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.

 рис 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 а *а*h0 = 40*40*40 мм (рис. 2.10). Залежно від розташування волокон їх випробують уздовж волокон та упоперек.

рис2.10.PNG

Випробування на стиск проводять на універсальній випробувальний машині УВМ-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.

рис2.11.PNG

Випробування пластичного матеріалу. Сталь.

На початку завантаження до деякого навантаження Fпц (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.

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.

рис2.12.PNG

При випробуванні на стиск мають місце лише дві характеристики міцності: границя пропорційності σпц та границя текучості σт. 

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

За границею пропорційності σпц 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 τмц. 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.

рис2.13.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 Fмц, що відповідає границі міцності. Воно, до того ж, є максимальним. Відношення Fмц до початкової площі А0 поперечного перерізу називають границею міцності σмц (тимчасовим опором σтм)  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 τмц 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 Fмц 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 Fмц до початкової площі Ао поперечного перерізу зразка називають границею міцності σмц. 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).

 

рис 2.14.PNG

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 Fпц до початкової площі А0 поперечного перерізу. Із подальшим збільшенням навантаження деревина значно ущільнюється без ознак руйнування зразка (рис. 2.15, б)

Момент втрати несучої властивості зафіксувати немає можливості.Тому за руйнівну силу приймають умовно таку силуF'mc.PNG,при дії якої деформація (ущільнення) зразка по

висоті досягає 1/3 початкового значення, тобто

 

Δℓ=1/3h0

(рис. 2.14, б). 

 

рис2.15.PNG

Відношення F/мц до А0 називають умовною границею

 

міцності σ/мц  дерева при стиску поперек волокон:

 

                          (2.16).PNG

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:

                   (2.17).PNG

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 sigmamc.PNG. В такому випадку отримаємо:

                    (2.18).PNG

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

      nmc.PNG– 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 УВМ-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.

Таблиця 2.5 – Данні обміру зразків зі сталі та чавуну.

Параметр

Сталь

Чавун

Діаметр d, мм

 

 

Довжина l, мм

 

 

Площа поперечного перерізу A, мм2

 

 

Проконтролювати налагодження шкали силовимірювача перед проведенням досліджень. Сталь і дерево уздовж волокон випробують при максимальному навантаженніFmax = 250кН, масштаб навантаження на діаграмному апараті становить µF = 1500 n on mm.PNG. Чавун випробують при максимальному навантаженні Fmax = 500кН,

масштаб навантаження становить µF = 3000n on mm.PNG.

Дерево поперек волокон випробують при максимальному навантаженні Fmax = 100кН, масштаб навантаження

становить µF = 600 n on mm.PNG.

Масштаб запису деформації (в напрямку горизонтальної осі

 

Δℓ) перед випробуванням приймається рівним µΔℓ = 1:2 0,5 grad on mm.PNG.

 

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).

За шкалою силовимірювача фіксується відповідне навантаження: для сталевих зразків навантаження, що відповідає границі пропорційності Fпц і границі текучості

 

Fт, для чавунних і дерев’яних навантаження, що відповідає

 

границі міцності Fмц.

 

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

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.

Таблиця 2.6 – Результати випробувань сталі та чавуну.

Параметри

Позначення

Сталь

Чавун

1. Максимальне навантаження, Н

F max

 

 

2. Максимальне напруження, МПа

σ max =

 

 

3. Навантаження, що відповідає

границі пропорційності, Н

Fпц

 

 

4. Границя пропорційності, МПа

σ пц =

 

 

5. Навантаження, що відповідає

границі текучості, Н

Fт

 

 

6. Границя текучості, МПа

σ т =

 

 

 

Таблиця 2.7 – Результати випробувань дерева уздовж і поперек волокон.

Величина

Позна-чення

Уздовж

Попе-рек

Площа поперечного перерізу, мм2

A

 

 

Навантаження, що відповідає границі міцності, Н

Fмц

 

 

Границя міцності, Н/мм2

sмц

 

 

 

1.  За даними діаграми стиску встановити небезпечне напруження для кожного виду матеріалу. Для сталі небезпечним напруженням вважається границя текучості sigmat.PNG, для чавуну та дерева уздовж волокон  – границя міцності sigmamc.PNG для дерева поперек волокон – умовна границя міцності umovna sigma.PNG, яку визначають при стиску зразка на 1/3 висоти 1on3h0.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 umovne F.PNG.

1.  Розрахувати допустимі напруження для досліджуваних матеріалів.

2.  Встановити і описати характер руйнування зразків.

3.   Відповісти на контрольні запитання.

4.   Захистити лабораторну роботу у викладача.

Тестові запитання для самоконтролю

1.  Яке напруження приймається за небезпечне для м’якої сталі при стиску?

границя текучості σт;

 

границя пружності  σпр;

 

границя міцності σмц.

 

2. Зразки якої форми використовують при випробовуванні на стиск сталі?

циліндричної;

конусної;

прямокутного паралелепіпеду.

3. Зразки якої форми використовують при випробовуванні на стиск чавуну?

циліндричної;           

прямокутного паралелепіпеду;

конусної.

4. Зразки якої форми використовують при випробовуванні на стиск деревини?

прямокутного паралелепіпеду;

циліндричної;  

конусної.

5. Який матеріал має анізотропні властивості?

деревина;      

сталь;

чавун         .

6. Які матеріали при стиску не мають границі міцності?

пластичні матеріали (сталь);

крихкі матеріали (чавун);

пластичні і крихкі матеріали.

7. Яку механічну характеристику не можна визначати під час стиску маловуглецевої сталі (пластичний матеріал)?

границю міцності σмц;

 

границю пропорційності σпц;

 

границю текучості σт.

 

8. В яких координатних осях на випробувальній машині записується діаграма при стиску зразків?

F-Δℓ;    

М-φ;

σ-ε.

 

9. Як руйнується при стиску зразок із пластичного матеріалу?

 не руйнується, а розплющується;

 розтріскується;

 руйнується зсувом по площині близько до кута 450.

 

10. Як  руйнується при стиску зразок із крихкого матеріалу – чавуну?

руйнується зсувом по площині близько до кута 450;

розтріскується;

не руйнується, а розплющується.

11. Як  руйнується зразок із деревини при стиску його уздовж волокон?

розтріскується та зминаються торці зразка;

спресовується;

руйнується зсувом по площині близько до кута 450.

12.           Як руйнується  зразок із деревини при стиску його поперек волокон?

спресовується;

розтріскується та зминаються торці зразка;

руйнується зсувом по площині близько до кута 450.

 

13.Яка механічна характеристика для м’якої сталі однакова при стиску і розтягу?

границя пропорційності σпц;

 

границя міцності  σмц;

 

відносна залишкова деформація  εзал.

 

14.Яка механічна характеристика визначається при стиску зразка з чавуну, як небезпечна?

границя міцності τмц;

 

границя пропорційності σпц;

 

границя текучості σт.

 

15.Яка механічна характеристика визначається при стиску

зразка з деревини уздовж волокон?

границя міцності σмц;

 

границя пропорційності σпц;

 

границя текучості σт.

 

16.При визначені границі міцності дерева під час його стиску поперек волокон умовно приймають таку силу, при дії якої:

деформація (ущільнення) зразка по висоті досягає 1/3 початкового значення;

деформація зразка по висоті досягає 1/2 початкового значення;

деформація зразка досягає 0,2% початкового значення.

17.Як відрізняється міцність деревини при стиску його уздовж і поперек волокон?

міцність значно вище при стиску уздовж волокон;

міцність однакова;

міцність значно вище при стиску поперек волокон.

18.При порівнянні механічних характеристик міцності під час розтягу і стиску пластичних матеріалів (м’якої сталі) можна зробити висновок, що:

пластичний матеріал краще опирається розтягу;

пластичний матеріал однаково працює на розтяг і стиск;

пластичний матеріал краще опирається стиску.

19.При порівнянні механічних характеристик міцності під час розтягу і стиску крихких матеріалів (чавуну) можна зробити висновок, що:

крихкий матеріал краще опирається стиску;

крихкий матеріал краще опирається розтягу;

крихкий матеріал однаково працює на розтяг і стиск.

20.Яка з наведених діаграм (рисунок-діаграми) є діаграмою стиску маловуглецевої сталі?

діаграма 1;

діаграма 3;

діаграма 2.

21.Яка з наведених діаграм (рисунок-діаграми) є діаграмою стиску крихкого матеріалу (чавуну)?

діаграма 2;

діаграма 1;

діаграма 3.

22.Яка з наведених діаграм (рисунок-діаграми) є діаграмою стиску деревини уздовж волокон?

діаграма 3;

діаграма 1;

діаграма 2.

22pit.PNG