5.3. Диаграммы сжатия. Особенности разрушения при сжатии

Испытание металлов на сжатие производится на образцах в виде цилиндров, высота которых равна диаметру (обычно 20 мм). Для более длинных образцов в опытах трудно избежать искривления. Другие материалы испытываются, как правило, на образцах в виде кубиков. Ребра кубиков принимаются обычно равными: 50 мм для дерева, 70 мм для цемента, от 100 до 300 мм для бетона.

При сжатии цилиндрический образец из пластичного материала при напряжениях ниже σ_рr или σ_у ведет себя так же, как при растяжении. В дальнейшем появляются заметные остаточные деформации. Трение между опорными плитами пресса и основаниями образца препятствует поперечным деформациям материала у торцов образца; он принимает бочкообразную форму. По мере увеличения площади поперечного сечения приходится для дальнейшего деформирования увеличивать нагрузку, образец в конце концов расплющивается. Напряжения, аналогичного σ_u при растяжении, наблюдать не приходится. Диаграмма сжатия для малоуглеродистой стали показана на рис. 19. Диаграмма истинных напряжений располагается несколько ниже (начиная от площадки текучести).

Рис. 19. Диаграмма сжатия малоуглеродистой стали

Материал, испытывающий деформации противоположного знака после наклепа, имеет меньшие величины σ_рr, σ_e, σ_y. Это явление носит название эффекта Баушингера (по имени ученого, впервые его описавшего). Его графическое отражение дано на рис. 20 на примере упрощенной диаграммы (σ_y1 < σ_y).

Рис. 20. Эффект Баушингера

Иной характер деформирования наблюдается у хрупких материалов. Их диаграммы сжатия представляют собой слабо искривленные линии. Величина разрушающей нагрузки значительно большая, чем в случае растяжения образца той же площади сечения.

На характер разрушения образца из камня, бетона и других материалов такого рода влияет трение между плитами пресса и образцом. При его наличии происходит выкалывание материала с боков, а при его отсутствии – продольное растрескивание. При одинаковых поперечных сечениях призматический образец разрушится при меньшей нагрузке, чем образец в форме куба. В связи с этим говорят о призменной и кубиковой прочности, понимая под последней напряжения, при которых происходит разрушение образца.

Прочность меняется в зависимости от размеров кубика, уменьшаясь при их увеличении. Все же эта зависимость имеет асимптотический характер, т.е. при определенных размерах прочность стабилизируется.

Таким образом, прочность образца хотя и не вполне отражает прочность материала, работающего в конструкции, но позволяет провести сопоставление свойств различных материалов.

Чугунный образец при сжатии разрушается в результате образования наклонных трещин, направленных примерно под углом 45° к оси образца, т.е. параллельно площадкам, на которых возникают наибольшие касательные напряжения.

Вопросы для повторения

1. Чем отличается абсолютная продольная и относительная продольная деформации?

2. Какова размерность относительной деформации?

3. Назовите все характеристики прочности материала. Сколько их?

4. Назовите характеристики пластичности?

5. Какие материалы считаются хрупкими? Какие из механических характеристик выступают в качестве порогового критерия?

6. Что называется модулем продольной упругости Е? Как сказывается величина Е на деформации бруса?

7. Как формулируется закон Гука?

8. Напишите формулы для абсолютной и относительной продольной деформации.

9. Что называют коэффициентом Пуассона и в каких пределах он принимает значения для различных материалов?

10. Какое явление называют наклепом (нагартовкой)?

11. Чем отличается диаграмма растяжения малоуглеродистой стали от диаграммы для высокоуглеродистой стали?

12. Что называют упругостью, пластичностью, ползучестью?

13. Чем отличаются диаграммы растяжения и сжатия для пластичных материалов?

14. Чем отличаются диаграммы растяжения и сжатия для хрупких материалов?

15. О чем свидетельствует появление на образце линий Людерса-Чернова?

16. Как изменяются механические свойства материала с повышением и понижением температуры?