Пределы прочности при сжатии растяжении и изгибе
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 удлинение
и 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.
Источник
Сущность метода заключается в определении минимальных нагрузок, разрушающих образец.
Основная аппаратура
Чашка, изготовленная из коррозионностойкого материала, линейка, ручная мешалка, мерный цилиндр, весы с погрешностью взвешивания не более 1 г; форма из коррозионностойкого материала для изготовления образцов — балочек размерами 40х40х160 мм (рис. 5.5). Продольная и поперечные стенки форм должны быть отшлифованы вверху и снизу и плотно лежать на основании. Угол между сторонами и дном формы должен составлять (90±0,5)°.
Рис. 5.5Форма для изготовления образцов — балочек
Прибор для определения прочности на сжатие, состоящий из двух металлических нажимных пластин (рис.5.6), пресс для определения предела прочности образцов при сжатии с предельной нагрузкой до 10—20 тс.
Рис. 5. 6 Нажимная пластина для нагружения половинок образцов – балочек
Проведение испытания
Для изготовления образцов берут пробу гипсового вяжущего массой от 1,0 до 1,6 кг. Гипсовое вяжущее в течение 5—20 с засыпают в чашку, с водой, взятой в количестве, необходимом для получения теста стандартной консистенции. После засыпания вяжущего смесь интенсивно перемешивают ручной мешалкой в течение 60 с до получения однородного теста, которым заливают форму. Предварительно внутреннюю поверхность металлических форм слегка смазывают минеральным маслом средней вязкости. Отсеки формы наполняют одновременно, для чего чашку с гипсовым тестом равномерно продвигают над формой. Для удаления вовлеченного воздуха после заливки форму встряхивают 5 раз, для чего ее поднимают за торцевую сторону на высоту от 8 до 10 мм и опускают. После наступления начала схватывания излишки гипсового теста снимают линейкой, передвигая ее по верхним граням формы перпендикулярно к поверхности образцов. Через (15±5) мин после конца схватывания образцы извлекают из формы, маркируют и хранят в помещении для испытаний.
Определение прочности образцов, изготовленных из гипсового теста стандартной консистенции, производят через 2 ч после контакта гипсового вяжущего с водой.
Для проведения испытаний образец устанавливают на опоры прибора для испытания на изгиб таким образом, чтобы те грани его, которые были горизонтальными при изготовлении, находились в вертикальном положении. Схема расположения образца на опорных валиках приведена на рис. 5.7.
Рис. 5.7 Схема расположения образцов – балочек на опорных элементах
Расчет предела прочности при изгибе Rf в МПа производят по формуле
где Fтах — разрушающая нагрузка при изгибе, Н ;
l – расстояние между опорами, м;
b — ширина образца, м;
h — высота образца, м.
Предел прочности при изгибе вычисляют как среднее арифметическое результатов трех испытаний.
Полученные после испытания на изгиб шесть половинок балочек сразу же подвергают испытанию на сжатие. Образцы помещают между двумя пластинами таким образом, чтобы боковые грани, которые при изготовлении прилегали к продольным стенкам форм, находились на плоскостях пластин, а упоры пластин плотно прилегали к торцевой гладкой стенке образца (рис.3.8 ). Образец вместе с пластинами подвергают сжатию на прессе. Время от начала равномерного нагружения образца до его разрушения должно составлять от 5 до 30 с, средняя скорость нарастания нагрузки при испытании должна быть (10±5) кг/см2 в секунду.
Рис. 5.8. Схема испытания половинок балочек на сжатие
Предел прочности на сжатие одного образца определяют как частное от деления величины разрушающей нагрузки на рабочую площадь пластины, равную 25 см2. Предел прочности на сжатие вычисляют как среднее арифметическое результатов шести испытаний без наибольшего и наименьшего результатов.
Источник
ОКСТУ 5741
Дата введения 1985-07-01
1. РАЗРАБОТАН Министерством промышленности строительных материалов СССР, Центральным научно-исследовательским институтом строительных материалов им. В.А.Кучеренко (ЦНИИСК им.Кучеренко) Госстроя СССР
ВНЕСЕН Министерством промышленности строительных материалов СССР
2. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по делам строительства от 18 января 1985 г. N 11
3. ВЗАМЕН ГОСТ 8462-75
4. ССЫЛОЧНЫЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ
ПЕРЕИЗДАНИЕ. Октябрь 2001 г.
Настоящий стандарт распространяется на стеновые материалы и устанавливает методы определения предела прочности при сжатии керамического, силикатного кирпича и камней, стеновых камней бетонных и из горных пород, стеновых блоков из природного камня и предела прочности при изгибе керамического и силикатного кирпича.
1. АППАРАТУРА И МАТЕРИАЛЫ
1.1. Пресс гидравлический по ГОСТ 28840.
1.2. Линейка измерительная металлическая по ГОСТ 427.
1.3. Линейка поверочная по ГОСТ 8026.
1.4. Штангенциркуль по ГОСТ 166.
1.5. Щуп по нормативно-технической документации.
1.6. Сито с сеткой 1,25К по ГОСТ 6613.
1.7. Пластина металлическая или стеклянная размерами 270х150х5 мм. Отклонение от плоскостности пластин не должно превышать 0,1 мм.
1.8. Войлок технический толщиной 5-10 мм по ГОСТ 288.
1.9. Пластина резинотканевая толщиной 5-10 мм по ГОСТ 7338.
1.10. Картон толщиной 3-5 мм по нормативно-технической документации, утвержденной в установленном порядке.
1.11. Бумага оберточная по ГОСТ 8273.
1.12. Вода по ГОСТ 23732.
1.13. Песок кварцевый по ГОСТ 8736.
1.14. Портландцемент, портландцемент с минеральными добавками, шлакопортландцемент марки 400 по ГОСТ 10178.
1.15. Гипсовое вяжущее марки Г-16 по ГОСТ 125.
2. ПОДГОТОВКА К ИСПЫТАНИЮ
2.1. Образцы для испытания отбирают от партии. Размер партии и число образцов, подлежащих испытанию для определения пределов прочности при сжатии и изгибе, устанавливают по нормативно-технической документации на соответствующие виды стеновых материалов, утвержденной в установленном порядке.
2.2. Образцы, отобранные во влажном состоянии, перед испытанием выдерживают не менее 3 сут в закрытом помещении при температуре (20±5) °С или подсушивают в течение 4 ч при температуре (105±5) °С. Образцы, содержащие гипс, сушат в течение 8 ч при температуре, не превышающей 50 °С.
2.3. Кирпич, камни и блоки, отобранные для испытания, по внешнему виду и размерам должны удовлетворять требованиям нормативно-технической документации на эти материалы, утвержденной в установленном порядке.
2.4. Предел прочности при сжатии кирпича определяют на образцах, состоящих из двух целых кирпичей или из двух его половинок, а предел прочности при сжатии камней определяют на целом камне. Кирпич делят на половинки распиливанием или раскалыванием в соответствии со схемой, приведенной в рекомендуемом приложении 1.
Допускается определять предел прочности при сжатии на половинках кирпича, полученных после испытания его на изгиб.
Кирпичи или его половинки укладывают постелями друг на друга. Половинки размещают поверхностями раздела в противоположные стороны.
2.5. При подготовке образцов выравниванию подлежат поверхности, которые в конструкции располагаются перпендикулярно направлению сжимающей нагрузки.
2.6. Образцы из керамического кирпича и камня пластического формования изготавливают, соединяя части образца и выравнивая их опорные поверхности цементным раствором в соответствии с приложением 2.
Образцы из силикатного кирпича и камня и керамического кирпича полусухого прессования испытывают насухо, не производя выравнивания их поверхностей цементным раствором.
2.7. Предел прочности при сжатии бетонных камней определяют на целом камне. Опорные поверхности образцов выравнивают цементным раствором, если их отклонение от плоскостности превышает 0,3 мм.
2.8. Предел прочности при сжатии камней из горных пород и блоков из природного камня определяют на образцах, размеры которых указаны в нормативно-технической документации на эти виды стеновых материалов, утвержденной в установленном порядке. Опорные поверхности образцов выравнивают шлифованием или цементным раствором. Отклонение от плоскостности шлифованных поверхностей образцов не должно превышать 0,1 мм.
2.9. Допускается при определении предела прочности при сжатии керамического кирпича и камней пластического формования изготавливать образцы, выравнивая их опорные поверхности шлифованием, гипсовым раствором или применяя прокладки из технического войлока, резинотканевых пластин, картона и других материалов.
Образцы, изготовленные с применением гипсового раствора, испытывают не ранее чем через 2 ч после начала схватывания. Толщина слоя раствора должна быть не более 5 мм, водогипсовое отношение 0,32-0,35.
В случае проверки потребителем, а также при арбитражных проверках образцы для определения предела прочности при сжатии кирпича и камней пластического формования изготовляют в соответствии с п.2.6.
2.10. Предел прочности при изгибе керамического и силикатного кирпича определяют на целом кирпиче.
В местах опирания и приложения нагрузки поверхность кирпича пластического формования выравнивают цементным или гипсовым раствором, шлифованием или применяют прокладки по п.2.9. Кирпич с несквозными пустотами устанавливают на опорах так, чтобы пустоты располагались в растянутой зоне образца.
Силикатный кирпич и керамический кирпич полусухого прессования испытывают на изгиб без применения растворов и прокладок.
3. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ
3.1. Образцы измеряют с погрешностью до 1 мм. Каждый линейный размер образца вычисляют как среднее арифметическое значение результатов измерений двух средних линий противолежащих поверхностей образца.
Диаметр цилиндра вычисляют как среднее арифметическое значение результатов четырех измерений: в каждом торце по двум взаимно перпендикулярным направлениям.
3.2. Испытание образцов на сжатие
На боковые поверхности образца наносят вертикальные осевые линии. Образец устанавливают в центре плиты пресса, совмещая геометрические оси образца и плиты, и прижимают верхней плитой пресса.
Нагрузка на образец должна возрастать непрерывно и равномерно со скоростью, обеспечивающей его разрушение через 20 — 60 с после начала испытания.
3.2.1. Предел прочности при сжатии , МПа (кгс/см), образца вычисляют по формуле
, (1)
где — наибольшая нагрузка, установленная при испытании образца, МН (кгс);
— площадь поперечного сечения образца, вычисляемая как среднее арифметическое значение площадей верхней и нижней его поверхностей, м(см).
При вычислении предела прочности при сжатии образцов из двух целых кирпичей толщиной 88 мм или из двух их половинок результаты испытаний умножают на коэффициент 1,2.
При вычислении пределов прочности при сжатии образцов-кубов и образцов-цилиндров из природного камня результаты испытаний умножают на коэффициент, указанный в таблице.
Размер ребра куба или диаметра и высоты цилиндра (), мм | Коэффициент для образцов | |
кубов | цилиндров | |
200 | 1,05 | — |
150 | 1,00 | 1,05 |
100 | 0,95 | 1,02 |
70 | 0,85 | 0,91 |
от 40 до 50 | 0,75 | 0,81 |
При вычислении предела прочности при сжатии образцов из керамического кирпича и камней пластического формования, изготовленных по п.2.9, результаты испытаний умножают на коэффициент, вычисленный в соответствии с обязательным приложением 3.
Предел прочности при сжатии образцов в партии вычисляют с точностью до 0,1 МПа (1 кгс/см) как среднее арифметическое значение результатов испытаний установленного числа образцов.
3.3. Испытание образцов на изгиб
Образец устанавливают на двух опорах пресса. Нагрузку прикладывают в середине пролета и равномерно распределяют по ширине образца согласно чертежу. Нагрузка на образец должна возрастать непрерывно со скоростью, обеспечивающей его разрушение через 20 — 60 с после начала испытаний.
Схема испытания кирпича на изгиб
Схема испытания кирпича на изгиб
3.3.1. Предел прочности при изгибе , МПа (кгс/см), образца вычисляют по формуле
, (2)
где — наибольшая нагрузка, установленная при испытании образца, МН (кгс);
— расстояние между осями опор, м (см);
— ширина образца, м (см);
— высота образца посередине пролета без выравнивающего слоя, м (см).
Предел прочности при изгибе образцов в партии вычисляют с точностью до 0,05 МПа (0,5 кгс/см) как среднее арифметическое значение результатов испытаний установленного числа образцов.
При вычислении предела прочности при изгибе образцов в партии не учитывают образцы, пределы прочности которых имеют отклонение от среднего значения предела прочности всех образцов более чем 50% и не более чем по одному образцу в каждую сторону.
Приложение 1 (рекомендуемое). Схема раскалывания кирпича в прессе
Приложение 1
Рекомендуемое
Схема раскладывания кирпича в прессе
1 — образец; 2 — основание; 3 — металлический нож; 4 — упор; 5 — резиновые прокладки; 6 — плита пресса
Приложение 2 (обязательное). Изготовление образцов из керамического кирпича и камня пластического формования для определения предела прочности при сжатии
Приложение 2
Обязательное
Образцы из двух кирпичей или двух половинок кирпича изготавливают в следующей последовательности.
Приготавливают раствор из равных по массе частей цемента марки 400 и песка, просеянного через сито с сеткой N 1,25 (В/Ц=0,40 — 0,42). Кирпичи или его половинки полностью погружают в воду на 1 мин. Затем на горизонтально установленную пластину укладывают лист бумаги, слой раствора толщиной не более 5 мм и первый кирпич или его половинку, затем опять слой раствора и второй кирпич или его половинку.
Излишки раствора удаляют, а края бумаги загибают на боковые поверхности образца. В таком положении образец выдерживают 30 мин.
Затем образец переворачивают и в таком же порядке выравнивают другую опорную поверхность образца.
Отклонение от параллельности выравненных опорных поверхностей образца, определяемое по максимальной разности любых двух его высот, не должно превышать 2 мм.
Образец из камня изготавливают в той же последовательности, выравнивая опорные поверхности.
Образец выдерживают 3 сут в помещении при температуре (20±5) °С и относительной влажности воздуха 60 — 80%.
Приложение 3 (обязательное). Определение коэффициента перехода от предела прочности при сжатии образцов, изготовленных в соответствии с п.2.9. настоящего стандарта, к пределу прочности при сжатии образцов, изготовленных в соответствии с п.2.6 настоящего
Приложение 3
Обязательное
Для определения коэффициента испытывают образцы, отобранные от десяти партий кирпича или камней пластического формования. От каждой партии испытывают пять образцов, изготовленных в соответствии с п.2.6, и столько же образцов, изготовленных в соответствии с п.2.9.
Коэффициент вычисляют по формуле
,
где — предел прочности при сжатии образцов, отобранных от десяти партий кирпича или камней и изготовленных в соответствии с п.2.6, вычисленный как среднее арифметическое значение результатов испытаний 50 образцов, МПа (кгс/см);
— предел прочности при сжатии образцов, отобранных от десяти партий кирпича или камней и изготовленных в соответствии с п.2.9, вычисленный как среднее арифметическое значение результатов испытаний 50 образцов, МПа (кгс/см).
Коэффициент определяют при изменении технологии, но не реже одного раза в год.
Электронный текст документа
подготовлен АО «Кодекс» и сверен по:
официальное издание
М.: ИПК Издательство стандартов, 2001
Источник