Лабораторная работа №2. Испытание материалов на сжатие. Определение механических характеристик материалов.

Лабораторная работа №2. Испытание материалов на сжатие. Определение механических характеристик материалов.

Цель работы:

1. Получить диаграммы сжатия чугуна, дерева, меди.

2. Определить характеристики прочности этих материалов.

3. Определить характеристики пластичности материалов.

I. НЕОБХОДИМОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И ПРИБОРЫ

1. Разрывная машина с силоизмерительным устройством Р-10.

2. Штангенциркуль.

3. Образцы металлов (чугун, медь, латунь).

4. Образцы из дерева.

II. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ

Испытание на сжатие проводятся реже чем на растяжение, т.к. при сжатии нельзя получить все механические характеристики материалов. Так пластичный материал при сжатии не разрушается, а превращается в диск, что не позволяет определить напряжение, соответствующее разрушающей силе. Также нельзя определить параметры, аналогичные характеристикам пластичности. Поэтому испытанию на сжатие подвергают в основном хрупкие материалы.

Испытание материалов на сжатие проводится аналогично испытанию на растяжение. Так же как и при испытании на растяжение из испытуемого материала изготавливаются образцы, которые сжимают на испытательной машине до разрушения. При этом также вычерчивается диаграмма сжатия. Дерево, как материал анизотропный, испытывается на сжатие вдоль волокон и поперек волокон.

Испытание на сжатие проводятся по следующим стандартам: для стали и чугуна - ГОСТ 25.503-80, бетона - ГОСТ 10.180-90, древесины - ГОСТ 16483.10-73 (вдоль волокон) и ГОСТ 16843.11-72 (поперек волокон). Испытание на сжатие проводят на универсальных испытательных машинах (например, Р-10, УММ-5 или УММ-50) или специальных прессах.

Образцы материалов изготавливаются в виде цилиндров c соотношением размеров h=(1...2)d (например, для чугуна d=10-25 мм) или кубиков со стороной 20 мм и более для дерева (рис.1). Образец закладывается между плитами испытательной машины и постепенно нагружается непрерывно возрастающей нагрузкой. При этом на диаграммном барабане машины вычерчивается диаграмма сжатия (рис. 2).

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).

Рис.1

Для пластичного материала (медь) диаграмма сжатия (рис.2) до предела текучести совпадает с диаграммой растяжения, однако ярко выраженной площадки текучести не наблюдается. После прохождения стадии текучести происходит быстрое возрастание деформаций, а увеличивающееся поперечное сечение образца становится способным выдержать все большую нагрузку. Образец принимает бочкообразную форму из-за наличия сил трения на торцах (рис.3, а) и может быть сплющен в тонкую пластинку без признаков разрушения, иногда даже без образования трещин. Поэтому в процессе испытания обычно определяют только предел пропорциональности

.

Для пластичных материалов модуль упругости Е, предел упругости и предел текучести при сжатии примерно те же, что и при растяжении. Предел прочности при сжатии нельзя определить практически, т.к. образец не разрушается, поэтому его принимают равным пределу прочности при растяжении. Характеристики, аналогичные относительному удлинению и относительному сужению при разрыве, при испытании на сжатие также получить невозможно.

Если первоначально растянуть пластичный материал за предел текучести, а потом разгрузив сжать его, то наблюдается понижение величины предела текучести. Такое явление, называемое эффектомБаушингера, связано с анизотропным упрочнением материала, т.е. упрочнением, зависящим от направления нагружения.

Хрупкие материалы (чугун, бетон, кирпич и др.) лучше сопротивляются сжатию, чем растяжению и поэтому они применяются для изготовления материалов, работающих на сжатие (к примеру 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. Поэтому для их расчета на прочность необходимо знать механические характеристики, получаемые при испытании на сжатие.

Для чугуна на диаграмме сжатия (рис.2) почти отсутствует прямолинейный участок, т.е. закон Гука выполняется лишь приближенно в начальной стадии нагружения. Разрушение происходит внезапно при максимальной нагрузке с появлением ряда наклонных трещин, расположенных приблизительно под углом 45^о к образующим боковой поверхности образца, т.е. по линиям действия максимальных касательных напряжений (рис.3, б). Предел прочности при сжатии определяется по зависимости

.

Предел прочности чугуна на сжатие превышает предел прочности на растяжение в 4-5 раз и предел прочности на изгиб в 2 раза.

Следует заметить, что характер деформации и разрушения образца зависят от сил трения между торцами образца и опорными плитами испытательной машины. Путем периодической парафинной или графитовой смазки торцов можно устранить силы трения; при этом чугунный образец в течении всего испытания остается цилиндрическим и разрушается по плоскостям, параллельным диаметральной плоскости из-за недопустимо больших растягивающих деформаций.

При сжатии бетона (цементного раствора, камня), рост нагрузки сопровождается упругими деформациями вплоть до разрушения, что вообще свойственно для хрупких материалов. Характер разрушения образцов из бетона зависит от наличия сил трения между плитами машины и торцами образца. При их наличии, т.е., когда образец без смазки, разрушение происходит путем выкрашивания материала у боковых поверхностей в средней части образца, а трещины образуются под углом 45^о к линии действия нагрузки (рис.3, в). При сжатии образца со смазанными торцами разрушение имеет вид продольных трещин, т.е. материал расслаивается по линиям, параллельным действию сжимающей силы (рис.3, г). Сравнение механических характеристик бетона показывает, что предел прочности при сжатии в 10-20 раз превышает предел прочности при растяжении.

При испытании на сжатие образцов из дерева, имеющего волокнистую структуру, ярко проявляются его анизотропные свойства. Так при сжатии дерева вдоль волокон (рис.2) образец претерпевает небольшие остаточные деформации, могут образовываться поперечные складки и продольные трещины, а разрушение возникает вследствие сдвига одной части образца относительно другой (рис.3, д). При сжатии поперек волокон после достижения некоторой нагрузки (рис.2) кубик продолжает деформироваться почти без увеличения сжимающей силы, подвергается прессованию (рис.3, е) и не всегда можно точно определить нагрузку, соответствующую началу разрушения. Поэтому предел прочности условно определяют при нагрузке, когда образец сжимается на одну треть от своей первоначальной высоты. Так для сухой древесины (с влажностью равной 15% при температуре 20^оС) предел прочности на сжатие вдоль и поперек волокон отличается в 8-10 раз. Предел прочности на растяжение больше предела прочности на сжатие примерно в 2 раза.

При расчете конструкций необходимо учитывать особенности сопротивления растяжению и сжатию пластичных и хрупких материалов.

Рис.2

а) в) д)

б) г) е)

Рис.3. Характер разрушения различных материалов при сжатии

а - медь; б - чугун; в, г - бетон без и со смазкой торцов;

д, е - дерево вдоль и поперек волокон соответственно

III. ВЫПОЛНЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ

Перед испытанием необходимо измерить высоту и диаметр образцов из меди и чугуна, а также высоту и грани кубиков из дерева с точностью до 0,1мм.

Подсчитать площади поперечных сечений образцов. Полученные данные занести в отчет.

После этого один из образцов устанавливается между плитами испытательной машины и производится сжатие.

Испытание производится в той же последовательности, как описано в работе №1.

После испытания проводится анализ разрушения образцов, замер высоты образцов. Вычерчиваются эскизы разрушения образцов. Начало отсчета и масштабы диаграмм определяются как в работе № 1.

Для меди подсчитывается значение предела пропорциональности и наибольшее напряжение:

Для чугуна подсчитывается величина предела прочности:

Для дерева вдоль волокон - величина предела прочности:

Для дерева поперек волокон - величина предела пропорциональности и наибольшее напряжение:

Нагрузки находятся как в работе №1.

IV.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАСТИЧНОСТИ

Характеристикой пластичности при сжатии является относительное остаточное укорочение

В заключение работы в отчете вычерчиваются диаграммы сжатия образцов, на которые наносятся характерные величины и делаются выводы о свойствах пластичных и хрупких материалов при работе на сжатие.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

С ПОСТРОЕНИЕМ ДИАГРАММЫ

Машина: Разрывная Р-10

Диаметр образца 10 мм

Расчетная длина 25 мм

Таблица значений, снятых с диаграммы, построенной самописцем в осях F,

№	Координаты точки на диаграмме	Марка стали	Марка чугуна
	Сила в кН, соответствующая пределу пропорциональности Fпц =
	Сила в кН, соответствующая пределу текучести Fт =
	Сила в кН, соответствующая разрушению образца Fр=
	Абсолютная деформация в м, соответствующая пределу пропорциональности =
	Абсолютная деформация в м, соответствующая разрушению образца =

Машина: Разрывная Р-10

Лабораторная работа №2. Испытание материалов на сжатие. Определение механических характеристик материалов.

Цель работы:

1. Получить диаграммы сжатия чугуна, дерева, меди.

2. Определить характеристики прочности этих материалов.

3. Определить характеристики пластичности материалов.

I. НЕОБХОДИМОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И ПРИБОРЫ

1. Разрывная машина с силоизмерительным устройством Р-10.

2. Штангенциркуль.

3. Образцы металлов (чугун, медь, латунь).

4. Образцы из дерева.

II. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ

Испытание на сжатие проводятся реже чем на растяжение, т.к. при сжатии нельзя получить все механические характеристики материалов. Так пластичный материал при сжатии не разрушается, а превращается в диск, что не позволяет определить напряжение, соответствующее разрушающей силе. Также нельзя определить параметры, аналогичные характеристикам пластичности. Поэтому испытанию на сжатие подвергают в основном хрупкие материалы.

Испытание материалов на сжатие проводится аналогично испытанию на растяжение. Так же как и при испытании на растяжение из испытуемого материала изготавливаются образцы, которые сжимают на испытательной машине до разрушения. При этом также вычерчивается диаграмма сжатия. Дерево, как материал анизотропный, испытывается на сжатие вдоль волокон и поперек волокон.

Испытание на сжатие проводятся по следующим стандартам: для стали и чугуна - ГОСТ 25.503-80, бетона - ГОСТ 10.180-90, древесины - ГОСТ 16483.10-73 (вдоль волокон) и ГОСТ 16843.11-72 (поперек волокон). Испытание на сжатие проводят на универсальных испытательных машинах (например, Р-10, УММ-5 или УММ-50) или специальных прессах.

Образцы материалов изготавливаются в виде цилиндров c соотношением размеров h=(1...2)d (например, для чугуна d=10-25 мм) или кубиков со стороной 20 мм и более для дерева (рис.1). Образец закладывается между плитами испытательной машины и постепенно нагружается непрерывно возрастающей нагрузкой. При этом на диаграммном барабане машины вычерчивается диаграмма сжатия (рис. 2).

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).

Рис.1

Для пластичного материала (медь) диаграмма сжатия (рис.2) до предела текучести совпадает с диаграммой растяжения, однако ярко выраженной площадки текучести не наблюдается. После прохождения стадии текучести происходит быстрое возрастание деформаций, а увеличивающееся поперечное сечение образца становится способным выдержать все большую нагрузку. Образец принимает бочкообразную форму из-за наличия сил трения на торцах (рис.3, а) и может быть сплющен в тонкую пластинку без признаков разрушения, иногда даже без образования трещин. Поэтому в процессе испытания обычно определяют только предел пропорциональности

.

Для пластичных материалов модуль упругости Е, предел упругости и предел текучести при сжатии примерно те же, что и при растяжении. Предел прочности при сжатии нельзя определить практически, т.к. образец не разрушается, поэтому его принимают равным пределу прочности при растяжении. Характеристики, аналогичные относительному удлинению и относительному сужению при разрыве, при испытании на сжатие также получить невозможно.

Если первоначально растянуть пластичный материал за предел текучести, а потом разгрузив сжать его, то наблюдается понижение величины предела текучести. Такое явление, называемое эффектомБаушингера, связано с анизотропным упрочнением материала, т.е. упрочнением, зависящим от направления нагружения.

Хрупкие материалы (чугун, бетон, кирпич и др.) лучше сопротивляются сжатию, чем растяжению и поэтому они применяются для изготовления материалов, работающих на сжатие (к примеру 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. Поэтому для их расчета на прочность необходимо знать механические характеристики, получаемые при испытании на сжатие.

Для чугуна на диаграмме сжатия (рис.2) почти отсутствует прямолинейный участок, т.е. закон Гука выполняется лишь приближенно в начальной стадии нагружения. Разрушение происходит внезапно при максимальной нагрузке с появлением ряда наклонных трещин, расположенных приблизительно под углом 45^о к образующим боковой поверхности образца, т.е. по линиям действия максимальных касательных напряжений (рис.3, б). Предел прочности при сжатии определяется по зависимости

.

Предел прочности чугуна на сжатие превышает предел прочности на растяжение в 4-5 раз и предел прочности на изгиб в 2 раза.

Следует заметить, что характер деформации и разрушения образца зависят от сил трения между торцами образца и опорными плитами испытательной машины. Путем периодической парафинной или графитовой смазки торцов можно устранить силы трения; при этом чугунный образец в течении всего испытания остается цилиндрическим и разрушается по плоскостям, параллельным диаметральной плоскости из-за недопустимо больших растягивающих деформаций.

При сжатии бетона (цементного раствора, камня), рост нагрузки сопровождается упругими деформациями вплоть до разрушения, что вообще свойственно для хрупких материалов. Характер разрушения образцов из бетона зависит от наличия сил трения между плитами машины и торцами образца. При их наличии, т.е., когда образец без смазки, разрушение происходит путем выкрашивания материала у боковых поверхностей в средней части образца, а трещины образуются под углом 45^о к линии действия нагрузки (рис.3, в). При сжатии образца со смазанными торцами разрушение имеет вид продольных трещин, т.е. материал расслаивается по линиям, параллельным действию сжимающей силы (рис.3, г). Сравнение механических характеристик бетона показывает, что предел прочности при сжатии в 10-20 раз превышает предел прочности при растяжении.

При испытании на сжатие образцов из дерева, имеющего волокнистую структуру, ярко проявляются его анизотропные свойства. Так при сжатии дерева вдоль волокон (рис.2) образец претерпевает небольшие остаточные деформации, могут образовываться поперечные складки и продольные трещины, а разрушение возникает вследствие сдвига одной части образца относительно другой (рис.3, д). При сжатии поперек волокон после достижения некоторой нагрузки (рис.2) кубик продолжает деформироваться почти без увеличения сжимающей силы, подвергается прессованию (рис.3, е) и не всегда можно точно определить нагрузку, соответствующую началу разрушения. Поэтому предел прочности условно определяют при нагрузке, когда образец сжимается на одну треть от своей первоначальной высоты. Так для сухой древесины (с влажностью равной 15% при температуре 20^оС) предел прочности на сжатие вдоль и поперек волокон отличается в 8-10 раз. Предел прочности на растяжение больше предела прочности на сжатие примерно в 2 раза.

При расчете конструкций необходимо учитывать особенности сопротивления растяжению и сжатию пластичных и хрупких материалов.

Рис.2

а) в) д)

б) г) е)

Рис.3. Характер разрушения различных материалов при сжатии

а - медь; б - чугун; в, г - бетон без и со смазкой торцов;

д, е - дерево вдоль и поперек волокон соответственно

III. ВЫПОЛНЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ

Перед испытанием необходимо измерить высоту и диаметр образцов из меди и чугуна, а также высоту и грани кубиков из дерева с точностью до 0,1мм.

Подсчитать площади поперечных сечений образцов. Полученные данные занести в отчет.

После этого один из образцов устанавливается между плитами испытательной машины и производится сжатие.

Испытание производится в той же последовательности, как описано в работе №1.

После испытания проводится анализ разрушения образцов, замер высоты образцов. Вычерчиваются эскизы разрушения образцов. Начало отсчета и масштабы диаграмм определяются как в работе № 1.

Для меди подсчитывается значение предела пропорциональности и наибольшее напряжение:

Для чугуна подсчитывается величина предела прочности:

Для дерева вдоль волокон - величина предела прочности:

Для дерева поперек волокон - величина предела пропорциональности и наибольшее напряжение:

Нагрузки находятся как в работе №1.

IV.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАСТИЧНОСТИ

Характеристикой пластичности при сжатии является относительное остаточное укорочение

В заключение работы в отчете вычерчиваются диаграммы сжатия образцов, на которые наносятся характерные величины и делаются выводы о свойствах пластичных и хрупких материалов при работе на сжатие.