Сопротивление материалов (стр. 3 )

7.  Показать вид диаграммы растяжения образца малоуглеродистой стали, и из легированной стали.

8.  Какие характерные стадии проходит пластичный материал в процессе испытания на растяжение?

9.  Перечислить важнейшие характеристики прочности и дать определение каждой из них.

10.  Перечислить важнейшие характеристики пластичности и дать определение каждой из них.

11.  Что такое условный предел текучести и как он определяется?

12.  Что характеризует собой удельная работа деформации?

13.  В чем состоят основные различия диаграмм растяжения для хрупких и пластичных материалов?

14.  Какое явление называется наклепом?

15.  Какие механические характеристики и каким образом меняются при наклепе?

16.  Каким образом можно избавиться от наклепа?

17.  Как могут быть найдены перемещения и деформации при растяжении?

18.  Дать характеристику напряженного состояния образца при растяжении.

19.  Каков порядок проведения испытаний на растяжение?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2

ИСПЫТАНИЕ НА СЖАТИЕ ОБРАЗЦОВ ИЗ РАЗЛИЧНЫХ

МАТЕРИАЛОВ

Цель работы: изучить поведение различных материалов при испытании на сжатие, определить предел текучести для пластичных материалов, определить предел прочности для хрупких материалов.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Механические свойства при сжатии определяют для малопластичных материалов (чугун, инструментальная сталь, керамика).

Значения механических характеристик при сжатии имеют условный характер вследствие некоторых особенностей такого испытания: трудность приложения сжимающей нагрузки строго по оси образца. Сила, приложенная не по оси, вызывает неравномерность распределения напряжений по поперечному сечению и стремление к искривлению образца. Причем чем длиннее образец, тем больше может быть искривление; невозможность устранить трение по торцам сжимаемого образца, что приводит к возникновению дополнительных напряжений вблизи торцов. (Влияние сил трения тем значительнее, чем короче испытуемый образец).

а) б)

Рис. 1. Вид разрушения кубика из бетона

при сжатии:

а) без смазки торцов;

б) со смазкой торцов.

При отсутствии смазки на торцах, короткие образцы разрушаются в условиях сложного напряженного состояния, а не одноосного сжатия (рис.1).

Следовательно, эти испытания не могут дать достоверных данных, их результаты годны лишь для сравнительной оценки.

Для сравнения результатов испытаний используют образцы стандартных форм и размеров. При испытании стали и чугуна применяют цилиндрические образцы с отношением длины к диаметру:

испытании бетона, цемента, дерева часто берутся образцы кубической

формы. Это еще больше подчеркивает условность испытаний, так как измерение деформации надлежит производить на базе, концы которой удалены от торцов на расстояние порядка поперечного линейного размера.

На этой базе, как установлено, возникают однородные сжимающие напряжения и соответствующие им укорочения. Поэтому для определения механических характеристик при сжатии (модуля упругости, предела пропорциональности, предела текучести) применяем сравнительно длинные образцы.

Хрупкие и пластичные материалы ведут себя при сжатии различным образом.

Примерный вид диаграммы для пластичного материала показан на рис.2.

σ

ε

Рис.2. Диаграмма сжатия малоуглеродистой стали

Начальный участок ОА диаграммы сжатия малоуглеродистых сталей имеет вид, подобный диаграмме растяжения. Это участок упругой деформации. За точкой А диаграммы, деформации начинают расти быстрее нагрузок, вплоть до появления текучести. Наступление текучести в этом случае определяют по кратковременной остановке стрелки силоизмерителя.

Отметив нагрузку в этот момент (Рy), получим величину предела текучести при сжатии

где Ао – первоначальная площадь поперечного сечения образца.

На участке СД диаграммы рост деформаций отстает от роста усилий. Это обеспечивается тем, что при укорочении образец сплющивается, площадь его сечения увеличивается и дальнейшая деформация требует все большего возрастания нагрузки.

Трение по торцовым поверхностям образца затрудняет поперечные деформации торцов, и образец принимает бочкообразную форму (рис. 3).Для уменьшения влияния трения по торцам образца их смазывают.

Рис. 3. Деформация образца из малоуглеродистой

стали при сжатии.

С ростом нагрузки образец из пластичного материала может быть расплющен без следов разрушения. Таким образом, предел прочности при сжатии для пластичных материалов опытным путем определить не удается.

Примерный вид диаграммы сжатия для хрупких материалов показан на рис. 4.

Рис. 4. Диаграмма сжатия для хрупкого

материала – чугуна.

В процессе испытания в образце наблюдаются следующие изменения. В начале опыта под действием сжимающих сил образец, укорачиваясь, принимает слегка бочкообразную форму, что свидетельствует о наличии небольших пластических деформаций (рис.4).

При достижении наибольшей по величине нагрузки Рmax, разрушение образца происходит внезапно с появлением наклонных трещин, расположенных к оси под углом, близким к 450, т. е. примерно по площадкам наибольших касательных напряжений.

В результате испытания можно определить только одну механическую характеристику – предел прочности при сжатии.

.

Рис. 5. Разрушение чугунного образца при сжатии

Анизотропные материалы

Одним из характерных представлений анизотропных материалов является древесина, механические свойства которой в различных направлениях значительно отличаются друг от друга.

При сжатии деревянного образца в форме кубика вдоль волокон (Рис.6) наблюдаются небольшие остаточные деформации. Разрушение сопровождается обмятием торцов и образованием поперечных складок. Иногда образуются продольные трещины.

При сжатии образца поперек волокон (рис.6,б) наблюдается значительная деформация под действием сравнительно небольшой нагрузки. Разрушение обычно не происходит, образец лишь спрессовывается. Диаграммы сжатия деревянных образцов вдоль и поперек волокон представлены на (рис.7) .

Рис.6. Диаграмма сжатия деревянных образцов :

в – вдоль волокон; г – поперек волокон.

Величину предела прочности древесины при сжатии образца вдоль волокон определяют отношением наибольшего значения сжимающей силы Рmax к начальной площади поперечного сечения образца. Величину предела прочности при сжатии образца поперек волокон установить не удается. Иногда вычисляют условный предел прочности, принимая за разрушающую нагрузку ту, которая соответствует сжатию кубика на 1/3 своей первоначальной высоты. Заметим, что прочность дерева при сжатии вдоль волокон в 3-10 раз выше, чем при сжатии поперек волокон.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ОПЫТА

Образцы из пластичных и хрупких материалов испытываются на сжатие на прессе.

1.Обмерить штангенциркулем образцы, зарисовать их вид до

проведения опыта.

2.Установить поочередно образцы между плитами испытательной машины , принимая меры по центрированию нагрузки.

3. Включить машину.

4. Наблюдая характер деформации образцов при сжатии, отмечать по

шкале силоизмерителя характерные величины нагрузок (Рy при

сжатии образца из пластичной стали, Pmax для чугуна и дерева при сжатии вдоль волокон).

5. По окончании опыта выключить машину, снять диаграмму с барабана записывающего устройства, перерисовать в журнал.

6. Зарисовать вид образцов после проведения опыта.

7. Вычислить механические характеристики материалов при сжатии.

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПЛАСТИЧНЫХ

И ХРУПКИХ МАТЕРИАЛОВ

1.  Основное различие состоит в том, что хрупкие материалы разрушаются в упругой стадии, при малозаметных деформациях, тогда как пластичные перед разрушением претерпевают значительное деформирование и формоизменение. В связи с этим протяженность диаграмм в направлении оси удлинений у пластичных материалов значительно больше, чем у хрупких.

2.  Из сравнения площадей диаграмм хрупких и пластичных материалов видно, что для разрушения пластичного материала необходимо затратить значительно больше работы, чем для разрушения хрупкого. Следовательно, если конструкция предназначена для восприятия динамических нагрузок, которые сопровождаются выделением большого количества кинетической энергии, предпочтение должно быть отдано пластичному материалу. Хрупкие материалы легко и быстро разрушаются от разного рода ударных воздействий вследствие недостаточной энергоемкости.

Однако, при статическом нагружении те же хрупкие материалы вполне работоспособны и надежны даже при напряжениях, близких к пределу прочности.

3.  Характерным признаком пластичных материалов является практически одинаковая способность хорошо работать и на растяжение, и на сжатие. Хрупкие материалы сопротивляются растяжению намного хуже, чем сжатию. Отсюда возникла идея создания композитных материалов, к числу которых относится железобетон.

4.  Хрупкие и пластичные материалы по-разному ведут себя в условиях концентрации напряжений. Если образец изготовлен из пластичного материала с протяженной площадкой текучести и подвергается статическому нагружению, то при увеличении нагрузки рост максимальных местных напряжений в местах концентрации прекращается, как только они достигнут значения предела текучести. Дальнейшее увеличение нагрузки сопровождается ростом напряжений в остальной части сечения, а также расширением пластичной зоны, где напряжения постоянно равны (рис.8). Таким образом, пластичность способствует выравниванию напряжений. На этом основании принято считать, что при статическом нагружении пластичные материалы мало чувствительны к концентрации напряжений.