ИСПЫТАНИЕ МАТЕРИАЛОВ НА СЖАТИЕ

К испытанию на сжатие прибегают реже, чем к испытанию на растяжение, так как оно не позволяет снять все механические характеристик материала, например , поскольку при сжатии пластичных материалов образец превращается в диск. Испытанию на сжатие в основном подвергаются хрупкие материалы, которые лучше сопротивляются этой деформации. Этот вид испытаний производится на специальных прессах или на универсальных статических машинах. Если испытывается металл, то изготовляются цилиндрические образцы, размер которых выбирают из соотношения 3d > l> d. Такая длина выбирается из соображений большей устойчивости, так как длинный образец помимо сжатия может испытывать деформацию продольного изгиба, о котором пойдет речь по второй части курса. Образцы из строительных материалов изготовляются в форме куба с размерами 100x100x100 или 150x150x150 мм. При испытании на сжатие цилиндрический образец принимает первоначально бочкообразную форму. Если он изготовлен из пластичного материала, то дальнейшее нагружение приводит к расплющиванию образца, если материал хрупкий, то образец внезапно растрескивается.

В табл. 1 приведены механические характеристики некоторых материалов при испытании их на растяжение и сжатие.

Таблица 1.

Материал	Предел прочности при	Предел Текучести , МПа	Относительное удлинение , % при l = I0d
растяжении. , МПа	сжатии , МПа
Сталь
50Г
40Х
30ХГСА
Чугун серый обыкновенный	140 180	600 1000	—
Чугун серый мелкозернистый	210 150	до1400	—	—
Латунь Л68	320 660	––	91 660	—
Бронза БР.010			––	55,,3
Дюралюминии Д1	—	210 240	110 240
Текстолит	60 110	130 150	––	18 15
Капрон	35 700	60 80	—	––
Дерево (сосна) вдоль волокон	—		—	—
поперек волокон	—		––	––
Кирпич	—	8 30	––	—
Бетон	—	8 30	––	—

На рис. 15, 16 представлены образцы и диаграммы сжатия для различных материалов.

 

 

 

Рис. 15 иллюстрирует деформацию сжатия пластичного материала; 15, б деформацию металлического хрупкого материала (чугун); 15, в – деформацию бетонного образца. Па рис. 15, а представлены диаграммы растяжения и сжатия пластичного материала, из которых видно, что основные характерные точки этих диаграмм , , накладываются одна на другую. Предел же прочности , при сжатии определить невозможно. Диаграммы напряжений растяжения и сжатия, изображенные на рис. 16, свидетельствуют, что хрупкий материал хорошо сопротивляется сжатию и очень плохо растяжению. Поэтому хрупкие материалы нельзя закладывать в конструкцию, элементы которой будут испытывать деформацию растяжения.

 

 

КОНЦЕНТРАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЙ. ВЫБОР ДОПУСКАЕМЫХ

НАПРЯЖЕНИЙ.

 

Теоретически и экспериментально установлено, что напряжения при растяжении или сжатии стержня распределяются равномерно в поперечных сечениях только в том случае, если стержень не имеет резких переходов поперечных размеров по всей его длине. Редкие переходы площади поперечного сечения вследствие наличия поперечных отверстий, канавок, надрезов и т. п. приводят к неравномерному распределению напряжений, т.е. к их концентрации.

На рис. 17 изображены концентраторы напряжений в виде отверстий в пластинке и выточки в стержне, когда они подвергаются деформации растяжения. В непосредственной близости от концентратора напряжения достигают максимального значения и имеют местный характер, поэтому эти напряжения принято называть местными. Если сечение ослаблено концентратором, то в таком сечении среднее, или номинальное, напряжение найдется как:

, (16)

 

где F_min - площадь ослабленного сечения, называемая площадью нетто.

Если площадь отверстия не учитывается, то площадь сечения называется площадью брутто, и номинальное напряжение определяется по выражению

 

, (17)

 

Разница в номинальных напряжениях, вычисленных по формулам (16), (17) в одних случаях бывает незначительной, в других - большой. Это зависит от характера концентратора. Количественной характеристикой концентрации напряжений является коэффициент концентрации , равный отношению наибольшего местного напряжения к номинальному :

 

. (18)

Но выражению (18) находится теоретический коэффициент концентрации напряжений. Его значения колеблются от 1,1 до 3 и зависят от характера концентратора. Если это острый надрез или V-образная выточка, то , а для перехода в виде гантели он может быть равным 1,1.

Эффективный, или опытный, коэффициент концентрации напряжений находят как отношение предельной нагрузки образца без концентратора к предельной нагрузке такого же образца с концентратором напряжений:

, (19)

 

где Р₁ – разрушающая нагрузка без концентратора,

Р₂ - разрушающая нагрузка образца с концентратором напряжений.

Этот коэффициент зависит не только от вида концентратора, но и от свойств материала.

Концентраторы напряжений оказывают разное влияние на хрупкие и

пластичные материалы. Если изготовить пластинку с отверстием (рис. 17) из пластичного материала, например Ст.3, и подвергнуть се растяжению, то при достижении максимальными напряжениями предела текучести волокна в зоне отверстия вытянутся и в работу вступят рядом лежащие. Пластинка изменит свои размеры только тогда, когда все волокна в опасном сечении нагрузятся до предела текучести.

Если же изготовить пластинку из хрупкого материала, например чугуна марки Сч.32-18, то при достижении максимальными напряжениями предела прочности , (у хрупких материалов отсутствует предел текучести) происходит спонтанное (лавинообразное) разрушение пластинки. Таким образом, для пластичных материалов концентраторы напряжений опасны в меньшей степени, в отличие от хрупких материалов, и при проектировании нужно их избегать.

В настоящее время отдельные конструкции (оболочки атомных реакторов, корпуса крупнотоннажных судов и т. п.) при эксплуатации испытывают не только упругие, но и пластические деформации. Однако для большинства машиностроительных деталей это недопустимо, поэтому они рассчитываются из условий прочности, когда действующее в детали напряжение намного меньше предела текучести.

Таблица 2.

Материал	Допускаемое напряжение [ ], МПа
на растяжение	на сжатие
Чугун серый в оливках	28,0 80,0	120,0 150,0
Сталь Ст2	140,0
Сталь Ст3	160,0
Сталь Ст3 в мостах	140,0
Стань машиностроительная (конструкционная) углеродистая	60,0 250,0
Сталь машиностроительная (конструкционная) легированная	100,0 400,0 и выше
Медь	30,0 120,0
Латунь	30,0 120,0
Бронза	60,0 120,0
Алюминий	30,0 80,0
Алюминиевая бронза	80,0 120,0
Дюралюминий	80,0 150,0
Текстолит	30,0 40,0
Гетинакс	50,0 70,0
Бакелитизированная фанера	40,0 50.0
Сосна вдоль волокон	7,0 10,0	10,0 12,0
Сосна поперек волокон	—	1,5 2,0
Дуб вдоль волокон	9,0 13,0	13,0 15,0
Дуб поперек волокон	—	2,0 3,5
Каменная кладка	до 0,3	0,4 4,0
Кирпичная кладка	до 0,2	0,6 2,5
Бетон	0,1 0,7	1,0 9,0

Принято получать допускаемое напряжение:

, (20)

 

где – опасное напряжение , или ; n - коэффициент запаса прочности, показывающий, во сколько раз допускаемое напряжение меньше опасного.

Выбор величины коэффициента запаса n зависит от хрупкости материала, действующей нагрузки (статическая или динамическая), однородности материала и ряда других факторов.

Для пластичных материалов при статическом нагружении детали опасным напряжением следует считать предел текучести, так как при его достижении в детали появятся остаточные деформации, поэтому:

 

. (21)

 

Коэффициент n обычно принимается равным 1,4 1,6.

Для хрупких материалов при статической нагрузке опасным напряжением является предел прочности , тогда:

 

. (22)

 

Запас прочности для них принимается n = 2,5 3,0.

Допускаемые напряжения-величины нормируемые, и, по мере накопления данных о материале, они могут корректироваться. Зная величину допускаемого напряжения, условие прочности в случае растяжения или сжатия можно представить в виде выражения:

 

, (23)

 

которое позволяет решать три рода задач: 1) определять по известной силе и площади поперечного сечения действующее напряжение и сравнивать его с допускаемым; 2) находить безопасную площадь поперечного сечения; 3) определять допустимую нагрузку.

В табл. 2 приведены ориентировочные величины основных допускаемых напряжений для материалов на растяжение и сжатие.

При выборе материалов для конструкции необходимо учитывать их способность к растяжению или сжатию, чтобы избежать возможности преждевременного разрушения изделия.

 

ВОПРОСЫ:

1. Классификация видов испытаний.

2. Требования к испытательным стендам. Виды стендов.

3. Диаграммы растяжения.

4. Порядок проведения испытаний на растяжение.

5. Что такое предел упругости?

6. Что такое истинная и условная диаграммы напряжений?

7. Испытание материалов на сжатие.

8. Что такое допускаемое напряжение (формула)?

9. Что такое коэффициент запаса прочности? Его значения.

10. Как берется опасное напряжение

11. Какие задачи можно решать с помощью уравнения: ?

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК:

1. Кочетов В.Т. Сопротивление материалов [Текст]/ Учебное пособие для вузов/ В.Т. Кочетов, А.Д. Павленко, М.В. Кочетов: Ростов-на-Дону, Феникс, 2001 – 368 стр.

2. Иванов М.Н. Детали машин/ Учебное пособие для студентов вузов [Текст]/ М.Н. Иванов: – М.: Высшая школа, 2000 – 383 стр.

 

 

Учебное издание