ОБОСНОВАНИЕ И ПОСТАНОВКА ОПЫТА. Испытание на сжатие проводятся реже, чем на растяжение, т.к

Испытание на сжатие проводятся реже, чем на растяжение, т.к. при сжатии нельзя получить все механические характеристики материалов. Так, пластичный материал при сжатии не разрушается, а превращается в диск, что не позволяет определить напряжение, соответствующее разрушающей силе. Также нельзя определить параметры, аналогичные характеристикам пластичности. Поэтому испытанию на сжатие подвергают в основном хрупкие материалы.

Явление простого (равномерного) сжатия можно получить только у сравнительно коротких образцов; в случае длинных стержней одновременно со сжатием может возникнуть другое явление – так называемый продольный изгиб.

Явление чистого сжатия происходит в образце, длина которого не превышает пятикратной величины его меньшего поперечного размера. С другой стороны, так как при сжатии происходит увеличение поперечных размеров тела, то при очень малой высоте образца большое влияние на результат опыта оказывает трение, развивающееся по поверхностям давления пресса. Для того чтобы правильно судить о качестве различных материалов, существуют правила проведения испытаний и установлены стандартные размеры образцов (см. табл. 4.1).

Таблица 4.1

Нормальные размеры образцов для испытания на сжатие

Характер разрушения при сжатии хрупких и пластичных материалов различен.

Диаграмма чугуна в начале прямолинейная. На этом участке диаграммы форма и размеры образца меняются незначительно. При приближении к максимальной нагрузке диаграмма становится более пологой и образец принимает слегка бочкообразную форму. Когда нагрузка достигает наибольшего значения, на поверхности образца появляются трещины – наступает разрушение, которое происходит в основном от сдвигов по площадкам с наибольшими касательными напряжениями. Большинство хрупких материалов (бетон, камень) разрушается при сжатии так же, как чугун.

Пластичный материал, например низкоуглеродистая сталь, постепенно сжимается в прессе все нарастающей нагрузкой до тех пор, пока не будет приостановлен опыт; образец при этом может быть при отсутствии внешних повреждений спрессован в весьма тонкую пластинку. Первоначальный участок диаграммы сжатия стали – прямолинейный с тем же углом наклона, что и при растяжении. Это свидетельствует о том, что модуль упругости у стали при растяжении и сжатии можно принимать одинаковым. Значения предела пропорциональности и предела текучести стали при растяжении и сжатии практически одинаковы.

Испытание на сжатие проводятся по следующим стандартам: для стали и чугуна - ГОСТ 25.503-97.

Образцы материалов изготавливаются в виде цилиндров c соотношением размеров h =(1...2) d (рис. 4.1). Образец закладывается между плитами испытательной машины и постепенно нагружается непрерывно возрастающей нагрузкой. При этом на диаграммном барабане машины вычерчивается диаграмма сжатия (рис. 4.2).

Результаты испытаний на сжатие зависят от условий проведения эксперимента. Практически очень трудно добиться приложения сжимающей силы точно по оси образца. Поэтому образец будет не только сжиматься, но и изгибаться. Чем длиннее образец, тем больше влияние изгиба. Для уменьшения влияния изгиба рекомендуется приме­нять образцы, длина которых не более чем в два раза превышает их поперечные размеры. Применение слишком коротких образцов тоже нежелательно. При сжатии образца продольные размеры уменьшаются, а поперечные увеличиваются (по закону Пуассона).

Рисунок 4.1. Образец для испытания

Для пластичного материала (медь) диаграмма сжатия (рис. 4.2) до предела текучести совпадает с диаграммой растяжения, однако выраженной площадки текучести не наблюдается. После прохождения стадии текучести происходит быстрое возрастание деформаций, а увеличивающееся поперечное сечение образца становится способным выдержать все большую нагрузку. Образец принимает бочкообразную форму из-за наличия сил трения на торцах (рис. 4.3, а) и может быть сплющен в тонкую пластинку без признаков разрушения, иногда даже без образования трещин. Поэтому в процессе испытания обычно определяют только предел пропорциональности:

Для пластичных материалов модуль упругости Е, предел упругости σ_y и предел текучести σ_m при сжатии примерно те же, что и при растяжении. Предел прочности при сжатии нельзя определить практически, т.к. образец не разрушается, поэтому его принимают равным пределу прочности при растяжении. Характеристики, аналогичные относительному удлинению и относительному сужению при разрыве, при испытании на сжатие получить невозможно.

Хрупкие материалы (чугун, бетон, кирпич и др.) лучше сопротивляются сжатию, чем растяжению и поэтому они применяются для изготовления материалов, работающих на сжатие (к примеру, у бетона предел прочности на сжатие раз в 10 больше предела прочности на растяжение). В силу чего хрупкие материалы применяются в основном в сжатых элементах конструкций, поэтому основным видом испытаний хрупких материалов является испытание на сжатие. Поэтому для их расчета на прочность необходимо знать механические характеристики, получаемые при испытании на сжатие.

Для чугуна на диаграмме сжатия (рис. 4.2) почти отсутствует прямолинейный участок, т.е. закон Гука выполняется лишь приближенно в начальной стадии нагружения. Разрушение происходит внезапно при максимальной нагрузке F_max с появлением ряда наклонных трещин, расположенных приблизительно под углом 45^о к образующим боковой поверхности образца, т.е. по линиям действия максимальных касательных напряжений (рис. 4.3, б). Предел прочности при сжатии определяется по зависимости:

Предел прочности чугуна на сжатие превышает предел прочности на растяжение в 4-5 раз и предел прочности на изгиб в 2 раза.

Следует заметить, что характер деформации и разрушения образца зависят от сил трения между торцами образца и опорными плитами испытательной машины. Путем периодической смазки торцов можно устранить силы трения; при этом чугунный образец в течении всего испытания остается цилиндрическим и разрушается по плоскостям, параллельным диаметральной плоскости из-за недопустимо больших растягивающих деформаций.

При сжатии бетона (цементного раствора, камня), рост нагрузки сопровождается упругими деформациями вплоть до разрушения, что вообще свойственно для хрупких материалов. Характер разрушения образцов из бетона зависит от наличия сил трения между плитами машины и торцами образца. При их наличии, т.е., когда образец без смазки, разрушение происходит путем выкрашивания материала у боковых поверхностей в средней части образца, а трещины образуются под углом 45^о к линии действия нагрузки (рис. 4.3, в). При сжатии образца со смазанными торцами разрушение имеет вид продольных трещин, т.е. материал расслаивается по линиям, параллельным действию сжимающей силы (рис. 4.3, г). Сравнение механических характеристик бетона показывает, что предел прочности при сжатии в 10-20 раз превышает предел прочности при растяжении.

При расчете строительных конструкций необходимо учитывать особенности сопротивления растяжению и сжатию пластичных и хрупких материалов.

Рисунок 4.2 Диаграмма сжатия

а) б) в) г)

Рисунок 4.3. Характер разрушения различных материалов при сжатии

а - медь; б - чугун; в, г - бетон без и со смазкой торцов;

Поиск по сайту: