Прочность при сжатии изгибе растяжении
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 24 сентября 2019; проверки требуют 8 правок.
Преде́л про́чности — механическое напряжение , выше которого происходит разрушение материала. Иначе говоря, это пороговая величина, превышая которую механическое напряжение разрушит некое тело из конкретного материала. Следует различать статический и динамический пределы прочности. Также различают пределы прочности на сжатие и растяжение.
Величины предела прочности[править | править код]
Статический предел прочности[править | править код]
Статический предел прочности, также часто называемый просто пределом прочности есть пороговая величина постоянного механического напряжения, превышая который постоянное механическое напряжение разрушит некое тело из конкретного материала. Согласно ГОСТ 1497-84 «Методы испытаний на растяжение», более корректным термином является временное сопротивление разрушению — напряжение, соответствующее наибольшему усилию, предшествующему разрыву образца при (статических) механических испытаниях. Термин происходит от представления, по которому материал может бесконечно долго выдержать любую статическую нагрузку, если она создаёт напряжения, меньшие статического предела прочности, то есть не превышающие временное сопротивление. При нагрузке, соответствующей временному сопротивлению (или даже превышающей её — в реальных и квазистатических испытаниях), материал разрушится (произойдет дробление испытываемого образца на несколько частей) спустя какой-то конечный промежуток времени (возможно, что и практически сразу, — то есть не дольше чем за 10 с).
Динамический предел прочности[править | править код]
Динамический предел прочности есть пороговая величина переменного механического напряжения (например при ударном воздействии), превышая которую переменное механическое напряжение разрушит тело из конкретного материала. В случае динамического воздействия на это тело время его нагружения часто не превышает нескольких секунд от начала нагружения до момента разрушения. В такой ситуации соответствующая характеристика называется также условно-мгновенным пределом прочности, или хрупко-кратковременным пределом прочности.
Предел прочности на сжатие[править | править код]
Предел прочности на сжатие есть пороговая величина постоянного (для статического предела прочности) или, соответственно, переменного (для динамического предела прочности) механического напряжения, превышая который механическое напряжение в результате (за конечный достаточно короткий промежуток времени) сожмет тело из конкретного материала — тело разрушится или неприемлемо деформируется.
Предел прочности на растяжение[править | править код]
Предел прочности на растяжение есть пороговая величина постоянного (для статического предела прочности) или, соответственно, переменного (для динамического предела прочности) механического напряжения, превышая который механическое напряжение в результате (за конечный достаточно короткий промежуток времени) разорвет тело из конкретного материала. (На практике, для детали какой либо конструкции достаточно и неприемлемого истончения детали.)
Другие прочностные параметры[править | править код]
Мерами прочности также могут быть предел текучести, предел пропорциональности, предел упругости, предел выносливости, предел прочности на сдвиг и др. так как для выхода конкретной детали из строя (приведения детали в негодное к использованию состояние) часто достаточно и чрезмерно большого изменения размеров детали. При этом деталь может и не разрушиться, а лишь только деформироваться. Эти показатели практически никогда не подразумеваются под термином «предел прочности».
Прочностные особенности некоторых материалов[править | править код]
Значения предельных напряжений (пределов прочности) на растяжение и на сжатие у многих материалов обычно различаются.
У композитов предел прочности на растяжение обычно больше предела прочности на сжатие. Для керамики (и других хрупких материалов) — наоборот, характерно многократное превышение пределом прочности на сжатие предела прочности на растяжение. Для металлов, металлических сплавов, многих пластиков, как правило, характерно равенство предела прочности на сжатие и предела прочности на растяжение. В большей степени это связано не с физикой материалов, а с особенностями нагружения, схемами напряженного состояния при испытаниях и с возможностью пластической деформации перед разрушением.
Прочность твёрдых тел обусловлена в конечном счёте силами взаимодействия между атомами, составляющими тело. При увеличении расстояния между атомами они начинают притягиваться, причем на критическом расстоянии сила притяжения по абсолютной величине максимальна. Напряжение, отвечающее этой силе, называется теоретической прочностью на растяжение и составляет σтеор ≈ 0,1E, где E — модуль Юнга . Однако на практике наблюдается разрушение материалов значительно раньше, это объясняется неоднородностями структуры тела, из-за которых нагрузка распределяется неравномерно.
Некоторые значения прочности на растяжение в МПа (1 кгс/мм² = 100 кгс/см² ≈ 10 МН/м² = 10 МПа) (1 МПа = 1 Н/мм² ≈ 10 кгс/см²)[1]:
| Материалы | , МПа | |
|---|---|---|
| Бор | 5700 | 0,083 |
| Графит (нитевидный кристалл) | 2401 | 0,024 |
| Сталь 60С2А рессорно-пружинная | 1570 (после термообработки) | 0,0074 |
| Сапфир (нитевидный кристалл) | 1500 | 0,028 |
| Железо (нитевидный кристалл) | 1300 | 0,044 |
| Тянутая проволока из высокоуглеродистой стали | 420 | 0,02 |
| Тянутая проволока из вольфрама | 380 | 0,009 |
| Стекловолокно | 360 | 0,035 |
| Сталь Ст0 обыкновенного качества | 300 | 0,0017 |
| Нейлон | 50 | 0,0025 |
См. также[править | править код]
- Теоретический предел прочности
Примечания[править | править код]
- ↑ Диапазон пределов прочности для стали составляет 500—3000 МПа (Б. Н. Арзамасов, В. А. Брострем, Н. А. Буше и др. Конструкционные материалы. Справочник. — М.: Машиностроение, 1990. — 688 с.).
Источник
Бетон используется во всех отраслях строительства. Обусловлено это высокой прочностью материала. Однако он также может иметь некоторые недостатки.
Показатель прочности при сжатии у бетона один из самых высоких среди аналогичных материалов, а вот прочность на растяжении или при изгибе значительно уступает.
На самом деле узнать свойства бетона крайне сложно, зная только вычислительные величины и соотношение отдельно взятых компонентов. Поэтому существует целый ряд методов и приёмов испытаний бетона на изгиб. Поговорим отдельно про каждый из них.
Как проводится испытание бетона на изгиб
Как правило, бетон не используется для работы на растяжение, тем не менее крайне важно знать его показатель предельной величины прочности на растяжение. Это стоит делать для того, что знать нагрузку, при которой возможно образование трещин, так как отсутствие подобной деформации необходимо для сохранения целостности конструкции и предупреждения разложения и коррозии. Трещины могут возникать при использовании высокопрочной арматуры из стали или при действии сдвигающей силы при диагональных напряжениях. Однако самой частой причиной возникновения щелей становится перепады температуры и усадка здания.
В большинстве случаев при проектировании не принимается во внимание прочность бетона на растяжении, хотя данный показатель позволяет понять поведение конструкции в будущем.
Прямое приложение силы растяжения без числовой характеристики конического сечения (степень отклонения от окружности) создать крайне сложно, т.к. возможно воздействие вторичного напряжения забетонированными стержнями.
Поэтому из-за таких проблем прочность бетона на растяжение измеряется путем изгиба прямого бетонного бруса без армирования. Максимальное значение растягивающего напряжения, которое образуется в нижних нитях испытуемой части, называется предел прочности на изгибе. Теоретический показатель вполне оправданно применим, т.к. напряжение взаимозависимо расстоянию от нейтральной оси.
График распределения величины нагрузки на бетон (которая предельно близка к разрушению) не является треугольным. Поэтому предел прочности на самом изгибе выше прочности на растяжение и обладает превышенным значением прочности, которое могло бы получиться при прямом растяжении испытуемых бетонных частей. Однако испытание оказывается весьма полезным, например, при конструировании дорожных плит и взлетно-посадочных полос в аэропортах, потому что напряжение не является в данных случаях критической определяющей.
Проверка качества бетона при изгибе и растяжении
Возможность бетона выдерживать нагрузки и не трескаться определяется значением растяжения. Данный показатель важен для железобетонной конструкции с целью исключения образования коррозии и увеличения эксплуатационного периода. Именно для этого и проводится испытание бетона на растяжение.
На самом деле сгенерировать нужную растягивающую силу крайне сложно, поэтому зачастую во время испытаний используется брус без армирования в качестве испытательного пресса. Определяющим в данной ситуации является показатель растяжения в нижних волокнах. Это и станет пределом прочности на изгибе. Можно отметить, что более точным будет именно показатель изгиба, а не растяжение.
Максимальный показатель прочности на изгиб определяется несколькими факторами: параметры испытуемой части и условия подаваемой нагрузки.
Существует две нагрузочные системы:
— симметричная. Создается константный изгиб между 2-мя отдельно взятыми точками;
— центральная. Образуется в середине пролета.
Метод симметрии позволяет определить более слабое место, где в будущем возможно образование трещин.
Определение прочности бетона на осевое растяжение
Основными предпосылками для испытания бетона на осевое растяжение выступают использование в перекрытиях и основаниях конструкционного бетона, а также использование гидротехнического раствора. Прочность определяется величиной сопротивления растяжению на оси или прочности на осевом растяжении. Обозначается сочетанием букв «Rt» и определяется по методике ГОСТ 10180-2012. Основные постулаты испытаний сохраняются, т.к. они аналогичны указанным параметрам во второй части десятого пункта.
Чтобы определить прочность на осевом растяжении, используются стандартные образцы 8-ки в 3-х вариантах. Рабочее сечение равняется 10*10 см и 15*15 см (это базовый экземпляр), а также 20*20 см.
Основная аппаратура
Для испытательных мероприятий используется разрывная машина и дополнительные приборы, которые указаны в ГОСТах.
Алгоритм проведения испытаний
Выбранный образец крепится таким образом: ось образца должна проходить в центре каждого из захватов. Нагрузка подается постоянно с усилием (до полного уничтожения образца), равным показателю 52 кПа/с.
Прочность бетона на изгиб
В большинстве случаев устойчивость к изгибу будет меньше показателя на сжатие практически в десять раз (при условии, что возраст бетона составляет 28 дней). Низкое значение обусловлено наличием трещин в нижней части структуры. По этой причине все железобетонные элементы оснащаются специальной арматурой ребристой формы, которая используется при возведении фундамента.
В случае испытания бетона могут использоваться различные параметры, однако особое внимание должно уделяться прочности на изгиб. Предел данного значения напрямую зависит от нескольких параметров: размера балки и уровня нагрузки. Узнать данный показатель можно по специальным методикам, которые мы приведем ниже.
Методика испытаний бетона на изгиб
Как правило, все операции проводятся с балками, которые должны иметь стандартные значения. Это в значительной степени снизит показатель погрешности и исключит вероятность ошибок в вычислениях всех данных. Линейный элемент подвергается испытанию с помощью прикладывания некоторых усилий в третьей части пролета. Для этого надо прибегнуть к использованию специализированного гидравлического оборудования.
Для чего это надо? Такая техника позволит добиться сильного показателя давления, которое способно разрушить экземпляр. Это значение и станет определяющим показателем прочности конструкции на изгиб.
Стоит иметь в виду, что данная величина всегда будет меньше в сравнении с вертикальным сдавливанием. Показатель прочности важен для использования дорожных плит, т.е. для тех строений, на которых давление оказывается горизонтальным (или используются дополнительные воздействия), а не вертикальным способом.
На сегодняшний день существует конкретная классификация моделей бетона, соответствующего стандартам М5-М50. Шаг равен пяти единицам (это также стоит учитывать). Важно отметить, что на практике значение давления не должно превышать 6 Мпа.
Как мы указывали выше, этот показатель является низким даже для самых устойчивых типов раствора. Такое положение дел обусловлено конструктивными особенностями бетона. Самым эффективным способом улучшения показателя считается использование каркасной основы. Как правило, это арматура, части которой соединены между собой.
Металлические составляющие должны иметь рифленую поверхность за счет чего в несколько раз увеличивается коэффициент сцепления. Поэтому изгиб менее подвержен механическому воздействию и не разрушается так быстро. В большинстве случаев используется металлическая основа, но допустимы и другие варианты.
Важным моментом выступает тот факт, что показатель прочности может меняться в течение всего эксплуатационного периода конструкции. Для тех, кто хочет детальнее ознакомиться с измерением данного параметра стоит изучить специализированный государственный стандарт, который называется «ГОСТ 310.4-81». Именно в нем подробно указаны все предельно допустимые параметры и технологии измерений значений изгиба и растяжения бетонных конструкций.
Подготовка к испытаниям
Для проведения всех испытаний лицо, ответственное за мероприятие, должно подготовить несколько образцов, которые выполняются в форме брусков. Размер должны быть следующие (значение указано в метрах):
— 0,2*0,2*0,8;
— 0,1*0,10*0,4;
— 0,15*0,15*0,6 (такой показатель является оптимальным для исследования).
В случае использования брусков других размеров к ним применяются масштабные коэффициенты, которые способны привести к эталону (вариант №3). Однако такие размеры имеют увеличенный вес, что в значительной степени добавляет сложности в проведении испытания.
Изготовление элементов
В период заполнения специальных форм бетонным раствором специалист должен провести армирование штыковым способом с помощью металлического стержня. Делается это для максимального уплотнения смеси. Формы должны полностью высохнуть. Отметим, что для окончательного схватывания требуется от 24 до 48 ч.
После затвердевания форм их необходимо раскрыть и полностью избавить от защитных элементов. Поверхность каждого элемента маркируется: указывается класс бетона, дата формирования, использования специальные примеси и прочие характеристики.
Хранение форм
После затвердения все элементы укладываются в лабораторный шкаф, где они должны пролежать 28 дней в абсолютно нормальных условиях. Это значит, что температура воздуха не должна превышать 20 градусов по Цельсию, а влажность 90%. В процессе хранения каждую форму поливают один раз в сутки (можно укладывать рядом увлажнённые опилки).
Испытания деталей
По истечении двадцати восьми дней лаборант достает бетонные формы и готовит их к определению прочности бетона на изгиб или растяжение. Для таких целей используется гидравлический пресс. На часть, расположенную внизу, устанавливается оборудование с двумя специальными опорами в форме ½ валиков с расстоянием между ними в 30 см. Сверху также должны присутствовать 2 опоры, установленные в центре элемента. На нижних опорах монтируется экспериментальный образец.
Затем на бетон подается нагрузка, которая распределяется равномерно, в центре давление обеспечивается за счет верхних валиков. На этапе разламывания образца пресс должен остановиться, а специалист фиксирует значение нагрузки в своем предельном максимуме. По формуле, приведённой выше, рассчитывается показатель прочности конструкции (обязательно учитывается конкретный вес, размер и выявленное в ходе испытание значение экземпляра). В качестве окончательного результата используется средний показатель 3-х вариантов формы. Все данные вносятся и протоколируются в специальном журнале.
Заключение
В данном материале мы рассмотрели все особенности и нюансы испытания бетона на растяжение и изгиб. Результаты, полученные в ходе исследований, являются абсолютно верными. Все представленные формулы можно смело использовать в своих экспериментах.
Ссылка на статью https://burosi.ru/ispitanie-betona-na-izgib-i-rastyajenie
Строительная лаборатория ООО “Бюро “Строительные исследования” занимается испытаниями конструкций и материалов в Санкт-Петербурге и Москве
Основная специализация лаборатории:
Бесплатно вызвать лаборанта на объект или задать вопрос эксперту можно:
1. Заполнив форму на нашем сайте https://burosi.ru/
2. По телефонам:
+7(812)386-11-75 — главный офис в Санкт-Петербурге
+7(965)006-94-59 (WhatsApp, Telegramm) — отдел по работе с клиентами Санкт-Петербург и Москва
3. Написать нам на почту
4. А также в комментариях к публикации.
Подписывайтесь на наши социальные сети и YouTube канал, там много интересной информации и лайфхаков.
Источник
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.
Источник