Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

Алтайский государственный технический университет

им. И.И. Ползунова

Бийский технологический институт

Н.Н. Фаддеенков, А.М. Третьяков

Разрушение хрупких материалов при сжатии

Методичеcкие указания к лабораторной работе

по сопротивлению материалов для студентов

специальностей 100400, 120100, 150200, 171200, 171500

и направлений 551400, 552900 всех форм обучения

Барнаул 1998

2

УДК 539.3/.8

Фаддеенков Н.Н., Третьяков А.М. Разрушение хрупких материалов при сжатии: Методические указания к лабораторной работе по сопротивлению материалов для студентов специальностей 100400, 120100, 150200, 171200, 171500 и направлений 551400, 552900 всех форм обучения / Бийский технологический институт Алт. гоcударcтв. техн. ун-та им. И.И. Ползунова.- Барнаул, 1998.- 27 c.

Приведены методика проведения испытаний материалов на сжатие, описание лабораторной установки, теоретические сведения по дезинтеграции хрупких материалов, контрольные вопросы.

Методические указания предназначены для студентов всех форм обучения.

Методичеcкие указания рассмотрены и одобрены на заседании кафедры “Автоматичеcкие роторные линии”, протокол №37 от 5 октября 1998 г.

Рецензент: д.т.н. Боднарь Т.А., БТИ

3

СОДЕРЖАНИЕ

1 Испытание на сжатие хрупких образцов	4
Введение	4
1.1 Общие сведения	6
1.2 Лабораторное оборудование	10
1.3 Методика проведения испытаний	11
Контрольные вопросы	12
2 Теоретическая схема процесса множественного разрушения хрупких материалов	13
Введение	14
2.1 Основные предположения	14
2.2 Уравнение массы	16
2.3 Уравнение энергии	17
2.4 Уравнение импульса	21
Заключение	23
Контрольные вопросы	25
Литература	26

4

1 Испытание на сжатие хрупких Образцов

Испытание на сжатие моделирует поведение материала элементов различных строительных сооружений под нагрузкой, а также деталей из хрупких (например, закалённых) металлов. Кроме того, раздавливание кусков является частью технологического цикла различных производств, в частности, добычи и переработки руд и пород из земных недр.

Целью лабораторной работы является исследование процесса деформирования хрупких образцов материалов при сжатии вплоть до разрушения, изучение диаграмм сжатия и определение основных механических характеристик, а также анализ геометрии разрушения образца.

Введение

Испытания материалов открывают возможность визуальногонаблюденияза деформацией материалов под нагрузкой вплоть до разрушения,количественного анализаусилий и деформаций в образце по мере нагружения, а такжеознакомлениястудентов с методикой определения механических характеристик хрупких материалов.

История проведения испытаний на сжатие образцов с целью использования их результатов в практической деятельности (в основном, применительно к строительству) насчитывает около 200 лет. Известно, что французским инженером Готэ в конце 18 века выполнены эксперименты по определению предела прочности горных пород на образцах кубической формы с длиной рёбер 5 см.

Испытание на сжатие является основным видом испытания хрупких материалов, например, таких строительных материалов, как бетон, камень, кирпич (ГОСТ 25 503-80), а также металлов и сплавов. В этом случае образцы изготавливают в виде кубиков стандартного размера.

Кубиковаяпрочность образцов базового размера 15×15×15 см вМПа, изготовленных из рабочего состава бетона и выдержанных в течение 28 суток, характеризует класс бетона по прочности на осевое сжатие и обозначается “B”. При испытании хрупких металлов (например, чугуна) применяют цилиндрические образцы с соотношением высоты к диаметру h/d = 1…2. Применение длинных образцов при сжатии невозможно из-за опасности потери устойчивости.Предел прочности(иливременное сопротивление сжатию) наиболее часто используется в качестве критерия оценки сопротивляемости хрупких материалов разрушению. Предел прочностипри сжатии для хрупких материа-

5

лов всегда больше, чем при растяжении. Однако существуют материалы (как правило, не удовлетворяющие в полной мере одному из основных допущений сопротивления материалов об однородности - дерево, стеклопластик и др.), у которых прочность при сжатии может быть меньше, чем при растяжении.

В общем случае при испытании на сжатие хрупких образцов имеют место следующие характерные формы разрушения (рисунок 1):

1. образование выраженных пирамид разрушения;

2. раскалывание образцов по диагонали;

3. раскалывание образцов по вертикали на отдельные части;

4. взрывоподобное разрушение образцов на множество осколков.

Рисунок 1 - Типы разрушения при сжатии образцов из хрупких материалов

При этом наиболее часто встречается первый тип разрушения образцов в виде двух усечённых пирамид, сомкнутых малыми основаниями. Образование пирамид в опытах на сжатие образцов при наличии сил трения между плитами пресса и торцами образца свидетельствует о том, что разрушение обусловлено сдвиговым напряжением (первый и второй тип).

Если при осевом сжатии куба устранить влияние сил трения между плитами пресса и образцом (например, шлифованием торцов, смазкой, приданием плитам конической формы, либо установлением пластичных прокладок), то поперечные деформации развиваются свободно и трещины преимущественно образуются в вертикальных плоскостяхпараллельно действующей нагрузке (тип 3), а временное сопротивление уменьшается примерно вдвое.

Взрывоподобное разрушение образцов имеет основой формирование сложного напряжённого состояния предразрушения при наличии значительной накопленной энергии упругой деформации в объёме образца (тип 4).

Четвертый тип разрушения относится преимущественно к хрупким и весьма прочным материалам образцов типа горных пород или

6

стекла с соотношением высоты и диаметра цилиндра h/d = 0,9…1,0.

В общем случае на результаты испытания кроме прочности материалов и трения оказывает влияние также масштабный эффект, т. е. размеры образцов и площадь их поперечного сечения. Так, если для базового куба из бетона 15×15×15 см прочность равна _в, то для куба 20×20×20 см она будет 0,93_в, а для куба 10×10×10 см-1,1_в.

Следует отметить, что при испытаниях хрупких образцов горных пород или строительных материалов фиксируют наибольшую нагрузку, которую выдержал образец, а не нагрузку при появлении первой трещины, как это принято при испытаниях конструкционных материалов.