Оценка прочностных характеристик конструкционных материалов при сжатии

№90-1,

технические науки

Проведение испытаний конструкционных материалов на сжатие дает возможность произвести оценку прочностных свойств хрупких и анизотропных конструкционных материалов, таких как бетон, кирпич, керамика, дерево и других. В работе описано оборудование для поведения экспериментов, требования к образцам конструкционных материалов и описаны результаты испытаний.

Похожие материалы

Большинство конструкционных материалов можно разделить на две группы — это пластичные материалы и хрупкие материалы. При возведении различных сооружений, изготовлении деталей применяются разнообразные хрупкие материалы. Для оценки их прочностных свойств применяются различные механические испытания, наиболее простым из которых является испытание на сжатие. К хрупким материалам, широко применяемым в строительной индустрии, можем отнести такие материалы, как бетон, чугун, кирпичные изделия, керамические изделия и так далее.

Для проведения испытаний конструкционных материалов на сжатие применяют, как правило, прессы. Например, гидравлический пресс ПСУ-10, изображенный на рисунке 1.

Пресс гидравлический ПСУ — 10.
Рисунок 1. Пресс гидравлический ПСУ — 10.

Гидравлический пресс ПСУ — 10 представляет собой гидравлическую машину с предельной нагрузкой на образец 10 тонн. Пресс оснащен измерительной шкалой, фиксирующей текущее значение приложенной к испытуемому образцу нагрузки. Испытуемый образец устанавливается на нижнюю горизонтальную платформу. Верхней платформой образец прижимается при помощи винтовой передачи, приводимой в движение вращением штурвала. Тем самым создается предварительной нагружение образца. Основная же нагрузка создается давлением нижней платформы за счет гидравлического привода. На гидравлическом прессе установлен регулятор подачи масла в гидроцилиндр, тем самым скорость испытания можно варьировать. Схема проведения испытаний на сжатие приведена на рисунке 2.

Схема испытания материалов на сжатие.
Рисунок 2. Схема испытания материалов на сжатие.

Следует отметить, что образец для проведения испытаний должен иметь не большую высоту. Если применять образцы высокие, то возможно их искривление в ходе испытаний и получение недостоверных данных (рисунок 3).

Влияние условий испытания образцов на изменение их формы при сжатии: а — неточное приложение сжимающих нагрузок; б — влияние сил трения на торцевых поверхностях образцов.
Рисунок 3. Влияние условий испытания образцов на изменение их формы при сжатии: а — неточное приложение сжимающих нагрузок; б — влияние сил трения на торцевых поверхностях образцов.

Испытанию на сжатие не целесообразно подвергать образцы пластичных материалов, поскольку достичь предела прочности не получится. Образец не разрушится под действием сжимающих сил. Диаграмма сжатия пластичного материала приведена на рисунке 4.

Диаграмма сжатия образцов из пластичного материала.
Рисунок 4. Диаграмма сжатия образцов из пластичного материала.

На диаграмме сжатия пластичного материала (рисунок 4) мы можем наблюдать лишь два предельных состояния, а именно предел пропорциональности, при котором сжимающие силы пропорциональны значению деформации и предел текучести, когда рост деформации сопровождается постоянством сжимающей силы. Процесс деформирования на сжатие образцов пластичных материалов представлен на рисунке 5.

Изменение формы образца из пластичного материала в процессе его испытания на сжатие.
Рисунок 5. Изменение формы образца из пластичного материала в процессе его испытания на сжатие.

Под действием сжимающих нагрузок образец пластичного материала уменьшается в длину и ровно настолько же прибавляет в ширину. Объем же занимаемый материалом образца остается постоянным. Таким образом, образец пластичного материала превратится в пластину, но не разрушится, то есть отсутствует возможность оценки его предела прочности.

Иначе выглядит диаграмма сжатия хрупкого материала (рисунок 6). У такого материала отсутствуют пределы пропорциональности и текучести, а наблюдается на диаграмме лишь один предел — это предел прочности.

Диаграмма сжатия образца из хрупкого материала: а — истинная диаграмма; б — условная диаграмма.
Рисунок 6. Диаграмма сжатия образца из хрупкого материала: а — истинная диаграмма; б — условная диаграмма.

Как правило, хрупкие образцы разрушаются очень быстро при достижении предельных сжимающих нагрузок. При разрушении можно наблюдать у образцов большое количество трещин, сколов. Некоторые материалы разрушаются до мелких частиц. На рисунке 7 приведена примерная картина разрушения бетонного образца.

Рисунок 7. Схема разрушения бетонного образца при сжатии: а — исходный образец; б — разрушение при наличии трения на торцах; в — разрушение при малом трении на торцах.

Бетон относится к хрупким материалам и при его испытании мы можем наблюдать быстрый рост нагрузки. На первом этапе наблюдается выкрашивание боковых граней, образец принимает вид усеченной пирамиды, точнее двух пирамид, расположенных одна над другой. Такой характер разрушения можем наблюдать при наличии трения на торцах образца. После этого образец полностью разрушается. Если же удается максимально минимизировать трение образца о зажимные платформы, то его разрушение проходит, как показано на рисунке 7 (в). Образец разрушается во взаимно параллельных плоскостях.

Часто в практике испытаний на сжатие исследуется поведение деревянных образцов. Эти испытания довольно интересны, поскольку дерево нельзя отнести ни к пластичным ни к хрупким материалам. Оно анизотропно, то есть различается по свойствам в различных направлениях приложения нагрузки. Именно поэтому испытание деревянных образцов целесообразно осуществлять в двух взаимно перпендикулярных направлениях — вдоль и поперек волокон образца. Характер разрушения образца их дерева представлен на рисунке 8.

Схема разрушения древесины при сжатии: а — вдоль волокон; б — поперек волокон.
Рисунок 8. Схема разрушения древесины при сжатии: а — вдоль волокон; б — поперек волокон.

Результаты проводимых испытаний дерева на прочность при сжатии показывают, что прочностные параметры его различны. Разница пределов прочности при сжатии древесины может достигать до 7 раз. В продольном направлении относительно волокон образца древесина прочнее.

Таким образом, испытание конструкционных материалов на сжатие дает нам возможность довольно просто и с высокой точностью оценить одну из основных механических характеристик — это предел прочности материала.

Список литературы

  1. Покровский А.А., Киселев В.В., Топоров А.В., Пучков П.В. Реализация информационных и профессионально-ориентированных образовательных технологий в учебном процессе. / Материалы VII Международной научно-методической конференции «Современные проблемы высшего образования». – 2015. – С. 44-49.
  2. Покровский А.А., Никитина С.А., Киселев В.В., Зарубин В.П. Опыт применения информационных технологий в преподавании профессиональных дисциплин. / Материалы Международной научно-практической конференции «Информационные технологии в обеспечении федеральных государственных образовательных стандартов». – 2014. – С. 63-66.
  3. Киселев В.В., Пучков П.В., Мальцев А.Н. Развитие рейтинговой оценки знаний обучающихся по дисциплине «Прикладная механика». / Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции «Современные тенденции в науке, технике, образовании»: в 3-х частях. – 2016. – С. 54-55.