Badanie wytrzymałości na rozciąganie i ściskanie

Ściskanie:

Do próby ściskania stosuje się przeważnie próbki o przekroju okrągłym. Tylko próbki z 

drewna wykonywane są w kształcie kostek o wymiarach 20 x 20 x 30 mm. Średnica próbki 

do zależy od wymiarów i kształtu materiału, z którego pobrane są odcinki próbne, oraz od 

największej siły ściskającej maszyny. Dla metali sprężysto - plastycznych zaleca się 

stosować średnicę próbek 10, 20 lub 30 mm, dla żeliwa szarego 10, 12, 14, 16, 18, 20 mm, 

a dla betonu 80, 160 lub 196 mm w zależności od rodzaju kruszywa wypełniającego beton. 

Wysokość próbki h zależy od rodzaju materiału, rodzaju próby i sposobu pomiaru 

odkształceń i wynosi:

h = X x do

gdzie:

X = 1 - dla próbek z betonu,

X = 1,5 - dla próbek z drewna i tworzyw metalowych przeznaczonych

do próby zwykłej,

X = 3 - dla próbek metalowych przeznaczonych do próby ścisłej w

przypadku nie wyznaczenia Ec,

X = 10 - dla próbek metalowych przeznaczonych do pełnej próby ścisłej.

Próbki, z wyjątkiem betonowych, które są formowane w specjalnych formach, powinny być 

obrobione mechanicznie. Powierzchnie czołowe powinny być do siebie równoległe i 

prostopadłe do osi próbki. Zaleca się szlifowanie powierzchni czołowych próbki.

 Urządzenia do próby ściskania.

 

Próbę ściskania przeprowadza się przy użyciu pras lub uniwersalnych maszyn 

wytrzymałościowych. Próbkę układa się między umieszczone w zrywarce płaskie, 

polerowane i twarde płyty naciskowe, z których jedna ( pożądana górna ) powinna mieć 

przegub kulisty. Przegub ten eliminuje punktowy styk między płytą a podstawą próbki i 

ułatwia ich bardziej równomierne przyleganie. Promień, którym zakreślona jest czasza 

przegubu, powinien mieć swój początek w środku powierzchni stykającej się z płaszczyzną 

czołową próbki ( rys. 1.1 ). Oś próbki powinna pokrywać się z osią obciążenia. Przy zwykle 

stosowanych próbkach nie ma możliwości osiowego prowadzenia próbki i aby zapewnić 

ściskanie osiowe, trzeba płyty dociskowe ustawić równolegle. Należy 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 co najmniej 1 %. Do pomiaru skrócenia 

względnego Ac, wyznaczania 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. 0,01 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.

 

Przy wyznaczaniu umownej granicy sprężystości i współczynnika sprężystości podłużnej przy 

ściskaniu najczęściej mierzy się skrócenie za pomocą tensometru lusterkowego Martensa lub 

tensometrów oporowych. Dokładność wskazań tensometru w tym przypadku powinna być 

nie mniejsza od 0,0005 mm.

 

.Pojęcia podstawowe, wykresy i przełomy próbek.

 

Materiały sprężysto - plastyczne ( stal miękka, aluminium, miedź, itp. ) przy ściskaniu 

zachowują się początkowo podobnie jak przy rozciąganiu. Na początku przyłożenia siły 

skrócenia są proporcjonalne do naprężeń. Po przekroczeniu granicy proporcjonalności, 

którą praktycznie utożsamia się z granicą sprężystości, a ta jak wiadomo jest wartością 

umowną, zaczynają występować niewielkie odkształcenia trwałe. Podstawą jej określenia 

jest wartość siły Fc 0,01, która powoduje skrócenie trwałe próbki równe 0,01 % 

pierwotnej długości pomiarowej próbki. Wartość siły Fc 0,01 odczytuje się z wykresu 

sporządzonego w próbie ścisłej stosując metodę obciążenia lub metodę obciążenia i 

odciążenia. Przy dalszym wzroście obciążenia dochodzi się do granicy plastyczności, która 

dla niektórych materiałów sprężysto - plastycznych ma charakter wyraźny( fizyczny ), tzn. że 

próbka ulega skróceniu bez wzrostu obciążenia, a w niektórych występuje tylko znaczniejszy 

udział odkształceń plastycznych w stosunku do sprężystych. W tym ostatnim przypadku 

określa się umowną granicę plastyczności w próbie ścisłej. Okres płynięcia przy 

występowaniu wyraźnej granicy plastyczności trwa znacznie krócej niż przy rozciąganiu i nie&nbs

wykazuje wartości górnej i dolnej. Podstawą obliczenia wartości umownej granicy 

plastyczności jest określana w ścisłej próbie ściskania siła Fc 0,2. Jest to siła, która 

wywołuje powstanie w próbce odkształceń trwałych wynoszących 0,2 % długości 

początkowej próbki. Siłę Fc 0,2 wyznacza się, podobnie siłę Fc 0,01, z wykresu F = f( l) 

sporządzonego na podstawie skróceń z dokładnością nie mniejszą niż 0,01 mm. Wartość 

granicy sprężystości i granicy plastyczności wylicza się z zależności

 

Rc 0,01 = Fc 0,01 / So [Pa] lub [MPa] ( 1 )

Rce = Fce / So [Pa] lub [MPa]

Rc 0,2 = Fc 0,2 / So [Pa] lub [MPa]

 

Przy dalszym ściskaniu próbki z materiału sprężysto - plastycznego wzrostowi siły 

ściskającej towarzyszy coraz większe spłaszczenie próbki aż do wyczerpania się zakresu siły 

w maszynie. Krzywa wykresu ściskania szybko wzrasta i asymptotycznie dąży do prostej 

poprowadzonej równolegle do osi obciążeń, w punkcie odpowiadającym skróceniu 

równemu pierwotnej wysokości próbki ( rys.1.2a ).

Mimo spłaszczenia próbki "na krążek" nie widać na niej oznak zniszczenia ( rys. 1.3a ). 

Tylko w niektórych przypadkach ( przy niedostatecznej plastyczności ) na powierzchni 

bocznej próbki pojawiają się drobne pęknięcia. Przyczyną tych pęknięć są często naprężenia 

rozciągające, które powstają wskutek przyjmowania przez próbkę kształtu beczkowatego. 

Pęknięcia te nie mogą być podstawą do oznaczania wytrzymałości na ściskanie. Dla 

materiałów tego rodzaju wytrzymałości na ściskanie nie określa się.

Inny charakter ma przebieg ściskania próbek z materiałów kruchych. Początkowo wykres 

jest prawie prostoliniowy i lekko odchylony od osi sił. Następnie coraz bardziej zakrzywia 

się, urywając się nagle w pewnym momencie z powodu zniszczenia próbki. Kształt próbki 

bezpośrednio przed zniszczeniem jest lekko beczkowaty, co świadczy o istnieniu niewielkich 

odkształceń plastycznych. Wyznaczenie umownej granicy sprężystości i umownej granicy 

plastyczności jest możliwe podczas próby ścisłej opisanej wyżej. Wykresy próby ściskania 

próbek ze stali, żeliwa i betonu pokazane są na rys. 1.2 b, a zniszczone próbki ze stali o 

wyższej zawartości węgla ( 0,5 % C ) obrobionej cieplnie i żeliwa na

 

Ponieważ przy ściskaniu próbek z tworzyw kruchych dochodzi do ich zniszczenia, to 

otrzymuje się wartości obciążenia niszczącego Fc i długość ( wysokość ) próbki po 

zniszczeniu lu. W oparciu o te wartości wylicza się wytrzymałość na ściskanie i skrócenie 

względne z następujących zależności:

 

Rc = Fc / So [Pa] lub [MPa]

Ac = [ ( lo - lu ) / lu ] x 100 %

 

Cechą charakterystyczną materiałów kruchych jest ich większa wytrzymałość na ściskanie 

niż na rozciąganie, tzn., że Rc > Rm. I tak np.:

 

dla żeliwa Rc = ( 3 - 4 ) Rm

dla betonu Rc = ( 3 - 10 ) Rm

dla szkła Rc = 10 Rm

 

Początki zniszczenia próbek ściskanych z tworzyw kruchych zaczynają się u ich podstaw. W 

przypadku kruszenia się części bocznych w wyniku rozciągania powierzchni beczkowatych, 

co z reguły występuje przy ściskaniu próbek z betonu, odsłaniają się nienaruszone części 

próbki w postaci stożków. większość metali i ich stopów doznaje podczas ściskania 

pęknięcia poślizgowego ( ścięcia). Pęknięcie poślizgowe poprzedzone jest odkształceniami 

trwałymi wywołanymi przez naprężenia styczne występujące w przekrojach nachylonych pod 

kątem 45o do kierunków naprężeń głównych i zachodzi pod kątem zbliżonym do kąta 

nachylenia tych przekrojów. Niektóre metale i ich stopy ulegają podczas próby ściskania 

pęknięciu rozdzielczemu. Pęknięcie rozdzielcze zachodzi w przekrojach prostopadłych dokierunków głównych wydłużenia

Rozciąganie:

Statyczna próba rozciągania - podstawowa metoda badań wytrzymałościowych materiałów konstrukcyjnych.
W statycznej próbie rozciągania rozciąga się odpowiednio wykonany pręt o przekroju okrągłym wykorzystując urządzenie zwane zrywarką. W czasie próby rejestruje się zależność przyrostu długości próbki od wielkości siły rozciągającej oraz rejestruje się granice sprężystości, przewężenie próbki i siłę zrywającą próbkę. Naprężenia w próbce oblicza się dzieląc siłę rozciągającą przez pole poprzeczne próbki (uwzględniając przewężenie lub nie uwzględniając go).

Typowy wykres naprężenie-odkształcenie pokazuje rysunek. Początkowo wzrost naprężenia powoduje liniowy wzrost odkształcenia. W zakresie tym obowiązuje prawo Hokkeya Po osiągnięciu naprężenia R_e, zwanego granicą sprężystości materiał przechodzi w stan plastyczności, a odkształcenie staje się nieodwracalne. Przekroczenie granicy sprężystości, zauważalne w okresie chwilowego braku przyrostu naprężenia, powoduje przejście materiału w stan plastyczny. Dalsze zwiększanie naprężenia powoduje nieliniowy wzrost odkształcenia, aż do momentu wystąpienia zauważalnego, lokalnego przewężenia zwanego szyjką. Naprężenie, w którym pojawia się szyjka, zwane jest wytrzymałością na rozciąganie R_m. Dalsze rozciąganie próbki powoduje jej zerwanie przy naprężeniu rozrywającym R_u.
(Uwaga! Wykres przedstawia dwie linie. Przerywana pokazuje naprężenie rzeczywiste obliczane przy uwzględnieniu przewężenia próbki. Linia ciągła pokazuje wykres naprężenia obliczanego przy uwzględnieniu pola wyjściowego próbki. Czyni się tak, by zaobserwować wartość R_m, będącą lokalnym maksimum krzywej).
Ten ogólny przypadek znacznie różni się dla różnych materiałów. Np. materiały sprężyste, jak stale wysokowęglowe, żeliwa, stale sprężynowe, nigdy nie przechodzą w stan plastyczny, lecz wcześniej ulegają zerwaniu. Dla wielu materiałów granica plastyczności jest trudna do określenia, gdyż nie istnieje wyraźnie przejście z zakresu sprężystego do plastycznego.
Na podstawie wyników pomiarów statyczną próbą rozciągania można określić podstawowe wielkości wytrzymałościowe materiału, jakimi są: R_e, R_m,moduł younga współczynnik pojsona

Przykład próbki wykorzystywanej w statycznej próbie rozciągania metali.

---