Лабораторна робота 2

Тема: Випробування матеріалів на стиск.

Мета роботи: Познайомитись з методикою випробовування на стиск зразків із різних матеріалів, визначити границю текучості для пластичних матеріалів, границю міцності для крихких матеріалів, отримати дослідні діаграми стиску.

Короткі теоретичні відомості

П оняття "напруження" і "деформація" можна елементарним чином продемонструвати на прикладі розтягу призматичного стержня. Призматичний стержень - це циліндр з постійним по всій довжині поперечним перерізом і прямолінійною віссю. Вважаємо, що стержень навантажений прикладеними до кінців силами Р, які викликають рівномірне його видовження. Провівши уявно переріз стержня площиною тт перпендикулярно до його осі, можна виділити частину стержня, розташовану справа від цього перерізу, і розглядати її як вільне тіло (рис. 1.1).

Рис. 4.1 До поняття напруження

До правого кінця цього тіла прикладена розтягуюча сила Р, а до лівого - сили, що замінюють дію на нього відкинутої частини стержня. Ці сили будуть неперервно розподілені по всьому поперечному перерізу аналогічно неперервному розподілу гідростатичного тиску на занурену в рідину поверхню. Інтенсивність сили, тобто сила, віднесена до одиниці площі, називається нормальним напруженням, яке позначається грецькою буквою .

Стандартний бетонний зразок на випробуванні в універсальній машині

Вважаючи, що напруження рівномірно розподілені по поперечному перерізі (рис. 1.1), легко помітити, що їх рівнодійна рівна інтенсивності , помноженій на площу поперечного перерізу стержня. Крім того, із умови рівноваги тіла, зображеного на рис. 1.1, також видно, що ця рівнодійна повинна бути рівна за величиною силі Р і протилежна їй за напрямком. Звідси випливає співвідношення:

Пристрій для визначення зусилля стиску

Це пружна сталева скоба спеціальної форми, що завантажується з двох боків. Стрілочним індикатором вимірюють зближення сторін скоби, отриманий результат перетворюють в силу. Має високу чутливість: при верхньому значенні зусилля 5т стрілка індикатора реагує на стискання пальцями. Захищений від перевантаження шляхом змикання стінок зі стопором ще до виходу матеріалу скоби з пружної зони.

Повне видовження стержня, навантаженого осьовою силою, позначимо грецькою буквою , а видовження, віднесене до одиниці довжини, або деформацію, визначимо співвідношенням:

де - повна довжина стержня.

Відзначимо, що деформація - безрозмірна величина. Вона може бути точно визначена із останнього співвідношення, оскільки деформація однакова по довжині стержня. Залежність між напруженням і деформацією для конкретного матеріалу визначають за допомогою випробувань на розтяг чи стиск.

Випробовування на стиск - основні при визначенні механічних характеристик крихких матеріалів: чавуна, порцеляни, будівельних матеріалів, кераміки та інших.

На відміну від випробувань на розтяг, випробування на стиск мають наступні особливості:

• пластичні матеріали при стиску не руйнуються, даючи досить великі деформації (сплющуються);

• опір матеріала стиску залежить від відношення висоти до ширини зразка ;

- на результати випробування в значній мірі впливає тертя на торцях зразка.

Для порівняльних випробувань на стиск із пластичних матеріалів доцільно використовувати маловуглецеву сталь, а із крихких - сірий чавун, як найбільш поширений у машинобудуванні. Форма металевих зразків відповідно до вимог стандартів береться циліндричною. Відношення повинно лежати в межах 1...3, оскільки при можлива втрата стійкості, а при тертя на торцях зразків у великій мірі спотворює результати випробувань.

Зразки із сталі та чавуну після випробувань на стиск.

Сталевий зразок шорсткий від дислокацій, що вийшли на бічну поверхню.

Чавунний, крім цього, містить тріщину у напрямку,

близькому до теоретичних максимальних дотичних напружень

Випробування дерева на стиск здійснюється у двох напрямках: вздовж і поперек волокон, оскільки дерево відноситься до анізотропних матеріалів. Зразки з дерева мають форму кубів з розміром грані (див. рис. 1.2). Випробовування на стиск сталевих і чавунних зразків можна проводити на будь-якому пресі або універсальній випробувальній машині, що має автоматичний пристрій для запису діаграми, а випробовування дерева бажано проводити на машині, яка має можливість побудови діаграми стиску у великому масштабі (напр. ВМ-4А).

Зразки з алюмінію та м'якої сталі після значного стиску у пластичній області деформацій. Добре видно смуги пластичного ковзання по напрямках найбільших дотичних напружень з виходом зон повного розшарування матеріалу

як на бічну поверхню, так і під подушки преса

Рис. 1.2 Зразки з дерева для випробувань на стиск

Під дією стискаючого навантаження різні матеріали ведуть себе по-різному. При стиску зразка з пластичного матеріалу (сталевого) до деякого навантаження спостерігається пропорційна залежність між деформацією і навантаженням, що її викликало (рис. 1.3).

Спочатку на діаграмі з’являється прямолінійна ділянка (до зусилля границі пропорційності ). Після цього деформація зростає швидше від навантаження, крива стрімко піднімається вгору. Це явище пояснюється збільшенням площі поперечного перерізу зразка і зміцненням матеріалу.

Як видно з рис. 1.4, переріз збільшується нерівномірно по висоті зразка. Зразок набуває бочкоподібної форми (рис. 1.4) внаслідок дії сил тертя між торцями і поверхнями стискаючих плит.

Рис. 1.3 Діаграма стиску пластичного матеріалу

Зразок не руйнується, а розплющується. Наявність тертя викликає відхилення рівнодійної від осі зразка, через що випробування проходить в умовах складного напруженого стану. Тому визначити дійсне значення напруження при стиску неможливо. Пластичні матеріали при стиску не мають границі міцності. Можна визначити тільки границю пропорційності і умовну границю текучості . Випробування припиняють при досягненні максимального навантаження, допустимого даною машиною.

Рис. 1.4 Схеми навантаження та виду руйнування

При стиску зразка із крихкого матеріалу (чавун, камінь) діаграма, як і для сталі, майже прямолінійна, потім вона викривляється і навантаження досягає максимального значення. Зразок трохи деформується, помітна незначна бочкоподібність, потім - руйнується, і навантаження різко падає. Руйнування відбувається по площинах, нахилених до осі зразка приблизно на кут 40°...50°, тобто під дією максимальних дотичних напружень. Чітко виражене тільки руйнуюче навантаження .

Відношення

називають границею міцності матеріалу при стиску. Діаграма являє собою лінію малої кривизни, але при практичних розрахунках вважають, що матеріал задовільняє закон Гука.

Кубики з бетону, цегли та цементного розчину за відсутності змащування торців руйнуються раптово, утворюючи біля нижньої основи піраміду з кутом, близьким до 45º. При підкладанні під основу поліетилену зразки руйнуються вертикальними тріщинами, утворюючи подовгасті фрагменти, орієнтовані вздовж навантаження

При випробуваннях на стиск дерев'яного зразка, діаграми для стиску вздовж волокон (рис. 1.5,а) і поперек волокон (рис. 1.5, б) вже на початку є нелінійними.

Рис. 1.5 Діаграма стиску дерева

Кубики з дерева при навантаженні вздовж волокон та терті у основі руйнуються зрізом під кутом 45° до основи та розшаруванням. Перед повним руйнуванням спостерігається легеньке потріскування

При стиску вздовж волокон на діаграмі спочатку з’являється прямолінійна ділянка з великим кутом нахилу до осі деформації, що вказує на значний опір дерева стискаючим навантаженням в цьому напрямку. Потім у зразку відбувається зміщення волокон приблизно на кут 45° під дією максимальних дотичних напружень. В цей момент навантаження різко падає, разок руйнується (рис. 1.5). Випробування припиняється, коли зміщення волокон стає добре помітним візуально. При стиску дерев'яного кубика поперек волокон на діаграмі спочатку з'являється невелика прямолінійна ділянка, яка має кут нахилу до осі деформації менший, ніж на діаграмі стиску дерева вздовж волокон.

Руйнування дерева при стиску вздовж волокон із змащуванням торців листовим поліетиленом відбувається шляхом поздовжнього розтріскування та розшарування з наступним падінням шарів набік

Потім діаграма іде зигзагоподібно і майже паралельно осі абсцис. Зразок дуже ущільнюється (рис. 1.5) без видимих ознак руйнування. Коли величина деформації досягає 1/3 початкового розміру зразка, як правило, припиняють випробування, не чекаючи остаточного руйнування зразка.

Відношення

називається границею міцності дерева при стиску вздовж або поперек волокон.