Испытания на сжатие

Тема 2 Испытания на сжатие (2 часа)

         План лекции

1. Относительное укорочение и относительное уширение.

2. Схема испытания на сжатие.

3. Геометрия образцов при испытаниях на сжатие.

4. Способы уменьшения силы трения на опорных поверхностях образца.

5. Схемы разрушения при испытаниях на сжатие.

6. Методика определения прочностных свойств по диаграмме сжатия.

7. Истинное напряжение сжатия.

Рекомендуемые материалы

Испытания на сжатие. Схемы разрушения при сжатии

         Схема одноосного сжатия характеризуется большим коэффициентом мягкости (α=2). Поэтому испытаниям на сжатие целесообразно подвергать относительно хрупкие материалы. В целом испытания на сжатие распространены гораздо меньше, чем на растяжение.

         Одноосное сжатие можно рассматривать как растяжение с обратным знаком. В результате пластической деформации образец укорачивается и уширяется. Следовательно, можно определять относительное укорочение:

ε=100%·(h₀-h_k)/h₀

и относительное уширение:

φ=100%·(F_k-F₀)/F₀,

где h₀ и h_k – начальная и конечная высота образца;

      F₀ и F_к – начальная и конечная площади поперечного сечения.

         Схема испытания на сжатие и геометрия используемых образцов показаны на рисунке 20. Испытания на сжатие проводят на тех же машинах, на которых ведутся испытания на растяжение. Образец устанавливают на опорную плиту в нижнем захвате и сжимают подвижным захватом. Для устранения перекоса образца усилие сжатия следует передавать на него с помощью какого-либо направляющего приспособления, например, шарового вкладыша в верхнем захвате.

По мере сжатия на торцевых поверхностях образца возникают силы трения, направленные по радиусам к его центру и препятствующие деформации в горизонтальном направлении. В результате образец приобретает характерную бочкообразную форму, а схема напряженного состояния усложняется и становится различной в разных точках образца. В точках 1 и 2 возникает схема объемного сжатия, а в точке 3 – разноименное плоское напряженное состояние. Неоднородность напряженного состояния учесть крайне трудно и на практике ее игнорируют. Поэтому стараются уменьшить силы трения на опорных поверхностях образца. Для этого вводят смазки (вазелин, солидол); прокладки – (тефлон) – между торцовыми поверхностями образца и опорными плитами. Используют образцы с коническими поверхностями на торцах. При этом угол конусности α подбирают так, чтобы tgα был равен коэффициенту трения. Помимо конусности, в образце делают отверстие, устраняющее концентрацию напряжений у острия конуса.

Но полностью устранить контактные силы трения не удается. Это принципиальный недостаток испытаний на сжатие. Оптимальная для цилиндрических образцов величина отношения h₀/d₀ лежит в пределах 1…3.

         Характер разрушения сжимаемых образцов зависит от величины контактных сил трения. Если они велики, то наблюдается разрушение путем среза (рисунок 21, а). Если они незначительны, то фиксируется разрушение отрывом (рисунок 21, б).

а – схема; б, в, г – виды образцов

Рисунок 20 – Схема испытания на сжатие и формы испытания образцов

                                        а                                                   б

а – срез; б – отрыв

Рисунок 21 – Схемы разрушения при испытаниях на сжатие

По диаграмме сжатия определяют условные пределы пропорциональности, упругости, текучести и прочности. Методика определения прочностных свойств по диаграмме сжатия аналогична методике для растяжения.

ε=φ/1+φ.

Отсюда, учитывая правило постоянства объема образца в процессе пластической деформации, можно перестроить первичную диаграмму сжатия.

V= F₀h₀=Fh=const,

F=F₀h₀/h=F₀/1-ε.

здесь F – площадь поперечного сечения образца.

F/F₀=1/1-ε,

φ= F-F₀/F₀= (F/F₀)-1=(1/1-ε)-1=ε/1-ε,

Отсюда видно, что при сжатии, в противоположность растяжению, S<σ, так как F>F₀. Диаграммы истинных напряжений обычно строят в координатах S-ε (рисунок 22, кривая 1), хотя в качестве меры деформации можно использовать истинное относительное сжатие:

е_сж=ln(h₀/h).

1 – истинные напряжения; 2 – условные напряжения

Рисунок 22 – Диаграмма напряжений при сжатии

На рисунке 22 нанесена и кривая условных напряжений (кривая 2), которая при сжатии всегда имеет вид, качественно аналогичный диаграмме истинных напряжений, поскольку на первичной диаграмме нет максимума и участка снижения нагрузки.

         Истинное напряжение сжатия:

S=P/F=P(1-ε)/F₀=σ·(1-ε)=σ·(1/1+ψ).

         Важной особенностью при сжатии является увеличение площади сечения образца в процессе испытания. Это увеличивает скорость прироста нагрузки на первичных диаграммах сжатия.

Рекомендуем посмотреть лекцию "2 Сердечно-сосудистая система".

Величина прочностных характеристик при сжатии, особенно предела прочности, значительно выше, чем при растяжении. Схемы сжатия используют в технологических пробах для оценки деформационной способности полуфабрикатов и изделий.

         Рекомендуемая литература

1. Золотаревский В.С. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1998. – 306 с.

2. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1979. – 496 с.

3. Костин П.П. Физико-механические испытания металлов, сплавов и неметаллических материалов. – М.: Машиностроение, 1990. – 296 с.

4. Шарая О.А., Куликов В.Ю., Шарый В.И. Учебное пособие по курсу Механические свойства материалов», КарГТУ, 2004.