Диаграммы сжатия образцов из пластичных материалов. Для изучения поведения различных материалов под действием нагрузок проводят лабораторные испытания образцов

Для изучения поведения различных материалов под действием нагрузок проводят лабораторные испытания образцов, изготовленных из этих материалов, на специальных испытательных машинах. Испытания образца сопровождаются автоматической записью диаграммы растяжения, выражающей связь между сжимающей образец силой F и абсолютным удлинением образца Δℓ.

Для того, чтобы можно было сравнивать результаты испытания образцов различных размеров, изготовленных из одинаковыхматериалов, диаграмму растяжения в координатах F – Δ ℓ перестраивают в координатах σ – ε, где σ = F / А_о – нормальное напряжение, а ε = Δ ℓ / ℓ_о – относительное удлинение (А_о – первоначальная площадь поперечного сечения образца, ℓ_о – первоначальная длина образца). Характер диаграммы при этом сохраняется.

К испытанию на сжатие прибегают реже, чем к испытанию на растяжение, так как оно не позволяет определить все механические характеристики материала. Образцы материалов, предназначенных для испытаний на сжатие, представляют собой либо кубики (для образцов из строительных материалов размерами 100х100х100 или 150х150х150 мм), либо цилиндры (для образцов из металлов) с отношением высоты к диаметру от 1 до 3-х, обычно h/d = 1,5 (рис. 1).

Испытания на сжатие проводятся на коротких образцах, расположенных между параллельными плитами испытательной машины.

В опытах на сжатие длинные стержневые образцы (как при испытаниях на растяжение) не пригодны. Дело в том, что при сжатии длинного стержня может наступить потеря устойчивости его прямолинейной формы с возникновением деформации продольного изгиба, что недопустимо.

Рассмотрим диаграмму сжатия образцов из малоуглеро­дистой стали (рис. 2). Для удобства совместим её с диаграммой растяжения.

На участке ОА и ОА′ зависимость между F и Δ ℓ носит линейный характер, деформации растут пропорционально напряжениям и связаны между собой законом Гука, деформации упругие. При дальнейшем увеличении нагрузки диаграмма становится криволинейной.

Если нагрузку увеличивать ещё дальше, то наступает такой момент, когда деформации начинают расти практически без увеличения нагрузки. Горизонтальный участок ВС диаграммы называется площадкой текучести.

В этот период испытания появляются необратимые пластические деформации. На диаграмме сжатия площадка текучести В′С′ не столь явно выражена, как на диаграмме растяжения, тем не менее, при напряжениях, бόльших предела текучести на сжатие, также начинают интенсивно развиваться пластические деформации. На участке СD и С′D′ материал снова приобретает способность сопротивляться растяжению. В точке D на образце появляется резкое местное сужение, так называемая "шейка". Площадь сечения образца в шейке быстро уменьшается и, как следствие, падает усилие. Разрыв образца происходит по наименьшему сечению шейки.

Указанные на диаграмме точки характеризуют ряд переходов материала из одного качественного состояния в другое и служат для определения основных характеристик прочности и пластичности материала.

Диаграмма сжатия пластичного материала, например малоуглеродистой стали, до предела текучести такая же, как и при растяжении. Пределы пропорциональности σ_pr,c, упругости σ_e,c и текучести σ_у,c, а также модуль упругости Е_с при растяжении и сжатии практически одинаковы. Такой материал называется равносопротивляющимся растяжению и сжатию.

При сжатии, как и при растяжении, обнаруживается площадка текучести. С дальнейшим ростом деформации имеет место процесс упрочнения материала, которому отвечает возрастающий график зависимости F = F(Δℓ). Но в отличие от диаграммы растяжения здесь нет спадающей ветви диаграммы. Предел прочности при сжатии у пластичного материала получить невозможно, так как образец при появлении пластических деформаций сначала принимает бочкообразную форму, а затем, не разрушаясь, превращается в диск при одновременном увеличении площади сечения (рис. 3). В связи с этим невозможно для пластичного материала зафиксировать предел прочности, поэтому его обычно принимают равным пределу прочности на растяжение, то есть σ_u,c = σ_u,t.

В некоторых случаях удается специальными мерами (например, особой смазкой) существенно уменьшить силы трения между торцами образца и плитами испытательной машины. В этом случае осаживающийся образец будет оставаться цилиндром (при уменьшении высоты и увеличении диаметра). В условиях обычного технического эксперимента силы трения между упомянутыми поверхностями весьма значительны.