Теоретическое обоснование. Многие детали машин и приборов, инженерные конструкции и их элементы в процессе эксплуатации испытывают деформацию сжатия

Многие детали машин и приборов, инженерные конструкции и их элементы в процессе эксплуатации испытывают деформацию сжатия. Испытания на сжатие являются основными при определении механических характеристик хрупких материалов: чугуна, бетона, искусственного и естественного камня, кирпича, керамики и т.д.

При сжатии силы, деформирующие образец, направлены вдоль его оси навстречу друг другу (рис. 1). Внутренние силы упругости (напряжения) при сжатии распределяются по сечению равномерно, так как материал во всех точках поперечного сечения испытывает одинаковую деформацию.

F d

F

Рис. 1. Схема испытания образцов материалов на сжатие

Испытания на сжатие проводятся как на специальных машинах – прессах, так и на универсальных разрывных машинах с автоматической записью диаграммы сжатия в координатах «нагрузка – деформация».

Результаты испытания на сжатие существенно зависят от формы и размеров образцов, а также от условий их проведения. Обычно испытаниям подвергаются цилиндрические или кубические образцы.

На практике трудно добиться приложения сжимающих сил точно по оси образца. Вследствие этого образец может испытывать не только сжатие, но и продольный изгиб (рис. 2, а). Для уменьшения влияния продольного изгиба применяют образцы, высота которых h не более, чем в три раза превышает поперечный размер d. Торцы образца во избежание перекоса должны быть строго перпендикулярны его оси.

Рис. 2. Влияние условий испытания образцов на изменение их формы при сжатии: а – неточное приложение сжимающих нагрузок, б – влияние сил трения на торцевых поверхностях образцов

Применение слишком коротких образцов также недопустимо, так как чем короче образец, тем сильнее влияние сил трения между торцами образца и сжимающими плитами рабочих органов машины (рис. 2, б). Возникающие силы трения Fтр изменяют характер напряженного состояния, так как они препятствуют развитию поперечных деформаций вблизи торцов. В средней части образец деформируется значительно больше, чем по краям – он становится бочкообразным. Для уменьшения сил трения рекомендуется торцы образца покрывать смазкой. При одинаковых размерах у цилиндрических образцов на торцах возникают меньшие силы трения, чем у кубических. Оптимальные размеры образцов при испытании на сжатие должны соответствовать соотношению: 1 £ h / d £ 3.

При испытании на сжатие в основном определяют две характеристики

материала: условный предел текучести σ т и условный предел прочности σ в.

Они определяются по формулам:

σ т = Fт / So и σ в = Fmax / So,

где Fт – нагрузка, при которой начинается интенсивное развитие пластических деформаций; F max – максимальная нагрузка, выдерживаемая образцом до разрушения; So – площадь поперечного сечения образца до начала испытания.

Характеристики прочности и пластичности материала при испытании на сжатие сохраняют те же формулировки, что и при испытании на растяжение, с той лишь разницей, что соответствующими деформациями являются не удлинение, а укорочение образца, не уменьшение, а увеличение поперечного сечения образца.

Диаграммы «напряжение – деформация» при испытаниях на сжатие пластичных и хрупких материалов сильно различаются.

Типовая диаграмма сжатия пластичного материала приведена на рис. 3. Образцы пластичных материалов обычно имеют цилиндрическую форму.

σ

Рис. 3. Типовая диаграмма сжатия пластичного материала

В начальный период испытания диаграмма сжатия имеет вид, аналогичный диаграмме растяжения данного материала. На участке ОА до напряжения sупр наблюдается прямо пропорциональная зависимость между напряжением и деформацией (действует закон Гука). При этом образец сохраняет цилиндрическую форму (рис. 4, а).

F _F

a б

F

в

Рис. 4. Изменение формы образца пластичного материала в процессе его испытания на сжатие: а – на участке ОА; б – на участке ВС; в – на участке СD диаграммы сжатия

В процессе дальнейшего нагружения (участок) ВС наблюдается значительный рост деформаций, материал «течет». Площадка текучести выражена слабее, чем при испытании того же материала на растяжение.

Зафиксированная нагрузка Fт соответствует условному пределу текучести материала при сжатии σ т. У пластичных материалов

численные значения пределов текучести при растяжении и сжатии очень близки. В результате действия пластических деформаций ивследствие возникновения сил трения образец принимает бочкообразную форму (рис. 4, б).

При дальнейшем росте нагрузки (участок СD) происходит упрочнение металла в результате наклёпа, площадь поперечного сечения образца увеличивается, кривая сжатия круто поднимается вверх. Образец сплющивается (рис. 4, в), но его разрушения не происходит. Испытание прекращают, когда нагрузка достигает значения, превышающего предел текучести Fт в 2 – 5 раз. Поэтому предел прочности материала определить невозможно. Предел прочности пластичного материала при сжатии условно принимается равным его пределу прочности при растяжении.

Образцы для испытания на сжатие хрупких материалов обычно изготавливают в форме куба с различной длиной ребра, иногда (для малопластичных металлов) – в виде цилиндра.

Типовая диаграмма сжатия хрупкого материала аналогична его диаграмме растяжения (рис. 5).

σ

D

O ε

Рис. 5. Типовая диаграмма сжатия хрупкого материала

Предел текучести при сжатии для хрупких материалов не определяют, так как они не испытывают значительных пластическихдеформаций и при определённой нагрузке Fmax образцы разрушаются.

Для хрупких материалов определяют условный предел прочности на сжатие σ в.

Предел прочности хрупких материалов при сжатии обычно значительно выше их предела прочности при растяжении. Так, для серыхчугунов предел прочности при сжатии равен 500÷ 900 МПа, а при

растяжении – 120 ¸ 200 МПа. Поэтому из хрупких материалов обычно изготавливают детали и элементы конструкций, работающие на сжатие.

Разрушение при сжатии образцов из хрупко-пластичных металлов (чугуны, закалённые стали, алюминиевые литые сплавы и др.) происходит при небольших остаточных деформациях под действием касательных напряжений. На наличие остаточных деформаций указывает слегка бочкообразная форма образцов перед разрушением. В процессе сжатия на поверхности образца появляются трещины, расположенные под углом 45° к направлению действия сил. По этим трещинам образец и разрушается, распадаясь на части (рис. 6).

Рис. 6. Схема разрушения хрупко-пластичных материалов при сжатии

Такой характер разрушения объясняется тем, что максимальные касательные напряжения при растяжении-сжатии действуют по сечениям,

расположенным под углом 45° к направлению действия сил.

В некоторых случаях для хрупко-пластичных материалов определяют относительную остаточную деформацию при сжатии δ:

d = [(ho – hк) / ho] ∙ 100,

где ho и hк – высота образца соответственно до и после испытания.

а б в

Рис. 7. Схема разрушения бетонного образца при сжатии: а – исходный образец; б – разрушение при наличии трения на торцах образца; в – разрушение при малом трении на торцах образца

Образцы искусственного цементного камня или бетона обычно изготавливают в виде кубиков с ребром 200 мм (рис. 7, а). При сжатии образца наблюдается быстрый рост нагрузки. Разрушение начинается с выкрашивания боковых граней под углом 45°, образец при этом принимает

форму двух усечённых пирамид, соединённых вместе (рис. 7, б). Однако если путем смазки торцовых поверхностей кубика частично устранить трение между образцом и опорной поверхностью, то разрушение произойдет по плоскостям, параллельным направлению действия сжимающих сил (рис. 7, в).

Особый интерес представляют испытания на сжатие деревянных образцов. Дерево является анизотропным материалом – его свойства в разных направлениях различны. Поэтому испытание на сжатие образцов (особенно из хвойных пород дерева) проводят при действии сжимающих сил как вдоль, так и поперек волокон. Образцы изготавливают в виде кубиков.

Типовая диаграмма сжатия деревянных материалов вдоль волокон близка по форме к диаграмме сжатия хрупких материалов (рис. 8, а). Разрушение (точка D) сопровождается образованием трещин и обмятием торцовых поверхностей образца (рис. 9, а).

а б

Рис. 9. Схема разрушения деревянных образцов при сжатии: а – вдоль волокон; б – поперёк волокон

В результате испытаний деревянных материалов на сжатие определяют

условные пределы прочности при сжатии вдоль волокон σ в^вд и

поперёк волокон σ в^поп:

σ в^вд = Fmax / So и σ в^поп = Fmax / So,

где Fmax – максимальная нагрузка, выдерживаемая образцом, So – площадь поперечного сечения образца перед испытанием.

Прочность древесины вдоль волокон обычно в 5 – 8 раз выше её прочности поперек волокон. Иногда эту разницу оценивают коэффициентом анизотропии деревянных материалов:

Каниз = σ в^вд / σ в^поп.