4.4.3. Диаграммы испытаний хрупких материалов
К хрупким относятся материалы, не испытывающие вплоть до разрушения значительных пластических деформаций. Диаграммы растяжения-сжатия хрупких материалов нелинейны, а деформации близки к упругим. К хрупким материалам относятся чугун, бетон, кирпич, естественные камни. Древесина частично обладает свойствами хрупких материалов (расслаивается вдоль волокон при сжатии, диаграммы растяжения-сжатия нелинейны). С другой стороны, древесина (особенно клееная) – пластичный материал, хорошо воспринимающий (в отличие от хрупких материалов) динамические нагрузки и обладающий ярко выраженным свойством ползучести.
На рис. 4.15 приведены диаграммы растяжения–сжатия чугуна (кривая 1); бетона (кривая 2) и древесины при нагружении вдоль волокон (кривая 3), диаграмма сжатия древесины поперек волокон (кривая 4).
Рис. 4.15
Анализируя
приведенные диаграммы, необходимо
отметить следующее:
– диаграммы растяжения-сжатия хрупких материалов нелинейны;
– для большинства хрупких материалов временное сопротивление при сжатии значительно выше, чем при растяжении (исключение составляет древесина);
– сопротивление древесины сжатию поперек волокон значительно ниже, чем сопротивление сжатию вдоль волокон, что свидетельствует о существенной анизотропии древесины.
4.4.4. Влияние температуры и скорости испытаний на механические характеристики материалов
Как
показывают многочисленные эксперименты,
механические свойства материалов
существенно зависят от температуры.
Практически у всех конструкционных
материалов при увеличении температуры
прочностные пределы снижаются, а
деформативность увеличивается. Исключение
составляет низкоуглеродистая сталь
Ст3 (рис. 4.16), у которой в интервале
температур 300…400 °С наблюдается повышение
и снижение величин
,
.
Это явление носит название синеломкости.
При дальнейшем увеличение температуры
у Ст3, как и у легированных сталей
(например, у стали 30ХГСА, см. рис. 4.16, б,
прочностные пределы резко снижаются,
и к 800 °С
эти материалы полностью теряют прочность.
а) низкоуглеродистая сталь Ст3 б) легированная сталь 30ХГСА
Рис. 4.16
Рис. 4.17
При
понижении температуры прочностные
пределы
,
возрастают и сближаются. Одновременно
снижается пластичность и возрастает
хрупкость материала. В частности,
низкоуглеродистая сталь Ст3, к которой
относятся кривые
,
,
приведенные на рис. 4.17, при t
< 45 °С
становится хрупким материалом, что
может привести к отказу конструкции
задолго до исчерпания прочности. Это
явление называется хладноломкостью.
Попутно отметим, что проведение
экспериментов при температурах t
< –100
°С – задача технически более сложная,
чем аналогичная задача при t
> 100 °С.
При
увеличении скорости нагружения
(следовательно, и скорости деформирования
,
t –
время)
прочностные пределы материала
увеличиваются. Одновременно происходит
запаздывание пластических деформаций
и уменьшение площади диаграммы растяжения
.
На рис. 4.18 представлены диаграммы
растяжения
для
низкоуглеродистой стали Ст3, построенные
при статическом нагружении (
1/сек) и при
.
Рис. 4.18
Анализируя диаграммы, можно отметить, что модуль упругости Ст3 при увеличении скорости деформации практически не меняется, а запаздывание текучести может привести к образованию так называемого «зуба» текучести. Уменьшение площади диаграммы при высокоскоростном динамическом нагружении свидетельствует об уменьшении затрат энергии на разрушение, что, в свою очередь, говорит о большой опасности воздействия на сооружения высокоскоростных импульсов (например, взрывных волн или ударных нагрузок).