Предел прочности при сжатии формула

Прочность металлических конструкций – один из важнейших параметров, определяющих их надежность и безопасность. Издревле вопросы прочности решались опытным путем — если какое-либо изделие ломалось — то следующее делали толще и массивнее. С 17 века ученые начали планомерное исследование проблемы, прочностные параметры материалов и конструкций из них можно рассчитать заранее, на этапе проектирования. Металлурги разработали добавки, влияющие на прочность стальных сплавов.

Предел прочности

Предел прочности — это максимальное значение напряжений, испытываемых материалом до того, как он начнет разрушаться. Его физический смысл определяет усилие растяжения, которое нужно приложить к стрежневидному образцу определенного сечения, чтобы разорвать его.

Каким образом производится испытание на прочность

Прочностные испытания на сопротивление разрыву проводятся на специальных испытательных стендах. В них неподвижно закрепляется один конец испытываемого образца, а к другому присоединяют крепление привода, электромеханического или гидравлического. Этот привод создает плавно увеличивающее усилие, действующее на разрыв образца, или же на его изгиб или скручивание.

Испытание на разрыв

Электронная система контроля фиксирует усилие растяжения и относительное удлинение, и другие виды деформации образца.

Виды пределов прочности

Предел прочности — один из главных механических параметров стали, равно как и любого другого конструкционного материала.

Эта величина используется при прочностных расчетах деталей и конструкций, судя по ней, решают, применим ли данный материал в конкретной сфере или нужно подбирать более прочный.

Различают следующие виды предела прочности при:

• сжатии — определяет способность материала сопротивляться давлению внешней силы;
• изгибе — влияет на гибкость деталей;
• кручении – показывает, насколько материал пригоден для нагруженных приводных валов, передающих крутящий момент;
• растяжении.

Виды испытаний прочности материалов

Научное название параметра, используемое в стандартах и других официальных документах — временное сопротивление разрыву.

Предел прочности стали

На сегодняшний день сталь все еще является наиболее применяемым конструкционным материалом, понемногу уступая свои позиции различным пластмассам и композитным материалам. От корректного расчета пределов прочности металла зависит его долговечность, надежность и безопасность в эксплуатации.

Предел прочности стали зависит от ее марки и изменяется в пределах от 300 Мпа у обычной низкоуглеродистой конструкционной стали до 900 Мпа у специальных высоколегированных марок.

На значение параметра влияют:

• химический состав сплава;
• термические процедуры, способствующие упрочнению материалов: закалка, отпуск, отжиг и т.д.

Некоторые примеси снижают прочность, и от них стараются избавляться на этапе отливки и проката, другие, наоборот, повышают. Их специально добавляют в состав сплава.

Условный предел текучести

Кроме предела прочности, в инженерных расчетах широко применяется связанное с ним понятие-предел текучести, обозначаемый σ_т. Он равен величине напряжения сопротивления разрыву, которое необходимо создать в материале, для того, чтобы деформация продолжала расти без наращивания нагрузки. Это состояние материала непосредственно предшествует его разрушению.

На микроуровне при таких напряжениях начинают рваться межатомные связи в кристаллической решетке, а на оставшиеся связи увеличивается удельная нагрузка.

Общие сведения и характеристики сталей

С точки зрения конструктора, наибольшую важность для сплавов, работающих в обычных условиях, имеют физико-механические параметры стали. В отдельных случаях, когда изделию предстоит работать в условиях экстремально высоких или низких температур, высокого давления, повышенной влажности, под воздействием агрессивных сред — не меньшую важность приобретают и химические свойства стали. Как физико-механические, так и химические свойства сплавов во многом определяются их химическим составом.

Влияние содержание углерода на свойства сталей

По мере увеличения процентной доли углерода происходит снижение пластичности вещества с одновременным ростом прочности и твердости. Этот эффект наблюдается до приблизительно 1% доли, далее начинается снижение прочностных характеристик.

Повышение доли углерода также повышает порог хладоемкости, это используется при создании морозоустойчивых и криогенных марок.

Влияние углерода на механические свойства стали

Рост содержания С приводит к ухудшению литейных свойств, отрицательно влияет на способность материала к механической обработке.

Добавки марганца и кремния

Mn содержится в большинстве марок стали. Его применяют для вытеснения из расплава кислорода и серы. Рост содержания Mn до определенного предела (2%) улучшает такие параметры обрабатываемости, как ковкость и свариваемость. После этого предела дальнейшее увеличение содержания ведет к образованию трещин при термообработке.

Влияние кремния на свойства сталей

Si применяется в роли раскислителя, используемого при выплавке стальных сплавов и определяет тип стали. В спокойных высокоуглеродистых марках должно содержаться не более 0,6% кремния. Для полуспокойных марок этот предел еще ниже — 0,1 %.

При производстве ферритов кремний увеличивает их прочностные параметры, не понижая пластичности. Этот эффект сохраняется до порогового содержания в 0,4%.

Влияние легирующих добавок на свойства стали

В сочетании с Mn или Mo кремний способствует росту закаливаемости, а вместе с Сг и Ni повышает коррозионную устойчивость сплавов.

Азот и кислород в сплаве

Эти самые распространенные в земной атмосфере газы вредно влияют на прочностные свойства. Образуемые ими соединения в виде включений в кристаллическую структуру существенно снижают прочностные параметры и пластичность.

Легирующие добавки в составе сплавов

Это вещества, намеренно добавляемые в расплав для улучшения свойств сплава и доведения его параметров до требуемых. Одни из них добавляются в больших количествах (более процента), другие — в очень малых. Наиболее часто применяю следующие легирующие добавки:

• Хром. Применяется для повышения прокаливаемости и твердости. Доля – 0,8-0,2%.
• Бор. Улучшает хладноломкость и радиационную стойкость. Доля – 0,003%.
• Титан. Добавляется для улучшения структуры Cr-Mn сплавов. Доля – 0,1%.
• Молибден. Повышает прочностные характеристики и коррозионную стойкость, снижает хрупкость. Доля – 0,15-0,45%.
• Ванадий. Улучшает прочностные параметры и упругость. Доля – 0,1-0,3%.
• Никель. Способствует росту прочностных характеристик и прокаливаемости, однако при этом ведет к увеличению хрупкости. Этот эффект компенсируют одновременным добавлением молибдена.

Металлурги используют и более сложные комбинации легирующих добавок, добиваясь получения уникальных сочетаний физико-механических свойств стали. Стоимость таких марок в несколько раз (а то и десятков раз) превышает стоимость обычных низкоуглеродистых сталей. Применяются они для особо ответственных конструкций и узлов.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Построение диаграммы деформирования при сжатии связано с рядом трудностей.

Первая из них состоит в том, что при сжатии стержня может наступить потеря устойчивости (искривление оси стержня). Проблема устойчивости стержней будет изучаться в дальнейшем, а сейчас отметим, что для устранения потери устойчивости надо применять образцы с малым отношением . Однако по мере уменьшения этого отношения возрастает влияние на результаты опытов сил трения, возникающих между опорными поверхностями.

На рис. 4.4, а показаны образцы для испытаний на сжатие. Наиболее простой способ — передача усилия через плоские торцы. Образец должен быть обработан достаточно точно, с тем чтобы получить равномерное распределение напряжений сжатия по торцам. Для уменьшения влияния сил трения торцы смазываются консистентными смазками (вазелином, парафином и т. п.). Другой способ компенсации сил трения состоит в применении полбгих конических поверхностей на торцах (рис. 4.4, б).

Для проведения последовательных испытаний на растяжение и сжатие используются трубчатые образцы (рис. 4.4, в), причем усилие на тело образца передается с помощью резьбы.

Рис. 4.4. Образцы материалов для испытания на сжатие

Основная область применения испытаний на сжатие — исследование прочности и деформации хрупких материалов, так как они используются в первую очередь для элементов конструкций, работающих на сжатие. Испытание на сжатие широко применяется для исследования строительных материалов (бетона, кирпича, камня и т. п.). В качестве образцов обычно применяют кубики размером ребра 30—40 мм.

Для хрупких материалов разрушение происходит при деформации всего несколько процентов, и основное значение имеет предел прочности на сжатие. На рис. 4.5 приведены два типа разрушения строительных материалов при сжатии. В нервом случае (рис. 4.5, а) (на торцах образца действуют силы трения) разрушение связано с действием касательных напряжений. Во втором случае (рис. 4.5, б) (силы трения по торцам малы) образуются продольные трещины, вызываемые деформацией растяжения в поперечном направлении. Следует отметить, что для хрупких материалов прочность на сжатие во много раз больше прочности на растяжение.

Рис. 4.5. Разрушение хрупких строительных материалов при сжатии: а — торцы образца не смазаны; б — торцы смазаны парафином

При испытании на сжатие пластичных материалов происходит увеличение поперечных сечений («расплющивание») образца (рис. 4.6). Четко определяется предел текучести, который для большинства пластичных конструкционных материалов оказывается таким же, как и при растяжении. Последнее объясняется тем, что ответственными за появление пластических деформаций являются касательные напряжения, которые при действии растягивающих и сжимающих усилий различаются только знаком.

Рис. 4.6. Расплющивание пластичных материалов при сжатии

Предел прочности при сжатии пластичных материалов при одноосном сжатии не выявляется. При всестороннем сжатии материалы выдерживают очень высокие давления, причем обычно хрупкие материалы (мрамор и др.) становятся пластичными.

Можно считать, что пластичные материалы выдерживают очень большие сжимающие напряжения, а разрушение может наступить в результате наличия в наклонных площадках – касательных напряжений.

Определение предела прочности кирпича при сжатии

Подготовка образцов к испытанию

Перед испытанием монолитный кирпич распиливают по ширине или разделяют любым способом без раздробления кирпича на две равные части, которые накладывают постелями одна на другую распилами в противоположные стороны. Пустотелый кирпич не распиливают и при испытании два кирпича накладывают постелями один на другой, кирпичи с несквозными пустотами укладываются отверстиями вниз.

Кирпичи или их половинки выдерживаются в воде не менее 6 мин, чтобы предупредить отсасывание воды кирпичом из цементного раствора. Для соединения кирпичей и выравнивания их постелей применяют цеметный раствор, составленный из портландцемента и песка крупностью не более 1 мм; отношение песка и цемента по массе 1:1, В/Ц раствора 0,34–0,36. На мраморной, стеклянной, металлической или другой плите с отшлифованной поверхностью расстилают смоченный в воде лист бумаги, (чтобы предупредить сцепление цементного раствора с поверхностью плиты), на лист бумаги наносят слой цементного раствора толщиной 5–7 мм. На раствор постелью кладут кирпич, и на его верхнюю постель наносят слой цементного раствора той же толщины. На этот верхний слой раствора кладут постелью второй кирпич, надавливая на него так, чтобы цементный раствор под кирпичами и между ними распределился равномерными по толщине слоями. Лишний цементный раствор срезают ножом вровень с боковыми гранями кирпичей.

Через 10 мин или более рядом на плите расстилают второй, смоченный в воде лист бумаги, на который также наносят слой цементного раствора толщиной 5–7 мм. Склеенные ранее кирпичи переворачивают вниз постелью, свободной от раствора, и устанавливают этой постелью на цементный раствор, уложенный на втором листе бумаги. Путем прижимания кирпичей к плите выравнивают слой цементного раствора под ними и срезают его избыток. При этом необходимо строго следить за тем, чтобы не нарушить ранее уплотненные и выровненные слои цементного раствора.

Толщина растворного шва между кирпичами и толщина выравнивающих слоев раствора на верхней и нижней постели образца должна быть 3–5 мм, постели образца после выравнивания их цементным раствором должны быть параллельны друг другу. Образцы до испытания не менее трех суток выдерживают в помещении при температуре воздуха 20±3 °С и относительной влажности его 90–95 %.

Допускается выравнивание постелей и соединение кирпичей гипсовым раствором. В этом случае испытание образцов производится через два часа после их изготовления.

Кирпич силикатный и шлаковый для испытания разделяют на две равные половины, которые накладывают постелями одна на другую без соединения и без выравнивания цементным раствором постелей образца.

Испытание образцов на сжатие

Перед испытанием измеряются площади верхней и нижней постели образца, ширина и длина каждой постели принимается как среднее арифметическое трех измерений: длины ребер и длины прямой между ребрами.

При испытании образец устанавливается в центре опорной плиты пресса и прижимается верхней плитой пресса, которая должна плотно прилегать ко всей поверхности верхней постели образца. Нагрузка на образец должна возрастать равномерно и непрерывно со скоростью, обеспечивающей разрушение через 20–30 с после начала испытания. Величина разрушающей нагрузки должна составлять не менее 10% усилия, предельно развиваемого прессом. Предел прочности в МПа при сжатии вычисляется по формуле:

где Р – наибольшая сжимающая нагрузка, достигнутая при испытании образца, Н;

F – площадь поперечного сечения образца, вычисляемая как среднее арифметическое площадей верхней и нижней постелей, м 2 .

При вычислении R_сж образцов из двух половинок или из двух целых кирпичей толщиной 88 или 90 мм результат испытания увеличивают на коэффициент 1,2, так как в этих случаях увеличивается отношение высоты образца к площади его постели, а это снижает прочность образца при сжатии.

Средний предел прочности при сжатии для партии кирпича вычисляют с точностью до 0,1 МПа как среднее арифметическое результатов испытаний установленного количества образцов, не учитывая образцы, предел прочности которых превышает среднее арифметическое более чем на 40 %.