Лабораторная работа № 2 статические испытания материалов на сжатие

Цель работы: определение механических характеристик металлов и дерева и изучение характера разрушения пластичных и хрупких материалов при деформации сжатия.

Краткие теоретические сведения

Для пластичных материалов (сталь, алюминий, медь и др.) испытания на сжатие являются дополнением к испытаниям на растяжение. Хрупкие материалы (чугун, цемент, бетон и др.) на сжатие работают значительно лучше, чем на растяжение, и обычно применяются в сжатых элементах конструкций. Поэтому хрупкие материалы испытывают, главным образом, на сжатие. Результаты испытаний на сжатие зависят от условий проведения опыта. Практически очень трудно добиться приложения сжимающей силы точно по оси образца. Вследствие внецентренного приложения нагрузки (рис. 2.1а) образец будет не только сжиматься, но и изгибаться. Чем длиннее образец, тем больше сказывается влияние изгиба. Для уменьшения последнего рекомендуется применять образцы, длина которых не более чем в два раза превышает их поперечные размеры. Применение слишком коротких образцов нежелательно.

.

F

F

а

б

Рис.2.1. Варианты приложения сжимающей силы

При сжатии размеры образца в направлении действия силы уменьшаются, а в поперечном направлении – увеличиваются. Вследствие трения между торцами образца и опорными плитами машины увеличение поперечных размеров в средней части образца и по краям происходит неодинаково, в результате образец принимает бочкообразную форму (рис. 2.2б).

Чем короче образец, тем сильнее влияние сил трения. Появление этих сил изменяет характер напряженного состояния и увеличивает сопротивление разрушению образца.

Уменьшить трение можно смазыванием торцов образца парафином или графитовой смазкой.

При испытаниях на сжатие, кроме определения механических характеристик, получают диаграммы сжатия в координатах сила-укорочение образца (F, ∆l).

При выполнении данной работы в лаборатории сопротивления материалов КГТУ предусматривается производить испытания трех материалов: малоуглеродистой стали, серого чугуна и дерева.

Оборудование, приборы и материалы: гидравлический пресс фирмы «Armsler»; штангенциркуль; образцы из малоуглеродистой стали, чугуна и дерева.

Испытание малоуглеродистой стали

Образцы, применяемые при испытании, изготавливаются в виде цилиндра с отношением высоты h к диаметру d равным 1…2 (т.е. h = d…2d), (рис. 2.2а), торцы образца должны быть перпендикуляры его оси.

Рис.2.2. Вид образца до и после испытания

Проведение испытаний

Испытание можно производить на любой испытательной машине, предназначенной для статических испытаний на сжатие. Перед испытанием производится измерение диаметра d₀ и высоты h₀ образца штангенциркулем с точностью до 0,1 мм. Испытуемый образец помещают между опорными плитами машины, подготавливают к работе диаграммный аппарат и производят постепенное нагружение образца, все время следя за стрелкой силоизмерителя (динамометра).

При сжатии стального образца до некоторой нагрузки наблюдается пропорциональная зависимость между деформацией и нагрузкой.

Кратковременная остановка стрелки или замедление скорости ее движения указывают на то, что материал образца начал пластически деформироваться.

Зафиксированная по силоизмерителю нагрузка в момент останова стрелки является силой F_T, соответствующей физическому пределу текучести σ_T. Под физическим пределом текучести при сжатии понимают наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения сжимающей нагрузки.

В процессе дальнейшего нагружения отмечается значительный рост деформации, т.е. материал «течет», но без явно выраженной площадки текучести (рис.2.3), образец принимает бочкообразную форму вследствие наличия трения между торцами образца и поверхностями сжимающих плит. Так как площадь поперечного сечения образца увеличивается, то для его дальнейшей деформации приходится повышать сжимающую нагрузку. При этом образец не разрушается, а расплющивается (см. рис. 2.2.б), иногда с образованием трещин по краям. Пластичные материалы при сжатии не разрушаются, т.е. их можно расплющить до получения фольги, поэтому предел прочности (временное сопротивление) _в для них не может быть определен. Четко выражен только предел пропорциональности.

Как правило, испытание прекращают при достижении нагрузки в 3…5 раз превышающей нагрузку, соответствующую физическому пределу текучести F_T, отмечая величину конечной нагрузки F_K.

Рис. 2.3. Диаграмма сжатия образца

из малоуглеродистой стали

Характерные точки диаграммы

P – точка, соответствующая пределу пропорциональности;

T – точка, соответствующая физическому пределу текучести;

K – конечная точка, соответствующая прекращению нагружения.

Обработка результатов испытаний

Деформированный образец снять с испытательной машины, измерить высоту h и средний размер d. Внешний вид деформированного образца необходимо зарисовать (см. рис. 2.2б). Подсчитать площадь поперечного сечения А₀ до испытания

Поделив нагрузку F_T на эту площадь, определяют физический предел текучести

σ_T = F_T / A_0.

По полученному пределу текучести σ_T, согласно ГОСТ 380–94, определяют ориентировочно марку стали (Приложение 1).

Если во время испытаний остановку стрелки не удалось зафиксировать, то для определения нагрузки F_T используют диаграмму, снятую с самопишущего аппарата испытательной машины (см. рис. 2.3). Она имеет типичный характер сжатия пластичного материала, дающего большие остаточные деформации.

Таблица 2.1