background image

 

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-

background image

 

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

 

background image

 

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

 

B

 

O

 

l

 [mm]

 

F

 [N]

 

C

 

φ d

0

 

h=L

0

 

r 

płyty 
dociskowe 

F

F

background image

 

 

 

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

 

 

background image

 

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) 

background image

 

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] 

stal 

ś

ciskanie 

 

 

 

 

 

 

 

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. 

background image

 

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