Badanie własności wytrzymałościowych materiałów ceramicznych oraz stopów metali nieżelaznych podczas próby ściskania

Wstęp

Próba ściskania jest metodą badań wytrzymałościowych materiałów, polegającą na osiowym ściskaniu próbki walcowej na maszynie wytrzymałościowej. Próbka powinna mieć dosyć znaczne wymiary przekroju poprzecznego w stosunku do długości aby nie uległa wyboczeniu. Próbkę umieszcza się między płytami dociskowymi, z których jedna opiera się na kulistym przegubie w celu wyeliminowania punktowego styku i zapewnienia równomiernego przylegania. Próbę ściskania stosuje się zazwyczaj do materiałów kruchych. Takie materiały wykazują dużo większą wytrzymałość na ściskanie niż na rozciąganie. Dobrym przykładem jest żeliwo, które zachowuje się inaczej w obu próbach. Charakterystyka naprężenia w funkcji odkształcenia przy ściskaniu żeliwa znacznie odbiega od prawa Hooke’a. Wykres od początku ma charakter krzywoliniowy. W takim przypadku nie można mówić o stałej wartości modułu Younga E, przyjmuję się wartość średnią. Ponadto materiały kruche są trudne do skrawania, co utrudnia wykonanie odpowiednich próbek przeznaczonych do rozciągania. Próba ściskania ma ograniczone znaczenie praktyczne dla materiałów sprężysto – plastycznych. Dla tych materiałów przyjmuje się jednakową wytrzymałość na rozciąganie jak i na ściskanie.

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia było zapoznanie się ze sposobem przeprowadzania próby statycznej ściskania, dokonania obserwacji zachowania się próbek w procesie obciążania oraz analiza przełomu.

Opis ćwiczenia

Do badań użyto trzech próbek walcowych wykonanych ze stopu aluminium, materiału ceramicznego oraz spiekanego magnesu neodymowego. Próbki były kolejno poddane wzrastającemu obciążeniu ściskającemu do chwili ich zniszczenia lub wyczerpania zakresu siły obciążającej. Do prób użyto maszyny wytrzymałościowej o napędzie śrubowym i zakresie zadawania siły do 100 kN.

Obserwacje

Próbka ze stopu aluminium wraz ze wzrostem siły ściskającej coraz bardziej się spłaszczała oraz przyjmowała lekko baryłkowaty kształt. W chwili gdy siła osiągnęła największą wartość, materiał uległ zniszczeniu. Nastąpiło pęknięcie na całej długości nachylone pod kątem ok. 45° do osi. Uzyskany przełom był przełomem poślizgowym (rys. 1).

Rys. 1 Próbka ze stopu aluminium po próbie ściskania

Druga próbka z materiału ceramicznego została obciążona do maksymalnej siły ściskającej jaką mogła wygenerować maszyna wytrzymałościowa. Pomimo tego materiał nie uległ zniszczeniu. Nastąpił jedynie nieznaczny odprysk bocznego kawałka wzdłuż tworzącej (rys. 2). Podczas zadawania siły nie dało się zaobserwować wyraźnego odkształcenia sprężystego oraz baryłkowatego kształtu podobnie jak w poprzedniej próbie. Po zakończonym obciążaniu, odkształcenie plastyczne również nie miało miejsca.

Rys. 2 Próbka z materiału ceramicznego po próbie ściskania

Zniszczenie ostatniej próbki nastąpiło nagle. Towarzyszył temu głośny huk oraz widoczny błysk. Z próbki pozostały drobne kawałki i widoczny fragment powierzchni chromowej (rys. 3). Materiał nadal zachowuje właściwości magnetyczne ponieważ zniszczony kawałek tworzy jeden element.

Rys. 3 Próbka magnesu neodymowego po próbie ściskania

Wnioski

Baryłkowaty kształt pierwszej próbki podczas ściskania świadczy o występowaniu bardzo dużej siły tarcia na powierzchni styku z płytami dociskowymi. Wpływ tarcia jest tak wielki, że próbka w miejscach styku ma ograniczoną możliwość zmiany wymiarów poprzecznych. Rzeczywisty stan naprężenia nie odpowiada równomiernemu jednoosiowemu rozkładowi naprężeń. Pojawiają się naprężenia styczne oraz naprężenia rozciągające na obwodzie. Poślizgowy przełom próbki jest charakterystyczny dla materiałów kruchych. Czyste aluminium oraz jego stopy o niewielkiej zawartości pierwiastków stopowych takich jak krzem, magnez, miedź i inne cechują się dobrą plastycznością. Plastyczna próbka w próbie ściskania uległaby spłaszczeniu, a nie pęknięciu. Oznacza to, że przebadana próbka zawierała dużą ilość składników stopowych, mogła zawierać zanieczyszczenia zwiększające twardość (żelazo, siarka) oraz materiał był poddany umacnianiu odkształceniowemu. Ceramiczna próbka miała największą twardość i wytrzymałość. Odprysk bocznego fragmentu mógł być spowodowany niedoskonałą równoległością obu podstaw próbki. W konsekwencji działanie siły obciążającej było mimośrodowe i spowodowało nierówne rozłożenie naprężeń. Przełom magnesu neodymowego świadczy o niejednorodnej strukturze materiału.