2.2. Лабораторная работа № 3. Испытание на сжатие

2.2.1. Общие сведения

Цель опытов – сравнительное изучение механических свойств пластичных, хрупких, изотропных и анизотропных материалов при испытании на статическое сжатие. С этой целью испытываются образцы из пластичной стали, чугуна, дерева и цементного камня. Образцы из дерева, как материала анизотропного, испытываются вдоль и поперек волокон. Форма и размеры образцов для испытания на сжатие влияют на величины определяемых механических характеристик, поэтому их делают стандартными в соответствии с ГОСТом. Испытания проводятся на машине Р-5.

2.2.2. Испытание на сжатие образцов из пластичной стали

Стальные образцы испытываются согласно ГОСТ 25.503-97. Образец (рис. 2.4, а) берется в форме цилиндра, начальная расчетная высота которого удовлетворяет требованию d₀<h₀<2d₀. Перед испытанием образца измеряется h₀ с точностью до 0,1 мм, начальный диаметр d₀ - до 0,01 мм, вычисленная начальная площадь поперечного сечения А₀ округляется до 0,1 мм². В процессе сжатия образец расширяется в поперечном направлении, принимает бочкообразную форму ввиду препятствия поперечной деформации сил трения по торцам и может быть сплющен без видимых признаков разрушения (рис. 2.4, б). Обычно опыт прекращается, использовав технические возможности испытательной машины.

Примерный вид диаграмм сжатия показан на рис. 2.4, в, г. На диаграмме хорошо заметен участок упругого деформирования образца в соответствии с законом Гука. Можно найти нагрузку F_пц и подсчитать предел пропорциональности для стали σ_пц по формуле

, (2.9)

где F_пц - конечная нагрузка, до которой еще справедлив закон Гука;

А₀ - первоначальная площадь поперечного сечения образца.

г

в

б

а

Рис. 2.4. Стальной образец:

а - образец до испытания; б - образец после испытания; в - диаграмма сжатия, имеющая площадку текучести; г - диаграмма сжатия с плавным переходом из упругой зоны

деформирования в пластическую

Предел текучести σ_Т и условный предел текучести σ_0,2 определяются по формулам:

; (2.10)

, (2.11)

где F_Т - наименьшая нагрузка, соответствующая площадке текучести;

F_0,2 - нагрузка, соответствующая абсолютной остаточной деформации (см. рис. 2.4, г).

У пластичных материалов модуль упругости Е, предел пропорциональности σ_пц и предел текучести σ_Т при сжатии весьма близки к соответствующим значениям, полученным при растяжении. Поэтому можно считать, что пластичные материалы одинаково работают на растяжение и сжатие.

2.2.3. Испытание на сжатие образца из серого чугуна

Испытание на сжатие является основным видом испытания для хрупких материалов. Образец из серого чугуна (рис. 2.5, а) имеет форму цилиндра с размерами h₀ = (1+1,5)d₀. Высота h₀ измеряется с точностью до 0,1 мм, диаметр d₀ - до 0,01 мм. В процессе испытания образец приобретает форму, свидетельствующую о незначительных пластических деформаций, а затем разрушается. На боковой поверхности появляются трещины, ориентированные приблизительно под углом 45⁰-60⁰ к вертикальной оси образца (рис. 2.5, б).

Диаграмма сжатия чугуна имеет вид, характерный для хрупких материалов (рис. 2.5, в). Протяженность ее вдоль горизонтальной оси ∆h мала. Единственная из механических характеристик прочности, которую можно в данном случае найти, - это предел прочности (временное сопротивление)

. (2.12)

Предел прочности при сжатии серого чугуна превышает значение предела прочности при растяжении в 3-4 раза.

в

б

а

Рис. 2.5. Серый чугун:

а - образец до испытания, б - образец после испытания, в -диаграмма сжатия