturą pomiarową używaną do tego typu badań. Wymieniona norma rozróżnia dwa rodzaje próby statycznej ściskania metali: próbę zwykłą i próbę ścisłą. Celem próby statycznej zwykłej jest wyznaczenie: wyraźnej granicy plastyczności, wytrzymałości na ściskanie, skrócenia względnego, wykresu ściskania. Należy pamiętać, że wyraźną granicę plastyczności określa się jedynie dla tych materiałów plastycznych, które ją mają, a wytrzymałość na ściskanie - dla materiałów kruchych - to znaczy takich, które podczas próby ulegają zniszczeniu (rozkruszeniu). Umowną granicę plastyczności wyznacza się dla metali plastycznych, które nie wykazują wyraźnej granicy plastyczności. róbę statyczną ściskania nazywa się próbą ścisłą, jeżeli jej celem jest wyznaczenie: modułu sprężystości podłużnej przy ściskaniu E c, umownej granicy sprężystości R c.1, umownej granicy plastyczności R c.2. 2.3 Określenia podstawowe Za podstawę do określenia wyraźnej granicy plastyczności przy ściskaniu przyjmuje się te same własności materiałów, co przy wyznaczaniu wyraźnej granicy plastyczności podczas próby rozciągania. Należy wyznaczyć siłę, przy której próbka ulega skróceniu bez wzrostu obciążenia. Fakt ten uwidoczni się albo w charakterystycznym zatrzymaniu się wskazówki siłomierza, albo zostanie zarejestrowany w postaci zagięcia krzywej ściskania na wykresie określonyn przez urządzenie 1
samopiszące. Wyraźna granica plastyczności przy ściskaniu charakteryzuje się znacznie krótszym odcinkiem płynięcia na wykresie niż podczas próby rozciągania. Wyraźną granicą plastyczności przy ściskaniu R plc nazywamy naprężenie, przy którym występuje skrócenie próbki bez zwiększenia, a nawet przy nieznacznym zmniejszeniu się siły obciążającej: R plc R plc, gdzie R plc [N] jest siłą odpowiadającą wyraźnej granicy plastyczności przy ściskaniu, A [mm 2 ] polem powierzchni pierwotnego przekroju poprzecznego próbki. onieważ próbki z materiału plastycznego nie ulegają zniszczeniu (pęknięciu), najczęściej próbę przerywa się po przekroczeniu granicy plastyczności. Natomiast próbki z materiałów kruchych nie mają wyraźnej granicy plastyczności i podczas próby ulegają zniszczeniu. W tym przypadku notuje się wartość maksymalną siły c, która powoduje zniszczenie próbki. Naprężenie R c otrzymane jako stosunek największej siły obciążającej c, powodującej zniszczenie (rozkruszenic lub pęknięcie) próbki, do pola powierzchni jej pierwotnego przekroju poprzecznego nazywamy wytrzymałością na ściskanie: R c Stan odkształcenia próbki zarówno w obszarze sprężystym, jak i plastycznym charakteryzuje skrócenie względne: l l1 l a c, l l gdzie l jest pierwotną długością pomiarową próbki, która może pokrywać się z wysokością próbki; l 1 - długością pomiarową próbki po odkształceniu; l - skróceniem bezwzględnym. Skrócenie względne może być także wyrażone w procentach: l a c 1%. l Maksymalną wartość naprężenia, do którego próbka odkształca się tylko sprężyście (tzn. że odkształcenia próbki znikają po odciążeniu jej, a długość pomiarowa próbki przed obciążeniem i po odciążeniu jest taka sama) nazywamy granicą sprężystości. Wartość granicy sprężystości zależy więc od dokładności pomiaru długości pomiarowej próbki. Jest to zatem wartość z natury rzeczy umowna. olska norma N-57/H-432 definiuje umowną granicę sprężystości przy ściskaniu R c.1 jako naprężenie, po którego osiągnięciu długość pomiarowa próbki doznaje trwałego skrócenia równego,1% początkowej długości pomiarowej: c.1 Rc.1, A gdzie c.1 [N] jest siłą obciążającą powodującą skrócenie trwałe próbki równe.1%, początkowej długości pomiarowej; A [mm 2 ] - polem powierzchni pierwotnego przekroju poprzecznego próbki. Dla metali plastycznych niewykazujących wyraźnej granicy plastyczność wyznacza się umowną granicę plastyczności. Wartość umownej granicy plastyczności przy ściskaniu R c.2 Ma jest równa ilorazowi siły c.2 N, która odpowiada trwałemu skróceniu próbki o,2% początkowej długości pomiarowej, przez pole powierzchni początkowego przekroju poprzecznego próbki: c.2 Rc.2. A Współczynnik (moduł) sprężystości podłużnej przy ściskaniu jest to stosunek naprężenia do odpowiadającego mu skrócenia jednostkowego ; (w zakresie odkształceń sprężystych): E c. A c A. 2
Dla niektórych materiałów (np. żeliwo) wykres ściskania już prawie od samego początku ma charakter krzywoliniowy, nie można więc mówić wtedy o stałym współczynniku sprężystości podłużnej przy ściskaniu. Dla celów praktycznych operuje się jednak średnią wartością współczynnika E c. 2.4 Kształty, wymiary i wykonanie próbek Do statycznej próby ściskania metali używa się próbek w kształcie walca. Średnica pierwotna próbki d zależy od wymiarów i kształtu materiału, z którego pobrano odcinki prób oraz od maksymalnej siły ściskającej maszyny wytrzymałościowej. Dotychczasowa olska Norma N-57/H-432 zaleca stosowanie próbek średnicy 1, 2 lub 3 mm. Wysokość próbek h do próby statycznej zwykłej powinna wynosić h = 1,5 d. Wyznaczenie E c, R c.1, R c.2 wymaga stosowania próbek o długości co najmniej trzykrotnie większej od średnicy pierwotnej. Od stosunku h/do zależy stan odkształcenia próbki. Wiąże się to ściśle z siłami tarcia, które powstają między powierzchniami czołowymi próbki a płytami maszyny wytrzymałościowej. Tarcie powoduje powstanie trójkierunkowego stanu naprężenia, który przejawia się w nierównomiernym odkształceniu próbki. Zalecana wysokość próbek h = 3d do wyznaczenia R c.1 i R c.2 a nawet h = 1d przy określaniu E c podyktowana jest wymiarami i możliwością ustawienia przyrządów pomiarowych, jak na przykład tensometru lusterkowewgo Martensa. Duża długość umożliwia wytworzenie jednoosiowego stanu naprężenia przynajmniej w części środkowej próbki, ale jednocześnie stwarza niebezpieczeństwo wyboczenia się próbki. Stawiane są również pewne wymagania dotyczące wykonania próbek. Jednym z ważniejszych wymagań jest równoległość płaszczyzn czołowych (podstaw) oraz ich prostopadlość do osi próbki. oza tym wszystkie powierzchnie próbek - szczególnie podstawy - powinny być dokładnie obrobione (zalecane jest szlifowanie tych powierzchni). 2.5 Maszyna wytrzymałościowa i przyrządy do pomiaru skróceń róbę ściskania przeprowadza na uniwersalnych maszynach wytrzymałościowych wyposażonych w czujnik siły i czujnik przemieszczenia trawersy wraz z układem zbierającym dane z pomiarów umożliwiającym prezentację wyników testu w czasie rzeczywistym. Co się tyczy płyt dociskowych, to ich powierzchnie powinny być polerowane i twardsze od badanych próbek. W przeciwnym razie wyniki prób ulegną zasadniczemu zniekształceniu na skutek plastycznego odkształcenia się płyt, które utrudnia rozszerzanie się próbki oraz wyklucza dalsze użytkowanie płyt. Jedna z płyt dociskowych powinna mieć przegub kulisty, który eliminuje punktowy styk między płytą a podstawą próbki oraz ułatwia równomierne przyleganie. r h d Rysunek 2.1. rawidłowe ustawienie próbki między płytami dociskowymi. 3
Środek krzywizny czaszy przegubu kulistego powinien pokrywać się ze środkiem powierzchni styku z próbką. łyty bez przegubu kulistego muszą mieć odpowiednie zamocowanie i prowadzenie zapewniające równoległość ich ustawienia podczas próby. rawidłowe ustawienie próbki między płytami dociskowymi pokazano na rys. 2.1. Oś próbki powinna pokrywać się z osią obciążenia. rzy zwykle stosowanych próbach nie ma możliwości osiowego prowadzenia próbki i aby zapewnić ściskanie osiowe, trzeba płyty dociskowe ustawić równolegle. Trzeba pamiętać również o ustawieniu płyty z przegubem kulistym, gdyż na skutek sił tarcia między kulistymi powierzchniami przegubu niewykluczona jest możliwość zukosowania się płyt. Dokładność wskazań siłomierza maszyny powinna wynosić przynajmniej ±1%. Do pomiaru skrócenia względnego a c wyznaczenia umownej granicy plastyczności, a w przypadku gdy maszyna nie ma urządzenia samopiszącego, również do sporządzania wykresu ściskania, wystarczająca jest dokładność pomiaru skrócenia próbki taka, jak w czujnikach zegarowych, tzn.,1 mm. W tym celu umieszcza się dwa czujniki zegarowe między płytami dociskowymi symetrycznie po obu stronach próbki. Takie rozmieszczenie czujników pozwala, oprócz dokonywanego pomiaru skrócenia, kontrolować równoległość płyt dociskowych. Różnice we wskazaniach czujników sygnalizują o zukosowaniu się płyt, co może prowadzić do błędnego pomiaru. rzy wyznaczaniu umownej granicy sprężystości i współczynnika sprężystości podłużnej przy ściskaniu najczęściej mierzy się skrócenie próbki za pomocą tensometru lusterkowego Martensa lub tensometrów oporowych. Zasady pomiaru odkształceń za pomocą czujników oporowych podane są w ćwiczeniu 6. Dokładność wskazań tensometrów w tym przypadku powinna być nie mniejsza od,5 mm. 2.6 Ściskanie metali plastycznych W początkowym okresie ściskania metalu plastycznego (aluminium, cynk, miedź, miękka stal) skrócenia próbki są proporcjonalne do naprężeń i podobnie jak przy rozciąganiu, występuje granica sprężystości i granica proporcjonalności. Jak wspomniano, granica sprężystości jest wartością umowną, a podstawą do jej określenia jest wartość siły c.1. Siłę c.1, która powoduje skrócenie trwałe próbki równe,1% pierwotnej długości pomiarowej wyznacza się metodą kolejnego obciążania i odciążania próbki opisaną w tym ćwiczeniu. Dozwolone jest stosowanie metody obciążania (przybliżonej metody wykreślnej) opisanej w ćwiczeniu 2. Na wykresie ściskania (rys. 2.2. mamy najpierw prostoliniowy odcinek OA, wyrażający liniową zależność między siłą a odkształceniem. unkt A odpowiada sile, przy której pojawia się granica proporcjonalności materiału (w zastosowaniach technicznych utożsamię się ją często z granicą sprężystości). h B A l Rysunek 2.2. Wykresie ściskania. c 4
o przekroczeniu tej granicy na wykresie widać niewielki odcinek, gdzie wzrost deformacji jest szybszy. W pewnym momencie, dla materiałów mających wyraźną granicę plastyczności, zauważyć można zatrzymanie się wskazówki siłomierza, a nawet spadek siły obciążającej przy szybszym wzroście odkształcenia. Zjawisko to obserwować można na wykresie ściskania (punkt B). Naprężenie odpowiadające punktowi B wykresu nazywamy wyraźną granicą plastyczności. Dla materiałów nie mających wyraźnej granicy plastyczności wyznacza się umowną granicę plastyczności na podstawie próby ścisłej. Siłę c.2, która stanowi podstawę do określenia umownej granicy plastyczności, wyznacza się z wykresu =f( l) sporządzonego na podstawie pomiaru skróceń lub określa się ją metodą kolejnego obciążania i odciążania próbki. Zwiększenie siły obciążającej po przekroczeniu granicy plastyczności powoduje coraz silniejsze pęcznienie próbki, objawiające się stałym wzrostem przekroju poprzecznego. Krzywa wykresu ściskania szybko zaczyna wzrastać i asymptotycznie dąży do prostej poprowadzonej równolegle do osi obciążeń, w punkcie odpowiadającym skróceniu równemu pierwotnej wysokości próbki. 1 2 1 < 2 < 3 3 1 2 3 Rysunek 2.3. Niszczenie próbki. Mimo spłaszczenia próbki na plasterek" nie widać na niej oznak zniszczenia (rys. 2.3 oraz 2.6b). Tylko w niektórych przypadkach (przy niedostatecznej plastyczności) na powierzchni bocznej próbki pojawiają się drobne rysy. rzyczyną tych pęknięć są często naprężenia rozciągające, a nie ściskające, które powstają wskutek przyjmowania przez próbkę kształtu beczkowatego. ęknięcia te nie mogą być podstawą do oznaczenia wytrzymałości na ściskanie. onieważ próbki z metali plastycznych nie ulegają zniszczeniu (rozkruszeniu). Wytrzymałości na ściskanie dla tych materiałów nie określa się. róbę ściskania metali plastycznych przerywa się najczęściej z powodu wyczerpania zakresu maszyny wytrzymałościowej. 2.7 Ściskanie metali kruchych róba ściskania żeliwa szarego opisana jest w normie N-EN 1311:25. Sposób przeprowadzenia próby jest w tym przypadku taki sam, jak opisany w pkt. 2.6. Wykres ściskania sporządzony przez urządzenie rejestrujące ma postać pokazaną na rys. 2.4. oczątkowo wykres jest prawie prostoliniowy lekko odchylony od osi sił. Następnie coraz bardziej zakrzywia się, urywając się nagle w pewnym punkcie z powodu zniszczenia próbki. Kształt próbki bezpośrednio przed zniszczeniem jest lekko beczkowaty. Świadczy to o istnieniu niewielkich odkształceń plastycznych. Jednak materiały kruche (np. żeliwo) nie mają wyraźnej granicy plastyczności. Wyznaczenie umownej granicy sprężystości i umownej granicy plastyczności możliwe jest podczas próby ściskania metodami opisanymi w pkt. 2.6. oczątki zniszczenia próbek z materiałów kruchych zaczynają się u ich podstaw. W przypadku kruszenia się części bocznych odsłaniają się nienaruszone części próbki w postaci stożków. Większość metali i ich stopów doznaje podczas ściskania pęknięcia poślizgowego (ścięcie). ęknięcie poślizgowe poprzedzone jest odkształceniami trwałymi wywołanymi naprężeniami stycznymi występującymi w przekrojach nachylonych pod kątem 45 do kierunków naprężeń głównych i zachodzi pod kątem zbliżonym do kąta nachylenia tych przekrojów. 5
l c Rysunek 2.4. Wykres ściskania. Metalami wykazującymi pęknięcia poślizgowe są np. mosiądz i żeliwo wyższej jakości. Niektóre metale i ich stopy ulegają podczas próby ściskania pęknięciu rozdzielczemu. ęknięcie rozdzielcze zachodzi w przekrojach prostopadłych do kierunków głównych wydłużenia. onieważ największe wydłużenia próbki zachodzą w kierunku normalnym do tworzących, złom rozdzielczy przebiega wzdłuż tworzących. W rzadkich przypadkach w wyniku ściskania pojawia się złom kruchy, jak np. w próbkach ze stali hartowanych. Najczęściej obserwowane kierunki rys i pęknięć pokazano na rys. 2.5 oraz na rys. 2.6a. a) b) Rysunek 2.5. Kierunki rys i pęknięć w metalach i ich stopach. Na podstawie próby ściskania metali kruchych otrzymuje się wartość obciążenia niszczącego próbkę, a zatem i wytrzymałość na ściskanie. Cechą charakterystyczną materiałów kruchych jest ich większa wrażliwość na rozciąganie niż na ściskanie, tzn. że: R c > R m. I tak na przykład: dla żeliwa R, =(3 4) Rm, dla betonu R, = (3 1)R m, dla szkła R c 1R m. rzy porównaniu wyników na ściskanie trzeba pamiętać, że wytrzymałość na ściskanie zależy od wymiarów próbek i dlatego możliwe jest porównywanie wyników badań otrzymanych na próbkach geometrycznie podobnych. a) b) Rysunek 2.6. Kierunki rys i pęknięć w próbkach metalowych i stopach metali. 6
2.8 rzeprowadzenie próby rzed przystąpieniem do wykonania próby trzeba dokonać pomiarów próbki. Średnicę próbki mierzy się śrubą mikrometryczną z dokładnością do,2 mm. omiary średnicy próbek krótkich przeprowadza się w jednym miejscu w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach i jako średnicę nominalną próbki przyjmuje się wartość średnią z obydwóch wymiarów. Średnicę próbki długiej (do próby ścisłej) należy zmierzyć w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach w trzech miejscach na długości pomiarowej. Różnica między największą i najmniejszą średnicą na długości pomiarowej próbki nie może być większa od,5 mm. ole powierzchni przekroju poprzecznego próbki oblicza się dla średnicy najmniejszej z dokładnością do ±,3%. Zmierzoną próbkę ustawia się na płycie dociskowej w sposób podany wyżej i przykłada się stopniowo (statycznie) obciążenie z taką prędkością, aby przyrost naprężenia nie przekraczał 1 Ma/s. Urządzenie samopiszące kreśli wtedy wykres ściskania w układzie współrzędnych: obciążenie - odkształcenie (skrócenie) l, przy czym oś rzędnych jest osią obciążenia, a oś odciętych odkształcenia. Na wyniki próby duży wpływ wywiera tarcie występujące na powierzchni próbki. Siły tarcia powodują hamowanie odkształcenia poprzecznego próbki przy jej podstawach i próbka przybiera kształt beczkowaty (baryłkowaty). rzy braku sił tarcia może wystąpić zarówno znaczne zmniejszenie wytrzymałości na ściskanie, jak i odmienna postać pęknięcia (pęknięcie podłużne). Dlatego też powierzchnie czołowe próbek i powierzchnie płyt dociskowych należy dokładnie oczyścić i odtłuścić. W celu wykonania ćwiczenia należy postąpić następująco: 1. Zapoznać się dokładnie z N-57/H-432. 2. Sporządzić tablicę pomiarów (dla próby zwykłej według wzoru podanego w Tabeli 2.1, dla próby ścisłej jak w ćwiczeniu 1). 3. Zmierzyć próbki i zapisać ich wymiary w tabeli. 4. rzeprowadzić próbę. 5. Obliczyć własności wytrzymałościowe i plastyczne badanego materiału. Uwaga: odczas próby ściskania metali kruchych, zwłaszcza próbek hartowanych, należy zwrócić uwagę na zachowanie warunków bezpieczeństwa pracy, aby uchronić się przed skaleczeniem ostrym odpryskiem. Tabela 2.1 Nr próbki oznaczenie róbka d mm wymiary L mm A mm 2 Własności wytrzymałościowe plc N R plc Ma c N R c, Ma Własności plastyczne l mm a c % 2.9 Wykonanie sprawozdania Z przeprowadzonej próby ściskania sporządza się sprawozdanie. W części opisowej sprawozdania należy podać: 1) rodzaj materiału, z którego została wykonana próbka; 2) typ próbki (kształt i wymiary); 3) rodzaj maszyny wytrzymałościowej, na której przeprowadzono próbę, 4) zakres siłomierza; 5) cel próby; 6) oznaczenie podstawowych wielkości; 7) określenia podstawowe; 8) wykres ściskania; 9) tabelę z wynikami pomiarów; 1) charakterystyki złomów; 11) podsumowanie pomiarów. 7