Предел прочности материалов при изгибе растяжении

Прочность – свойство материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами или другими факторами.

Прочность строительных материалов, как правило, оценивают временным сопротивлением или пределом прочности (R),определенным при данном виде деформации. Для хрупких материалов (природные камни, кирпич, бетон и др.) основной прочностной характеристикой является предел прочности при сжатии (RСЖ) и предел прочности при изгибе (RИЗГ),а для эластичных материалов(полимеры, древесина, металл) –предел прочности при растяжении (RР).

Численно предел прочности равен напряжению, соответствующему нагрузке, вызвавшей разрушение образца материала.

Предел прочности при сжатии (предел прочности при растяжении ) равен разрушающей силе, приходящейся на 1 м2 первоначального сечения материала в момент разрушения образца:

,(18)

где и — соответственно предел прочности при сжатии и растяжении, МПа;

и — разрушающее усилие при сжатии и растяжении, Н;

— площадь поперечного сечения испытываемого образца, м2.

Предел прочности естественных или искусственных каменных материалов определяют путем испытания образцов материала стандартных формы и размеров. Поскольку материалы неоднородны по своей структуре, предел прочности определяют как средний результат испытания серии образцов, не менее трех. Форма стандартных образцов при определении предела прочности при сжатии ( ) — куб, цилиндр, призма; при растяжении ( ) – стержень, «восьмерка», призма.

Предел прочности при изгибе (МПа) определяют путем испытания образца материала в виде призм (балочек) на двух опорах. Их нагружают одной или двумя сосредоточенными силами до разрушения:

, (19)

где — предел прочности при изгибе, МПа;

— наибольший изгибающий момент, Н;

— момент сопротивления сечения образца, м2.

Предел прочности при изгибе вычисляют по формулам:

а) при одной сосредоточенной нагрузке

, (20)

б) при двух равных нагрузках, рассредоточенных симметрично оси балки

, (21)

где F— разрушающая нагрузка, Н;

— расстояние между опорами, м;

и — ширина и высота поперечного сечения балки, м.

Коэффициент конструктивного качества материала —равен отношению показателя прочности, МПа, к относительной плотности d:

. (22)

Лучшие конструкционные материалы имеют высокую прочность при малой плотности.

Коэффициент размягчения —отношение прочности материала, насыщенного водой , к прочности сухого материала :

. (23)

Коэффициент размягчения характеризует водостойкость материала, он изменяется от 0 (размокающие глины и др.) до 1 (металлы и др.). Природные и искусственные каменные материалы не применяют в строительных конструкциях, находящихся в воде, если их коэффициент размягчения меньше 0,8.

Хрупкость –свойство твердых тел разрушаться при механических воздействиях без значительной пластической деформации. Хрупкость присуща не только кристаллическим, но и стеклообразным и даже полимерным материалам, условно характеризуется «мерой хрупкости» , которая выражается отношением упругой деформации к предельной :

. (24)

На хрупкое состояние материала влияют в основном два внешних фактора: температурный и механический. Многие материалы при понижении температуры резко снижают свои пластические свойства, например битумные материалы (нефтяные битумы при температуре ниже 20 оС теряют пластичность и разрушаются хрупко), полимеры, металлы и др.

Эластичность(гибкость, тягучесть)– способность материала или изделия испытывать значительные упругие (обратимые) деформации без разрушения при сравнительно небольших усилиях (каучуки, резина, некоторые полимеры – эластомеры).

Упругие деформации эластомеров достигают 100% и более.

Твердость – свойство материала сопротивляться упругой и пластической деформации при вдавливании в него стандартного тела (более твердого) в условиях неравномерного сжатия.

Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него другого боле твердого тела.

Твердость– структурная характеристика материала и не всегда зависит от прочности материала. Для определения твердости существует несколько методов.

Твердость древесины, бетона, металлов и сплавов определяют, вдавливая в образцы стальной шарик. О величине твердости судят по глубине вдавливания шарика или по диаметру полученного отпечатка. Твердость природных материалов определяют по шкале твердости (метод Мооса), в которой десять специально подобранных минералов расположены в такой последовательности, когда следующий по порядку минерал оставляет черту (царапину), на предыдущем, а сам не прочерчивается.

1) Тальк (Mg3[Si4O10]·[OH]2) — легко чертится ногтем

2) Гипс (CaSO4·2H2O) — чертится ногтем

3) Кальцит (CaCO3) — легко чертится стальным ножом

4) Плавиковый шпат (CaF2) — чертится стальным ножом под

небольшим нажимом

5) Апатит (Ca5[PO4]3F — чертится стальным ножом под

большим нажимом

6) Полевой шпат (ортоклаз)

(K[AlSi3O8]) — слегка царапает стекло

7) Кварц (SiO2) — легко чертит стекло

8) Топаз (Al2[Si4O]·[F, OH]2)

9) Корунд (Al2J3)

10) Алмаз (C)

Кварц, топаз, корунд, алмаз – применяются в качестве абразивных (истирающих и шлифующих) материалов.

От твердости материалов зависит их истираемость.

Истираемость –свойство материала изменяться в объеме и массе под воздействием истирающих усилий.

От сопротивления истираемости материалов зависит возможность их применения для устройства полов, ступеней, лестниц, тротуаров и дорог.

При эксплуатации, например, материалы верхнего слоя покрытия в полах и на дорогах воспринимают, кроме истирающих воздействий, ударные воздействия.

Сопротивление ударуматериалов оценивают пределом прочности при ударе.

Предел прочности при ударе, Дж/м3,характеризуется количеством работы, затраченной на разрушение образца, отнесенного к единице объема материала.

Испытание материалов на удар производят на специальном приборе – копре.

Износ – разрушение материала при совместном действии истирания и удара.

На износ материалы испытывают в специальных вращающихся барабанах со стальными шарами или без них.

Долговечность и надежность

5.1 Долговечность– свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния с не обходимыми перерывами на ремонт. Предельное состояние определяется степенью разрушения изделия, требованиями безопасности или экономическими соображениями. Долговечность строительных изделий измеряют сроком службы без потери эксплуатационных качеств в конкретных климатических условиях и в режиме эксплуатации. Например, для железобетонных конструкций нормами предусмотрены три степени долговечности: 1-ая — не менее 100 лет, 2-ая – не менее 50 лет, 3-я — не менее 20 лет. Долговечность определяется совокупностью физических, механических и химических свойств материала. Ее нужно оценивать применительно к конкретным условиям эксплуатации. О долговечности судят, подвергая материалы испытаниям, которые по возможности воспроизводят воздействия в натуре. Моделирование воздействий среды в условиях лабораторных испытаний достаточно сложная задача. Лабораторные испытания сочетают с натурными испытаниями.

5.2 Надежность – проявление всех свойств материалов в процессе эксплуатации. Надежность складывается из долговечности, безотказности, ремонтопригодности и сохраняемости.

Безотказность – свойство изделия сохранять работоспособность в определенных режимах и условиях эксплуатации в течение некоторого времени без вынужденных перерывов на ремонт.

Ремонтопригодность – свойство изделия, характеризующее его приспособленность к восстановлению исправности и сохранению заданной технической характеристики в результате предупреждения, выявления и устранения отказов.

Сохраняемость — свойство изделия сохранять обусловленные эксплуатационные показатели в течение и после срока хранения и транспортирования, установленного технической документацией. Сохраняемость оценивают количественно временем хранения и транспортирования до возникновения неисправности.



Определение механических свойств выполняется при различных условиях. В зависимости от скорости приложения нагрузки различают статические и динамические испытания. При статических испытаниях нагрузка прилагается медленно и плавно возрастает; при динамических – с высокой скоростью. Испытания могут выполняться при нормальной (комнатной), пониженной или повышенной температуре.

Наиболее распространенными механическими характеристиками являются: твердость, пределы прочности и упругости, ударная вязкость. Определяют также предел выносливости и предел ползучести.

Статические испытания

Определение прочноети при испытаниях на растяжение, сжатие, изгиб и кручение

Значение предела прочности материала зависит от схемы приложения нагрузки. Применяют различные методы определения прочности – при растяжении, сжатии, изгибе, кручении. Эти испытания отличаются соотношением между максимальными касательными и нормальными напряжениями, возникающими при приложении нагрузки, т.е. разной «жесткостью», которую характеризуют коэффициентом жесткости ; чем больше доля нормальных напряжений, т.е. меньше значение, тем жестче испытания.

Наиболее жесткими являются испытания на одноосное растяжение (, т.е. нормальные напряжения в два раза превышают касательные); наиболее мягкие – испытания на одноосное сжатие (α = 2, т.е. величина касательных напряжений вдвое превосходит нормальные). Между ними располагаются испытания на кручение (α = 0,8) и более жесткое (чем кручение) испытание на изгиб, при котором возникает неоднородное напряженное состояние – от растяжения (α = 0,5 – часть образца ниже нейтральной линии) до сжатия (α = 2 – часть образца выше нейтральной линии).

Выбор метода испытаний определяется свойствами материалов – пластичностью, твердостью. Для определения предела прочности следует выбирать наиболее информативный метод испытаний. Чем пластичнее материал, тем более «жесткими» должны быть испытания, и наоборот.

Для некоторых материалов определенные методы испытаний просто не применимы. Так, например, пластичные материалы (медь, алюминий и их сплавы, мягкие стали) нс разрушаются при испытаниях на изгиб, они изгибаются до соприкосновения концов образца. Для них прочность определяется испытаниями на растяжение.

Для твердых хрупких материалов жесткие испытания на растяжения неинформативны. Чем жестче испытания, тем меньше значения предела прочности; это снижает точность определений и не позволяет достаточно надежно выявить различие в свойствах разных материалов. Так, например, предел прочности быстрорежущей стали Р18 с высокой твердостью (63 IIRC) составляет при испытаниях на растяжение 1900…2000 МПа, а при испытаниях па изгиб – 2700…3000 МПа.

Испытания на растяжение выполняют на разрывных машинах. На этих же установках с помощью специальных приспособлений проводятся испытания на изгиб и сжатие. Для испытаний на кручение требуются специальные установки.

Испытания на растяжение (α = 0,5) – наиболее распространенный метод определения прочности конструкционных материалов. Наряду с пределом прочности при этих испытаниях определяют предел текучести и характеристики пластичности материала – относительное удлинение и сужение.

Испытания выполняются на разрывных машинах с использованием специальных образцов (рис. 2.1). Головки образцов помещаются в зажимы разрывной машины, и образцы растягивают до разрушения.

В процессе приложения нагрузки в образце возникает напряжение (σ), равное отношению приложенного усилия

Рис. 2.1. Образец для испытаний на растяжение

(P) к площади поперечного сечения образца (F): [МПа или кгс/мм2]. Под действием приложенной нагрузки возникает деформация – изменение размеров образца. Деформация может быть упругой или пластической.

Упругая деформация полностью снимается (исчезает) после снятия нагрузки и не приводит к изменениям в структуре и в свойствах материала. Различают абсолютную и относительную деформацию. Абсолютная () – изменение размера (длины образца при испытаниях на растяжение), относительная () – отношение абсолютной деформации к первоначальной длине (/), т.е. .

Между напряжением и величиной относительной упругой деформации существует линейная зависимость – закон Гука: , где Е – модуль упругости, характеризующий жесткость материала, т.е. способность сопротивляться упругим деформациям.

Пластическая деформация не исчезает после снятия нагрузки (согните алюминиевую проволоку; после того как нагрузка снята, проволока не разгибается – она пластически деформирована).

При испытаниях на растяжение строится диаграмма в координатах «относительное удлинение – напряжение » (рис. 2.2). Определяются: предел прочности (временное сопротивление разрыву); предел пропорциональности () – максимальное напряжение, при котором отсутствует

Рис. 2.2. Диаграмма растяжения:

– предел пропорциональности; – предел тякучести; – предел прочности; – упругая деформация; – пластическая деформация

пластическая деформация. Поскольку точное определение предела пропорциональности затруднено, в практике измеряют предел текучести () – напряжение, вызывающее остаточную деформацию определенной величины, например () – напряжение, при котором остаточная деформация равна 0,2% от первоначальной длины образца. Для более точного определения предела пропорциональности определяют , или .

Перед разрушением образец претерпевает пластическую деформацию, он удлиняется, при этом происходит образование шейки (рис. 2.3)– уменьшение диаметра. Относительное удлинениеи относительное сужение (здесь и – начальная до испытаний и конечная минимальная площадь образца, т.е. площадь шейки после разрушения) характеризуют пластичность материала. Чем больше эти характеристики, тем материал пластичнее.

Рис. 2.3. Разрушенный образец после испытаний на растяжение

Испытания на изгиб (α от 0,5 до 2) проводят для материалов с высокой твердостью – свыше 52…53 HRC. Это закаленные инструментальные и быстрорежущие стали, твердые сплавы и др. Преимущества этого метода при определении прочности твердых инструментальных материалов заключаются в том, что напряженное состояние материала при испытаниях и возникающее при работе инструмента близки. При испытаниях на изгиб твердых материалов достигается бо́льшая точность, чем при испытаниях на растяжение. Во-первых, устраняется существенный недостаток испытаний на растяжение – перекосы (от неточности установки образа) при приложении нагрузки, а во-вторых, за счет больших значений предела прочности вследствие более мягких условий испытаний на изгиб.

Испытания проводят в основном на сосредоточенный изгиб (рис. 2.4). Предел прочности () определяют по известной формуле сопротивления материалов: , где М – разрушающий изгибающий момент, (Р – измеренная при испытании разрушающая сила; l – расстояние между опорами); W – момент сопротивления сечению.

Для образцов прямоугольного сечения , для круглого . Эти значения момента сопротивления справедливы для случаев, когда разрушение происходит без пластического деформирования, т.е. для материалов с весьма высокой твердостью – свыше 65…66 HRC (это твердые сплавы, режущая керамика). Для материалов с меньшей твердостью, разрушению которых предшествует пластическая деформация (большинство случаев), следует использовать исправленное увеличенное значение момента сопротивления. Для образцов прямоугольного сечения ; для образцов круглого сечения .

Испытания на кручение (α = 0,8) выполняют как для хрупких, так и для пластичных материалов. Они целесообразны для определения пределов прочности, текучести материалов, из которых изготавливают детали, работающие на кручение (например, торсионные валы). Стандартные испытания проводят на цилиндрических образцах с головками. Один конец образца закреплен неподвижно, второй зажат во вращающейся части испытательной машины (рис. 2.5).

При кручении цилиндрического образца возникает напряженное состояние чистого сдвига. В испытаниях определяют пределы текучести и прочности при сдвиге Эти характеристики определяют из следующих уравнений:

где – разрушающий крутящий момент; – крутящий момент, вызываю-

Рис. 2.4. Схема испытаний на сосредоточенный изгиб

Рис. 2.5. Схема испытаний на кручение

щий остаточную деформацию определенной величины, например 0,2% (тогда получим предел текучести при сдвиге ); – момент сопротивления кручению (полярный момент;. Для круглого сечения .

Испытания на кручения могут выполняться как натурные – на готовых деталях или инструментах. Так определяют, в частности, прочность сверл, косвенно оценивая прочность по величине разрушающего крутящего момента.

Испытания на сжатие (α = 2) являются мягким видом испытаний. Его используют для определения прочности хрупких материалов – чугун, бетон. Пластичные материалы при сжатии могут не разрушиться, а сплющиться.

Образцы из металлических материалов – цилиндрические с отношением высоты к диаметру 1…2. Так, для стандартных испытаний чугуна рекомендуются образцы диаметром 10…25 мм и высотой, равной диаметру.

Предел прочности при сжатии определяется как отношение разрушающей силы к площади первоначального сечения: (МПа или кгс/мм2].

На сжатие испытывают весьма хрупкие материалы, в частности алмаз, при этом достигается бо́льшая точность, чем при испытаниях па изгиб, из-за больших абсолютных значений предела прочности при сжатии. Так, пределы прочности алмаза при сжатии и изгибе соответственно равны 2000 и 500 МПа. Эти испытания выполняют на специальных установках для малых образцов.