Podstawy teoretyczne z uwzględnieniem norm (PN)
Próby ściskania podobnie jak rozciągania, mają na celu ustalenie podstawowych cech mechanicznych materiałów stosowanych w budownictwie. Badaniom poddawane są zarówno materiały plastyczne jak i kruche. W przypadku materiałów plastycznych (stal niskowęglowa) za najważniejszą przyjmuje się granicę plastyczności. Obliczenie jej polega na ustaleniu siły, dla której próbka ulega plastycznemu skróceniu. Dla materiałów kruchych (beton, żeliwo, drewno) niewykazujących wyraźnej granicy plastyczności ustala się ich wytrzymałość na ściskanie. Wyznaczenie jej wiąże się z zanotowaniem obciążenia, przy którym próbka ulega zniszczeniu. Próby ściskania wykonuje się jako zwykłe i ścisłe, gdzie dodatkowo wyznaczamy moduł sprężystości podłużnej przy ściskaniu.
a) próba ściskania metali miękkich - stali niskowęglowej
- granica plastyczności - naprężenie, wywołujące trwałe odkształcenie ściskanej próbki:
gdzie:
S0 - pole przekroju poprzecznego próbki wyznaczone przed badaniem,
F0,05 - siła odpowiadająca granicy plastyczności, widoczna na wykresie jako załamanie krzywej
- skrócenie względne - skrócenie próbki wywołane ściskaniem odniesione do jej początkowej długości:
gdzie:
L0 - długość próbki przed badaniem,
L1 - długość próbki po badaniu,
- rozszerzenie względne - proporcja przyrostu pola przekroju poprzecznego próbki po badaniu do początkowego pola przekroju:
gdzie:
S1 - pole przekroju poprzecznego w najszerszym miejscu próbki po badaniu,
S0 - pole przekroju poprzecznego próbki przed badaniem,
b) próba ściskania materiału kruchego - żeliwa
-wytrzymałość na ściskanie - graniczne naprężenia, wywołujące zniszczenie próbki:
gdzie:
S0 - pole przekroju poprzecznego próbki wyznaczone przed badaniem,
Fc - graniczna siła powodująca pęknięcie (rozkruszenie) próbki.
c) próba ściskania drewna
-wytrzymałość na ściskanie wzdłuż włókien - graniczne naprężenia, wywołujące
zniszczenie próbki ściskanej wzdłuż włókien:
-wytrzymałość na ściskanie wzdłuż włókien drewna o wilgotności 15% - sprowadzony wynik wytrzymałości określonej wyżej:
gdzie:
FcWk - graniczna siła niszcząca równoległa do kierunku włókien,
S0 - pole przekroju poprzecznego próbki
W - wilgotność drewna w %,
α - współczynnik zmiany wytrzymałości drewna na ściskanie wzdłuż włókien przy zmianie jego wilgotności o 1% (w przedziale 15+-3%); α = 0,04,
-wytrzymałość na ściskanie w poprzek włókien - graniczne naprężenia, wywołując zniszczenie próbki ściskanej prostopadle do kierunku włókien drewna:
-wytrzymałość na ściskanie w poprzek włókien drewna o wilgotności 15% - sprowadzony wynik wytrzymałości określonej wyżej:
gdzie:
FcW⊥ - graniczna siła niszcząca prostopadła do kierunku włókien,
a - szerokość próbki,
l - długość próbki,
W - wilgotność drewna w %,
α - współczynnik przeliczeniowy α = 0,035,
Wymagania BHP
Maszyna wytrzymałościowa obsługiwana jest przez uprawnione osoby. Próbki do badań są również umieszczane w maszynie przez upoważnioną osobę. Studenci obserwują przebieg badania, odczytują wskazania siły ściskającej, mierzą wymiary próbek za pomocą suwmiarki.
Schemat i zasada działania urządzenia pomiarowego
Urządzenie wykorzystywane do badania zwykłej statycznej próby ściskania: stali, żeliwa i drewna jest tym samym wykorzystywanym materiałów zwykłej statycznej próbie rozciągania stali. (sprawozdanie nr1)
Przebieg ćwiczenia
Próbki do badań
- zwykłą próbę ściskania metali wykonuje się, zgodnie z normami
PN-H-04320:1957, PN-H-83119:1980, na próbkach walcowych o średnicach d0: 10, 20 lub 30mm i wysokości h0 = 1, 5 · d0.
- próbka powinna mieć płaszczyzny czołowe równoległe względem siebie i prostopadłe do osi próbki.
- zgodnie z normą PN-EN-206:2003 próbki walcowe powinny mieć średnicę 150mm i wysokość 300mm, a sześcienne 150 × 150 × 150mm. - zgodnie z normami: PN-79/D-04102, PN-77/D-04229 i
PN-EN 13183-1, próbę ściskania drewna wykonuje się na próbkach prostopadłościennych o wymiarach: 20 × 20 × 30mm.
Czynności przed rozp. badania
- dokonać pomiaru długości średnic i wysokości próbek metalowych w kilku miejscach za pomocą suwmiarki,
- oczyścić i odtłuścić powierzchnie czołowe próbki i płyt docikowych, gdyż na wyniki pomiarów mają duży wpływ siły tarcia powstające na styku próbki z powierzchnią płyty maszyny wytrzymałościowej,
- dokonać pomiaru długości trzech boków próbek drewnianych,
- ocenić wilgotność drewna- wstępnie ustalić przybliżoną wartość granicy plastyczności,
4.3 Czynności podczas badania
- odczytać obciążenie odpowiadające granicy plastyczności: Fec,
- odczytać obciążenie odpowiadające wytrzymałości na ściskanie Fc próbki żeliwnej i próbek drewnianych,
4.4 Czynności po zak. badania
- ustalić wymiary próbki stalowej,
- wyznaczyć granicę plastyczności próbki stalowej: Rec,
- wyznaczyć wytrzymałość na ściskanie próbki żeliwnej i drewnianej.
Ustalenie granicy plastyczności przy ściskaniu stali niskowęglowej
Poddając ściskaniu materiał plastyczny w początkowej fazie obserwujemy skrócenia próbki proporcjonalne do przyłożonego obciążenia. Analogicznie do prób rozciągania możemy wyznaczyć granicę sprężystości, po przekroczeniu, której następuje szybszy wzrost odkształceń, a po chwili może mu towarzyszyć zatrzymanie wzrostu obciążenia. Zjawisko to można zaobserwować zarówno na siłomierzu jak i na wykresie powstającym podczas badania. Wielkość tego niezmiennego obciążenia Fec przyjmowana jest za granicę plastyczności.
a) b)
a) wykres z badań, b) deformacje próbki
Dalszy wzrost obciążenia wywołuje zmianę kształtu próbki. Przybiera ona formę beczkowatą i w konsekwencji ulega coraz większemu spłaszczeniu. Obciążenie wzrasta niewspółmiernie do odkształceń próbki. Pomimo widocznych rys badanie należy zakończyć, gdyż próbka nie ulegnie zniszczeniu przed wyczerpaniem zakresu maszyny wytrzymałościowej.
Ustalenie wytrzymałości na ściskanie materiałów kruchych
W przypadku ściskania materiałów kruchych (żeliwa, betonu, stali hartowanej), w początkowej fazie jest zauważalny odcinek odkształceń sprężystych. Po chwili wykres przechodzi w krzywoliniowy i szybko urywa się z powodu zniszczenia próbki. W badaniach materiałów kruchych nie występuje wyraźna granica plastyczności, a jedynie niewielki odcinek odkształceń plastycznych. W tej fazie obciążenia próbki przyjmują kształt lekko beczkowaty. Większość metali kruchych doznaje podczas ściskania pęknięcia poślizgowego (ścięcia). Zjawisko to wywołane jest naprężeniami stycznymi występującymi pod kątem 450 do kierunku naprężeń głównych. W przypadku badania betonu, niszczenie rozpoczyna się u podstawy próbki, po czym odspojeniu ulegają części boczne. Próbka przybiera kształt stożków (ostrosłupów w przypadku próbek sześciennych) połączonych wierzchołkami, co pokazano na rysunku.
a) b)
a) wykresy z badań, b) deformacje próbek
Ustalenie wytrzymałości na ściskanie drewna
Drewno jest materiałem, który wykazuje odmienne własności mechaniczne dla różnych kierunków ułożenia włókien. Próbka wycięta równolegle do kierunku włókien będzie miała inną wytrzymałość na ściskanie niż taka sama próbka pochodząca z tego samego fragmentu drzewa ściskana prostopadle do jego włókien. Na początku badań obserwuje się krótki krzywoliniowy wykres, po czym następuje faza odkształceń sprężystych do osiągnięcia granicy proporcjonalności. Ustalenie wytrzymałości na ściskanie wzdłuż włókien odbywa się ustawiając próbkę dłuższym bokiem w kierunku działającego obciążenia. Podczas ściskania w poprzek włókien próbkę układa się dłuższym bokiem na płycie maszyny wytrzymałościowej. Kierunek obciążenia może być prostopadły do układu słojów drzewa (promieniowy) lub równoległy do nich (styczny). Zasadniczy wpływ na wyniki badań ściskanego drewna ma jego wilgotność. Dowiedziono, iż przy wilgotności około 30% (całkowite nasycenie) spadek wytrzymałości na ściskanie może być rzędu 50%, dlatego zgodnie z normą badanie powinno być wykonywane na próbkach o wilgotności około 15%. Przed badaniem należy dokładnie określić wilgotność drewna, a otrzymany wynik wytrzymałość sprowadzić do wielkości odpowiadającej wilgotności materiału równej 12%, stosując odpowiednie wzory.
a) wykresy z badań, b) deformacje próbek
5. Opracowanie wyników
Zwykła próba ściskania stali niskowęglowej
Początkowe wymiary próbki
• początkowa długość próbki:
L0 = 15,1 [mm]
• początkowa średnica próbki:
d0 = 10,0 [mm]
• początkowe pole przekroju poprzecznego próbki:
S0 = 78,54 [mm2]
• Obciążenie próbki odpowiadające granicy plastyczności:
Fec = 56 [kN]
Wymiary próbki po badaniu
• długość próbki:
L1 = 14,45 [mm]
• średnica próbki w najszerszym przekroju:
d1 =10,02 [mm]
• pole przekroju poprzecznego odpowiadające średnicy d1:
S1 =78,85 [mm2]
Cechy wytrzymałościowe i plastyczne
• granica plastyczności:
[MPa]
• skrócenie względne:
[%]
• rozszerzenie względne:
[%]
Zwykła próba ściskania żeliwa
Początkowe wymiary próbki
• początkowa długość próbki:
L0 = 15,0 [mm]
• początkowa średnica próbki:
d0 = 10,0 [mm]
• początkowe pole przekroju poprzecznego próbki:
S0 = 78,54 [mm2]
• Obciążenie niszczące próbkę :
57,4 [kN]
Cechy wytrzymałościowe
• wytrzymałość na ściskanie:
[MPa]
Zwykła próba ściskania drewna w kierunku równoległym do włókien
Początkowe wymiary próbki:
• długość:
l = 30 [mm]
• wymiar przekroju poprzecznego:
a = 20 [mm]
• pole przekroju poprzecznego:
S0 = 400 [mm2]
• Wilgotność drewna:
W = 7,5 [%]
• Obciążenie niszczące próbkę :
[kN]
Cechy wytrzymałościowe
• wytrzymałość na ściskanie drewna o wilgotności W:
[MPa]
wytrzymałość na ściskanie sprowadzona do drewna o wilgotności 15%:
[MPa]
Zwykła próba ściskania drewna w kierunku prostopadłym do włókien
Początkowe wymiary próbki:
• długość:
l = 30 [mm]
• szerokość:
a = 20 [mm]
• Obciążenie niszczące próbkę :
[kN]
Cechy wytrzymałościowe
• wytrzymałość na ściskanie drewna o wilgotności W:
[MPa]
• wytrzymałość na ściskanie sprowadzona do drewna o wilgotności 12%:
[MPa]
Wyszukiwarka