Почему образец разрушается при нагрузке меньшей чем максимальная

iSopromat.ru

Испытание на сжатие образцов из различных материалов: стали, чугуна, бетона со смазкой торцов и без и древесины вдоль и поперек волокон.

Цель работы – изучить поведение различных материалов и определить их механические характеристики при статическом сжатии.

Основные сведения

Испытания материалов на сжатие проводят на специальных прессах или универсальных испытательных машинах по специальным методикам: для стали и чугуна используется ГОСТ 25.503-80, бетона — ГОСТ 10.180-90, древесины поперек волокон ГОСТ 16483.11-72, древесины вдоль волокон ГОСТ 16483.10-73.

Параметры образцов, видео и результаты испытаний на сжатие:

Разрушение чугунного образца происходит внезапно при незначительных остаточных деформациях. Разрушению предшествует образование трещин, расположенных приблизительно под углом 45° к образующим боковой поверхности образца, т.е. по линиям действия максимальных касательных напряжений (рис. 2.2,б).

Характер разрушения образцов из бетона (цементного раствора, камня) показан на рис. 2.2,в – при наличии сил трения между плитами машины и торцами образца. Разрушение происходит путем выкрашивания материала у боковых поверхностей в средней части образца. Трещины образуются под углом 45° к линии действия нагрузки.

При снижении сил трения за счет нанесения слоя парафина на опорные поверхности образца разрушение происходит в виде продольных трещин, материал расслаивается по линиям, параллельным действию сжимающей силы, и сопротивление материала уменьшается (рис. 2.2, г).

Диаграмма сжатия бетона показана на рис. 2.1, кривая 3. Из диаграммы видно, что рост нагрузки сопровождается упругими деформациями вплоть до разрушения, что вообще характерно для хрупких материалов.

Особым своеобразием отличается сопротивление сжатию древесины как материала анизотропного и обладающего волокнистой структурой. При сжатии, как и при растяжении, древесина обладает различной прочностью в зависимости от направления сжимавшей силы по отношению к направлению волокон.

На рис. 2.1 изображены диаграммы сжатия образцов из древесины одной породы. Кривая 4 иллюстрирует сжатие образца вдоль волокон, а кривая 5 — поперек волокон. При сжатии вдоль волокон древесина значительно (в 8-10 раз) прочнее, чем при сжатии поперек волокон.

При сжатии вдоль волокон образец разрушается вследствие сдвига одной части относительно другой (рис. 2.2, д), а при сжатии поперек волокон древесина склонна к прессованию и не всегда удается определить момент начала разрушения (рис. 2.2, е).

Порядок выполнения и обработка результатов

Предложенные для испытания образцы замеряют и, поочередно устанавливая их между опорными плитами машины УММ-20, подвергают статическим нагружениям, в процессе которых на диаграммном аппарате производится запись диаграмм сжатия соответствующих материалов. По контрольной стрелке шкалы силоизмерителя фиксируются максимальные нагрузки для каждого из образцов.

По полученным диаграммам сжатия определяют максимальную нагрузку сжатия стального образца и разрушающие нагрузки для других образцов, корректируя их значения с показателями стрелки силоизмерителя, записывают показания в журнал испытаний. Далее определяют характерные значения напряжений и производят записи в журнал испытаний.

Необходимо сделать зарисовку разрушенных образцов и описать характер их разрушения. Дать сравнительную характеристику работы испытанных материалов.

Контрольные вопросы

Уважаемые студенты!
На нашем сайте можно получить помощь по техническим и другим предметам:
✔ Решение задач и контрольных
✔ Выполнение учебных работ
✔ Помощь на экзаменах

Источник

Тема: Испытание материалов на растяжение и сжатие при статическом нагружении. Коэффициент запаса прочности.

1. Для создания современной конструкции необходимо рассчитать все её детали и узлы на прочность, жесткость, устойчивость. В расчетные формулы входят величины, зависящие от физико-механических характеристик материала деталей. Без знания механических свойств материалов невозможно сделать обоснованный выбор материалов рассчитываемой конструкции при определении ее размеров. Для определения этих характеристик проводятся испытания материалов в строгом соответствии с государственными стандартами. Стандарты [1 ¸ 5] определяют правила подготовки образцов, их форму и размеры, а стандарты [6 ¸24] – методики проведения испытаний.

Испытания на растяжение являются основным и наиболее распространенным методом лабораторного исследования и контроля механических свойств материалов.

Эти испытания проводятся и на производстве для установления марки поставленной заводом стали или для разрешения конфликтов при расследовании аварий.

Наиболее чувствительными и точными являются машины с рычажно-маятниковыми силоизмерениями. Они отличаются надежностью силоизмерения и простотой конструкции.

Универсальная испытательная машина УММ-5 с максимальным усилием нагружения 49 кН снабжена рычажно-маятниковым силоизмерителем. Внешний вид испытательной машины УММ-5 и кинематическая схема ее силоизмерительного устройства показаны на рис.1. Машина имеет пять скоростей нагружения, м/с: 3,33-10-5; 6,67-10-5; 1,67-10-4; 3,33-10-4; 8,33-10-4 и одну скорость холостого хода, равную 1,67-10-3 м/с. Максимальное расстояние между захватами равно 0,8 м. Погрешность измерений равна ± 1% от величины измеряемой нагрузки.

Для создания усилия растяжения вращение от электродвигателя передается через червячную передачу 1 на впрессованную в червячное колесо гайку, в которую вворачивается винт 2, связанный с нижним захватом 3. Это усилие через образец 4, верхний захват 5 и систему рычагов 6 уравновешивается весом груза 10, расположенного на конце маятника 7. Маятник связан зубчатой реечной передачей со шкалой нагрузки 8, а также с диаграммным устройством 9. Это устройство через систему зубчатых передач и зубчатую реечную передачу также связано с нижним захватом 3, что позволяет автоматически записывать диаграмму растяжения – график зависимости абсолютного удлинения ∆ℓ от усилия растяжения F.

2) Диаграммы растяжения : машинная диаграмма растяжений и условная диаграмма растяжений

Точка А (1) соответствует пределу пропорциональности: после нее прямая линия ( прямая пропорциональность) заканчивается и переходит в кривую, т.е. участок диаграммы ОА –удлинение растет пропорционально нагрузке, подтверждается закон Гука

Точка В (2) соответствует пределу упругости материала: материал теряет упругие свойства-способность вернуться к исходным размерам

Точка С (3) является концом участка,на котором образец сильно деформируется без увеличения нагрузки.Это явление называют текучестью, т.е. текучесть – удлинение при постоянной нагрузке

Точка Е (4) соответствует максимальной нагрузке, в этот момент на образце образуется « шейка»-резкое уменьшение площади поперечного сечения. Напряжения в этой точке называют временным сопротивлением разрыву или условным пределом прочности. Участок СЕ-участок упрочнения

3).Основные характеристики прочности (механические характеристики):

Механические характеристики-это числовые характеристики позволяющие оценивать свойства

σпц-предел пропорциональности, наибольшее напряжение, до которого выполняется закон Гука

σт-предел текучести, наименьшее напряжение при котором деформация увеличивается без заметного увеличения нагрузки

σв- предел прочности или временное сопртивление, напряжение, соответствующее

максимальной нагрузке, предшествующей разрушению образца

4.Виды диаграмм растяжения

Различные материалы по-разному ведут себя под нагрузкой, характер деформаций и разрушения зависит от свойств материала.

По типу диаграмм растяжения материалы делят на три группы:

1. Пластичные материалы имеют площадку текучести на диаграмме

2. Хрупкие материалы, мало деформируются, разрушаются по хрупкому типу, на диаграмме нет площадки текучести

3. Пластично-хрупкие, не имеющие площадки текучести, но значительно деформирующиеся под нагрузкой. Их деформацию обычно ограничивают. Максимально возможная относительная деформация ε=0,2%. По величине максимально возможной деформации определяется соответствующее нормальное напряжение σ0,2, которое принимают за предельное

5) При проектировании элементов конструкций выбирают материал и определяют размеры элемента, надежно обеспечивающие его прочность.

Напряжения, при которых нарушается прочность элемента, называют предельными. Нарушением прочности считают не только разрушение элемента конструкции, но и появление хотя бы в одной зоне (точке) остаточных деформаций.

Заметные остаточные деформации в пластичных материалах появляются при напряжениях равных пределу текучести, отсюда следует, что для пластичных материалов предел текучести является предельным напряжением.

Хрупкие материалы разрушаются при малых пластических деформациях и для них предельным напряжением считают предел прочности

Источник

Испытание на сжатие образцов из различных материа­лов

В методических указаниях к выполнению лабораторной ра­боты № 2 «Испытание на сжатие образцов из различных материа­лов» указывается цель работы, приводятся характеристики испытуемых образцов и дается методика проведения испытаний. Для лучшего усвоения материала по теме «Растяжение-сжатие» приводятся основные теоретические положения, позволяющие ква­лифицированно провести испытания и проанализировать получен­ные результаты.

Изучить свойства и характер поведения пластичных и хруп­ких, изотропных и анизотропных материалов при испытаниях на сжатие.

3. ОБОРУДОВАНИЕ, ПРИБОРЫ И ИНСТРУМЕНТЫ

Испытательная машина – УММ-5. Штангенциркуль.

4. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБРАЗЦОВ

Исходя из поставленной цели нужно испытать на сжатие об­разцы из следующих материалов:

1) малоуглеродистая сталь, медь, алюминий и др. – пластич­ные изотропные материалы;

Образцы из анизотропного материала следует испытывать в двух или трех направлениях ( в зависимости от характера анизо­тропии ). Образцы для испытания на сжатие изготавливаются:

а) в виде круглых цилиндриков ( рис. 1а) – из металлов и их сплавов;

б) в виде кубиков ( рис. 16 ) – из древесины, кирпича, бетона и других аналогичных материалов.

5. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Пластичные материалы на растяжение и на сжатие работают примерно одинаково и основным видом испытания для них являет­ся испытание на растяжение, а испытание на сжатие носит вспомо­гательный характер.

Хрупкие материалы (чугун, кирпич, раствор, бетон и др.) на сжатче работают значительно лучше, чем на растяжение (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.

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). Вследствие трения между торцами образца и опорными плитами машины увеличение поперечных размеров на середине и по краям образца неодинаковы ( по краям меньше ) и образец принимает бочкообразную форму, что у образцов из пластичных материалов видно невооруженным глазом. Появление сил трения изменяет вид напряженного состояния и увеличивает сопротивление образца. Чем короче образец, тем сильнее влияние сил трения. Поэтому рекомендуется применять образцы, длина которых не меньше по­перечных размеров. Уменьшить трение можно обработкой торцов парафином или графитовой смазкой. При центральном сжатии образца в его поперечных сечениях возникают нормальные на­пряжения, которые определяются также, как и при растяжении: а = Р / ро, где: ро – первоначальная площадь поперечного сечения образца.

При испытаниях на сжатие получают диаграмму сжатия в координатах Р – ДС и определяют ‘обычно две механические харак­теристики материала:

Ι) предел пропорциональности (апц= Рпц / F0) – для пластичных материалов; 2) предел прочности (σΒ= Рв / FO) – для хрупких материалов,

5.1. Испытание образцов из пластичных материалов ( малоуглеродистая сталь )

Типичная диаграмма сжатия образцов из малоуглеродистой стали показана на рис.2.

Так как разрушить образец из пластичного материала не­возможно, испытание прекращают при достижении нагрузки, близ­кой предельной для машины. Таким образом, величина предела прочности при сжатии образцов из пластичного материала не мо­жет быть определена.

5.2. Испытание образцов из хрупких материалов ( чугун )

Типичная диаграмма сжатия чугунных образцов показана на рис.3.

Рис.3. Типичная диаграмма сжатия чугунного образца

От начала координат диаграмма не имеет отчетливо выраженного прямолинейного участка. С ростом нагрузки кривизна диаграммы сначала постепенно, а затем более интенсивно увеличивается и при достижении нагрузки Рв начинается разрушение образца с после­дующим падением нагрузки.

Чугунный образец, укорачиваясь под действиям сжимающих сил, принимает слегка бочкообразную форму, что свидетельствует о наличии небольших пластических деформаций. Разрушение об­разца происходит по плоскости, наклоненной примерно под углом 45 градусов к оси стержня. Объясняется это тем, что на этих пло­щадках действуют максимальные касательные напряжения, яв­ляющиеся причиной разрушения образцов из хрупких материалов при испытании их на сжатие.

5.3. Испытание образцов из древесины

Древесина является анизотропным материалом. В древесине выделяют три направления анизотропии: продольное (вдоль воло­кон), радиальное (по радиусу ствола) и тангенциальное (по каса­тельной к годовым слоям).

В двух последних направлениях (в отличие от первого) уп­ругие и механические характеристики древесины незначительно различаются между собой. Поэтому на практике эти два направле­ния нивелируют и обобщающее направление называют попереч­ным (поперек волокон).

Форма образцов и направление их нагружения сжимающей нагрузкой показаны на рис.4.

, Типичные диаграммы сжатия образцов из древесины пока­заны на рис.5, (вдоль волокон – кривая а, поперек волокон – кривая б).

Рис.5. Типичные диаграммы сжатия образцов из древесины: а – вдоль волокон, б – поперек волокон

При сжатии древесины вдоль волокон на диаграмме (рис.5, кривая а) с начала имеется слегка искривленный участок с боль шим уг­лом наклона к оси ΔΙ, что соответствует сравнительно большему значению модуля упругости.

После достижения нагрузкой наибольшего значения (Рв) на­чинается разрушение образца с последующим падением нагрузки. Обычно разрушение образца происходит с образованием попереч­ных складок и обмятием торцов. Нередко вместе с этим наблюдает­ся и образование продольных трещин. По данным опыта определяется максимальная нагрузка (Рв), соответствующая преде­лу прочности. Нагрузку, соответствующую пределу пропорцио­нальности установить на диаграмме обычно не удается.

При сжатии поперек волокон диаграмма имеет другой ха­рактер (рис.5, кривая б). Сначала диаграмма идет по наклонной прямой до нагрузки Рпц, соответствующей пределу пропорциональ­ности. При этом угол наклона этой прямой значительно меньше, чем при сжатии вдоль волокон, что соответствует значительно меньшей величине модуля упругости. После предела пропорцио­нальности перо самописца прочерчивает слабо изогнутую кривую (иногда волнистую) почти параллельную оси Δ£. Кубик быстро де­формируется почти без увеличения нагрузки, однако разрушение кубика обычно не наблюдается: он лишь спрессовывается. Испыта­ние заканчивают, когда величина деформации Δ£ достигает 1/3 первоначальной высоты образца. Нагрузка в этот момент условно считается разрушающей, хотя при дальнейшем нагружении за счет – спрессовывания древесины нагрузка будет расти несколько быстрее и станет выше условного значения Рв.

6. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ

1. Перед испытанием студентам необходимо ознакомиться с уст­ройством машины УММ-5 ( первое занятие и лабораторная ра­бота N 1) и правилами поведения в лаборатории при проведении испытаний (вводный инструктаж).

2. Измеряют штангенциркулем характерные линейные размеры испытуемых образцов.

7. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЯ

Определяют первоначальные площади поперечных сечений образцов по формулам: FO = π · d / 4 – для цилиндрических об­разцов JH Fg = а ι ·_ а 2 – для кубиков.

При испытании были зафиксированы по сйлЬйзмерйтелк^^разру-шающие нагрузки Рв или нагрузки, при которых испытания были остановлены (образцы из пластичных материалов и из древесины при сжатии поперек волокон). По одной из этих нагрузок опреде­ляют масштаб сил, а через него определяют для образца из пла­стичного материала и для образца из древесины при сжатии поперек волокон нагрузку соответствующую пределу пропорцио­нальности Рпц. Затем для образцов из пластичных материалов и древесины при сжатии поперек волокон определяют предел про­порциональности (σΠΙΙ= Рпц / FQ), а для образцов из хрупких материалов и древесины при сжатии вдоль волокон – предел прочности (σΒ= Рв / FO).

На основании полученных результатов испытаний нужно дать сравнительную оценку поведения при сжатии образцов из различных материалов (хрупких и пластичных, древесины вдоль и поперек волокон), а также сравнить прочность различных мате­риалов (древесины вдоль и поперек волокон) при работе их на сжатие. Следует обратить внимание на невозможность определе­ния предела прочности при сжатии образцов из мягкой стали и древесины при сжатии поперек волокон.

Источник