Общие сведения. Испытание хрупких материалов на сжатие заканчивается разрушением

Испытание хрупких материалов на сжатие заканчивается разрушением. По разрушающей нагрузке определяют предел прочности при сжатии:

s_в = ½F_max½/A,

где А - площадь поперечного сечения образца.

Характерный вид диаграммы сжатия

Рисунок 2 - Диаграмма сжатия хрупких материалов

Процесс испытания на сжатие наглядно иллюстрируется диаграммой сжатия в координатах «сила сжатия F, абсолютное укорочение Δl», приведенной на рисунке 2.

Диаграмма сжатия хрупкого материала в координатах “на-пряжение-деформация” похожа на диаграмму растяжения. Однако временное сопротивление при сжатии оказывается значительно больше по абсолютной величине, чем при растяжении. Например, для чугуна |s_вc| / s_вp = 2,5…4,5. Для горных пород и строительных материалов пределы прочности при сжатии и растяжении могут отличаться на порядок. Полная диаграмма растяжения – сжатия для хрупких материалов имеет вид, показанный на рисунке 3.

Рисунок 3 - Общий вид диаграммы «растяжение-сжатие» для хрупких образцов

Что касается пластичных материалов, то следует отметить важную закономерность: при повышении скорости нагружения (удар,

взрыв) характер деформирования и разрушения образцов из пластичных материалов смещается к хрупкому типу – снижается величина деформации предразрушения, появляются трещины.

Формирование пирамид разрушения при сжатии образцов обусловлено появлением трещин по площадкам с наибольшими касательными напряжениями, т. е. под углом 45⁰ к продольной оси образца (рисунок 4).

Рисунок 4 - Геометрия сдвигового разрушения в объёме образца

Максимальные касательные напряжения при сжатии, как это известно из курса сопротивления материалов, равны

t_max = t_a½_a=p/4 = s_max/2 = s_в/2.

Анализ связи вида напряжённого состояния предразрушения с характером разрушения образцов третьего типа позволяет сформулировать некоторые выводы. Так как в продольных сечениях образца не может быть никаких напряжений (s_a = 0; τ_a =0 при a = p/2), то подобный вид разрушения требует объяснения с помощью деформационного критерия. Разрушение образцов при устранении сил трения перпендикулярно оси действия нагрузки, т. е. по поверхностям, нормальным к направлениям максимальной деформации e_max, подтверждает применимость второй теории прочности (наибольших растягивающих деформаций) – теории прочности Мариотта.

Следует отметить также, что и при наличии сил трения между плитами пресса и торцами образца наиболее интенсивное трещинообразование происходит в зонах, прилежащих к боковым свободным поверхностям (граням) кубика, где развиваются максимальные растяги-

вающие деформации. Таким образом, вторая деформационная теория прочности подтверждается испытаниями на сжатие как в случае отсутствия сил трения между гранями образца и плитами пресса, так и при наличии последних.

Работа переменной силы F есть предел суммы работ её промежуточных значений F(Dl) на малых приращениях перемещений d(Dl):

W = ,

где l – длина образца.

Следовательно, работа внешних сил при сжатии образца численно равна площади диаграммы сжатия в координатах F, Dl. Полная энергия U, затраченная на разрушение образца, также определяется площадью указанной диаграммы нагружения. В пределах упругих деформаций

U = W = F_max Dl/2.

Удельная по объёму потенциальная энергия деформации

u₀ = U/V = F_max Dl/(2A^.l) = s_max e_max/2 = s_в²/(2Е).

Как известно, удельную энергию можно разложить на часть, определяющую деформацию объёма u_V, и на часть энергии формоизменения образца u_S

u₀ = u_V + u_S.

При этом удельная потенциальная энергия изменения объёма в главных напряжениях

u_V = (1-2n) (s₁²+s₂²+s₃²)/(6E),

а энергия формоизменения

u_S = (1+n) [(s₁-s₂)²+(s₂-s₃)²+(s₃-s₁)²]/(6E),

где Е – модуль Юнга, n - коэффициент Пуассона.

Для напряжённого состояния предразрушения при сжатии главные напряжения будут

s₃ = - s_в; s₁ = s₂ = 0.

Следовательно, указанные части энергозатрат имеют следующую величину (при n = 1/3):

u_V = (1-2n)s_в²/(6E) = 0,133s_в²/(2E) = 0,133u₀;

u_S = 2(1+n)s_в²/(6E) = 0,867s_в²/(2E) = 0,867u₀.

Таким образом, энергия формоизменения при сжатии составляет ~ 87 % от общей энергии упругой деформации. Это подтверждает существенную роль сдвиговой составляющей в напряжённом состоянии предразрушения и в процессе разрушения образцов, т.е. закономерность появления наиболее часто встречающихся первого и второго типов разрушения.

1.2 Лабораторное оборудование

При испытании на сжатие используется гидравлический пресс ПСУ – 10, предназначенный для статических испытаний стандартных образцов строительных материалов. Он состоит из собственно пресса (рама, рабочий цилиндр, плунжер с плитой, винтовая пара с верхней плитой) и пульта управления (корпус-бак, гидронасос, устройство управления, силоизмеритель). Нижняя опорная плита монтируется на плунжере с помощью самоустанавливающейся сферы для устранения возможного перекоса образцов. Управление электродвигателем осуществляется кнопочной станцией. Ручка сброса – для слива масла из цилиндра в бак, регулятор скорости – для подачи масла в цилиндр от насоса.

Запрещается производить переключение диапазонов, когда рабочая стрелка силоизмерителя показывает нагрузку, а также ремонтировать пресс во время работы. При осмотре и ремонте электрооборудования пресс необходимо обесточить.

1.3 Методика проведения испытаний

1. Замерить размеры образцов с помощью штангенциркуля, рассчитать площадь поперечного сечения, зарисовать образцы перед испытанием.

2. Проверить исходное состояние пульта управления пресса: вентили сброса и скорости закрыты, переключатель диапазонов находится в нужном положении, шкала силоизмерителя установлена на “нуль”.

3. Проверить зазор между плитами пресса (не менее 60 мм).

4. Опробовать пресс и создать масляную “подушку” в цилиндре. Включить насосную установку нажатием кнопки “пуск” и плавно открыть вентиль скорости, обеспечивая холостой ход плунжеру пресса (не более 50 мм). Закрыть вентиль регулятора скорости.

5. Установить образец строго по центру на нижнюю плиту испытательной машины. Вращением рукоятки ходового винта довести верхнюю плиту до расстояния в 5…10 мм от торца образца. Поворотом шкалы установить стрелку силоизмерителя на “0”, а контрольную стрелку подвести к рабочей.

6. Произвести нагружение образца открытием (1…3 оборота) вентиля регулятора скорости. В процессе испытания следить за поведением образца и ходом стрелки на шкале силоизмерителя.

ВНИМАНИЕ! Если окажется, что усилия пресса недостаточно для разрушения образца, то после автоматического отключения пресса (по максимальной нагрузке) открыть вентиль сброса, поднять верхнюю плиту вращением ходового винта и убрать образец.

7. После разрушения образца, отключить машину, открыть вентиль сброса, снять показание контрольной стрелки на шкале силоизмерителя (F_max), поднять верхнюю плиту и осмотреть образец.

8. Определить предел прочности на сжатие, проанализировать процесс деформации образца и характер его разрушения, зарисовать вид образца после испытания.

9. Сформулировать выводы по лабораторной работе.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Для каких материалов испытание на сжатие имеет непосредственно практическое значение?

2. Назовите меры техники безопасности при проведении испытания.

3. Какие механические характеристики можно определить по результатам испытания на сжатие?

4. Каким образом результаты испытания используются в прочностных расчётах?

5. Каково соотношение между пределом прочности на сжатие и на растяжение, и как это используется на практике?

6. Покажите вид полной диаграммы растяжения-сжатия для хрупких материалов, назовите характерные участки.

7. Чем обусловлен выбор размеров образца при испытаниях на сжатие, какая принята форма образцов?

8. Каким образом можно уменьшить влияние сил трения между плитами пресса и торцами образца при испытании на сжатие?

9. Какой угол (преимущественно) составляют плоскости трещин с продольной осью образца в различных случаях разрушения, и чем это объясняется?

10. Приведите порядок работы в ходе испытаний.

11. Какие основные факторы влияют на результат испытания на сжатие хрупких материалов?

12. Получают ли в ходе испытания на сжатие истинное значение прочности материала?

13. Каким образом подтверждается существенная роль сдвиговых напряжений в разрушении образцов?

14. Каково соотношение различных частей энергозатрат в общей энергии деформации сжатия образца?

15. Возможно ли проявление механизма хрупкого разрушения при нагружении образцов из пластичных материалов?

16. Какие выводы по применимости различных теорий прочности следуют из анализа характера деформирования и разрушения хрупких образцов при сжатии?

17. Ваши выводы по лабораторной работе.

Дата добавления: 2015-08-13