Особенности поведения при сжатии пластичных материалов.

На рис. 2.1 показаны характерные диаграммы деформирования малоуглеродистой стали при растяжении – 1 и при сжатии – 2. При испытании на сжатие образцов из пластичных материалов, например, из малоуглеродистой стали, на начальном участке наблюдается пропорциональная связь между нагрузкой и деформацией. Порядок определения характеристик прочности при растяжении и сжатии идентичен. При достижении нагрузки, соответствующей физическому пределу текучести (площадке текучести), можно заметить кратковременную остановку стрелки силоуказателя. В таких случаях можно определить физический предел текучести и при испытаниях на сжатие. Если остановки стрелки не будет, а на диаграмме сжатия нельзя четко обнаружить площадку текучести, то определяется условный предел текучести σ_0,2.

При достижении физического предела текучести, как при растяжении, так и при сжатии, на поверхности хорошо отполированного образца можно увидеть появление полос скольжения (линии Чернова-Людерса), направленных под углом 45° к оси образцах. Причины появления этих линий, представляющих собой следы выхода на поверхность образца пластических сдвигов, те же, что и при растяжении. Разрушить образец из пластичного материала при сжатии нельзя, так как происходит только осадка образца. Следовательно, предел прочности в этих случаях найден быть не может.

Бочкообразная форма деформированного образца после испытаний (рис. 2.2) объясняется тем, что силы трения, возникающие между плитами пресса и торцами образца, препятствуют свободному расширению прилежащих к торцам частей материала.

Характеристики пластичности при сжатии не определяются.

3. Особенности разрушения при сжатии хрупких материалов. Диаграмма сжатия хрупкого материала, например, чугуна, представляет собой нелинейную зависимость с малыми деформациями, быстрым ростом нагрузки, а испытание заканчивается разрушением образца. По максимальной нагрузке определяется предел прочности материала на сжатие σ_в^с (см. рис. 2.1, диаграмма 3). Разрушение происходит по плоскостям, параллельным оси образца или наклоненным к оси под углом приблизительно 45° (см. рис. 2.2), совпадающим с направлением площадок с максимальными касательными напряжениями. Первое чаще имеет место при смазанных торцевых поверхностях образца из очень хрупких материалов (например, мрамора), а второе - при испытаниях без смазки. Опыт показывает, что предел прочности хрупкого материала при смазке торцевых поверхностей оказывается меньше, чем для такого же материала, но без смазки. Это еще раз указывает на существенное влияние торцевого трения не только на характер разрушения, но и на величину предела прочности, то есть на зависимость результата опыта от условий эксперимента.

Разносопротивляемость хрупких материалов. В ряде случаев представляется необходимой оценка разносопротивляемости хрупких материалов разным видам деформаций, например, растяжению и сжатию.

Для пластичных материалов сопоставление прочностных характеристик при растяжении и сжатии ведется по пределу текучести ( и ). Принято считать, что пределы текучести у пластичных материалов при растяжении и сжатии одинаковы ≈ . Предел прочности при сжатии определить невозможно.

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, нежели при растяжении. Например, величина отношения

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.

4.Особенности поведения при растяжении и сжатии хрупкопластичных материалов. Материалы, которые ведут себя при сжатии как пластичные, но предел текучести у которых при сжатии несколько больше, чем при растяжении, называются хрупкопластичными. Для них определяют условный предел текучести и ≈ (1,15-1,20) . Хрупко-пластичными являются легированные стали, подвергнутые закалке, например 30ХГСА.

5.Особенности определения механических свойств анизотропных материалов. Анизотропными называют материалы, у которых механические свойства зависят от направления приложения силы. К ним относятся материалы, армированные прямолинейными волокнами, тканями, хаотически расположенными непрерывными или короткими волокнами, частицами и иным способом.

Принципиальное отличие испытаний анизотропных материалов от испытаний изотропных материалов состоит в том, что для последних нужно определить одну или две характеристики прочности (, ), а для анизотропных материалов - функцию прочности от направления напряжения.

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

При сжатии вдоль волокон дерево выдерживает значительно большие нагрузки, чем при сжатии поперек 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 F_b^êê.

При сжатии образцов поперек волокон, после прохождения области упругих деформаций, деформация происходит при почти постоянной или при незначительно повышающейся нагрузке, несмотря на то, что начинают обнаруживаться внешние признаки разрушения материала и становятся видны значительные трещины. Здесь диаграмма по виду напоминает диаграмму сжатия пластичного материала. Полного разрушения кубика обычно не происходит - он существенно спрессовывается. Следовательно, здесь нельзя определить непосредственно разрушающую нагрузку.

За разрушающую нагрузку F_b ^{^} при сжатии дерева поперек волокон условно принимают ту нагрузку, 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 а образца (рис. 2.3).

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

, ,

где А_о - площадь поперечного сечения исходного образца.

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

.

6. Требования к образцам. Для испытания на сжатие металлов используют цилиндрические образцы с гладкими торцами или торцевыми выточками (см. рис. 2.2). При определении пределов пропорциональности и упругости отношение высоты образца h_o к его диаметру d_o не должно превышать 3 для исключения возможности изгиба образца от действия сжимающей нагрузки.

С целью исключения влияния трения между гладкими торцами образцов и опорными поверхностями на определение характеристик прочности допускается применение смазочного материала, например, машинного масла с графитом. Для образцов с торцевыми выточками обязательно применение смазки (стеарин, парафин или воск), которые наносятся в жидком состоянии.

Для испытания на сжатие неметаллов используют образцы кубической формы. Естественные строительные материалы (камень, гранит и т.д.) испытывают в виде образцов кубической формы со стороной 50 мм, а искусственные (цемент и др.) - со стороной 70,7 мм (площадь поперечного сечения 50 см²).

7. Оборудование и приборы. Для испытаний на сжатие используют те же универсальные машины, что и при испытании на растяжение, с записью на диаграмме кривой нагрузка-деформация, так называемой машинной диаграммы.