Диаграммы сжатия и растяжения образцов хрупких материалов

Классическим примером хрупкого материала является стекло, образцы которого ни при сжатии, ни при растяжении не обнаруживают остаточных деформаций. Подобным образом ведут себя образцы природных камней, фарфора, строительной керамики, кирпича. Сюда же ё также бетон и алебастр, хотя в этих случаях наблюдаются уже остаточные деформации, правда, весьма малые, порядка долей процента. К хрупким материалам причисляют также закаленную сталь, некоторые марки серого чугуна, демонстрирующим относительную остаточную деформацию при растяжении до 2.. .3%.

Рисунок 2.5.4

Именно образцы подобных материалов имеют диаграммы растяжения и сжатия, представленные на рис. 2.5.4,а и 2.5.4,б. Из сопоставления этих диаграмм устанавливаем, что предел прочности при сжатии σ_uc в несколько раз превосходят предел прочности при растяжении σ_ut (индексы с и t от соmрrеssiоn, tension — сжатие и растяжение). Это различие тем больше, чем более отчетливо выражены хрупкие свойства материала.

Стержневой образец хрупкого материала (например, серого чугуна) разрушается при растяжения по поверхности, перпендикулярной продольной оси образца. Такая поверхность помечена цифрой 1 на рис. 2.5.5.

Рисунок 2.5.5

Шейка при этом не образуется.

Рисунок 2.5.6

На рис 2.5.6 изображена примерная схема разрушения при сжатии образца бетона. Штриховыми линями 1 и 2 обозначены трещины последовательно возникающие в ходе испытания. Сначала образуются трещины, расположенные вблизи боковых поверхностей. При этом объем материала, заключенный между боковой поверхностью и трещиной, может оказаться пронизанным вторичными трещинами благодаря которым описанный объем нередко распадается на несколько фрагментов. Далее по ходу испытаний наступает очередь распадаться на фрагменты следующему объему, расположенному между первой и второй трещинами и т.д. до полного разрушения образца.

Если опорные плиты испытатель пресса и опорные торцы образца смазать не выдавливающейся смазкой, то иногда можно получить картину разрушения образца бетона при сжатии, приведенную на рис. 2.5.7:

Рисунок 2.5.7

Образец разделяется на части несколькими трещинами, ориентированными примерно параллельно одной из не нагруженных граней. Показанная на рис. 2.5.7 схема разрушения имеет повышенную вероятность возникновения в том случае, если образец нагрузить силой F₁ в боковом направлении рис. 2.5.7. Сила F₁ может не превышать 20% от основной сжимающей силы F.

Обращаем внимание на некоторое сходство схем разрушения по рис. 2.5.6 и 2.5.7. В первом из них для области, равноудаленной от опорных торцов, имеем такую же ориентацию трещин, как и во второй. По мере удаления от упомянутой области направление трещины искажается за счет воздействия сил трения по опорным торцам.

Образец серого чугуна в условиях сжатия также подразделяется трещинами на множество фрагментов. Однако направление трещины следует характеризовать как случайное, хотя некоторые исследователи считают более вероятной ориентацию трещин под углом π/4 к направлению сжимающей силы.

Образцы стекла разрушаются при сжатии и растяжении с большим шумом. Образуется большое количество обломков самой разнообразной формы. Чрезвычайная скоротечность процесса указывает на возможность волновых явлений. Инициирование волн на возникщих трещинах носит случайный характер, что создает хаотическую картину прямых и отраженных волновых фронтов и причудливую картину зон интерференции, в которых возникают новые очаги разрушения. Последние, в свою очередь, являются дополнительными источниками волн. Энергетическая подпитка этих волновых процессов осуществляется за счет той потенциальной энергии упругой деформации, которая накапливается по всему объему образца к моменту разрушения.