Разносопротивляемость хрупких материалов

В ряде случаев представляется необходимой оценка разносопротивляемости хрупких материалов различным видам деформаций, например, растяжению и сжатию. Для пластичных материалов сопоставление прочностных характеристик на растяжение и сжатие ведется по пределу текучести ( и – пределы текучести на растяжение и сжатие соответственно).Принято считать, что = .

Для хрупких материалов оценка прочностных свойств производится, как правило, по величине предела прочности при растяжении и сжатии Эти материалы обладают обычно более высокими прочностными показателями при сжатии, чем при растяжении. Например, величина отношения

(2.1)

для чугуна колеблется в пределах 0,2…0,4, керамических материалов – 0,1, для инструментальных сталей – 0,4…0,5.

Разная сопротивляемость хрупких изотропных материалов при разных видах деформации учитывается в расчетах на прочность, куда обязательно входят пределы прочности при растяжении и сжатии (см., например, теорию прочности Мора).

Особенности определения механических свойств
анизотропных материалов

Существуют материалы, способные по-разному сопротивляться внешним нагрузкам, действующим в разных направлениях самого материала. К таким относятся, например, древесина и некоторые композиты. Под композитами понимаются искусственно созданные составные неоднородные материалы. Это материалы, армированные прямолинейными волокнами, тканями, хаотически расположенными (непрерывными или короткими) волокнами или частицами и др. В большинстве случаев они обладают свойством анизотропии прочности, т. е. зависимостью свойств материала от направления.

Принципиальное отличие испытаний анизотропных материалов от испытаний пластичных или хрупких изотропных материалов состоит в том, что для последних нужно определить одну или две характеристики прочности , а для анизотропных материалов – функцию прочности от направления приложения нагрузки.

Рис. 2.3. Диаграммы растяжения стеклопластика при различных углах армирования

Рис. 2.4. Характеристики прочности стеклопластика в зависимости от угла армирования

Для иллюстрации на рис. 2.3 показаны диаграммы растяжения однонаправленно армированного непрерывными волокнами стеклопластика марки 27-63С в зависимости от угла jориентации растягивающего усилия по отношению к направлению волокон. На рис. 2.4 – изменение характеристик прочности при растяжении и сжатии в функции угла jдля того же материала.

Испытание анизотропных материалов, имеющих различные свойства по разным направлениям, рассмотрим на примере древесины. Для оценки анизотропии механических свойств испытывают образцы древесины в форме куба, а нагружения проводят и вдоль, и поперёк волокон.

При сжатии вдоль волокон древесина выдерживает значительно большие нагрузки, чем при сжатии поперёк волокон. Разрушение в первом случае происходит в результате сдвига слоев в плоскости, наклонённой к продольной оси под углом 45°…60°. Диаграмма сжатия таких образцов по виду напоминает диаграмму сжатия хрупкого материала и позволяет определить максимальную нагрузку .

При сжатии образцов поперёк волокон после прохождения области упругости деформация происходит при постоянной (или незначительно повышающейся) нагрузке, несмотря на то, что начинают обнаруживаться внешние признаки разрушения материала и появляются значительные трещины. Диаграмма по виду напоминает диаграмму сжатия пластичного материала. Полного разрушения образца обычно не происходит – он существенно спрессовывается. Следовательно, здесь нельзя определить непосредственно разрушающую нагрузку.

За разрушающую нагрузку при сжатии древесины поперек волокон условно принимают ту, при которой образец сжимается на 1/3 от своей первоначальной высоты. Эту нагрузку можно определить непосредственно по машинной диаграмме сжатия. Для этого надо знать масштаб по оси деформации и первоначальную высоту h₀ образца. Графический метод определения разберите самостоятельно по рис. 2.5.

Рис. 2.5. Диаграмма сжатия при испытании древесины поперек волокон

Для древесины можно рассчитать пределы прочности при сжатии вдоль и поперек волокон:

, , (2.2)

где А₀ – площадь поперечного сечения исходного образца.

Коэффициент анизотропии прочности k, показывающий во сколько раз предел прочности при сжатии древесины вдоль волокон больше предела прочности при сжатии того же материала поперек волокон, определяется отношением:

. (2.3)

Требования к образцам

Для испытаний на сжатие используют цилиндрические образцы с гладкими торцами или торцевыми выточками (рис. 2.6). При определении пределов пропорциональности и упругости отношение высоты образца h₀ к его диаметру d₀ должно составлять величину, равную 3-м. Для определения предела текучести высоту h₀ вычисляют по формуле:

, (2.4)

где n – показатель деформационного упрочнения (выбирается из справочных таблиц; изменяется в пределах 0,15…0,28); V – коэффициент приведения высоты (V = 0,5 – для образцов с гладкими торцами и V = 0,76 – для образцов с торцевыми выточками). У образцов с торцевыми выточками допускается задавать высоту, равную диаметру образца.

С целью исключения влияния трения (между гладкими торцами образцов и опорными поверхностями захватов испытательной машины) на характеристики прочности допускается применение смазочного материала, например, машинного масла с графитом. Для образцов с торцевыми выточками обязательно применение смазки (стеарин, парафин или воск), которая наносится в жидком состоянии.

Испытание образцов проводят в специальном приспособлении для испытаний на сжатие, обеспечивающем центральное приложение сжимающей нагрузки.

а) б)

Рис. 2.6. Виды цилиндрических образцов: а – с гладкими торцами; б – с кольцевыми выточками