деформации может оказаться более чувствительной характеристикой изменения структурного состояния материала, чем «простые» свойства.

4.6.Контрольные вопросы

1.Какие статические испытания используются для оценки механических свойств материалов экспозиционно-рекламных объектов?

2.Назовите и поясните, какие виды стандартных образцов используются для проведения испытаний на растяжение?

3.Какова схема универсальной испытательной машины? Поясните.

4.Как работают машины с механическим и гидравлическим приводами?

5.Каков принцип действия рычажного силоизмерителя?

6.Как работает электротензометрический силоизмеритель?

7.Какова методика проведения испытаний на растяжение?

8.Как на практике определяют механические свойства металлов и сплавов? Поясните.

9.Как определяют предел пропорциональности?

10.Как определяют предел упругости?

11.Как определяют предел текучести?

12.Как определяют предел прочности?

13.Поясните характеристики пластичности при растяжении.

14.Что понимают под работой пластической деформации при растяжении?

57

Тема №5 СТАТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ

НА СЖАТИЕ, ИЗГИБ И КРУЧЕНИЕ

Цель работы: Ознакомиться с испытаниями материалов и основными расчетами, проводимыми при изгибе, кручении и сжатии.

5.1. Испытания на сжатие

Схема одноосного сжатия характеризуется большим коэффициентом мягкости (а = 2) по сравнению с растяжением (а = 0,5), поэтому испытаниям на сжатие целесообразно подвергать относительно хрупкие материалы. На практике по этим испытаниям оценивают свойства чугуна и других хрупких сплавов.

Расчет нормальных и касательных напряжений при сжатии и растяжении производят аналогично. В результате пластической деформации при сжатии образец укорачивается и уширяется. Следовательно, вместо измерявшихся после растяжения δ и φ в качестве характеристик пластичности при сжатии можно определять относительное укорочение:

ε= [(h0 – hк)/ h0]·100 %

иотносительное уширение:

φ= [(Fн – F0)/ F0]·100 %,

где h0 и hK – начальная и конечная высота образца;

F0 и FK – начальная и конечная площади поперечного сечения.

Линейность схем напряженного и деформированного состояния при одноосном сжатии и растяжении обусловливает близость характеристик сопротивления малым деформациям одного материала, испытываемого двумя методами. Но после перехода к существенной пластической деформации (при напряжениях выше предела текучести) схема одноосного сжатия в реальных испытаниях нарушается, и фиксируемые характеристики прочностных свойств уже резко отличаются от определяемых при растяжении. Это связано с трением по опорным поверхностям образца.

Схема испытания на сжатие и геометрия используемых образцов показаны на рис. 5.1. Испытания проводят на тех же машинах, что и растяжение. Образец устанавливают на опорную плиту в нижнем захвате и сжимают подвижным захватом. Для устранения перекоса образца усилие сжатия следует передавать на

58

него с помощью какого-либо направляющего приспособления, например шарового вкладыша в верхнем захвате (рис. 5.1, а).

По мере сжатия на торцовых поверхностях образца возникают силы трения, направленные по радиусам к его центру и препятствующие деформации в горизонтальном направлении. В результате образец приобретает характерною бочкообразную форму (рис. 5.1, а), а схема напряженного состояния усложняется и становится различной в разных точках образца. В точках 1 и 2, например, возникает схема объемного сжатия, а в точке 3 – разноименное плоское напряженное состояние. Неоднородность напряженного состояния образца в практике не учитывают, рассчитывая прочностные характеристики при сжатии по тем же формулам, что и при растяжении (σi = Pi/F0). Это придает дополнительную условность определяемым свойствам. Поэтому стараются уменьшить силы трения на опорных поверхностях образца, что достигают обычно одним из следующих способов или их сочетанием:

1)введением различных смазок (вазелин, солидол) и прокладок (тефлон, пропитанная парафином фильтровальная бумага) между торцовыми поверхностями образца и опорными плитами;

2)использованием подкладок и образцов с конической поверхностью на торцах (рис. 5.1, в). Углы конусности а подбирают так, чтобы lg а был равен коэффициенту трения;

3)помимо конусности, в образце делают центральное отверстие, устраняющее концентрацию напряжений у острия конуса (рис. 5.1, г).

Рис. 5.1. – Схема (а) и формы образцов (б – г) для испытания на сжатие

59

Но полностью устранить контактные силы трения и обеспечить в течение всего испытания линейное напряженное состояние в образце не удается. Это принципиальный недостаток испытаний на сжатие.

Чем меньше отношение высоты образца к диаметру, тем сильнее контактное трение влияет на результаты испытаний. С этих позиций следовало бы проводить испытания на возможно более длинных образцах. Но при сжатии длинных образцов трудно избежать их продольного изгиба. Как показывает опыт, оптимальной для цилиндрического образца является величина отношения h0/d0 в пределах 1 – 3.

Для определения модуля нормальной упругости при сжатии, пределов упругости и пропорциональности иногда используют плоские образцы в виде пластин толщиной 2 – 5 мм, длиной 100 мм и шириной 20 мм. Они испытываются в специальных приспособлениях, обеспечивающих их продольную устойчивость.

Рис. 5.2. – Диаграммы сжатия материалов, разрушающихся (1) и не разрушающихся (2) при испытании

При испытании на сжатие машина может зафиксировать первичную диаграмму сжатия – зависимость усилия Р от уменьшения высоты образца (абсолютной деформации) h. Вид диаграммы сжатия различен для материалов, разрушающихся (рис. 5.2, 1) и не разрушающихся (рис. 5.2, 2) в результате испытания. В отличие от испытаний на растяжение при сжатии удается разрушить далеко не любой материал. Достаточно пластичные металлы и сплавы при сжатии расплющиваются в тонкие пластины и не разрушаются при максимально возможных усилиях испытательной машины.

Характер разрушения сжимаемых образцов зависит от величины контактных сил трения. Если они велики, то обычно наблюдается разрушение путем среза; если же они незначительны, то фиксируется разрушение отрывом.

По диаграмме сжатия определяют условные пределы пропорциональности, упругости, текучести и прочности. Понятно, что условный предел прочности материалов, не разрушающихся при сжатии, определить нельзя. Методика определения прочностных свойств по диаграмме сжатия полностью аналогична методике для растяжения. При определении характеристик сопротивления малым деформациям для повышения точности рекомендуется использовать удлиненные образцы (рис. 5.1, б) с h0 = 8 d0. Головки обеспечивают устойчивость образца на

60

опорных плитах и предотвращают изгиб. Для прецизионного определения пределов пропорциональности, упругости и текучести используют, как и при испытаниях на растяжение, тензометры.

Рис. 5.3. – Диаграммы истинных (1) и условных (2) напряжений при сжатии

Искажение схемы линейного сжатия контактными силами трения затрудняет определение истинной величины сопротивления металла пластической деформации. Но, учитывая правило постоянства объема образца в процессе пластической деформации, можно перестроить первичную диаграмму сжатия Р – h в кривую истинных напряжений S — ε. Поскольку объем образца

V = F0 h0 = F h = const,

F = F0 h0 /h = Fo /(h /h0 + 1 – 1) = Fo /(1 – ε).

При этом

d2 = d02 h0 / h.

Здесь:

F – площадь поперечного сечения образца, отвечающая условию постоянства объема и равномерности сжатия по высоте образца;

d – средний диаметр цилиндрического или бочкообразного образца. Отсюда:

F /F0 = 1/(1 – ε),

61