Основные теоретические положения

Пластичные материалы на растяжение и на сжатие работают примерно одинаково и основным видом испытания для них является испытание на растяжение, а испытание на сжатие носит вспомогательный характер.

Хрупкие материалы (чугун, кирпич, раствор, бетон и др.) на сжатие работают значительно лучше, чем на растяжение (к при-

меру у бетона предел прочности на сжатие раз в 10 больше предела прочности на растяжение). В силу чего хрупкие материалы применяются в основном в сжатых элементах конструкций, поэтому основным видом испытаний хрупких материалов является испытание на сжатие.

Результаты испытаний на сжатие зависят от условий проведения эксперимента. Практически очень трудно добиться приложения сжимающей силы точно по оси образца. Поэтому образец будет не только сжиматься, но и изгибаться. Чем длиннее образец, тем больше влияние изгиба (попробуйте сжать длинный и тонкий прутик). Для уменьшения влияния изгиба рекомендуется применять образцы, длина которых не более чем в два раза превышает их поперечные размеры. Применение слишком коротких образцов тоже нежелательно. При сжатии образца продольные размеры уменьшаются, а поперечные увеличиваются (по закону Пуассона). Вследствие трения между торцами образца и опорными плитами машины увеличение поперечных размеров на середине и по краям образца неодинаковы (по краям меньше) и образец принимает бочкообразную форму, что у образцов из пластичных материалов видно невооруженным глазом. Появлениe сил трения изменяет вид напряженного состояния и увеличивает сопротивление образца. Чем короче образец, тем сильнее влияние сил трения. Поэтому рекомендуется применять образцы, длина которых не меньше поперечных размеров. Уменьшить трение можно обработкой торцов парафином или графитовой смазкой. При центральном сжатии образца в его поперечных сечениях возникают нормальные напряжения, которые определяются также, как и при растяжении: s = P / F₀, где: F₀ - первоначальная площадь поперечного сечения образца.

При испытаниях на сжатие получают диаграмму сжатия в координатах P - Dℓ и определяют обычно две механические характеристики материала:

1) предел пропорциональности (s_пц= P_пц / F₀) - для пластичных

материалов;

2) предел прочности (s_в= P_в / F₀) - для хрупких материалов,

4.1. Испытание образцов из пластичных

материалов (малоуглеродистая сталь)

Типичная диаграмма сжатия образцов из малоуглеродистой стали показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Типичная диаграмма сжатия стального образца

На диаграмме имеется прямолинейный участок OA, который заканчивается нагрузкой, соответствующей пределу пропорциональности P_пц (точка А). После этого на диаграмме отмечается небольшой участок, где наблюдается замедление роста нагрузки (при постоянном росте деформаций). Однако площадка текучести, как при растяжении, не наблюдается прежде всего из-за значительного уменьшения длины испытуемого образца (при растяжении – 10·d, а при сжатии – 2·d). За этим участком диаграмма идет по кривой круто вверх. Связано это с увеличением площади поперечного

сечения образца и ростом его способности выдерживать все большую нагрузку при небольшом увеличении нормальных напряжений.

Так как разрушить образец из пластичного материала невозможно, испытание прекращают при достижении нагрузки, близкой предельной для машины. Таким образом, величина предела прочности при сжатии образцов из пластичного материала не может быть определена.

4.2. Испытание образцов из хрупких материалов (чугун)

Типичная диаграмма сжатия чугунных образцов показана на рисунке.3.

Рисунок.3. Типичная диаграмма сжатия чугунного образца

От начала координат диаграмма не имеет отчетливо выраженного прямолинейного участка. С ростом нагрузки кривизна диаграммы сначала постепенно, а затем более интенсивно увели­чивается и при достижении нагрузки P_в начинается разрушение образца с последующим падением нагрузки.

Чугунный образец, укорачиваясь под действиям сжимающих сил, принимает слегка бочкообразную форму, что свидетельствует о наличии небольших пластических деформаций. Разрушение образца происходит по плоскости, наклоненной примерно под углом 45 градусов к оси стержня. Объясняется это тем, что на этих площадках действуют максимальные касательные напряжения, являющиеся причиной разрушения образцов из хрупких материалов при испытании их на сжатие.

4.3. Испытание образцов из древесины

Древесина является анизотропным материалом. В древесине выделяют три направления анизотропии: продольное (вдоль волокон), радиальное (по радиусу ствола) и тангенциальное (по касательной к годовым слоям).

В двух последних направлениях (в отличие от первого) упругие и механические характеристики древесины незначительно различаются между собой. Поэтому на практике эти два направления нивелируют и обобщающее направление называют поперечным (поперек волокон).

Рисунок 4. Образцы из древесины для испытания на сжатие:

а - вдоль волокон,

б - поперек волокон

Форма образцов и направление их нагружения сжимающей нагрузкой показаны на рисунке 4.

Рис.5. Типичные диаграммы сжатия образцов из древесины:

а - вдоль волокон,

б - поперек волокон

Типичные диаграммы сжатия образцов из древесины показаны на рисунке 5. (вдоль волокон – кривая а, поперек волокон – кривая б).

При сжатии древесины вдоль волокон на диаграмме (рисунок 5, кривая а) с начала имеется слегка искривленный участок с боль шим углом наклона к оси Dℓ, что соответствует сравнительно большему значению модуля упругости.

После достижения нагрузкой наибольшего значения (P_в) начинается разрушение образца с последующим падением нагрузки. Обычно разрушение образца происходит с образованием поперечных складок и обмятием торцов. Нередко вместе с этим наблюдается и образование продольных трещин. По данным опыта определяется максимальная нагрузка (P_в), соответствующая пределу прочности. Нагрузку, соответствующую пределу пропорциональности установить на диаграмме обычно не удается.

При сжатии поперек волокон диаграмма имеет другой характер (рисунок 5, кривая б). Сначала диаграмма идет по наклонной прямой до нагрузки P_пц, соответствующей пределу пропорциональности. При этом угол наклона этой прямой значительно меньше, чем при сжатии вдоль волокон, что соответствует значительно меньшей величине модуля упругости. После предела пропорциональности перо самописца прочерчивает слабо изогнутую кривую (иногда волнистую) почти параллельную оси Dℓ. Кубик быстро деформируется почти без увеличения нагрузки, однако разрушение кубика обычно не наблюдается: он лишь спрессовывается. Испытание заканчивают, когда величина деформации Dℓ достигает 1/3 первоначальной высоты образца. Нагрузка в этот момент условно считается разрушающей, хотя при дальнейшем нагружении за счет спрессовывания древесины нагрузка будет расти несколько быстрее и станет выше условного значения P_в.