2.2. Експериментальні дослідження властивостей матеріалів

Щоб мати можливість судити про міцність конструкцій при навантажені, потрібно вивчити головні властивості застосовуваних матеріалів і їхнє поводження при збільшенні навантаження аж до руйнування. Для цього зразки матеріалу випробують у лабораторії на спеціальних машинах.

Металеві зразки для випробування на розтяг виготовляють у вигляді стержнів круглого або прямокутного перерізу. Круглі зразки мають на кінцях стовщення (головки), а плоскі - поширення. Цими кінцями зразки закладають у захвати випробувальної машини, після чого розтягують. Для одержання порівняльних результатів випробувань даного матеріалу, зроблених на різноманітних зразках, необхідно, щоб зразки мали певні співвідношення розмірів. Ці співвідношення і самі розміри встановлені стандартом (ДСТУ 1497-84).

Найбільш часто використовується циліндричний стандартний нормальний зразок (рис. 2.1). Діаметр перерізу d0 такого зразка може бути взятий від 3 до 25 мм.

Розрахункову довжину L 0 на зразках помічають рисками. Ця

довжина повинна бути меншою, ніж відстань між кінцівками, щоб виключити вплив способу прикладання зовнішніх сил і концентрації напружень в місцях зміни перерізу. Зона цього впливу на підставі принципу Сен-Венана не перевищує меншого розміру перерізу [4].

Особливості поведінки зразка при випробуванні на розтяг наочно ілюструються діаграмою розтягу - графіком залежності між навантаженням F та абсолютним подовженням А£. Для маловуглецевої сталі вона має вигляд, наведений на рис. 2.2.

На цій діаграмі можна відокремити три ділянки: лінійна AB; горизонтальна CD й нелінійна DHG.

На ділянці AB подовження А£ пропорційне навантаженню F, тобто дійсний закон Гука [2-3] так, що однаковим приростам DF навантаження відповідають однакові прирости А£ подовження зразка. Величина

визначає навантаження, що відповідає межі пропорційності. Дуже близьке


до нього значення F, яке визначає межу пружної роботи матеріалу, тобто відсутні деформації пластичності.

На ділянці CD подовження Лі зростають при незмінному навантаженні. Таке явище, характерне для пластичних матеріалів, називається текучістю. Текучість - критичний стан матеріалу, при якому підвищується температура, змінюється електропровідність, магнітні властивості. Fт - навантаження, що відповідає межі текучості матеріалу.

Коли зона текучості минає, навантаження знову зростає до найбільшого навантаження Fmax, після чого стрімко падає до миті розриву

зразка (точки G). Падіння навантаження після досягнення Fmax обумовлене

тим, що в цей час на зразку утворюється місцеве звуження - так звана шийка (рис. 2.3). У результаті цього несуча здатність зразка знижується. На рис. 2.3 d - діаметр шийки.

Діаграма розтягу будується для даного зразка і її масштаб залежить від розмірів останнього. Потім на основі цієї діаграми будують діаграму напружень. Залежність між напруженнями:

е=*Г , (2.1)

де  A0 - площа поперечного перерізу зразка, і відносним подовженням

e = D. (2.2)

і

0

Ця діаграма напружень є характеристикою матеріалу безвідносно до розмірів зразка (рис. 2.4). Вона містить, декілька характерних точок: F

s           - межа пропорційності (напруження, при якому

А о

порушується лінійна залежність між силою і деформацією); F

sпр      - межа пружності (напруження, при якому з'являються

А о

деформації пластичності);

sТ =  - межа текучості (напруження, яки відповідають зоні

А о

текучості);

Модуль пружності Е, що характеризує пружні якості матеріалу, та справедливий коли напруження менше ніж межа пропорційності, визначають з формули для абсолютного подовження:

Е =  , (2.3)

A0 AL

де  F - навантаження в межах пропорційності; L 0 - база вимірювального приладу;

AL - подовження бази, що відповідає навантаженню F. Замість абсолютного значення F для визначення модуля пружності можна взяти приріст навантаження AF, а також приріст подовження 8AL:

Е = ^. (2.4)

А0ЗА£

Чисельне значення модуля пружності Е для найбільш часто застосовуваних у будівництві матеріалів наведено у табл. 2.1.


Якщо по кінцях прямого бруса прикладені сили, спрямовані уздовж його осі назустріч одна одній, то в брусі виникає стиск. Довжина бруса повинна бути більш ніж у п'ять-шість разів більше меншого з його поперечних розмірів, щоб не виникало поздовжнього згинання.

Випробуванню на стискання піддають короткі зразки звичайно круглого або квадратного перерізу. Зразок поміщають між опорними плитами преса, що, зближуючись, стискують його (рис. 2.5). Але на результат досліду сильно впливає тертя, що виникає між основами зразка й опорними плитами преса. Стиснутий у поздовжньому напрямку зразок прагне розширитися в поперечних напрямках, проте у кінців зразка тертя перешкоджає такому розширенню.

Модуль пружності матеріалів зберігає ті самі визначення та позначення, що й при розтягу.

Отже, відносне покоротшання:

де h° та h - висота зразка відповідно до та після експерименту. Відносне поперечне розширення:

У = ААА° , (2.6) А °


де  А і А ° - площі перерізу зразка відповідно після та до експерименту.

З діаграми стиску м'якої сталі (рис. 2.6) видно, що в початковому періоді завантаження, як при розтягу, має місце пропорційність між силою і деформацією. Після досягнення навантаження, що відповідає межі пропорційності Рпц, лінійна залежність порушується: деформації

зростають швидше, ніж навантаження. При подальшому збільшенні стискуючої сили зростання деформацій поступово стає повільним за рахунок збільшення перерізу зразка. Оскільки зразок під дією зростаючого

навантаження поступово розплющується, визначити руйнуюче навантаження неможливо. Тому випробування переривають при деякому навантаженні Fmax, обмежуючись вивченням поведінки та характеру

деформацій пластичної сталі при стиску.


Визначення напружень за формулою (2.1):

дає дуже умовні величини через неоднаковість перерізів зразка вздовж висоти. Межу пропорційності при стиску можна визначити так само, як і при розтягу (2.1):

F

о = -пц. А °

Випробування крихкого матеріалу (чавун) на стиск звичайно проводять на зразках циліндричної форми з відношенням висоти до діаметра у межах h/d = 1...2 (рис. 2.7).


Для таких крихких матеріалів, як камінь та бетон звичайно зразок беруть у вигляді куба. Крихкі матеріали (чавун, камінь, бетон та ін.) на стиск працюють значно краще, ніж на розтяг, тому вони використовуються саме в стиснутих елементах споруд. Отже випробування на стиск для таких матеріалів є основними.

На початку дії навантаження діаграма стиску чавунного зразка дуже близька до прямої (рис. 2.8). При збільшенні навантаження діаграма суттєво викривляється, зростання деформацій випереджає зростання навантаження. Руйнування зразка відбувається миттєво при навантаженні Fmax , вздовж похилих площин (рис. 2.7), кут яких з віссю зразка складає

»45°. Цей кут нахилу площин руйнування близький до кута нахилу найбільших дотичних напружень.

Стиснутий зразок змінює попередню циліндричну форму на бочкоподібну, що свідчить про наявність невеликих пластичних деформацій.


Межу міцності чавуна визначають за формулою (2.1):

S max

Відзначимо, що діаграми стиску і розтягу крихких матеріалів мають

однакову форму, але межа міцності при стиску (5°-1°° кН/см ) в декілька разів перевищує межу міцності при розтягу (21-32 кН/см ).

Розглянемо стиск деревини, яка відноситься до анізотропних матеріалів. Величина опору деревини перш за все залежить від того, як спрямоване навантаження відносно напрямку волокон: уздовж (рис. 2.9) або поперек (рис. 2.1°). Випробування деревини на стиск звичайно проводять на зразках кубічної форми.

При стиску вздовж волокон руйнування відбувається після вичерпання міцності твердих пластинок при порівняно невеликих деформаціях. Як свідчить діаграма стиску (рис. 2.11), між навантаженнями і деформацією спостерігається пропорційність майже до руйнування.

При випробуванні на стиск поперек волокон (рис. 2.12) початок руйнування зразка помітити важко. Далі деревина ущільнюється, її опір збільшується, навантаження зростає. Тому за максимальне навантаження приймають або силу  , що відповідає межі пропорційності, або близьку

до неї Fmax. Остання відповідає навантаженню в час припинення

експерименту, коли висота зразка при стиску зменшується приблизно на 1/3 від свого початкового значення. При стиску поперек волокон руйнуються м'які шари зразка.


У результаті випробувань визначається межа міцності деревини (сосна) при стиску її уздовж і поперек волокон за формулою (2.1):

max

F

max

Межа міцності деревини при стиску вздовж волокон приблизно в 1° разів більше межі міцності поперек волокон.

Міцність деревини залежить від її вологості. З підвищенням вологості опір деревини зменшується.

п


довжина повинна у чотири-п'ять разів перевищувати ширину (рис. 2.13). Тут позначено: 1 - тензометр, який замирює деформації вздовж напрямку дії навантаження (на поздовжній осі зразка), 2 - поперек дії навантаження.

Експериментально доведено, що при одночасному розтягу (стиску) сталевого стержня останній змінює свої розміри як у поздовжньому, так і в поперечному напрямках. При розтягу поздовжні його розміри збільшуються, а поперечні - зменшуються. Здатність матеріалу до деформування характеризується відносними деформаціями:

AL

поздовжньою  є = — .

L 0

. Ab

та поперечною є = —,

b0

де AL = L1 - L 0 - абсолютна поздовжня деформація, що визначається як різниця між довжиною L1 стержня при її навантаженні і первісною довжиною L 0;

Ab = b1 - b0 - абсолютна поперечна деформація, що визначається як різниця між шириною b1 стержня при дії навантаження та первісною шириною b0.

Модуль частки, одержаної поділенням відносної поздовжньої на відносну поперечну деформацію, називається коефіцієнтом поперечної деформації або коефіцієнтом Пуассона [2-4]:

(2.7)

Коефіцієнт Пуассона залежить виключно від пружних властивостей матеріалу і постійний для нього в межах лінійної пружності. Модуль пружності та коефіцієнт Пуассона цілком характеризують пружні властивості


матеріалу. Чисельне значення коефіцієнту Пуассона \і для найбільш часто застосовуваних у будівництві матеріалів наведено у табл. 2.2.


Авторы: 239 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 268 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я