2.3.2 Испытание на сжатие

Образцы применяются в виде кубиков или коротких цилиндров: h  3d. В начальной части диаграмма сжатия для пластичных материалов совпадает с диаграммой растяжения (рисунок 2.11, а).

Рисунок 2.11

Пределы пропорциональности и текучести у малоуглеродистой стали при растяжении и сжатии можно считать совпадающими (материал изотропный), т.е. _пс = _пр и _тс = _тр. После точки D образец расплющивается, сила сжатия быстро возрастает и трудно определить _вс, поэтому принимают предел прочности _вс_вр.

Диаграммы напряжений хрупких материалов (чугуна и бетона) даны на рисунке 2.11, б. Основными характеристиками являются предел прочности при сжатии _вс и относительная остаточная деформация при разрушении _ост. Для хрупких материалов _вс  _вр, т.е. хрупкие материалы сопротивляются сжатию значительно лучше, чем растяжению.

В справочниках даются для различных материалов две основные характеристики: _тр(с) и _вр(с), которые называются предельными напряжениями _пред, т.е. такими напряжениями, при которых наступает чрезмерная деформация или разрушение (таблица 2.1).

На производстве для оперативного контроля механических свойств материала определяют также его твердость. Под твердостью материала понимают его способность оказывать сопротивление проникновению (внедрению) в него более твердого тела.

Наиболее часто определяют твердость по Бринеллю - в поверхность исследуемой детали вдавливается шарик  10 мм из закаленной стали при силе 30 кН. Число твердости НВ равно отношению силы давления к площади поверхности полученного отпечатка. У материалов с большой твердостью, (НВ > 300) величину твердости определяют по Роквеллу путем вдавливания алмазного конуса.

Таблица 2.1

Материал	Предел текучести т, МПа	Предел прочности в, МПа	Относительное удлинение , %
Сталь малоуглеродистая	250	390	20
Никелевые стали	500	760	25
Серый чугун	280	300	0,6
Алюминиевый сплав	200	220	35
Медь прутковая	250	320	8

По величине твердости сталей можно определить приблизительно их временное сопротивление: НВ 0,34_в.

2.3.3 Определение допускаемых напряжений

На основании результатов испытаний на растяжение (сжатие) в сертификатах или справочниках приводятся две прочностные механические характеристики: предел текучести _тр(с) и предел прочности_вр(с), которые называются предельными напряжениями, при которых наступает чрезмерная деформация или разрушение. Чтобы не доводить детали до разрушения, расчет ведут не по предельным напряжениям, а по несколько меньшим значениям, которые называются допускаемыми напряжениями.

Допускаемым напряжением (нагрузкой) называется такое максимальное напряжение (нагрузка), которое можно допустить в опасном сечении детали при условии ее надежной работы в период эксплуатации.

Условия прочности: []; F[F].

Левая часть неравенства , F - фактически действующее в опасном сечении напряжение, нагрузка (расчетная или рабочая). Правая часть - допускаемое напряжение, нагрузка [], [F]. Запас прочности относительно предельных напряжений (нагрузок) определяется коэффициентом запаса прочности [s]: [] = _пред /[s].

Для определения допускаемых напряжений необходимо правильно определить предельные напряжения для данного материала и правильно выбрать коэффициент запаса прочности.

Механическим характеристикам материалов свойственно сравнительно большое рассеяние при испытаниях серии идентичных образцов, изготовленных из материала даже одной плавки. Например, для стандартных образцов из стали 38ХА _в = 950 - 1200 МПа. Причинами рассеяния являются различия в микроструктуре, размерах образцов, точности измерения нагрузки и т.п. Для совокупности всех плавок металла данной марки рассеяние становится еще большим в связи с дополнительным межплавочным рассеянием механических свойств, вызванных вариациями химического состава, металлургических факторов, прокатки и термообработки.

Допускаемые напряжения определяются двумя методами: аналитическим и табличным.

Аналитический метод. В качестве предельных напряжений выбирают одну из нормативных механических характеристик материала. Для пластичных материалов при статическом нагружении (опасно появление остаточных деформаций) - предел текучести:

_пред. = _тр(с).

Для хрупких материалов при статическом нагружении (опасно разрушение) - предел прочности _пред. = _вр(с).

Общий коэффициент запаса прочности определяется как произведение частных коэффициентов. Для машиностроения принят метод трех коэффициентов: [s] = s₁s₂s₃,

где s₁ - коэффициент, учитывающий точность расчетов, правильность выбранной схемы, достоверность нагрузок и т.д.:

s₁ = 1...1,4 и > до 2...3;

s₂ - коэффициент, учитывающий степень ответственности детали

s₂= 1,0...1,5,

большие значения - при большой степени ответственности;

s₃ - коэффициент, учитывающий надежность материала, механические свойства, технологию обработки и т.д.:

s₃ = 1,2 - 2,2 - для пластичных материалов;

s₃ = 2 - 4 - для хрупких материалов.

Коэффициенты выбираются из таблиц в зависимости от предельных характеристик.

[s_т] = s₁s₂s_3т - коэффициент запаса прочности при предельной характеристике, равной _тр(с).

[s_в] = s₁s₂s_3в- коэффициент запаса прочности при предельной характеристике _вр(с).

Табличный метод. Для ориентировочных или предварительных расчетов, когда не требуется особой точности, пользуются табличным методом определения допускаемых напряжений. Значения, приведенные в таблицах, являются результатом укрупненных вычислений по формуле [] = _пред./[s] или установлены на основе опыта эксплуатации.

Выбор допускаемых напряжений является весьма ответственным этапом расчета, т.к. определяет эксплуатационные и экономические характеристики механизма или конструкции.