1

Ć

wiczenie 2

STATYCZNA PRÓBA ŚCISKANIA METALI

Opracował: dr inż. Stefan Sawiak

1. Wstęp

Statyczna próba rozciągania metali, która została opisana w instrukcji do ćwiczenia 1,

jest jedną z podstawowych prób stosowanych dla określenia własności mechanicznych metali
plastycznych, takich jak stal miękka, aluminium, miedź i inne. Dla materiałów kruchych np.
ż

eliwo, beton, które znacznie lepiej pracują na ściskanie niż rozciąganie, podstawową próbą

jest próba ściskania, zaś próba rozciągania jest próbą dodatkową. Próbę ściskania wykonuje
się według wycofanej Polskiej Normy: PN–57/H–04320.

Rozróżnia się dwa rodzaje próby statycznej na ściskanie: próbę zwykłą i próbę ścisłą.

2. Cele ćwiczenia

2.1. Cel ogólny

Celem ogólnym jest zapoznanie się ze sposobem przeprowadzenia próby ściskania, spo-

sobem prowadzenia pomiarów, nabycie umiejętności wyznaczania wielkości charakterystycz-
nych dla badanego materiału.

2.2. Cele szczególne

Celami szczególnymi są:

1. wyznaczenie granicy plastyczności R

e

,

2. wyznaczenie dla żeliwa szarego wytrzymałości na ściskanie R

c

,

3. wykonanie dla próbki żeliwnej wykresu:

σ

(∆L).

3. Definicje

3.1. Granica plastyczności

0

S

F

R

e

e

=

[MPa = N/mm

2

],

(1)

gdzie: F

e

− siła w momencie, kiedy próbka ulega skróceniu bez wzrostu obciążenia, S

0

− po-

czątkowe pole przekroju poprzecznego próbki.

Granicę plastyczności wyznacza się tylko dla tych materiałów plastycznych, które je po-

siadają, zaś granicę wytrzymałości na ściskanie dla materiałów kruchych tzn. takich, które w
czasie próby ściskania ulegają zniszczeniu.

Próbę ściskania można wykonywać też jako próbę ścisłą. Wówczas jej celem jest wyzna-

czenie:
1. modułu sprężystości podłużnej przy ściskaniu,
2. umownej granicy sprężystości R

c

0,01

,

3. umownej granicy plastyczności R

c

0,2

.

Umowną granicę plastyczności wyznacza się dla materiałów, które nie wykazują wyraźnej
granicy plastyczności.

Materiały plastyczne przy ściskaniu posiadają również granicę plastyczności, podobnie

jak podczas statycznej próby na rozciąganie. Obliczenie tej granicy przy ściskaniu polega na
wyznaczeniu siły, przy której próbka ulega skróceniu bez wzrostu obciążenia. Zjawisko to
daje się zauważyć na tarczy siłomierza (wskaźnik siły zatrzymuje się na moment) lub na wy-
kresie ściskania wykonywanego przez urządzenie samorejestrujące (następuje zagięcie wy-

2

kresu ściskania). Dla materiałów plastycznych próbę na ściskanie przeprowadza się do mo-
mentu „płynięcia”, gdyż dalsze ściskanie nie ma praktycznego zastosowania.

3.2. Wytrzymałość na ściskanie

0

S

F

R

c

c

=

[MPa],

(2)

gdzie: F

c

– największa siła występująca w próbce, po przekroczeniu granicy plastyczności.

Materiały kruche podczas ściskania nie wykazują granicy plastyczności, lecz ulegają

zniszczeniu.

Wielkości występujące w (1 ÷ 2) są naprężeniami (umownymi), odpowiadającymi cha-

rakterystycznej wartości siły, odniesionej do początkowego przekroju poprzecznego próbki.

4. Rodzaje stosowanych próbek

4.1. Pobieranie, kształt i wymiary próbek

Do statycznej próby ściskania używa się próbek w kształcie walca (rys. 1).

Rys. 1. Kształt i wymiary próbek

Ś

rednica zewnętrzna próbki d

0

zależy od wymiarów i kształtu materiału, z którego pobra-

no odcinki prób oraz od maksymalnej siły ściskającej maszyny wytrzymałościowej. Polska
Norma PN–57/H–04320 zaleca stosowanie próbek o średnicy d

0

10, 20 lub 30 mm. Wysokość

próbek h do próby statycznej zwykłej na ściskanie powinna wynosić h = 1,5d

0

.

Próbkę zwykle wykonuje się z wyrobu lub półwyrobu przez obróbkę mechaniczną

(ewentualnie prasowanie lub odlanie). Wycinanie próbek należy prowadzić sposobem mecha-
nicznym, należy unikać wycinania próbek palnikiem acetylenowym, a w przypadku takiej
konieczności należy przewidzieć odpowiednie naddatki na obróbkę mechaniczną, eliminującą
strefy przegrzane. Końcowa obróbka próbek powinna być wykonana za pomocą skrawania i
szlifowania. Próbki do badań powinny mieć płaszczyzny czołowe równoległe i prostopadłe do
osi próbki.

5. Maszyna wytrzymałościowa

5.1. Wymagania stawiane maszynie wytrzymałościowej

Maszyna wytrzymałościowa powinna być sprawdzana według EN 10002 – 2 i spełniać

wymagania co najmniej klasy 1.
Konstrukcja maszyny powinna zapewniać spełnienie następujących warunków:
−

zapewniać osiowe obciążenie próbki (poprzez konstrukcję uchwytów),

−

zapewniać wzrost obciążenia w sposób ciągły, jednostajny, bez uderzeń i skoków, z moż-

liwością płynnej regulacji szybkości przyrostu odkształcenia,

−

błąd wskazań siłomierza nie powinien przekraczać ±1% (klasa 1),

−

zapewnić utrzymanie stałego obciążenia przez okres co najmniej 30 sek.

φd

0

L

0

=h=nd

0

3

Powyższym warunkom odpowiadają maszyny o napędzie mechanicznym i hydraulicznym.
Na rys. 2 przedstawiono schemat prawidłowego ustawienia próbki w maszynie wytrzymało-
ś

ciowej.

Rys. 2. Schemat prawidłowego ustawienia próbki w maszynie wytrzymałościowej

6. Ściskanie metali plastycznych

W przypadku ściskania metalu plastycznego (Al, Zn, Cu, miękka stal), w początkowym

okresie ściskania, skrócenia próbki są proporcjonalne do naprężeń i podobnie jak przy rozcią-
ganiu występuje granica sprężystości i granica proporcjonalności. Na wykresie krzywej ści-
skania (rys. 3) występuje najpierw prostoliniowy odcinek OA, wyrażający liniową zależność
pomiędzy siłą a odkształceniem. Punkt A odpowiada sile, przy której pojawia się granica pro-
porcjonalności materiału, która w praktyce utożsamiana jest z granicą sprężystości.

Rys. 3. Wykres ściskania w przypadku metali plastycznych

Po przekroczeniu tej granicy na wykresie pojawia się niewielki odcinek, gdzie wzrost de-

formacji jest szybszy. W pewnym momencie zauważyć można zatrzymanie się wskazówki
siłomierza, a nawet siły obciążającej przy szybszym wzroście odkształcenia. Zjawisko to
można obserwować na wykresie ściskania (punkt B). Naprężenia odpowiadające punktowi B
wykresu nazywamy granicą plastyczności.

Zwiększenie siły obciążającej po przekroczeniu granicy plastyczności powoduje coraz

wyraźniejsze pęcznienie próbki, objawiające się stałym wzrostem przekroju poprzecznego.
Krzywa wykresu ściskania szybko zaczyna wzrastać i asymptotycznie dąży do prostej popro-
wadzonej równolegle do osi obciążeń, w punkcie odpowiadającym skróceniu równemu pier-
wotnej wysokości próbki.

Pomimo spłaszczenia próbki prawie „na plasterek” nie widać na niej oznak zniszczenia

(rys. 4).

A

h

B

O

∆l

[mm]

F

[N]

C

φ d

0

h=L

0

r

płyty
dociskowe

F

F

4

Rys. 4. Etapy deformacji ściskania próbki w przypadku metali plastycznych (F

1

<F

2

<F

3

)

Tylko dla niektórych metali (mniej plastycznych) na powierzchni bocznej pojawiają się

drobne rysy. Przyczyną tych pęknięć są często naprężenia rozciągające, a nie ściskające, które
powstają wskutek przyjmowania przez próbkę kształtu beczkowatego. Pęknięcia te nie mogą
być podstawą do wyznaczenia wytrzymałości na ściskanie R

c

. Wytrzymałości na ściskanie dla

metali plastycznych nie wyznacza się, ponieważ próbki dla tych metali nie ulegają zniszcze-
niu. Próbę ściskania metali plastycznych najczęściej przerywa się z powodu wyczerpania za-
kresu maszyny wytrzymałościowej.

7. Ściskanie metali kruchych

W przypadku ściskania metalu kruchego (żeliwo, hartowana stal) lub betonu czy szkła, w

początkowym okresie ściskania (rys. 5) występuje najpierw prawie prostoliniowy odcinek,
który jest lekko odchylony od osi sił. Następnie wykres coraz bardziej zakrzywia się, urywa-
jąc 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 nie wykazują granicy plastyczności.

Rys. 5. Wykres ściskania w przypadku metali kruchych

Niszczenie ściskanego materiału kruchego rozpoczyna się u podstaw próbek. W przypad-

ku kruszenia się części bocznych odsłaniają się nienaruszone części próbki w postaci stoż-
ków.

Większość metali i ich stopów doznaje podczas ściskania pęknięcia poślizgowego (ścię-

cie) (rys. 6a). Pęknięcie poślizgowe poprzedzone jest odkształceniami trwałymi wywołanymi
naprężeniami stycznymi występującymi w przekrojach nachylonych pod kątem 45° do kie-
runków naprężeń głównych i zachodzi pod kątem zbliżonym do kąta nachylenia tych przekro-
jów. Metalami wykazującymi pęknięcia poślizgowe są np. mosiądz i żeliwo wyższej jakości.

1

F

2

F

3

F

1

F

2

F

3

F

O

∆l

[mm]

F

[N]

F

c

5

Niektóre metale i ich stopy ulegają podczas próby ściskania pęknięciu rozdzielczemu.

Pęknięcie to zachodzi w przekrojach prostopadłych do kierunków głównych wydłużenia. Po-
nieważ największe wydłużenia próbki zachodzą w kierunku normalnym do tworzących prób-
ki, przeto złom rozdzielczy przebiega wzdłuż tworzących.

W rzadkich przypadkach pojawia się w wyniku ściskania złom kruchy, jak np. dla stali

hartowanych.

Najczęściej obserwowane kierunki rys i pęknięć pokazano na rys. 6.

Rys. 6. Najczęściej obserwowane kierunki rys i pęknięć

Cechą charakterystyczną materiałów kruchych jest to, że są bardziej odporne na ściskanie

niż na rozciąganie. Tę cechę ilustrują następujące dane:
•

dla żeliwa R

c

= (3 ÷ 4) R

m

,

•

dla betonu R

c

= (3 ÷ 10) R

m

,

•

dla szkła R

c

≈ 10 R

m

.

Wyniki prób na ściskanie są porównywalne na próbkach geometrycznie podobnych.

8. Przeprowadzenie prób ściskania

8.1. Czynności przed próbą ściskania

Czynności, które należy wykonać przed próbą ściskania to:

1. Sporzadzić tabelę pomiarową 1
2. Pomierzyć próbki i zapisać wyniki w tabeli pomiarowej.

Pomiaru średnicy próbki należy dokonać przy pomocy śruby mikrometrycznej z dokład-
nością do 0,02 mm.
Dla próbek krótkich pomiar średnicy wykonuje się w jednym miejscu w dwóch wzajem-
nie prostopadłych kierunkach, a do obliczeń przyjmuje się wartość średnią z obu pomia-
rów.
Dla próbek długich pomiar średnicy wykonuje się w trzech miejscach na długości pomia-
rowej. Różnica pomiędzy największą i najmniejszą średnicą na długości pomiarowej nie
może by iększa niż 0,05 mm. Pole powierzchni przekroju poprzecznego oblicza się dla
ś

rednicy najmniejszej z dokładnością do ± 0,3%.w dwóch wzajemnie prostopadłych kie-

runkach, a do obliczeń przyjmuje się wartość średnią z obu pomiarów.

3. Dokładnie oczyścić i odtłuścić powierzchnie czołowe i powierzchnie płyt dociskowych.

Na wyniki próby duży wpływ mają siły tarcia występujące na powierzchniach czołowych
próbek. Próbka w czasie ściskanie przyjmuje kształt beczkowaty. Dzieje się to na skutek
sił tarcia, które powodują hamowanie odkształcenia poprzecznego próbki przy jej pod-
stawach. Oczyszczanie i odtłuszczanie powierzchni czołowych i powierzchni płyt doci-
skowych zmniejsza siły tarcia.
Przy małych siłach tarcia może wystąpić zarówno znaczne zmniejszenie wytrzymałości
na ściskanie, jak i inny rodzaj zniszczenia (pęknięcie podłużne).

4. Osłonić próbkę, aby uniknąć okaleczenia od ewentualnych odprysków. Dotyczy to mate-

riałów kruchych i stali hartowanej.

a)

b)

6

8.2. Czynności podczas próby

Podczas próby ściskania należy wykonać następujące czynności:

1. Po ustawieniu próbki pomiędzy płytami dociskowymi, poddaje się próbkę obciążeniu

statycznemu z prędkością taką, aby przyrost naprężenia nie przekraczał 10 MPa/s
(1 daN/mm

2

s

-1

),

2. Wykonać próbę

8.3. Pomiary po próbie ściskania

Po próbie ściskania należy wykonać następujące czynności:
1. pomierzyć (z wykresów ściskania F –

∆

l

uzyskanych z maszyny wytrzymałościowej)

współrzędne F i

∆

l

w kilku punktach (w tym charakterystycznych) wykresów w celu spo-

rządzenia wykresów ściskania w układzie

σ

(

ε

) – dla stali oraz

σ

(∆L) – dla żeliwa. Wy-

kresy te łącznie z wykresami rozciągania stanowią wykresy zbiorcze dla tych materiałów.

9. Wykonanie sprawozdania

W sprawozdaniu należy podać:

1. tytuł ćwiczenia,
2. cele ćwiczenia,
3. definicje wielkości charakterystycznych,
4. typ próbki, rysunki próbek i ich wymiary,
5. typ maszyny wytrzymałościowej i zakres siłomierza,
6. wyniki pomiarów zestawione w tabeli pomiarowej 1,
7. wykresy ściskania dla stali i żeliwa,
8. charakterystykę złomów,
9. wnioski uzyskane na podstawie przeprowadzonych pomiarów.

Tabela pomiarowa 1. Zestawienie własności wytrzymałościowych i plastycznych materiałów

Lp.

Materiał

Rodzaj

próby

L

0

d

0

S

0

F

e

F

c

R

e

R

c

−

−

−

[mm] [mm] [mm

2

] [kN] [kN] [MPa] [MPa]

1

stal

ś

ciskanie

2

ż

eliwo

ś

ciskanie

Literatura

[1] Bachmacz W.: Wytrzymałość materiałów. Badania doświadczalne. Skrypt Politechniki Częstochowskiej,

Częstochowa 1973.

[2] Banasik M.: Ćwiczenia laboratoryjne z wytrzymałości materiałów. PWN, Warszawa 1977.
[3] Boruszak A., Sykulski R., Wrześniowski K.: Wytrzymałość materiałów. Doświadczalne metody badań.

Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 1977.

[4] Dyląg Z., Orłoś Z.: Wytrzymałość zmęczeniowa materiałów. Warszawa. WNT 1962.
[5] Jastrzębski P., Mutermilch J., Orłoś W.: Wytrzymałość materiałów. Warszawa. Arkady 1985.
[6] Katarzyński S., Kocańda S., Zakrzewski M.: Badania właściwości mechanicznych metali. WNT, Warszawa

1967.

[7] Łączkowski R.: Wytrzymałość materiałów. Gdańsk. WPG 1988.
[8] Mazurkiewicz S.: Laboratorium z wytrzymałości materiałów. Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej,

Kraków 1978.

[9] Niezgodziński M.E., Niezgodziński T.: Wzory wykresy i tablice wytrzymałościowe. Warszawa. WNT

1996.

[10] Orłoś Z.: Doświadczalna analiza odkształceń i naprężeń. PWN, Warszawa 1977.

7

[11] Walczyk Z.: Wytrzymałość materiałów. Gdańsk. WPG 1998.