Контрольные вопросы

1. Какова цель испытания материалов на растяжение?

2. Какую форму имеет образцы для испытания на растяжение металлов? Чем объясняется принимаемая форма образцов?

3. Какие механические характеристики материалов характери­зуют его прочность?

4. Какие параметры характеризуют пластические свойства ма­териалов?

5. Чем характеризуются упругие и остаточные деформации?

6. Как по диаграмме растяжения образца определить величину остаточной и упругой деформации в любой момент испыта­ния?

7. Сформулируйте закон Гука. Для какого участка диаграммы справедлив закон Гука?

8. Как определяются предел пропорциональности, предел теку­чести, временное сопротивление?

9. Что такое условный предел текучести и как его определяют?

10. Какова природа возникновения линий Чернова?

11. На каком участке диаграммы в образце обнаруживается шей­ка?

12. Что такое фиктивное и действительное напряжения в момент разрыва? Какое из них оказывается большим?

13. Как определяется удельная работа деформации растяжения и что она характеризует?

14. Как определяется по диаграмме растяжения остаточная де­формация в момент разрыва?

15. Что такое наклеп и как его можно использовать в тех­нике?

16. Как разрушаются образцы из хрупкого и пластичного метал­лов? В чем различия между характером разрушения этих материалов?

Лабораторная работа № 3 Испытание на сжатие образцов из стали и бетона. Испытание на сжатие бетона и дерева. Механические характеристики материалов

Цель работы: изучение поведения пластичных, хрупких, изотропных и анизотропных

материалов при испытании на сжатие и определение их основных

механических характеристик.

1. Общие положения

В результате осевого сжатия образец укорачивается и увеличивает свое сечение. При сжатии определяют те же характеристики, что и при растяжении:

предел пропорциональности σ_пц;

предел упругости σ_у;

предел текучести σ_т.

Характер деформации при сжатии иной, чем при растяжении. Пластичные материалы при сжатии вообще нельзя разрушить, они сплющиваются в диск, и поэтому невозможно определить сопротивления разрушению и полную пластичность.

Методы статических испытаний на сжатие металлов и сплавов устанавливает ГОСТ 25.503-97.

Известно, что не все материалы в одинаковой степени сопро­тивляются растяжению и сжатию. Например, чугун, дерево, камень плохо сопротивляются растяжению, но очень хорошо работают на сжатие. Испытание на сжатие таких материалов является основным при определении их механических характеристик.

При испытании на сжатие хрупких материалов определяется временное сопротивле­ние. Эта характеристика имеет большое практическое значение для расчета на прочность деталей из хрупких материалов, так как именно они обычно применяются для изготовления деталей, претер­певающих деформацию сжатия.

Пластичные материалы имеют практически одинаковые харак­теристики как при растяжении, так и при сжатии. Поэтому на сжатие они испытываются редко, в основном с исследовательской целью.

Для испытания на сжатие металлов изготавливаются короткие цилиндрические образцы (крещеры), у которых длина не превыша­ет трех диаметров (l₀ < (1…3) d₀). Такое соотношение принято во избежание продольного изгиба, который может сопровождать деформацию сжатия в длинных образцах. Для прочих материалов - дерево, камень - образцы изготавливаются в виде стандартных кубиков.

При сжатии различию материалы ведут себя по-разному.

Пластичные материалы. При сжатии образца из пластичного материала (сталь, медь, алюминий к др.) наблюдается увеличение его поперечных размеров, а длина зна­чительно уменьшается. Образец при этом принимает бочкообраз­ную форму, что объясняется трением между плитами испытательной машины и торцами образца, препятствующим свободно­му расширению прилегающей к торцам части материала. Смазывани­ем опорных поверхностей образца маслом или парафином можно зна­чительно уменьшать это препятствие. Влияние сил трения можно было бы уменьшить, увеличив длину образца, но в таком случае в образце одновременно со сжатием возникнет продольный изгиб. Можно уменьшить силы трения применением образцов специальной формы. На рис. 1 изображен трубчатый образец, в котором практически устранено влияние сил трения и в чистом виде полу­чается одноосное сжатие.

Для сжатия трубчатых образцов плиты испытательной машины должны также иметь коническое очертание с тем же углом конус­ности α. Если угол наклона торцов образца α подобран рав­ным углу трения материала образца (α = f), то равнодействую­щая сил трения и сил давления на образец будет параллельна оси образца, таким образом получается осевое его сжатие.

Рис. 1 Трубчатый образец для одноосного сжатия.

При сжатии, так же как и при растяжении, самопишущий прибор испытательной машины автоматически вычерчивает диаграмму сжатия (рис. 2).

Рис. 2 Диаграмма сжатия.

Для пластичных материалов до некоторой точки А на диаграмме наблюдается, как и при растяжении, прямая линия, т.е. существует пропорциональная зависимость между нагрузкой и удлинением - справедлив закон Гука. Ордината точки А соответствует пределу пропорциональности пластичного материала. Начи­ная от точки А уже появляются и пластические деформации, кото­рые за точкой В растут без увеличения нагрузки.

Однако площадка текучести при сжатии пластичного материала выявляется слабее. В дальнейшем не наблюдается падения нагрузки, как при растяже­нии, а диаграмма непрерывно идет вверх по некоторой кривой. Это объясняется тем, что за пределом пропорциональности появля­ются заметные остаточные деформации, образец укорачивается, се­чение его постоянно увеличивается и он становится способным вы­держивать все большую нагрузку.

Довести до разрушения образец из пластичного материала не представляется возможным. Испытыва­емый образец сжимается в тонкий диск без видимых признаков разрушения. В связи с этим понятие "временное сопротив­ление" при сжатии для пластичных материалов не существует. При сжатии пластичных материалов можно получить предел пропорцио­нальности и предел текучести. Они практически совпадают с соот­ветствующими характеристиками при растяжении.

При сжатии образцов из пластичных материалов, как и при растяжении, имеет место явление наклепа.

Хрупкие материалы. Для испытания хруп­ких материалов на сжатие (например, чугуна) изготавливаются короткие цилиндрические образцы. В процессе испытания образец укорачивается и приобретает слабо выраженную бочкообразную форму ввиду наличия трения по его торцам. Это свидетельствует о появлении пластических деформаций. Диаграмма сжатия хрупкого материала вначале имеет почти прямолинейный участок, слегка наклоненный к оси сил. Затем она искривляется и резко обрывается. Разрушение хруп­кого образца происходит внезапно, чем и объясняется резкое па­дение нагрузки, характерное для таких материалов. В этот момент нагрузка достигает своего максимального значения, т.е. для хруп­ких материалов максимальная и разрушающая нагрузки совпадают.

Разрушение образцов из хрупких материалов происходит по плоскос­тям, наклоненным к оси образца под углом примерно 45…50°. Ха­рактер разрушения показан на рис. 5. При смазывании торцов образца парафином характер разрушения будет иным. Образец не бу­дет принимать бочкообразную форму, а разрушение произойдет пу­тем образования продольных трещин по его высоте. Образец из дю­ралюминия разрушается подобно описанному выше и представленно­му на рис. 5, но при больших, чем для чугуна пластических дефор­мациях.

При испытании хрупких материалов на сжатие находится времен­ное сопротивление. Оно для хрупких материалов при сжатии оказы­вается большим, чем при растяжении. Так, для серого чугуна на­блюдается такое соотношение:

σ_{в сж} ≈ (3…4,5) σ_{в р}

Для сравнения на рис. 3 показаны диаграммы растяжения и сжатия малоуглеродистой стали и серого чугуна.

Рис. 3 Диаграммы растяжения и сжатия:

1 - растяжение малоуг­леродистой стали; 2 - растяжение серого чугуна;

3 - сжатие малоуглеро­дистой стали; 4 - сжатие серого чугу­на.

Анизотропный материал (дерево). Для испытания дерева на сжатие изготавливаются кубики стандарт­ных размеров. Дерево как анизотропный материал испытывается вдоль и поперек волокон. При этом получаются резко отличный характер деформирования и механичес­кие характеристики материала. В ходе испытания записываются ди­аграммы деформирования.

Образец, сжимаемый вдоль волокон, до разрушения претерпевает сравнительно небольшие остаточные де­формации. После достижения нагрузкой наибольшего значения начинается разрушение образца с последующим падением нагрузки. Разрушение происходит с образованием поперечных складок и смятием торцов. При наличии сучков в дре­весине, одновременно с этим, могут возникнуть и продольные трещи­ны.

При испытании деревянного образца поперек волокон картина получается иная. Начальный участок диаграммы представляет собой наклонную прямую до нагрузки, соответствующей пределу пропорциональности. Затем диаграмма при­обретает вид слабо изогнутой кривой, почти параллельной оси абс­цисс. Если древесина не имеет пороков, то разрушение кубика не наблюдается, он лишь значительно спрессовывается.

Принято считать, что значительный рост деформации при слабом нарастании нагрузки указывает на то, что несущая способность образца исчерпана. За разрушающую принимают ту нагрузку, при которой кубик сминается на 1/3 своей первоначальной высоты.

Следует считать, что прочность древесины вдоль волокон в 8…10 раз выше, чем прочность ее поперек волокон.