2.1. Краткие теоретические сведения

Испытания на сжатие являются основными при определении механических характеристик хрупких материалов (чугуна, естественных и искусственных строительных материалов и др.).

Под действием сжимающей нагрузки различные материалы ведут себя по разному.

Пластичные материалы (сталь). При сжатии стального образца до некоторой нагрузки P_пц, соответствующей на диаграмме сжатия (Рис. 2.1) точке А, наблюдается сначала прямопропорциональная зависимость между абсолютной деформацией Δh и вызвавшей её нагрузкой Р. На участке OA материал следует закону Гука.

Рис. 2.1

Отношение P_пц к первоначальной площади поперечного сечения называется пределом пропорциональности стали при сжатии:

(2.1)

При дальнейшем нагружении образца (после точки А) наблюдается рост деформации (материал «течет»), но без явно выраженной площадки текучести. Образец цилиндрический до приложения нагрузки (Рис. 2.2, а) принимает бочкообразную форму (Рис. 2.2, 6) вследствие наличия трения между торцами образца и поверхностями сжимающих плит. Для увеличения деформации сжимающую, нагрузку следует резко увеличивать. По мере роста нагрузки, образец не разрушается, а расплющивается (Рис. 2.2,в), иногда с образованием трещин по краям.

Рис. 2.2

Таким образом, при сжатии пластичных материалов предел прочности получить нельзя. Их можно сжимать до получения самой малой высоты (толщины). У пластичных материалов может быть четко выражен обычно только предел пропорциональности. В зависимости от материала можно также наблюдать и предел текучести при сжатии.

Хрупкие материалы (чугун). При сжатии образца из чугуна практически с самого начала приложения нагрузки и до разрушения наблюдается нелинейная зависимость между силой и деформацией (Рис. 2.3). Однако, в условиях тех небольших деформаций, при которых материал используют в различных деталях машин и сооружений, диаграмма Р—Δh представляет собой линию малой кривизны. Поэтому в практических расчетах считают, что материал подчиняется закону Гука. Четко выражена только максимальная нагрузка Р_в, при которой происходит разрушение образца.

Отношение Р_в к первоначальной площади F₀ поперечного сечения называют пределом прочности σ^с_пч или временным сопротивлением σ_в чугуна при сжатии

(2.2)

Рис. 2.3

Рис. 2.4

Образец, уменьшаясь по высоте, принимает бочкообразную форму (Рис. 2). Это свидетельствует о наличии небольших пластических деформаций. Разрушение образца происходит по плоскостям, наклоненным к его оси примерно на α=40°—50°, то есть под действием максимальных касательных напряжений. При разрушении сопротивляемость чугуна падает практически мгновенно. Это характерно для хрупких материалов. Отметим, что величина σ^с_в зависит от условий испытаний и размеров образца (отношение высоты образца к диаметру )

Испытание деревянного образца, как анизотропного материала, проводят вдоль годичных волокон (Рис. 2.5, а) и поперек волокон (Рис. 2.5, 6).

Диаграмма сжатия образца P—Δh вдоль волокон (Рис. 2.6, кривая 1) внешне похожа на диаграмму сжатия чугуна. В начале нагружения между усилием P и деформацией Δh имеется незначительная нелинейная зависимость. По достижении предельной нагрузки P'_в образец разрушается. Отношение P'_в к первоначальной площади F₀ поперечного сечения образца называют пределом прочности σ_пч или временным сопротивлением σ'_в дерева вдоль волокон:

(2.3)

Разрушение происходит со сдвигом по наклонным площадкам.

Рис. 2.5

Рис. 2.6

При сжатии образца поперек волокон (Рис. 2.5, б) диаграмма имеет другой вид (Рис. 2.6, кривая 2). До некоторой точки А наблюдается пропорциональная зависимость между силой и деформацией. Это позволяет определить предел пропорциональности σ_пц , представляющий собой отношение P_пц к первоначальной площади F₀ поперечного сечения:

(2.4)

С дальнейшим увеличением нагрузки древесина уплотняется баз признаков разрушения. Момент потери несущей способности заметить не представляется возможным. Поэтому за разрушающую силу P_в условно принимают такую силу, при действии которой деформация (уплотнение.) образца по высоте достигает 1/3 первоначальной величины, то есть .

Отношение P''_в к F₀ называют пределом прочности σ''_в дерева при сжатии поперек волокон:

(2.5)

Сравнивая кривые 1 и 2 (Рис. 2.6), видим, что при сжатии дерева до разрушения вдоль волокон образец меньше деформируется, чем при сжатии поперек волокон. Характер разрушения в обоих случаях разный (Рис. 2.5, а, б). Прочность образца в первом случае в 7-10 раз выше, чем во втором.

Коэффициент анизотропии, характеризующий различие механических свойств дерева вдоль и поперек волокон, представляет собой отношение предела прочности при сжатии вдоль волокон σ'_в к пределу прочности при сжатии поперек волокон σ''_в:

(2.6)

2.2. Образцы, измерительные приборы и испытательная машина

При испытании на сжатие применяются стальные и чугунные образцы цилиндрической формы с отношением высоты образца h к диаметру d в пределах 1≤(h/d)≤2. Обычно используют образцы, у которых h=20 мм и d=20 мм. Деревянные образцы имеют форму прямоугольного параллелепипеда с основанием 20x20 мм и высотой 30 мм. Обмер образцов производится штангенциркулем с точностью до 0,1 мм.

Испытания проводят на машине УГ 20/2, схема устройства и работы которой приведены в работе № 1.

2.3. Порядок проведения испытаний

1. Произвести обмер образцов штангенциркулем. Результаты обмеров занести в таблицу журнала.

2. Установить образец между опорными плитами испытательной машины и произвести нагружение, записав самописцем диаграмму сжатия.

3. Произвести обработку диаграммы, вычислив основные механические характеристики испытываемых материалов, и записать в таблицу. В отчете в масштабе изобразить диаграммы сжатия материалов.

4. Произвести анализ результатов испытаний.

2.4. Содержание отчета

Отчет по работе должен содержать:

1. Цель работы.

2. Эскизы образцов до испытаний с необходимыми размерами.

3. Эскизы образцов после испытаний.

4. Заполненные таблицы исходными данными, результатами измерений и вычислений.

5. Диаграммы сжатия в координатах P—Δh.

6. Выводы. В выводах необходимо отметить:

а) Как происходит разрушение образцов;

б) почему невозможно определить предел прочности при сжатии стального образца;

в) почему отсутствует предел текучести у чугуна.

2.5. Контрольные вопросы

1. Какие механические характеристики можно определить при сжатии мягкой стали, чугуна и дерева?

2. Чем объясняется бочкообразная форма стального образца?

3. Чему равен предел прочности при сжатии стали и чугуна?

4. Почему разрушение чугунного образца происходит по наклонным площадкам?

5. Как разрушаемся чугунный образец?

6. Что такое анизотропия, и каким параметром она характеризуется?

7. Как и почему разрушаются деревянные образцы при сжатии вдоль и поперек волокон?