ИСПЫТАНИЕ НА СЖАТИЕ ОБРАЗЦОВ ИЗ СТАЛИ, ЧУГУНА
И ДЕРЕВА
Цель работы. Освоение методики проведения статических испытаний на сжатие материалов и изучение процесса сжатия образцов вплоть до их разрушения. Определить механические характеристики свойств материалов при сжатии.
Общие сведения
Одной из задач работы является сравнительное изучение механических характеристик свойств пластичных, хрупких и анизотропных материалов при сжатии. Для испытаний выбраны материалы: сталь малоуглеродистая, чугун и дерево.
Пластичный материал. Малоуглеродистая сталь относится к пластичным материалам, при испытании образцов которой на сжатие процесс характеризуется диаграммой сжатия, показанной на рис.2.1а.
Рисунок 2.1 – Диаграмма сжатия (а) и общий вид формы образца до (1),
в процессе (2) и после испытания (3) на сжатие малоуглеродистой стали
Диаграммы сжатия малоуглеродистой стали показывает, что первоначальный участок диаграммы представляет собой прямую линию до точки А, отражающий прямую пропорциональность между нагрузкой и деформацией. После этого деформация быстро возрастает при незначительном увеличении нагрузки (состояние текучести материала). Однако площадки текучести как при растяжении не наблюдается. Далее рост деформаций постепенно замедляется, нагрузка, потребная для дальнейшего деформирования, растет быстро, кривая круто поднимается, и испытание приходится прекратить, не определив значение разрушающей нагрузки. Таким образом, значение предела прочности при сжатии не может быть определено. Это явление объясняется заметным увеличением площади поперечного сечения образца при сжатии.
Образцы из пластичных материалов (рис.2.1б) приобретают бочкообразную форму, поперечноесечение увеличивается и неодинаково по высоте (испытание происходит в условиях сложного напряженного состояния). Далее длина образца значительно уменьшается, но нарушения целостности образца не происходит, рост деформаций постепенно замедляется вследствие расплющивания образца.
Механическими характеристиками свойств пластичных материалов при испытании на сжатие являются: предел пропорциональности (σпр ), предел текучести (σт ) материала.
Хрупкий материал. Чугун относится к хрупким материалам, при испытании образцов из которого на сжатие процесс характеризуется диаграммой сжатия, показанной на рис.2.2а.
Рисунок 2.2 – Диаграмма сжатия (а) и общий вид (б) до (1) и после
испытания (2) на сжатие образца чугуна
На диаграмме от начала координат первоначальный участок представляет собой прямую линию, как и для стали, отражающий пропорциональную зависимость между нагрузкой и деформацией. Затем линия искривляется, нагрузка достигает максимального значения, и линия резко обрывается, так как нагрузка достигает разрушающего значения, и быстро снижается – предел прочности образца исчерпан.
Образцы из хрупких материалов при сжатии немного деформируются, что свидетельствует о наличии небольших пластических деформаций, а затем разрушаются, распадаясь на части. Например, при испытании чугуна возникают наклонные трещины, и части образца при достижении разрушающей нагрузки сдвигаются одна относительно другой по косым площадкам (2.2б). Трещины располагаются примерно под углом 450, т. е. по линии действия наибольших касательных напряжений. Разрушение чугуна при сжатии происходит внезапно, чем и объясняется резкое падение нагрузки, отмечаемое диаграммой и характерное для хрупких материалов.
Механической характеристикой свойств хрупких материалов при испытании на сжатие является предел прочности (σв) материала.
Анизотропный материал. Материал из дерева относится к анизотропным материалам, свойства которого не являются одинаковыми по всем направлениям. Поэтому испытание образцов дерева на сжатие осуществляется в двух направлениях: вдоль и поперек волокон. Для испытания используют образцы, имеющие форму кубиков. Диаграммы сжатия образцов дерева вдоль и поперек волокон показаны на рис.2.3а.
Рисунок 2.3 – Диаграммы сжатия (а) и общий вид (б) образца до (1) и после (2) испытания на сжатие образцов дерева
Диаграмма испытания образца дерева на сжатие вдоль волокон показывает, что пропорциональность между нагрузкой и деформацией наблюдается почти до момента разрушения. Образец на прямолинейном участке до разрушения претерпевает сравнительно небольшие остаточные деформации. После достижения нагрузкой наибольшего значения начинается разрушение образца с последующим падением нагрузки.
Разрушение образца обычно происходит с образованием поперечных складок. Наблюдается (рис.2.3б) также вместе с этим образование продольных трещин, особенно при наличии сучков. Разрушение твердых пород дерева сопровождается сдвигами по косым площадкам, следовательно, в этом случае древесина также разрушается от действия касательных напряжений.
Диаграмма испытания образца дерева на сжатие поперек волокон (рис.2.3а) имеет другой вид. Сначала линия диаграммы идет по наклонной прямой до нагрузки, соответствующей пределу пропорциональности. Затем, подобно тому, как это наблюдается для пластических материалов, вычерчивается изогнутая кривая, почти параллельная оси абсцисс.
Образец дерева при сжатии поперек волокон быстро деформируется почти без увеличения нагрузки и при отсутствии пороков в древесине (сучки, косослой) разрушения образца в форме кубика не наблюдается, он лишь спрессовывается (рис.2.3б). Значительный рост деформаций без увеличения нагрузки позволяет считать, что прочность образца исчерпана. Поэтому условно считают, что разрушающей нагрузкой (Рmax ) является нагрузка, при которой кубик сжимается на 1/3 своей первоначальной высоты. В дальнейшем за счет спрессовывания образца нагрузка начинается расти несколько быстрее и становится выше условного значения.
Следует отметить, что прочность образцов дерева при сжатии вдоль волокон в 8…10 раз выше, чем поперек волокон. Анизотропию древесины учитывают при применении элементов из дерева в сооружениях, располагая их так, чтобы сжимающие и растягивающие усилия действовали по направлению наибольшего сопротивления, т. е. вдоль волокон.
Механической характеристикой свойств материалов из дерева при испытании на сжатие является предел прочности (σв) материала.
Испытание образцов материалов осуществляется на испытательной машине ИМ-12А для статических испытаний на растяжение с использованием реверсного устройства («реверсор») для испытаний на сжатие.
Практическая часть
Задание.Экспериментальноисследовать на сжатие образцов пластичных, хрупких и анизотропных материалов и изучить процесс сжатия образцов. Определить характеристики механических свойств материалов.
В часы самостоятельной работы на подготовительном этапе к выполнению лабораторной работы после изучения общих сведений работы оформляется тетрадь для лабораторных работ, которая должна содержать:
1) наименование и цель работы.
Оборудование и инструменты. Испытательная машина ИМ-12А для статических испытаний материалов. Реверсное устройство для испытаний на сжатие. Стандартные цилиндрические и призматические образцы для испытаний на сжатие. Штангенциркуль типа ШЦ-ΙΙ.