Лабораторна робота 2.3

2.3. Лабораторна робота

Випробування на СТИСК СТАЛІ, ЧАВУНУ ТА ДЕРЕВА.

МЕТА РОБОТИ: дослідження поведінки сталі, чавуну і дерева при стиску та визначення основних механічних характеристик міцності.

Короткі теоретичні відомості

Випробування на стиск проводять для визначення здатності матеріалів чинити опір стискаючому навантаженню. Відносяться до числа найбільш поширених випробувань, особливо для крихких матеріалів. Випробування проводяться на зразках з круглим або квадратним поперечним перерізом, розміри яких визначаються відповідно до ГОСТ 25.503-97 «Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Метод испытания на сжатие».

Напруження і деформації при осьовому стиску визначаються так само, як і при розтягу. Тому всі механічні характеристики, які визначаються при випробуванні на стиск, зберігають ті ж визначення, що і при розтягу. Однак між процесом деформування матеріалу при стиску і при розтягу є суттєва відмінність, яке особливо проявляється при навантаженні зразка з пластичного матеріалу за межами пружності.

Випробування на стиск є основними при визначенні механічних характеристик крихких матеріалів, таких, як чавун, дерево, будівельні матеріали, тощо. На відміну від випробувань на розтяг випробування на стиск мають наступні особливості:

Ø в процесі випробування пластичні матеріали можуть стискатись, не руйнуючись, а крихкі – руйнуються;

Ø характеристики міцності і пластичності циліндричного зразка при випробуваннях на стиск суттєво залежать від відношення висоти зразка до його діаметра;

Ø на результати випробувань значно впливають умови тертя по торцях зразка, які перешкоджають появі поперечної деформації, і циліндричний (або призматичний) зразок набуває бочкоподібну форму.

Під дією стискаючого навантаження різні матеріали ведуть себе по різному. Тому для випробувань на стиск використовуємо дві групи матеріалів ізотропні та анізотропні, а також два види зразків за властивостями: пластичні і крихкі.

Ізотропними називаються матеріали, які мають однакові фізичні властивості у всіх напрямках. Для випробувань на стиск в якості ізотропного матеріалу використовується сталь, як пластичний, і чавун, як крихкий матеріал. Зразки з них виготовляють циліндричної форми відповідно до ГОСТ 25.503-97 з відношенням висоти до діаметру 1≤ h/d ≤ 2. В даній роботі використовують зразки із розмірами ℓ = 30 мм, d =20 мм (рис.2.9). Стискаюче навантаження прикладають уздовж поздовжньої осі у центрі ваги перерізу.

2.9.png

Матеріали, властивості яких змінюються залежно від напрямку, називають анізотропними. До таких матеріалів відносять такі матеріали, волокна яких орієнтовані в певних напрямах – однонаправлені, шаруваті і трьохмірноармовані.

Для випробувань за анізотропні матеріали використовують дерев’яні зразки кубічної форми із розмірами 2.9.1.png (рис. 2.10). Залежно від розташування волокон їх випробують уздовж волокон та упоперек.

2.10.png

Випробування на стиск проводять на універсальній випробувальний машині УИМ-50. Зразок встановлюють на опорну плиту нижньої траверси машини, притискаючи його до верхньої опорної плити (рис. 2.11) таким чином, щоб навантаження прикладалось строго уздовж осі зразка. Нижня траверса переміщується тільки уверх, утворюючи стискаюче зусилля.

2.11.png

Випробування пластичного матеріалу. Сталь.

На початку завантаження до деякого навантаження F_пц (рис. 2.12, а) діаграма напружень при стиску малоувуглецевої пластичної сталі так само, як і діаграма розтягу, являє собою похилу пряму ОА. Спостерігається пропорційна залежність між деформацією i навантаженням, що викликало її. Це свідчить про наявність пружних властивостей матеріалу. Потім діаграма закругляється і переходить у ділянку з найбільшим нахилом до горизонталі – ділянку текучості АВ. При стиску «площина текучості» не виходить настільки яскраво вираженою, як при розтягу.

2.12.png

Кінцева точка діаграми стиску сталі відповідає не руйнуванню, як при розтягу, а просто закінченню випробування. Зразок зі сталі при стиску не руйнується. Закінчення випробувань (кінцева деформація стиску) визначається можливістю машини.

Так само, як при випробуванні на розтяг, при стиску аналізується діаграма стиску, яка може бути записана за допомогою діаграмного апарату випробувальної машини в координатах: стискаюча сила F – абсолютне укорочення Δℓ. При випробуванні на стиск мають місце лише дві характеристики міцності: границя пропорційності σ_пц та границя текучості σ_т.

Навантаження, що відповідає границі пропорційності F_пц та границі текучості F_т визначаються за тією ж методикою, що описана у попередніх лабораторних роботах (лабораторна робота №1 і №2).

За границею пропорційності σ_пц спостерігається незначне збільшення деформації, тобто, матеріал «тече», але без явно вираженої площини текучості. Зразок приймає бочкоподібну форму (рис. 2.12,б) внаслідок наявності тертя між торцями зразка i поверхнями стискаючих плит.

Сили тертя, що виникають по торцях зразка, перешкоджають поперечній деформації, і циліндричний (або призматичний) зразок набуває бочкоподібну форму. Для зменшення бочкоподібності існує кілька прийомів. Найпростіший з них – зниження сил тертя за рахунок шліфування торців зразків та їх змащення, наприклад, графітом.

Пластичні і крихкі матеріали по-різному поводяться при стисненні. У пластичних матеріалів границя пропорційності, а також фізична границя текучості виявляються досить близькими до відповідних значень, що отримані при розтягу. Тому вважається, що пластичні матеріали однаково працюють на розтяг і стиск. При стиску за границею текучості внаслідок інтенсивного поперечного розширення зусилля, яке необхідне для подальшої деформації зразка, швидко зростає. При цьому досить пластичні матеріали при стиску не руйнуються, а розплющується під дією нормальних напружень. Тому визначити границю міцності не можливо. Чітко виражена тільки границя пропорційності.

Випробування крихкого матеріалу. Чавун.

Зразок з крихкого матеріалу при стиску може набувати бочкоподібну форму лише у дуже незначній мірі. Процес навантаження закінчується руйнуванням зразка – зсув під дією дотичних напружень τ. За руйнівного навантаження визначається тимчасовий опір (границя міцності) при стиску τ_мц. Для крихких матеріалів випробування на стиск є основним видом випробувань. Зауважимо, що границя міцності при розтягу у крихких матеріалів істотно менша, ніж при стиску, тобто крихкі матеріали краще чинять опір стиску.

Процес випробування на стиск наочно зображується діаграмою стиску (рис. 2.13, а). Під час стиску чавунного зразка практично з початку навантаження i до руйнування спостерігається нелінійна залежність між навантаженням i деформацією (рис. 2.13, а). Можна сказати, що матеріал не підкоряється закону Гука, а значення модуля пружності Е не є постійною величиною, воно змінюється в залежності від величини того напруження, для якого визначається деформація.

2.13.png

Однак в умовах тих невеликих деформацій, при яких матеріал використовують у різних деталях машин і споруд, діаграма F-Δℓ являє собою лінію малої кривизни (рис. 2.13, а), тобто відхилення від закону Гука незначне. Тому у практичних розрахунках вважають, що матеріал підкоряється закону Гука, а значення модуля пружності Е постійним.

Із аналізу діаграми видно, що чітко виражене тільки руйнівне навантаження F_мц, що відповідає границі міцності. Воно, до того ж, є максимальним. Відношення F_мц до початкової площі А₀ поперечного перерізу називають границею міцності σ_мц (тимчасовим опором σ_тм) чавуну при стиску:

2..15.png

Зразок, укорочуючись (рис. 2.13, б), приймає бочкоподібну форму. Це свідчить про наявність невеликих пластичних деформацій. При стиску зразків відбувається ряд явищ, які суттєво відрізняють випробування на стиск від випробувань на розтяг. При зменшенні висоти стиснутого зразка і переміщенні часток у радіальному напрямку між торцями зразка й плитами преса виникають сили тертя, спрямовані у бік, протилежний напрямку поперечної деформації, тобто радіально до центру. Ці сили тертя порушують одновісний характер деформації зразка.

Випробування показують, що руйнування чавунних зразків відбувається шляхом зсуву по площині, нахиленої до осі зразка приблизно на кут α = 45°, тобто, по перерізу, де діють максимальні дотичні напруження τ.

При руйнуванні навантажувальна здатність чавуну падає практично миттєво, що характерно для крихких матеріалів. Границя міцності чавуну зазвичай досягає 500-1000 МПа.

Слід пам’ятати, що значення τ_мц значно залежить від умов випробування i відношення висоти h до діаметра d зразка. Навіть вигляд руйнування крихких матеріалів залежить від відношення висоти до діаметра.

Границя міцності крихкого матеріалу при стиску в декілька разів більша за границю міцності при розтягу. Модулі пружності при розтягу та стиску також різні.

Необхідно відмітити, що зазвичай крихкі матеріали опираються стиску краще ніж розтягу. Це в значній мірі обмежує область їх застосування.

Випробування дерева.

Випробування дерев'яного зразка як представника анізотропних матеріалів проводять уздовж (рис. 2.10, а; 2.11, б) i упоперек (рис. 2.10, б; 2.11, в) волокон. Отримані діаграми стиску (рис. 2.14) різко відрізняються одна від одної.

Діаграма F-Δℓ стиску зразка уздовж волокон (рис. 2.14, а), зовні схожа на діаграму стиску чавуну. Дубовий зразок, що випробують уздовж волокон на стиск до руйнування, зазнає порівняно невеликих пластичних деформацій. Між силою F i деформацією Δℓ на початку навантаження спостерігається незначна нелінійна залежність, причому нелінійність зростає у міру збільшення навантаження. Після досягнення граничного навантаження F_мц зразок починає руйнуватися шляхом сколювання, що супроводжується характерним тріском (рис. 2.14, а – зигзагоподібна ділянка) з подальшим зменшенням навантаження.

Відношення навантаження, що відповідає границі міцності F_мцдо початкової площі Ао поперечного перерізу зразка називають границею міцності σ_мц. Ця характеристика визначається за методикою, наведеною у попередніх лабораторних роботах (№1 і №2).

У звичайних умовах руйнування відбувається шляхом зсуву однієї частини зразка відносно другої (рис. 2.15, а).

Під час стиску зразка поперек волокон діаграма F-Δℓ має інший вигляд (рис. 2.14, б). До деякої точки А спостерігається пропорційна залежність між силою i деформацією. Це дозволяє визначити границю пропорційності, яка є відношенням навантаження F_пц до початкової площі А₀поперечного перерізу. Із подальшим збільшенням навантаження деревина значно ущільнюється без ознак руйнування зразка (рис. 2.15, б).

2.14.png

Момент втрати несучої властивості зафіксувати немає можливості.

Тому за руйнівну силу приймають умовно таку силу F^/_мц, при дії якої деформація (ущільнення) зразка по висоті досягає 1/3 початкового значення, тобто Δℓ=1/3h₀ (рис. 2.14, б).

Відношення F^/_мц до А₀ називають умовною границею міцності σ^/_мц дерева при стиску поперек волокон:

Порівнюючи діаграми стиску дерева уздовж і упоперек волокон з’ясовується, що при стиску до руйнування уздовж волокон зразок має значно менші деформації, ніж при стиску поперек волокон, характер руйнування в обох випадках різний. Міцність зразка в першому випадку в 7...10 разів вище, ніж у другому. Коефіцієнт анізотропії, що характеризує різні механічні властивості дерева уздовж i поперек волокон, являє собою відношення границі міцності при стиску уздовж волокон до границі міцності при стиску поперек волокон:

Таким чином крихкі й пластичні матеріали мають різні протилежні властивості у відношенні їх опору простому стиску або розтягу. Крихкі матеріали погано опираються розтягу і удару, чутливі до місцевих напружень. Пластичні матеріали таких недоліків не мають, тому пластичність є одним із найважливіших якостей матеріалу. Крихкі матеріали зазвичай дешевші і мають високу границю міцності при стиску, тому можуть бути використані при статичному навантаженні.

При визначенні допустимих напружень крихких матеріалів за небезпечне напруження приймають границю міцності 2.7.3.png . В такому випадку отримаємо:

де 2.7.3.png – границя міцності, яка є небезпечним напруженням при випробуванні крихких матеріалів, МПа;

– коефіцієнт запасу міцності відносно границі міцності: = 3,0…5,0.

Значення коефіцієнта запасу міцності залежить від характеру навантаження, властивостей матеріалу, розрахункової схеми, методу розрахунку, тощо.

Оснащення робочого місця

v машина УИМ-50, підготовлена до проведення експерименту;

v стальний і чавунний циліндричні зразки;

v дерев’яні кубічні зразки – 2 шт.;

v штангенциркуль;

v методичні вказівки до виконання лабораторної роботи;

v калькулятор, олівець, лінійка;

v журнал лабораторних робіт.

Порядок виконання випробувань

Робота проводиться на сталевих, чавунних і дерев’яних зразках. Сталеві і чавунні зразки – циліндричної форми, дерев’яні – кубічної. Дерев’яні і чавунні зразки доводяться до руйнування, сталеві не руйнуються. Дерев’яні зразки випробовують уздовж і поперек волокон.

Лабораторна робота проводиться у такій послідовності:

1. Перед проведенням досліджень перевірити підготовку випробувальної машини до проведення випробувань.

2. Зробити заміри зразків. Результати вимірювань фіксують у таблиці 2.5. 2.5t.png

1. Проконтролювати налагодження шкали силовимірювача перед проведенням досліджень. Сталь і дерево уздовж волокон випробують при максимальному навантаженні F_max= 250кН, масштаб навантаження на діаграмному апараті становить 2.15.1.png

Чавун випробують при максимальному навантаженні F_max= 500кН,масштаб навантаження становить 2.15.2.png . Дерево поперек волокон випробують при максимальному навантаженні F_max= 100кН, масштаб навантаження становить 2.15.3.png .

Масштаб запису деформації (в напрямку горизонтальної осі Δℓ) перед випробуванням приймається рівним 2.15.4.png 2. На опорну плиту нижньої траверси машини послідовно встановити зразки та притиснути до верхньої опорної плити. Увімкнути машину і прикласти повільне навантаження (чавунний та дерев’яний зразки доводять до руйнування).

3. За шкалою силовимірювача фіксується відповідне навантаження: для сталевих зразків навантаження, що відповідає границі пропорційності F_пц і границі текучості F_т, для чавунних і дерев’яних навантаження, що відповідає границі міцності F_мц.

4. Занести в журнал лабораторних робіт діаграми стиску зразків, що випробувались.

5. Зробити аналіз отриманих діаграм, визначити відповідно до кожного виду матеріалу механічні характеристики міцності.

Провести необхідні розрахунки та результати занести у таблиці 2.6 і 2.7. 2.7t.png

9. За даними діаграми стиску встановити небезпечне напруження для кожного виду матеріалу. Для сталі небезпечним напруженням вважається границя текучості 2.7.2.png , для чавуну та дерева уздовж волокон – границя міцності 2.7.3.png для дерева поперек волокон – умовна границя міцності , яку визначають при стиску зразка на 1/3 висоти h01.3.png . Якщо висота зразка становить 40 мм, то 1/3 від 40 дорівнює 13,3мм. Відкладаємо це значення на осі абсцис (абсолютна деформація зразка Δℓ) з урахуванням масштабу, від цієї точки проводимо вертикаль уверх до перетинання з лінією діаграми. Таким чином знаходимо положення точки В (рис. 2.14, б), що відповідає умовному навантаженню по границі міцності .

10. Розрахувати допустимі напруження для досліджуваних матеріалів.

11. Встановити і описати характер руйнування зразків.

12 Відповісти на контрольні запитання.

13. Захистити лабораторну роботу у викладача.