Лабораторная работа № 4. 150203 «сварочное производство»

по дисциплине

«ТЕХНИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА»

для специальностей:

150203 «Сварочное производство»

190604 «Техническое обслуживание и ремонт автотранспорта»

190701 «Организация перевозок и управление на транспорте»

270103 «Строительство и эксплуатация зданий и сооружений»

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомиться с методами испытания материалов на сжатие. Определить механические характеристики пластических и хрупких материалов при сжатии.

ОБОРУДОВАНИЕ

1. Пресс гидравлический ПГ-200

2. Образцы для испытания

3. Штангенциркуль, линейка

4. Калькулятор

ПОЯСНЕНИЯ К РАБОТЕ

При проектировании машин, механизмов, узлов и отдельных деталей конструктору необходимо знать данные о механических свойствах материала, то есть его прочность, твердость, упругость, пластичность и т.д. Их можно получить путем механических испытаний, проводимых в лаборатории на соответствующих машинах. Таких испытаний проводится много и самых различных, но основными и наиболее распространенными являются испытания на растяжение и сжатие.

При испытаниях на сжатие используются короткие образцы, высота которых превышает размеры поперечного сечения не более чем в два, максимум в три, раза (рис. 1). Это связано с тем, что при большой высоте сжатие образца сопровождается его искривлением, что значительно искажает результаты испытаний.

Рис. 1. Образцы для испытаний на сжатие

Испытание на сжатие проводится на специальных машинах, чаще всего, на гидравлических прессах. В данной работе испытываются образцы из мягкой стали, бетона и дерева. Испытания проводятся на гидравлическом прессе ПГ-200 мощностью 200 тс (2000 кН).

Строительные материалы (бетон, кирпич, стекло и т.п.) испытывают в основном на сжатие. Дерево испытывают на сжатие как вдоль, так и поперек волокон. Пластичные металлы (низкоуглеродистую сталь, сплавы меди, алюминия и др.) испытывают на сжатие реже, чем на растяжение. Объясняется это тем, что для пластических материалов модуль упругости Е, коэффициент Пуассона m, пределы пропорциональности, упругости и текучести при сжатии имеют примерно те же значения, что и при растяжении. Но напряжение, соответствующее разрушающей силе, при сжатии пластических материалов получить нельзя, так как образец не разрушается, а пластически деформируется (расплющивается) и сжимающая сила постоянно возрастает (рис. 2). Для таких материалов понятие «предел прочности при сжатии» не существует. Поэтому испытаниям на сжатие главным образом подвергают хрупкие материалы.

Рис. 2. Деформация пластичного образца при сжатии

Для сравнения результатов испытаний установлены стандартные размеры образцов и общие правила проведения опытов.

Для металлов применяют цилиндрическую форму образцов, высота которых равна одному или двум диаметрам (обычно d = h = 20 мм). Для других материалов применяют образцы в виде кубов. Стороны кубов равны: для дерева а = 50 или 100 мм, для цемента а = 70 или 140 мм, для бетона а = 200 или 300 мм.

Образец помещают между опорными плитами пресса, которые, сближаясь, сжимают его. На результат опыта сильно влияет трение между основаниями образца и опорными плитами пресса. Сжатый в продольном направлении образец стремится расшириться в поперечных направлениях, однако возникающее у его торцов трение препятствует этому (рис. 3).

F

F

Рис. 3. Влияние трения на процесс сжатия образца

Хрупкие материалы лучше сопротивляются сжатию, чем растяжению, поэтому они применяются для изготовления элементов, работающих на сжатие.

При испытании материалов на сжатие записывается диаграмма в координатах F, ∆ℓ или в координатах s, e.

Диаграмма сжатия пластичных материалов, например, низкоуглеродистой стали (рис. 4), имеет те же начальные участки упругости и текучести, что и диаграмма растяжения. Но в процессе сжатия увеличиваются площадь сечения образца и нагрузка, необходимая для его деформирования, поэтому после площадки текучести диаграмма сжатия заметно отличается от диаграммы растяжения.

Рис. 4. Диаграмма сжатия низкоуглеродистой стали

Для большинства пластичных материалов в результате испытаний на сжатие определяют условный предел текучести s_0,2. В тех случаях, когда пределы текучести при растяжении и сжатии различны, их обозначают соответственно s_0,2р и s_0,2с или s_Тр и s_Тс. Примерами материалов, для которых s_0,2с > s_0,2р, являются некоторые легированные стали, подвергнутые закалке. Например, для стали 30ХГС s_0,2р ≈ 0,88s_0,2с. Такие материалы называются хрупкопластичными.

При испытании на сжатие чугунного образца единственная получаемая характеристика – это предел прочности при сжатии s_Вс. Получаемая диаграмма сжатия (рис. 5) по форме похожа на диаграмму растяжения. Эти диаграммы искривляются уже с самого начала и, после достижения максимальной нагрузки, резко обрываются. Однако ординаты диаграммы напряжений при сжатии в 3…4,5 раза больше, чем при растяжении, так как s_Вс ≈ (3…4,5) s_Вр. К моменту разрушения укорочение образца из чугуна составляет всего 0,9%.

Рис. 5 Диаграмма сжатия чугуна

На рис. 6 показан характер разрушения образца из серого чугуна. Трещины, появляющиеся на образце, направлены под углом примерно 45° к его оси.

Рис. 6. Образец из чугуна до и после сжатия

Образцы из бетона, песчаника, кирпича, которым придают форму куба, разрушаются при сжатии таким образом, что остаются две усеченные пирамидки с вершинами, обращенными друг к другу, а боковые части отваливаются (рис. 7). Разрушение в основном происходит тоже под углом 45° к основаниям кубика.

F

F

Рис. 7. Бетонный образец после испытания на сжатие

Испытание на сжатие деревянных образцов представляет особый интерес вследствие того, что прочность этого материала, имеющего волокнистую структуру, неодинакова вдоль и поперек волокон (это анизотропный материал).

Диаграммы сжатия древесины вдоль (кривая 1) и поперек (кривая 2) волокон показаны на рис. 8.

Рис. 8. Диаграммы сжатия древесины: 1 – вдоль волокон, 2 – поперек

При сжатии деревянного образца вдоль волокон на участке ОА (рис.8, кривая 1) древесина работает почти упруго, и рост деформаций фактически происходит пропорционально увеличению нагрузки. При дальнейшем увеличении нагрузки (участок АЕ) деформации начинают расти быстрее, чем усилия. Это указывает на упругопластическую область работы материала. Разрушение образца происходит при нагрузке F_max (точка Е) пластично. Появляется характерная складка (рис. 9). Процесс разрушения может также сопровождаться обмятием торцов образца и появлением продольных трещин.

Рис. 9. Деревянные образцы, разрушенные при сжатии вдоль волокон

При сжатии образца поперек волокон (рис. 9, кривая 2) до небольшой нагрузки (точка В), соответствующей пределу пропорциональности, между нагрузкой и деформацией существует линейная зависимость (участок ОВ). Затем деформации быстро увеличиваются, а нагрузка растет незначительно. В результате образец спрессовывается – уплотняется (рис. 10).

Рис. 10. Деревянный образец до и после сжатия поперек волокон

При наличии в нем пороков (сучки, трещины и т.п.) он может разрушиться. Разрушающая нагрузка определяется условно. Она соответствует деформации сжатия образца на 1/3 своей первоначальной высоты.

Как видно из сопоставления диаграмм (рис. 8), сопротивление древесины сжатию вдоль волокон примерно в 8…10 раз больше сопротивления поперек волокон.

ЗАДАНИЕ

При подготовке к лабораторной работе студент должен:

– ознакомиться с устройством и принципом работы гидравлического пресса ПГ-200;

– знать закон Гука и внутренние силовые факторы, возникающие в поперечных сечениях бруса при сжатии;

– знать основные механические характеристики материалов и способы их определения;

– уметь строить условные диаграммы сжатия пластичных, хрупкопластичных и хрупких материалов;

– уметь определять напряжения в характерных точках условных диаграмм;

– ответить на контрольные вопросы;

– правильно оформить отчет по лабораторной работе.