Файл: Го суд арс тве нн ое об раз ов ате ль но е учр ежд е ние высше го п рофе с си она ль но го о бр аз ова ни я волгоградский государственный.pdf

М ИНИ СТЕ РС ТВО О Б РАЗ ОВ АН ИЯ И НАУК И Р ОС СИ ЙСК ОЙ ФЕ Д ЕРАЦ ИИ
ГО СУД АРС ТВЕ НН ОЕ ОБ РАЗ ОВ АТЕ ЛЬ НО Е УЧР ЕЖД Е НИЕ
ВЫСШЕ ГО П РОФЕ С СИ ОНА ЛЬ НО ГО О БР АЗ ОВА НИ Я
ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
Т Е Х Н И Ч Е С К И Й У Н И В Е Р С И Т Е Т
К а ф е д р а " С о п р о т и в л е н и е м а т е р и а л о в "
Волгоград 2015
М е т о д и ч е с к и е у к а з а н и я к л а б о р а т о р н о й р а б о т е

УДК 539.4
Испытания на сжатие: метод. указ. к лабораторной работе / Сост.:
В. П. Багмутов,
В. И. Водопьянов,
О. В. Кондратьев,
А. В. Коробов.
– ВолгГТУ. – Волгоград, 2015. – 16 с.
В работе описаны методики определения механических характери-
стик конструкционных материалов при испытании на сжатие. Приведе-
ны список учебной и специальной литературы, а также вопросы контроля
знаний студентов. Указаны правила по технике безопасности.
Предназначена для студентов дневной, вечерней и заочной форм
обучения.
Ил. 9. Табл. 1. Библиогр.: 6 назв. Рецензент А. Н. Савкин
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Волгоградского государственного технического университета
© Волгоградский государственный
технический университет, 2011
ИСПЫТАНИЯ НА СЖАТИЕ
Методические указания к лабораторной работе
Темплан 2015 г. Поз. № 143
Подписано в печать
2011 г. Формат 60×84 1/16.
Бумага газетная. Печать офсетная. Усл.-печ. л. 0,93.
Тираж 20 экз. Заказ
. Бесплатно.
Волгоград ский гос ударст венн ый технический уни верситет .
400131 Волгоград , просп. им. В. И. Л енина, 28, к орп. 1
Отпечатано в типографии
Волгоград ского госуд арст венного техн ического уни верситета
400131 Вол гоград, просп. им. В. И. Л енина, 28, к орп. 7.
Составители: Вячеслав Петрович Багмутов
Валентин Иванович Водопьянов
Олег Викторович Кондратьев
Александр Викторович Коробов

3
Цель работы: исследовать поведение различных материалов при испыта-
ниях на сжатие. Определить механические характеристики пла-
стичных, хрупких и анизотропных материалов.
Введение
Испытания на сжатие широко применяют в машиностроении, строи- тельной индустрии и других отраслях хозяйственной деятельности. Так
ГОСТ 10180-90 устанавливает методы определения предела прочности на сжатие, растяжение, изгиб образцов из бетона. ГОСТ 8462-85 устанавлива- ет методы определения предела прочности при сжатии и изгибе стеновых материалов: силикатного и керамического кирпича, бетонных блоков и др.
ГОСТ 16483.10-73 устанавливает методы определения предела прочности при сжатии вдоль волокон образцов из древесины. Метод определения ус- ловного предела прочности при сжатии древесины поперёк волок устанав- ливает ГОСТ 16483.11-72.
1. Теоретическая часть
Испытание на сжатие черных и цветных металлов и сплавов при температуре 20 ºС регламентируется ГОСТ 25.503-97. Этот же ГОСТ уста- навливает методику построения кривой упрочнения при сжатии и оценки ее параметров.
Основными механическими характеристиками материалов, опреде- ляемыми по результатам испытаний образцов на сжатие, являются:
 модуль упругости;
 предел пропорциональности;
 предел упругости;
 физический предел текучести;
 условный предел текучести;
 предел прочности.
Характеристики пластичности при сжатии не определяются.
Указанные величины механических характеристик могут быть ис- пользованы в случаях:
 выбора металлов, сплавов и обосновании требуемых конструк- тивных решений;
 статистического приемочного контроля, нормирования механиче- ских характеристик и оценки качества металла;
 разработки технологических процессов и проектировании изделий;
 расчета на прочность деталей машин.

4 1.1. Понятие о хрупкости и пластичности материалов
Способность материала без разрушения получать большие остаточ- ные деформации называют пластичностью. Противоположным является свойство хрупкости, то есть способности материала разрушаться без обра- зования заметных остаточных деформаций. Для материалов, обладающих свойством хрупкости, величина удлинения при разрыве не превышает
2-5%.
Однако хрупкость и пластичность являются относительными харак- теристиками, так как зависят от способа обработки материала, вида напря- женного состояния, температуры и скорости нагружения. Например, бетон, являющийся при простом растяжении или сжатии типично хрупким мате- риалом, можно заставить деформироваться как пластичный, если нагру- жать цилиндрический образец из бетона давлением, приложенным не только по основаниям цилиндра, но и по его боковой поверхности.
С другой стороны, малоуглеродистую сталь – пластичный материал, можно поставить в такие условия работы (низкая температура, высокоско- ростное нагружение), при которых она дает совершенно хрупкое разруше- ние.
Таким образом, характеристики «хрупкий» и «пластичный», которые мы даём материалам на основании опытов на растяжение и сжатие, отно- сятся лишь к поведению этих материалов при обычных температурах,
статическом нагружении и лишь при сопротивлении указанным видам
деформаций. Вообще же хрупкий материал может перейти в пластичный и наоборот. Поэтому правильнее говорить не о «хрупком» и «пластичном материале», а о хрупком или пластичном состоянии материала.
1.2. Образцы для испытаний на сжатие (по ГОСТ 25.503-97)
Испытания проводят на образцах четырёх типов (рис. 1): цилиндри- ческих и призматических (квадратных и прямоугольных), с гладкими тор- цами I-III типов и торцевыми выточками IV типа.
Образцы I типа (пятикратные, с отношением
5 0
0

d
h
) применяют для определения модуля упругости и предела пропорциональности, то есть в упругой области нагружения и малых пластических деформациях. На ра- бочей части образца устанавливают тензометр.
Образцы II типа (трехкратные) используют при определении преде- ла пропорциональности и предела упругости, то есть при малых пластиче- ских деформациях.
Высоту образцов III типа определяют по формуле, содержащей по- казатель деформационного упрочнения n, зависящий от класса материала
(стали, цветные сплавы и т. д.), и коэффициент приведения высоты ν, зави- сящий от типа образца (I, II, III, IV):

5


n
d
,
h
0 0
24 2
(1)
Величины n иν приведены в приложении к ГОСТу 25.503-97.
Так, для образца диаметром d
0
= 20 мм из среднеуглеродистой стали расчётная высота h
0
= 40 мм. Образцы этого типа применяют для определе- ния пределов текучести с
т
 и с
0,2

, а также построения кривой упрочнения.
Образцы IV типа имеют буртики на обоих торцах для удержания смазки и снижения (предотвращения) торцевого трения. Размеры буртика подсчитывают по формуле в зависимости от свойств испытуемого мате- риала. Так, для образца d
0
= 20 мм и h
0
= 40 мм высота буртика t
0
= 0,25-
0,3 мм, а его толщина u
0
= 0,5-0,8 мм.
Эти образцы используют для построе- ния кривой упрочнения, то есть при больших пластических деформациях.
Для построения кривых упроч- нения применяют только цилиндриче- ские образцы. Диаметры образцов II,
III и IV типов выбирают из диапазона от 6 до 30 мм.
При испытании образцов I, II типов торцы образцов обезжиривают.
Смазывание торцов смазочным мате- риалом недопустимо. При испытании образцов III типа допускается приме- нение смазочного материала (напри- мер, машинное масло с графитом), а при испытании образцов IV типа при- менение смазки является обязатель- ным. В качестве смазочного материала для образцов IV типа применяют воск, стеарин, парафин или их смесь.
Смазочный материал наносят в жидком состоянии.
Стандартом оговорена скорость относительной деформации. До- пускается контролировать скорость нагружения (от 3 до 30 МПа/с).
1.2. Термины и определения
В указанном выше, действующем на настоящий момент, стандарте применяют следующие термины с соответствующими определениями.
Диаграмма испытаний (сжатия) – график зависимости нагрузки от абсолютной деформации (укорочения) образца.
d
0
h
0
d
0
a
0
b
0
h
0
h
0
d
0
t
0
u
0
d
0
h
0
III
II
I
IV
Рис. 1. Типы экспериментальных образцов

6
Кривая упрочнения – график зависимости напряжения течения от логарифмической деформации.
Осевая сжимающая нагрузка – нагрузка, действующая на образец в данный момент испытания.
Условное номинальное напряжение ( σ) – напряжение, определяе- мое отношением нагрузки к начальной площади поперечного сечения.
Напряжение течения (
S
σ ) – напряжение, превышающее предел те- кучести, определяемое отношением нагрузки к действительной для данно- го момента испытаний площади поперечного сечения образца при равно- мерном деформировании.
Предел пропорциональности при сжатии (
с пц
σ )– напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между нагрузкой и абсо- лютным укорочением образца достигает такого значения, при котором тангенс угла наклона, образованного касательной к диаграмме F – Δh в точке пц
F
с осью нагрузок, увеличивается на 50 % от своего значения на линейном участке.
Предел упругости при сжатии (
с
0,05
σ
)– напряжение, при котором относительная остаточная деформация (укорочение) образца (ε) достигает
0,05 % первоначальной расчётной высоты образца.
Предел текучести (физический) при сжатии (
с т
σ
) – наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличе- ния сжимающей нагрузки.
Условный предел текучести при сжатии (
с
0,2
σ ) – напряжение, при котором относительная остаточная деформация (укорочение) образца (ε) достигает 0,2 % первоначальной расчётной высоты образца.
Предел прочности при сжатии (
с в
σ
) – напряжение, соответствую- щее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению.
Показатель деформационного упрочнения ( n ) – степенной показа- тель аппроксимирующего кривые упрочнения уравнения
n
s
s






1
, ха- рактеризующий способность металла к упрочнению при равномерной пла- стической деформации.
1.3. Сжатие пластичных материалов
Разрушить образец из пластичного материала при сжатии, как прави- ло, нельзя, так как происходит только осадка образца (рис. 2). Следова-

7 тельно, предел прочности в этих случаях найден быть не может. Поэтому определяют условный предел прочности, соответствующий заданной ве- личине остаточной деформации. Если при сжатии в образце возникают трещины, то он считается разрушенным.
Рис. 2. Сжатие образца типа III из пластичного материала
Многочисленные опыты показывают, что при испытании на сжатие форма, которую приобретает деформированный образец, зависит от пер- воначального отношения высоты образца к его диа- метру
0 0
d
h
. От этого же отношения зависит и со- противление деформации, которое будет зафиксиро- вано при испытании. Это объясняется наличием трения на поверхности контакта между плитами машины и торцами испы- туемого образца (торцевое трение). Данное явление неблагоприятно сказыва- ется на результатах испы- тания (вследствие искаже- ния вида напряженного состояния) и будет рас- смотрено ниже.
На рис. 3 приведены диаграммы, полученные при испытании на сжатие цилиндрических образ- цов из среднеуглеродистой стали одинакового диаметра
0
d
, но с различ- ным начальным отношением
0 0
d
h
Рис. 3. Диаграммы сжатия цилиндрических образцов из стали 45

8
Как видно из этих данных, при переходе от относительно длинных образцов с начальным отношением
2 0
0

d
h
к коротким образцам
(
5 0
0 0
,
d
h

) сопротивление пластическому деформированию существен- но возрастает.
Вследствие трения на контактных поверхностях поперечная дефор- мация материала в областях, прилегающих к опорным плитам машины, оказывается затрудненной, и образец принимает характерную бочкообраз- ную форму (см. рис. 2).
При испытании на сжатие стальных образцов из малоуглеродистой стали при достижении нагрузки, соответствующей пределу текучести, можно заметить кратковременную остановку стрелки силоуказателя. В та- ких случаях можно определить физический предел текучести. Если оста- новки стрелки не будет, а на диаграмме сжатия нельзя четко обнаружить площадку текучести, то определяется условный предел текучести с
0,2
σ .
При сжатии площадка текучести выражена менее четко, чем при рас- тяжении, так как увеличение площади сечения образца при сжатии вызы- вает рост нагрузки. Определение условных пределов пропорциональности и упругости на образцах, применяемых в настоящей работе, по машинной диаграмме сжатия невозможно, так как вследствие малой длины образцов абсолютная величина их деформации будет незначительна (при
%
,
ост
2 0


), и записывающее устройство машины ГМС-50 не может обеспечить достаточного для этой цели увеличения деформации.
Для пластичных материалов величины пределов текучести, опреде- ленные из опытов на растяжение и сжатие, оказываются близкими друг к другу.
При достижении физического предела текучести как при растяжении, так и при сжатии на поверхности хорошо отполированного образца можно увидеть появление полос скольжения, направленных под углом 45° к оси образца. Это линии Чернова-Людерса. Причины появления этих линий, представляющих собой следы выхода на поверхность образца пластиче- ских сдвигов, те же, что и при растяжении.
Продолжая наблюдение за нагрузкой при проведении испытания на сжатие, замечаем, что за пределом текучести нагрузка на образец непре- рывно растет, спада нагрузки не наблюдается. В этом заключаются основ- ные отличия в машинных диаграммах растяжения и сжатия пластичных материалов. При сжатии пластичных материалов, каким является малоуг- леродистая сталь, нагрузка продолжает непрерывно расти, не проявляя тенденции к снижению, и разрушение образца не происходит. В связи с этим у пластичных материалов не удается определить предел прочности при сжатии.

9 1.4. Сжатие хрупких материалов
При сжатии образцов из хрупкого материала, разрушение происхо- дит по плоскостям, параллельным оси образца или по плоскостям, накло- ненным к оси под углом 45° (рис. 4), совпадающим с направлением пло- щадок, по которым действуют максимальные касательные напряжения.
Первое чаще имеет место при смазанных торцевых поверхностях образца из очень хрупких материалов (например, мрамора), а второе – при испыта- ниях без смазки.
Рис. 4. Сжатие хрупкого материала
Диаграмма сжатия хрупкого материала представляет собой нелиней- ную зависимость с малыми деформациями, быстрым ростом нагрузки, а испытание за- канчивается разрушением образца (рис. 5).
По максимальной нагрузке определяют предел прочности материала на сжатие, кото- рый является основным показателем, харак- теризующим хрупкий материал. Опыт пока- зывает, что предел прочности хрупкого мате- риала при смазке торцевых поверхностей ока- зывается меньше, чем для такого же материа- ла, но без смазки. Это еще раз указывает на существенное влияние торцевого трения не только на характер разрушения, но и на вели- чину предела прочности, то есть на зависи- мость результата опыта от условий экспери- мента.
В качестве образцов при испытании
Рис. 5. Диаграмма сжатия хрупкого материала

10 хрупких материалов на сжатие, помимо цилиндрических (например, чугун), применяются также кубические образцы (бетон).
Для примера приведем в таблице 1 параметры образцов для испыта- ния на сжатие бетона.
Таблица 1
Метод
Форма образца
Размер образца, мм определение прочности на сжатие куб длина ребра:
100; 150; 200; 300 1.5. Разносопротивляемость хрупких материалов
В ряде случаев представляется необходимой оценка свойств хрупких материалов по-разному сопротивляться различным видам деформаций, на- пример, растяжению и сжатию. Для пластичных материалов сопоставление прочностных характеристик на растяжение и сжатие ведётся по пределу текучести (
р т
σ
и с
т
σ
). Принято считать, что с
т р
т
σ
σ

Для хрупких материалов оценка прочностных свойств производится, как правило, по величине предела прочности при растяжении р
B
σ
и сжатии c
B
σ
. Эти материалы обладают обычно более высокими прочностными по- казателями при сжатии, нежели при растяжении. Например, величина от- ношения c
р
B
B
σ
σ

m
(2) для чугуна колеблется в пределах 0,2 - 0,4, керамических материалов - 0,1 , для инструментальных сталей – 0,4 - 0,5.
Разная сопротивляемость хрупких материалов при разных видах де- формации учитывается в расчетах на прочность, куда обязательно входят пределы прочности при растяжении и сжатии (см., например, теорию прочности Мора).
1.6. Торцевое трение и методы его устранения
Как уже упоминалось выше, при сжатии образцов, преимущественно цилиндрической формы, между поверхностью плиты машины и торцами испытуемого материала возникает торцевое трение, приводящее к возник- новению бочкообразности. Определим, к чему приводит это явление.
В сжатом образце можно наблюдать три зоны, отличающиеся раз- личной степенью деформации (рис. 6). Первая зона уменьшенной дефор-
мации у контактных поверхностей. Здесь деформация затруднена в резуль- тате торцевого трения, и материал находится в состоянии всестороннего