Испытание материалов на сжатие
Испытание на сжатие образцов из различных материалов: стали, чугуна, бетона со смазкой торцов и без и древесины вдоль и поперек волокон.
Цель работы – изучить поведение различных материалов и определить их механические характеристики при статическом сжатии.
Основные сведения
Испытания материалов на сжатие проводят на специальных прессах или универсальных испытательных машинах по специальным методикам: для стали и чугуна используется ГОСТ 25.503-80, бетона — ГОСТ 10.180-90, древесины поперек волокон ГОСТ 16483.11-72, древесины вдоль волокон ГОСТ 16483.10-73.
Параметры образцов, видео и результаты испытаний на сжатие:
Образцы материалов для испытания на сжатие изготовляются в виде цилиндров высотой h и диаметром d . Для чугуна, например, рекомендуется диаметр от 10 до 25 мм. Отношение h/d должно быть в пределах от 1 до 2. При значении h/d >2 сказывается влияние продольного изгиба. При значении h/d
Силы трения тормозят развитие деформации у торцов образца, чем и объясняется его бочкообразная форма в результате испытаний. Одним из способов уменьшения сил трения является смазывание торцов образца графитом, графитовой смазкой или парафином.
Образцы из искусственного камня (цементного или иного раствора) изготавливаются в виде кубиков или цилиндров.
Деревянные образцы изготавливают в виде прямоугольной призмы с основанием 20 х 20 мм и высотой вдоль волокон 30 мм или кубиков со стороной 20 мм и более.
Пластичные материалы (мягкая сталь, медь и др.) одинаково хорошо работают на растяжение и сжатие, поэтому испытание на сжатие является дополнением к испытанию этих материалов на растяжение.
Для пластичных материалов модуль упругости Е, предел упругости и предел текучести при сжатии примерно те же, что и при растяжении. При сжатии пластичных материалов сила постоянно возрастает (кривая I рис. 2.1), при этом величину напряжений, соответствующих разрушающей силе, определить невозможно, так как образец не разрушается, а превращается в диск (рис. 2.2,а).
Характеристики, аналогичные относительному удлинению и относительному сужению при разрыве, при испытании на сжатие также получить невозможно.
Испытанию на сжатие подвергают главным образом хрупкие материалы, которые, как правило, лучше сопротивляются сжатию, чем растяжению, и применяются для изготовления элементов, работающих на сжатие. Для их расчета на прочность необходимо знать характеристики материалов, получаемые при испытании на сжатие.
На рис. 2.1 кривая 2 показывает диаграмму сжатия чугуна, из которой видно, что закон Гука выполняется лишь приближенно в начальной стадии нагружения.
Верхняя точка диаграммы соответствует разрушающей нагрузке Fmax, определив которую, вычисляют предел прочности материала на сжатие σ с пч=Fmax/A
Разрушение чугунного образца происходит внезапно при незначительных остаточных деформациях. Разрушению предшествует образование трещин, расположенных приблизительно под углом 45° к образующим боковой поверхности образца, т.е. по линиям действия максимальных касательных напряжений (рис. 2.2,б).
Характер разрушения образцов из бетона (цементного раствора, камня) показан на рис. 2.2,в – при наличии сил трения между плитами машины и торцами образца. Разрушение происходит путем выкрашивания материала у боковых поверхностей в средней части образца. Трещины образуются под углом 45° к линии действия нагрузки.
При снижении сил трения за счет нанесения слоя парафина на опорные поверхности образца разрушение происходит в виде продольных трещин, материал расслаивается по линиям, параллельным действию сжимающей силы, и сопротивление материала уменьшается (рис. 2.2, г).
Диаграмма сжатия бетона показана на рис. 2.1, кривая 3. Из диаграммы видно, что рост нагрузки сопровождается упругими деформациями вплоть до разрушения, что вообще характерно для хрупких материалов.
Рис 2.2. Вид образцов из различных материалов до и после испытания на сжатие:
а – малоуглеродистая сталь; б – чугун;
в – цементный раствор без смазки торцов;
г – цементный раствор со смазкой торцов;
д – дерево вдоль волокон;
е – дерево поперек волокон
Особым своеобразием отличается сопротивление сжатию древесины как материала анизотропного и обладающего волокнистой структурой. При сжатии, как и при растяжении, древесина обладает различной прочностью в зависимости от направления сжимавшей силы по отношению к направлению волокон.
На рис. 2.1 изображены диаграммы сжатия образцов из древесины одной породы. Кривая 4 иллюстрирует сжатие образца вдоль волокон, а кривая 5 — поперек волокон. При сжатии вдоль волокон древесина значительно (в 8-10 раз) прочнее, чем при сжатии поперек волокон.
При сжатии вдоль волокон образец разрушается вследствие сдвига одной части относительно другой (рис. 2.2, д), а при сжатии поперек волокон древесина склонна к прессованию и не всегда удается определить момент начала разрушения (рис. 2.2, е).
Порядок выполнения и обработка результатов
Предложенные для испытания образцы замеряют и, поочередно устанавливая их между опорными плитами машины УММ-20, подвергают статическим нагружениям, в процессе которых на диаграммном аппарате производится запись диаграмм сжатия соответствующих материалов. По контрольной стрелке шкалы силоизмерителя фиксируются максимальные нагрузки для каждого из образцов.
По полученным диаграммам сжатия определяют максимальную нагрузку сжатия стального образца и разрушающие нагрузки для других образцов, корректируя их значения с показателями стрелки силоизмерителя, записывают показания в журнал испытаний. Далее определяют характерные значения напряжений и производят записи в журнал испытаний.
Необходимо сделать зарисовку разрушенных образцов и описать характер их разрушения. Дать сравнительную характеристику работы испытанных материалов.
Контрольные вопросы
- Какой вид имеет диаграмма сжатия стали? В чем отличие этой диаграммы от диаграммы растяжения?
- Какие механические характеристики можно определить по диаграмме сжатия стали?
- Каков вид диаграммы сжатия чугуна, бетона? Каков характер разрушения образцов из этих материалов?
- Какие механические характеристики определяют для хрупких материалов при их испытании на сжатие?
- Какой вид имеет диаграмма сжатия дерева вдоль волокон и какие механические характеристики можно определить по ней?
- Как разрушается дерево при сжатии вдоль и поперек волокон? В каком направлений дерево обладает лучшими механическими свойствами?
- Какие характеристики материала можно получить при испытании на сжатие малоуглеродистой стали, чугуна, бетона, дерева?
- Почему образцы из малоуглеродистой стали и из чугуна при сжатии приобретают бочкообразную форму? Почему это явление не наблюдается у бетонных образцов?
Источник
3.5. Диаграмма сжатия. Особенности разрушения при сжатии
Испытания металлов на сжатие производят на образцах в виде цилиндров, высота которых равна их диаметру (обычно мм). Для других материалов применяют образцы в виде кубиков (стороны кубиков принимают для разных материалов от 50 до 300мм).
На сжатие обычно испытывают хрупкие материалы или материалы, находящиеся в хрупком состоянии. Опыт испытаний показывает, что испытание на сжатие пластичных материалов, например, малоуглеродистой стали Ст.3, как правило, к разрушению не приводит. Образец расплющивается, но разрушить его не удается. Испытания Ст.3 на сжатие показали, что характеристики прочности и пластичности стали оказываются такими же, как и при испытании на растяжение за исключением предела прочности, который при испытании на сжатие для Ст.3 установить не удается. Поэтому предел прочности на сжатие для стали условно принимают таким же, что и на растяжение. Образцы из других пластических материалов (медь, алюминий) при сжатии деформируются так же, как и стальные образцы. Одним из наиболее распространненых конструкционных материалов, применяемых в машиностроении и других отраслях промышленности, является чугун.
Чугун относится к хрупким материалам и обычно его испытывают на сжатие. Диаграмма напряжений при сжатии чугуна представлена на рис. 3.7. Обращает на себя внимание то, что диаграмма не имеет прямолинейного участка в отличие от диаграммы растяжения для стали. Чугун является физически нелинейным материалом и не подчиняется закону Гука. Модуль упругости чугуна, строго говоря, не является величиной постоянной и вычисляется как тангенс угла наклона секущей, проведенной из произвольной точки, принадлежащей диаграмме сжатия, к оси относительных деформаций (Рис.3.7):
.
Такой модуль упругости называют секущиммодулем.
Диаграмма напряжений при растяжении чугуна имеет такой же вид, что и при сжатии, однако ординаты диаграммы напряжений при сжатии в несколько раз больше, чем при растяжении. Предел прочности на сжатие чугуна МПа, что в 4-5 раз больше, чем на растяжение. При сжатии чугунного образца продольные деформации его незначительны. Образец несколько выпучивается в средней части, принимая слегка бочкообразную форму, восле чего в нем появляются трещины под углом примерно 45 0 к оси по площадкам с наибольшими касательными напряжениями (Рис.3.8).
Большинство хрупких материалов (бетон, камень) разрушаются при сжатии так же, как чугун, и имеют аналогичную диаграмму сжатия. Предел прочности этих материалов на сжатие значительно больше, чем на растяжение (для бетона примерно в 20 раз).
При испытании дерева на сжатие приходится учитывать, что дерево – материал анизотропный и по-разному работает вдоль и поперек волокон. Многие породы дерева при сжатии вдоль волокон выдерживают значительные напряжения, например, предел прочности сосны достигает 4080МПа. При сжатии дерева поперек волокон древесина не разрушается, а сильно прессуется.
В таблице 3.1 приведены для сравнения пределы прочности при растяжении и сжатии некоторых материалов.
Предел прочности (МПа)
Источник
Испытание на сжатие (сталь, чугун, дерево, цемент)
Как показал опыт, результаты, получающиеся при испытании стали на растяжение и сжатие равноценны.
Характерные точки диаграммы растяжения (А, В, С, D,) будут повторяться (см. рис.5). После точки D кривая пойдет вверх. Пластичные материалы при испытании на сжатие не разрушаются, но изменяют первоначальную форму и размеры (от цилиндрической к бочкообразной). Результаты испытаний чугуна на растяжение и сжатие неравноценны. Опыт показал, что хрупкие материалы гораздо лучше работают на сжатие, чем на растяжение. Разрушение происходит под углом 45°, т.к. чугун разрушается от максимальных касательных напряжений.
Диаграмма сжатия и растяжения для чугуна.
— верхнее значение напряжения при растяжении,
— верхнее значение напряжения при сжатии.
Образцы для испытания на сжатие дерева и цемента имеют кубическую форму. Дерево – материал анизотропный, т.к. его физико-механические свойства различны по направлениям. Дерево сжимают вдоль волокон и поперек волокон. Вдоль волокон дерево выдерживает бóльшие нагрузки и лучше работает на сжатие, чем поперек волокон. Форма, которую приобретает образец после испытаний, зависит от материала, от отношения его высоты к размерам поперечного сечения и, главным образом, от трения, возникающего в областях соприкосновения оснований образцов с плитами пресса. Большое трение по торцам образца ведет к неравномерному распределению напряжений в плоскостях поперечных сечений, что нежелательно, поэтому это трение необходимо уменьшать (шлифовка, смазка оснований парафином).
Источник
Испытание на сжатие (сталь, чугун, дерево, цемент)
Как показал опыт, результаты, получающиеся при испытании стали на растяжение и сжатие равноценны.
Характерные точки диаграммы растяжения (А, В, С, D,) будут повторяться (см. рис.5). После точки D кривая пойдет вверх. Пластичные материалы при испытании на сжатие не разрушаются, но изменяют первоначальную форму и размеры (от цилиндрической к бочкообразной). Результаты испытаний чугуна на растяжение и сжатие неравноценны. Опыт показал, что хрупкие материалы гораздо лучше работают на сжатие, чем на растяжение. Разрушение происходит под углом 45°, т.к. чугун разрушается от максимальных касательных напряжений.
Диаграмма сжатия и растяжения для чугуна.
— верхнее значение напряжения при растяжении,
— верхнее значение напряжения при сжатии.
Образцы для испытания на сжатие дерева и цемента имеют кубическую форму. Дерево – материал анизотропный, т.к. его физико-механические свойства различны по направлениям. Дерево сжимают вдоль волокон и поперек волокон. Вдоль волокон дерево выдерживает большие нагрузки и лучше работает на сжатие, чем поперек волокон. Форма, которую приобретает образец после испытаний зависит от материала, от отношения его высоты к размерам поперечного сечения и, главным образом, от трения, возникающего в полостях соприкосновения оснований образцов с плитами пресса. Большое трение по торцам образца ведет к неравномерному распределению напряжений в плоскостях поперечных сечений, что нежелательно, поэтому это трение необходимо уменьшать (шлифовка, смазка оснований парафином).
Источник