МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное образовательное учреждение высшего

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
“Ивановская государственная текстильная академия”
Кафедра теоретической механики и сопротивления материалов
ИСПЫТАНИЕ
НА СЖАТИЕ
Методические указания к лабораторной работе
по сопротивлению материалов для студентов всех специальностей
очной и заочной форм обучения
ИВАНОВО 2004
Излагается методика испытания материалов с целью ознакомления с их
механическими свойствами: прочностью, пластичностью, способностями к
упругим деформациям. Проводится проверка теоретических законов,
экспериментальное подтверждение исходных гипотез, изучения процесса
деформации вплоть до разрушения.
Составители:
канд. техн. наук, доц. Е.Д. Мизонов,
ст. преп.
А.А. Ушаков,
канд. техн. наук, доц. Е.А. Чистяков.
канд.техн.наук, ст. преп. И.Н. Чистова
Научный редактор канд. техн. наук, проф. С. М. Иванов
Редактор Н.Г. Кузнецова
Лицензия ИД №06309 от 19.11.2001. Подписано в печать 06.05.2004.
Формат 1/16 60х84. Бумага писчая. Плоская печать.
Усл. печ. л.0,70. Уч.-изд. л. 0,67. Тираж 100 экз. Заказ №
Редакционно-издательский отдел
Ивановской государственной текстильной академии
Участок оперативной полиграфии ИГТА
153000 г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 21
2
1. Вводная часть
Испытания на сжатие производятся реже, чем испытания на растяжение.
При приемосдаточном контроле испытаниям на сжатие подвергают
преимущественно чугун, цемент, кирпичную кладку, камни и дерево.
Пластичные металлические сплавы подвергаются испытаниям на сжатие редко и
главным образом для исследовательских целей, ввиду чего для образцов из
пластических материалов нет соответствующего стандарта на метод испытания,
на форму и размеры. Что касается испытаний на сжатие чугунных образцов, то
им отведен специальный раздел в ГОСТ 27208-87 "Отливки из серого и ковкого
чугуна. Методы механических испытаний". Образцы из чугуна для испытаний
на сжатие изготовляют цилиндрической формы диаметром от 10 до 25 мм.
Высота образца берется равной диаметру для производственных испытаний и
равной трем диаметрам для более точных испытаний. Размеры образцов
выбирают в соответствии со средней толщиной отливок.
Рис.1
Образцы обрабатываются так, чтобы их поверхность была гладкой и не
имела рисок и следов резца. Торцевые поверхности во избежание перекосов
образца
должны
быть
плоскопараллельными
между
собой
и
перпендикулярными к оси образца. Для надлежащего центрирования образцов и
равномерного распределения усилий сжатия одна из опорных плит пресса имеет
шаровую опорную поверхность, играющую роль центрирующего шарнира
(рис.1). Желательно, чтобы центр шарообразной поверхности опорной подушки
машины лежал на плоской поверхности опоры, на которую устанавливается
образец. Опорные подушки пресса и торцевые поверхности образцов должны
быть тщательно очищены от смазки. Результаты испытаний на сжатие в сильной
степени зависят от величины силы трения между торцевыми поверхностями
образца и опорами машины. При ослаблении трения в результате смазки и
уменьшения поперечных сил до минимума цилиндрический образец из
пластических материалов при сжатии не принимает обычной бочкообразной
3
формы; ослабление сил трения по торцам образца из хрупкого материала
значительно снижает сопротивление сжатию, и, кроме того, изменяется сам
характер разрушения: вместо обычных разрушений по плоскостям, идущим под
углом примерно в 45° к оси образца, получаются разрушения по системе
продольных трещин во всю длину образца. Ввиду указанного влияния
поперечных сил трения результаты испытаний на сжатие не могут претендовать
на абсолютные значения, а должны рассматриваться как условные. Размеры
образцов и состояние торцевых поверхностей играют здесь первостепенную
роль.
Цель работы: Изучить поведение различных материалов при сжатии и
определить их механические характеристики.
2. Сжатие чугуна
На
практике
преимущественно
подвергаются
контрольным
приемосдаточным испытаниям на сжатие чугунные отливки. Обычно
ограничиваются определением величины предела прочности при сжатии, реже
определяют относительное укорочение. При испытаниях чугуна особое значение
имеет место в отливке, откуда вырезается образец. В разных местах одной и той
же отливки металл может иметь различные показатели механических качеств
вследствие различной скорости остывания отливки. Кроме того, в зависимости
от способа заливки и расположения литников в изделии могут образовываться
места наибольшего скопления раковин и рыхлостей, что также может повлиять
на результаты испытаний. Для получения сравнимых результатов необходимо
вырезать образцы в одном определенном месте отливок, которое обычно
указывается в технических условиях на поставку.
После тщательного обмера образца он закладывается между плитами
пресса и подвергается сжатию. Согласно ГOCT 27208-87 при испытаниях
чугунных образцов на сжатие скорость перемещения подвижной головки
испытательной машины не должна превышать 2мм/мин. Диаграмма сжатия при
этом имеет вид, показанный на рис.2.
4
Рис.2
От начала координат диаграмма идет почти по прямой линии, слегка
наклоненной к оси ординат. Затем, все более искривляясь, диаграмма достигает
максимума и резко обрывается: нагрузка, достигнув разрушающего значения,
быстро падает - грузоподъемность образца исчерпана.
Рис.3
В процессе сжатия чугунного образца можно заметить, что сначала он,
укорачиваясь, принимает слегка бочкообразную форму. Это свидетельствует о
наличии небольших пластических деформаций. В момент, когда нагрузка
достигает наибольшего значения, образец разрушается путем раздробления
материала с появлением ряда наклонных трещин. Разрушение чугунного образца
при сжатии происходит внезапно, чем и объясняются резкое падение нагрузки,
как видно из диаграммы, и характерные для хрупких материалов виды
разрушений (рис.3). В результате испытания, зная величину разрушающего
груза и площадь сечения образца, можно определить величину предела
прочности чугуна на сжатие, величина которого достигает (50-100) кг/мм2, (500100)*10-6 н/м2. Предел прочности материала определяется отношением
максимальной нагрузки Pmax = Pв к первоначальной площади поперечного
сечения Fo:
В 
5
PB
.
FO
3. Сжатие дерева вдоль и поперек волокон
Для испытания изготовляют кубики размером 50*50*50 мм, которые после
обмера подвергаются сжатию до разрушения. Диаграмма сжатия деревянного
образца вдоль и поперек волокон показана на рис. 4.
Из диаграммы «а» видно, что образец, испытанный на сжатие вдоль
волокон, до разрушения претерпевает сравнительно небольшие остаточные
деформации.
Рис.4
После того как нагрузка достигает наибольшего значения РВ, начинается
разрушение образца с последующим падением нагрузки. Разрушение
происходит обычно с образованием поперечных складок (примерно под углом в
45° к оси образца) и обмятием торцов. При этом довольно часто наблюдается и
образование продольных трещин, особенно при наличии сучков. Вид кубиков,
разрушенных при деформации сжатия, показан на рис. 5.
По данным опыта определяется предел прочности дерева при сжатии
вдоль волокон:
 ВВВ 
где PB – разрушающая нагрузка,
6
PB
,
F
F - площадь поперечного сечения образца до опыта.
Усилия, соответствующие пределу пропорциональности, установить по
диаграмме обычно не удается.
Рис.5
Для образца, испытанного на сжатие поперек волокон, диаграмма «б»,
вычерчиваемая пишущим механизмом, имеет другой характер. В начале опыта
диаграмма идет по наклонной прямой до нагрузки P n , соответствующей
пределу пропорциональности, затем имеет место слабоизогнутая кривая, почти
параллельная оси абсцисс. Кубик быстро деформируется, почти без увеличения
нагрузки; при отсутствии пороков в древесине (сучки, косослой) разрушение
кубика не наблюдается, он лишь спрессовывается (рис.6). Значительный рост
деформации без увеличения нагрузки позволяет считать, что грузоподъемность
образца исчерпана. В таких случаях условно считают, что разрушающий груз
PB - это тот груз, при котором кубик сжимается на 1/3 первоначальной высоты.
Рис.6
Предел прочности дерева при сжатии поперек волокон:
 ВПВ  РВ F .
За счет спрессовывания нагрузка начинает расти несколько быстрее и
становится выше условного значения РРАЗ. Следует заметить, что прочность
дерева при сжатии его вдоль волокон часто в 8-10 раз выше, чем поперек.
Анизотропию дерева приходится учитывать при применении его в сооружениях,
располагая элементы конструкций по возможности так, чтобы сжимающие и
растягивающие
усилия
действовали
по
направлению
наибольшего
сопротивления, т. е. вдоль волокон. Анизотропность материала характеризуется
коэффициентом анизотропии:
7
 ВВВ
К  ПВ .
В
4. Сжатие пластичного материала (меди или мягкой стали)
В соответствии с требованиями ГОСТа для опыта берется образец
диаметром 10…25 мм цилиндрической формы с отношением размеров 1<h/d<2.
Образец закладывается между опорными плитами машины и постепенно
нагружается непрерывно возрастающей нагрузкой. Самопишущий прибор при
этом вычерчивает диаграмму сжатия. На начальном прямолинейном участке ОА
(рис. 7) диаграммы деформации упругие, подчиняющиеся закону Гука. Точка А
соответствует пределу пропорциональности материала, после которого
отмечается небольшой участок, где наблюдается более быстрое возрастание
деформации. Однако площадка текучести не наблюдается. Объясняется это тем
обстоятельством, что при переходе за предел пропорциональности с быстрым
ростом пластических деформаций происходит увеличение поперечного сечения
образца. Увеличивающиеся поперечные сечения становятся способными
выдерживать все большую нагрузку. За этим участком диаграмма продолжает
идти вверх, но не по прямой линии, а по кривой.
Рис.7
При возрастании нагрузки образец принимает бочкообразную форму и
может быть сплющен в лепешку (рис.8), не обнаруживая признаков разрушения.
Таким образом, опыт приходится прекратить, не определив величины
разрушающего груза; предел прочности при сжатии не может быть определен.
Полученная из опыта диаграмма (см. рис.7) отражает типичный характер
процесса сжатия пластического материала, дающего большие остаточные
деформации без разрушения.
8
Рис.8
5. Обработка данных опыта
1. Цель работы.
2. Испытательная машина Р-5 (рис.9): универсальная, типа Амслера с
наибольшим усилием 5 т. Пресс П-125.
Машина Р-5 (принцип действия).Испытуемый образец 1 на сжатие
помещается между плитами реверсора 2, укрепленного в захватах 3 и 4 машины.
Нагружающее устройство приводится в действие от электромотора 5 , который
посредством системы зубчатых передач 6 приводит во вращательное движение
грузовые винты 7 и диаграммный барабан 8, на котором записывается
диаграмма испытания в координатах "нагрузка-деформация ". При вращении
грузовых винтов 7 нижний захват поступательно перемещается вниз, что
вызывает деформирование испытуемого образца. Усилие, приложенное к
образцу через верхний захват 3, систему рычагов и тяг, передается на
маятниковый силоизмеритель. Отклонение маятника 9 (силоизмерителя) от
вертикали пропорционально приложенной к образцу нагрузке, которая
отсчитывается по шкале 10. Величина деформации образца указывается на
электрическом счетчике 11 или измеряется с помощью индикатора.
Для испытания металлических образцов диаметром 15-20 мм необходимо
иметь машину, развивающую усилие 20-50 т.Такой машиной является пресс
П-125.
3. Вид образца до испытания и после испытания.
4. Диаграмма сжатия.
5. Предел прочности (определение, формула, результаты расчетов).
6. Выводы (о характере поведения материалов при сжатии).
9
Рис.9
10
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. В чем состоит цель работы?
2. Порядок проведения испытания.
3. Какие нагрузки должны быть зафиксированы во время эксперимента?
4. Как определить условную разрушающую нагрузку для деревянного образца,
сжатого поперек волокон?
5. Каковы особенности разрушения при сжатии образцов из чугуна и из дерева?
6. Какие материалы называются изотропными и анизотропными? Приведите
примеры.
7. Для каких материалов нельзя определить предел прочности при сжатии и
почему?
8. Как определить предел прочности для чугуна?
9. Как определить предел прочности дерева, сжатого вдоль волокон?
10. Как определить предел прочности дерева, сжатого поперек волокон?
11. Как уменьшить влияние сил трения между опорными поверхностями и
торцами образца?
12. Диаграмма сжатия стали.
13. Диаграмма сжатия чугуна.
14. Диаграмма сжатия дерева вдоль волокон.
15. Диаграмма сжатия дерева поперек волокон.
16. Какой из деревянных образцов прочнее: сжатый вдоль волокон или поперек
волокон?
11
Библиографический список
1. Беляев Н. М. Лабораторные работы по сопротивлению материалов. –М.:
Гостехиздат, 1964.- 286 с.,ил.
2. Афанасьев А. Ф., Марьин В. А. Лабораторный практикум по сопротивлению
материалов.- М.:Физматгиз, 1970.- 262 с., ил.
12