Испытание материалов на сжатие

Испытание металлов на сжатие проводят на коротких цилиндриче­ских образцах. Для других материалов могут использоваться образцы в виде кубиков.

Рассмотрим диаграммы сжатия стали и чугуна. Для наглядности изобразим их на одном рисунке с диаграммами растяжения этих мате­риалов (рис.).

В первой четверти изображены диаграммы растяжения, а в третьей - сжатия.

В начале нагружения диаграмма сжатия малоуглеродистой пластиче­ской стали СтЗ, так же как и диаграм­ма растяжения, представляет собой наклонную прямую, потом диаграмма переходит в участок с небольшим на­клоном к горизонтали - участок теку­чести. При сжатии площадка текуче­сти не получается столь ярко выра­женной, как при растяжении.

Пределы пропорциональности, уп­ругости и текучести для стали при сжатии приблизительно такие же, как при растяжении. Углы наклона прямолинейных участков диа­граммы при растяжении и при сжатии одинаковы, значит, равны и модули упругости.

Стальные образцы при сжатии укорачиваются, а их поперечные размеры увеличиваются, особенно в средней части.

На рис. показан образец из пластичного материала до и по­сле испытания.

По концам образца поперечные деформации затруднены наличием трения в местах соприкосновения с плоскостью испытательной ма­шины, поэтому при сжатии цилиндр приобретает форму бочонка. При увеличении нагрузки образец постепенно расплющивается, но разру­шить его не удается, поэтому предел прочности установить нельзя.

Условно, для стали принимают при сжатии такой же предел проч­ности, как при растяжении.

Диаграмма сжатия чугуна похожа по фор­ме на диаграмму растяжения чугуна. Однако, предел прочности при сжатии чугуна в 4-5 раз больше, чем при растяжении. Таким образом, чугун воспринимает значительно боль­шие сжимающие нагрузки, чем растягиваю­щие.

При сжатии чугунный образец немного выпучивается в средней части и разрушается с образованием трещин по углам примерно 45° к оси (рис.).

Большинство хрупких мате­риалов разрушаются при сжатии так же, как чугун и имеют ана­логичную диаграмму сжатия. Предел прочности этих мате­риалов на сжатие значительно больше, чем на растяжение (для бетона примерно в 20 раз).

О тметим, что поэтому в растяну­тых зонах бетонных конструкций закладываются стальные прутья (арматура), воспринимающие растягивающие усилия.

При испытании дерева на сжатие приходится учитывать, что дере­во - материал анизотропный и имеет разные свойства при нагружеиии вдоль и поперек волокон.

Многие породы дерева при сжатии вдоль волокон выдерживают значительные напряжения, например предел прочности сосны дости­гает 80 МПа. При сжатии дерева поперек волокон древесина не раз­рушается, а сильно прессуется.

Расчет на прочность

Стержень при растяжения или сжатии будет прочным, если возни­кающее в нем максимальное напряжение не превышает допускаемой величины.

Условие прочности имеет вид: (2)

Здесь [σ] - допускаемое напряжение, величина которого определяется условиями эксплуатации конструкции и свойствами материала, из ко­торого она изготовлена.

Величина [σ] вычисляется по формуле: [σ]= σ₀/n

где σ₀ - предельное (опасное) для данного материала напряжение, оп­ределяемое экспериментально; n - коэффициент запаса прочности.

Для пластичных материалов за предельное (опасное) напряжение σ₀ обычно принимается предел текучести σ_т.

Для хрупких, а в некоторых случаях и умеренно пластичных мате­риалов, за σ₀ принимается предел прочности σ_в.

Величина коэффициента запаса прочности n назначается с учетом многих факторов. При этом, в частности, учитывается точность ис­пользуемой для расчетов теории, условия эксплуатации конструкции, наличие особых требований по безопасности работ, норм, принятых в отрасли промышленности. Обычно полагается n = 1,3 - 3. При про­ектировании машин и аппаратов химических производств полагают n= 1,5.

Различают следующие виды расчета на прочность.

П роектировочный расчет - определение размеров поперечного сечения стержня по известной продольной силе и допускаемому на­пряжению. Из формулы (2) получается:

Проверочный расчет - проверка прочности стержня, т.е. определение напряжения σ_max= Nmax/A с последующей проверкой выполнения условия (2).

Определение максимальной продольной силы по заданным величи­нам площади поперечного сечения и допускаемого напряжения: