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.

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

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.

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