Испытание на сжатие образцов из различных материалов

- 14 -

Цель работы: изучить поведение различных материалов при испытании на сжатие, определить механические характеристики прочности при сжатии.

Предел пропорциональности при кручении вычисляют по
формуле

(13)

где - полярный момент сопротивления скручиванию,

- диаметр образца.

После участка пропорциональности наступает быстрое увеличение угла закручивания при незначительном увеличении .

Предел текучести при кручении - это касательное напряжение, при котором образец получает остаточный сдвиг, равный 0, 3%. При этом

Предел текучести при кручении вычисляется по формуле

Для определения от начала координат О откладывают по оси абсцисс отрезок ОЕ, равный . Из точки Е проводят прямую, параллельную прямой ОА, до пересечения с кривой (точка М ), Ордината точки М являются значением величины , соответствующий пределу текучести.

Условный предел прочности при кручении соответствует крутящему моменту перед разрушением; рассчитывают его без учета пластической деформации по формуле.

(15)

Разрушается стальной образец бесшумно по поперечному сечению без образования шейки от действия максимальных напряжений в этом сечении.

Порядок выполнения испытаний на машине 2014 МК-50

и обработка результатов

- 23 -

1. Замерьте штангенциркулем диметр образца

с точность до 0.1 мм. Замер произведите в двух взаимно перпендикулярных направлениях, принимая в расчет среднеарифметическое значение. Нанесите на поверхность образца продольные риски. Данные обмера внесите в журнал лабораторной работы.

где - модуль сдвига, - полярный момент инерции поперечного сечения образца, - расчетная длина образца.

Отсюда получаем формулу для вычисления модуля сдвига при кручении

При определении модуля упругости нагружение образца производят равными ступенями и на базе , определяют соответствующие среднее приращение угла закручивания . Тогда

(12)

Диаграммный аппарат машин вычерчивает диаграмму кручения в координатах (рис. 19). Согласно ГОСТ 3565-80

Рис. 18. диаграмма кручения

- 22 -

предел пропорциональности при кручении

- это условное касательное напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между напряжениями и деформациями достигает такой величины, когда тангенс угла

(рис. 18), образуемого касательной к диаграмме кручения и осью деформации, меньше первоначального значения

на 50%, т.е.

Основные понятия

Испытанию на сжатие подвергают в основном образцы из хрупких материалов (чугун, кирпич, другие строительные материалы). Для пластичных материалов (сталь, алюминий, медь и др.) испытание на сжатие является дополнением к испытанию их на растяжение.

Значения механических характеристик, получаемых при испытании на сжатие, имеют условный характер вследствие некоторых особенностей такого испытания. Первая особенность - трудность приложения сжимающей нагрузки строго по оси испытуемого образца. Сила, приложенная не по оси, вызывает неравномерность распределения напряжений по поперечному сечению и стремление к искривлению образца. Чем длиннее образец, тем больше он может искривиться при испытаний. Вторая особенность - невозможность устранить трение по торцам испытуемого образца, что приводит к возникновению дополнительных напряжений вблизи торцов. Влияние сил трения тем значительнее, чем короче испытуемый образец. Таким образом, длина образца существенно влияет на результаты испытаний при сжатии.

Для возможности сравнения результатов испытаний приняты образцы стандартных форм и размеров (ГОСТ 25.503-80). Форма металлических образцов принимается цилиндрической с отношением высоты к диаметру равным . Размеры и форму деревянных образцов назначают в соответствии с СТ СЭВ

389-76. Деревянные образцы изготавливаются призматической

формы 20x20x30 мм, либо имеют форму кубиков с размерами

грани .

Хрупкие и пластичные материалы при сжатии ведут себя различным образом.

Диаграмма сжатия (рис. 10) пластичного материала - малоуглеродистой стали - вначале имеет вид, подобный диаграмме растяжения. Прямолинейный участок ОА соответствует упругой деформации. За точкой А диаграмма отклоняется от прямой линии, деформации растут быстрее нагрузок, вплоть до появления текучести. Однако площадка текучести на диаграмме не всегда явно выражена. Наступление текучести в этом случае определяют по кратковременной остановке стрелки сило – измерителя. Отметив нагрузку в этот момент ( ), получают величину предела текучести при сжатии:

- 15 -

Рис. 11. Деформация образца из малоуглеродистой стали при сжатии

Рис. 10. Диаграмма сжатия малоуглеродистой стали

где

- начальная площадь поперечного сечения образца.

На участке СД диаграммы рост деформаций отстает от роста усилий. Объясняется это тем, что при укорочении образца площадь его сечения увеличивается, и дальнейшая деформация требует все большего возрастания нагрузки.

Трение по торцевым поверхностям образца затрудняет по

перечные деформации торцов, и образец принимает бочкообразную форму (рис. 11). С ростом нагрузки образец может быть расплющен без следов разрушения. Таким образом, предел прочности при сжатии для малоуглеродистой стали и других пластичных материалов опытным путем определить не удается.

Вид диаграммы сжатия хрупкого материала - чугуна - показан на рис. 12. Практически с начала нагружения диаграмма криволинейна.

В процессе испытания в образце наблюдают следующие
изменения. В начале опыта под действием сжимающих сил образец, укорачиваясь, принимает слегка бочкообразную форму, что свидетельствует о наличии небольших пластических деформаций

- 16 -

18. Схема измерения угла закручивания

угломером С.В. Бояршинова:

1 - цапфы, 2 - скоба, 3 - индикатор часового типа, 4 - стопорные винты, 5 - образец, 6 - кронштейн

При однократном скручивании цилиндрического образца его длинa и размеры поперечного сечения остаются постоянными и следовательно, относительные продольные и поперечные и деформации при кручении равны 0. Поэтому основной характеристикой деформированного состояния при кручении является относительный сдвиг (рис. 17) определяемый, по формуле

(9)

где - рабочая длина образца, - значение текущего радиуса сечения образца.

Если , то (10)

При в поперечных сечениях образца действуют только касательные напряжения, и в любой его точке реализуется схема плоского напряженного состояния - чистый сдвиг, при котором главные напряжения , действуют по площадкам, наклоненным под углом к исходным.

В пределах упругих деформаций угол закручивания определяют по формуле

, (11)

- 21 -

Допускается использование образцов пропорциональных, геометрически подобных нормальному, а также трубчатых.

Стандартом предусмотрено определение модуля сдвига при кручении, предела пропорциональности , предела текучести , пределов прочности: условного и истинного .

В качестве меры деформации в процессе испытаний фиксируют угол закручивания (рис. 17), для измерения которого применяют стрелочные, зеркальные и другие торсиометры (угломеры).

Рис 17. Схема деформации образца при кручении

Ниже приведена схема измерения угла закручивания угломером С.В. Бояршинова - приспособлением со встроенным индикатором часового типа (рис.18).

При кручении образца 5 защепленные на нем цапфы 1 поворачиваются друг относительно друга, вследствие чего скоба будет перемещать ножку индикатора 3. Перемещение; фиксируемое индикатором, будет пропорционально величине угла закручивания сечений, на которых закреплены цапфы, т.е.

(8)

где - разность отсчетов по шкале индикатора;

- цена деления шкалы индикатора,

- расстояние от оси образца до индикатора

- 20 -

(рис. 13). При достижении нагрузкой наибольшей величины разрушение образца происходит внезапно с появлением наклонных (примерно под углом ) линий сдвига.

В результате испытания можно определить только одну механическую характеристику - предел прочности (временное сопротивление) при сжатии чугуна.

Рис.12. Диаграмма сжатия чугунного образца

Рис. 13. Разрушение чугунного образца при сжатии

Древесина является анизотропным материалом, то есть обладает различными механическими свойствами в различных направлениях. Испытание деревянных образцов осуществляется в двух направлениях. Формы диаграмм сжатия деревянных образцов вдоль и поперек волокон представлены на рис.14 кривыми " а" и " б" соответственно.

При сжатии вдоль волокон наблюдают сравнительно небольшие остаточные деформация (рис. 14 а). Разрушение образца сопровождается обмятием торцов и образованием поперечных складок.

Разрушение твердых пород дерева сопровождается сдвигами по косым площадкам, наклоненным под углом к продольной оси.

При сжатии поперек волокон (рис. 15 б) наблюдается значительная деформация под действием сравнительно небольшой нагрузки.

- 17 -

Предел прочности древесины при сжатии образца вдоль волокон определяют отношением наибольшего значения сжимающей силы к начальной площади поперечного сечения образца.

Рис. 14. Диаграммы сжатия древесины: а - вдоль волокон, б - поперек волокон

Рис. 15. Разрушение деревянного образца при сжатии: а - вдоль волокон, б - поперек волокон

Величину предела прочности при сжатии поперек волокон иногда установить не удается. Вычисляют условный предел прочности, принимая за разрушающую нагрузку , которая соответствует сжатию образца на его начальной высоты.

Прочность древесины при сжатия вдоль волокон в 3 - 10 раз выше, чем при сжатии поперек волокон.

Проведение опыта и обработка результатов

1. Обмерьте образцы, выполните их эскизы до проведения опыта.

2. Устанавливайте поочередно образцы между плитами испытательной машины, принимая меры по центрированию нагрузки.

3. Наблюдая характер деформации образцов при сжатии, отмечайте по шкале сило - измерителя характерные величины нагрузок ( при сжатии образца из пластичной стали, - для чугуна и древесины при сжатии вдоль волокон - при сжатии древесины поперек волокон).

4. По окончания опыта снимите диаграммы с барабана записывающего устройства, перенесите в журнал,

5. Выполните эскизы разрушенных образцов.

- 18 -

Вычислите механические характеристики материалов при
сжатии.

Лабораторная работа 5

1 2 34