Лабораторная работа № 2.

2.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЕРЕВА И ЧУГУНА ПРИ СЖАТИИ

Цель работы: изучить сопротивление чугуна сжатию до разрушения, определить предел прочности чугуна; изучить сопротивление дерева сжатию вдоль и поперек волокон, определить предел прочности и коэффициент анизотропии.

Оборудование и инструменты: испытательная машина УМ - 5, гидравлический пресс РИИТ-ЗО, образцы чугуна, дерева, штангенциркуль.

Теоретические предпосылки

1. Сжатие чугунного образца. Испытание на сжатие – основное, иногда единственно возможное, при определении механических характеристик хрупких материалов: чугуна, фарфора, камня, бетона и др. Эти материалы разрушаются при сжатии, выдерживая при этом значительно большие напряжения, чем при растяжении, Это свойство широко применяется при конструировании из этих материалов деталей, испытывающих сжимающее напряжение.

При действии сжимающей нагрузки на чугунный образец наблюдается нелинейная зависимость между силой и деформацией. Но так как диаграмма Р-Δh представляет собой линию малой кривизны (рис.2.1, а), то в практических расчетах считают, что материал подчиняется закону Гука. Отношение максимальной нагрузки к первоначальной площади поперечного сечения образца называют пределом прочности чугуна при сжатии:

σ_В = Р_В/ А

При сжатии чугунного образца происходит ряд явлений, существенно отличающих испытание на сжатие от испытания на растяжение. При уменьшении высоты сжимаемого образца и перемещении частиц в радиальном направлении между торцами образца и плитами машины возникают силы трения, направленные в сторону, противоположную направлению поперечной деформации, то есть радиально от периферии к центру. Эти силы трения нарушают одноосный характер деформации образца. Так как действие касательных напряжений, вызнанных силами трения на контактных плоскостях, проявляется по высоте сжимаемого образца неравномерно (максимум на контактной плоскости, нуль на половине высоты сжимаемого цилиндра), напряженное состояние материала при сжатии будет неравномерным. Внешне это проявляется в том, что цилиндрическая форма образца переходит в бочкообразную (рис.2.1, б). Опыты показывают, что разрушение происходит путем взаимного скольжения двух частей образца I и II по плоскостям, наклоненным к оси образца примерно на угол α = 40^о…50^о, т.е. под действием максимальных касательных напряжений.

а) б)

Рис.2.1.

2. Сжатие дерева вдоль волокон. Диаграмма Р - Δ1 сжатия образца вдоль волокон (рис.2.2, а) внешне похожа на диаграмму сжатия чугуна. Между усилием Р и деформацией Δ1 отмечается нелинейная зависимость. При достижении предельной нагрузки Р_в^в.в образец начинает разрушаться и нагрузка падает. Обычно разрушение происходит с образованием поперечных складок, смятием торцов и образованием продольных трещин. Отношение максимальной нагрузки Р_в^в.в к первоначальной площади поперечного сечения образна называют пределом прочности дерева на сжатие вдоль волокон: σ_в^в.в = Р_в^в.в./А₀.

3. Сжатие дерева поперек волокон. При сжатии образца поперек волокон диаграмма Р - Δ1 имеет совершенно другой характер (рис. 2.2, б). Сначала линия диаграммы идет по наклонной прямой до нагрузки Р_пц, соответствующей пределу пропорциональности. Затем вычерчивается слабо изогнутая кривая, почти параллельная оси абсцисс. Образец быстро деформируется без заметного увеличения нагрузки, но разрушения не происходит, так как древесина начинает спрессовываться. Уловить момент потери несущей способности невозможно. Поэтому за разрушающую нагрузку Р_в^п.в условно принимают то значение нагрузки, при которой остаточная деформация равна одной трети первоначальной высоты кубика. Предел прочности при сжатии дерева поперек волокон:

а) б)

Рис. 2.2

4. Коэффициент анизотропии, характеризующий различие механических свойств дерева вдоль и поперек волокон, представляет собой отношение предела прочности при сжатии вдоль волокон к пределу прочности при сжатии поперек волокон:

Порядок проведения работы.

1. Измерить размеры образцов: диаметр d, [мм], высоту h, [мм] чугунного образца. Поперечные размеры a и b, [мм], опорной поверхности деревянных образцов. Зарисовать эскизы образцов до испытания.

2. Произвести наблюдение за испытанием образцов до разрушения и зафиксировать разрушающую нагрузку Р_в, [кг]. Если испытание образцов производится на гидравлическом прессе, то в момент разрушения фиксируется наибольшее давление по манометру р _max, [кг/см²]. Разрушающую нагрузку определяют по формуле:

,

где - площадь поршня гидроцилиндра гидравлического пресса. Для пресса РИИТ-30 диаметр поршня , (обратите внимание на размерности величин).

3. Вычислить площадь поперечного сечения образцов, [см²]:

чугунного ;

деревянных .

4. Определить предел прочности при сжатии, [МПа]:

чугуна ;

дерева вдоль и поперек волокон .

5. Определить коэффициент анизотропии дерева: .

6. Результаты расчетов и измерений записать в таблицу.

7. Зарисовать эскизы образцов после испытания, отметив характерные особенности их разрушения (в графе таблицы «Характер разрушения»).