§ 2. 5.2. Испытания на сжатие и сдвиг

Создание однородного одноосного напряженного со­стояния сжатия более сложная задача, чем создание одно­осного растяжения. На результаты испытаний прежде всего влияет соотношение размеров высоты и сечения образца. При большой высоте и сравнительно малом се­чении может произойти изгиб, который мы наблюдали при сжатии стержня шариковой ручки (см. рис. 5). При­менение же очень коротких образцов также нежелательно, поскольку возникающие по торцам образца силы трения препятствуют его расширению и образец принимает боч­кообразную форму. Это, естественно, ведет к неоднород­ности напряженного состояния. Чтобы ослабить влияние сил трения, применяют смазку, но при этом изменяются результаты испытаний. Однако, несмотря на указанные трудности, испытания на сжатие широко проводятся, так как знание механических характеристик материала при сжатии необходимо для решения многих практических задач.

Испытание материалов на одноосное сжатие проводят на специальных прессах или универсальных испытательных машинах, для чего изготовляют образцы в виде ци­линдров небольшой высоты (обычно около трех диаметров).

 При сжатии образца из хрупкого материала его раз­рушение происходит с образованием трещин, направлен­ных под углом 45° к оси образца, т. е. совпадающих с плоскостями возникновения максимальных касательных напряжений (рис. 88). Возникшие трещины распростра­няются практически мгновенно, процесс может носить почти взрывной характер. Когда трещина пройдет по диагонали поперек всего образца, две его части начинают скользить относительно друг друга. Образец уже не может больше сопротивляться сжимающей силе, материал раз­рушается, выделяя большое количество упругой энергии. Поэтому, когда хрупкие материалы (чугун, кирпич, стекло) сжимают или разбивают молотком, разлетаются осколки, которые могут быть опасными. Диаграмма сжатия хруп­кого материала (рис. 87) похожа на диаграмму растяже­ния, однако временное сопротивление при сжатии оказы­вается значительно выше, чем при растяжении, т. е. хруп­кие материалы сопротивляются сжатию значительно луч­ше, чем растяжению. Например, для чугуна   σ_uс больше σ_ut  в 2,5. . .4,5 раза.

Пластичный материал при сжатии ведет себя иначе. Вначале диаграмма сжатия совпадает с его диаграммой растяжения, но после точки С сжимающая сила не уменьшается, как при растяжении, а резко (рис. 89, а). Происходит ... это от того, что площадь поперечного сечения сжа­того образца увеличивает­ся, образец принимает боч­кообразную форму (рис. 89, б). Довести до разру­шения сжатием образец из пластичного материала не удается. Поэтому времен­ное сопротивление (предел прочности) для пластич­ных материалов при сжа­тии определить невозможно. Значения же модулей упругости, пределов про­порциональности и теку­чести для большинства пластичных  материалов можно  считать совпадаю­щими при растяжении и сжатии.

В тех случаях, когда пределы текучести при растяже­нии и сжатии различны, их обозначают соответственно σ_yt и σ_yс. Примерами материалов, для которых     σ _yt  ≠ σ_yс,     служат некоторые легированные стали, подвергнутые за­калке. Так, для стали 30ХГС   σ _yt = 0,88 σ  _yc.Такие материалы иногда называют хрупкопластичными.

Материалы типа дерева или искусственных волокни­стых материалов, например стеклопластика, при сжатии обычно теряют работоспособность иначе. Под действием сжимающих ^нагрузок волокна образца изгибаются все вместе, образуя складку, бегущую поперек образца. Эти складки могут проходить под углом 90° к направлению сжимающей силы (дерево) или наклонно под различными углами (рис. 90). В этих материалах складки часто об­разуются уже при сравнительно небольших напряжениях, т. е. на сжатие эти материалы работают плохо, что следует иметь в виду при использовании их в конструкциях.

Испытания на сдвиг. Для создания чистого сдвига об­разец круглого поперечного сечения подвергают скручи­ванию. Действительно, если двумя парами осевых и по­перечных сечений выделить из закрученного образца элемент A BCD, показанный на рис. 91, то на его гра­нях будут обнаружены только касательные напря­жения, т. е. все элементы образца при его скручива­нии находятся в состоя­нии чистого сдвига.

По внешнему виду диаграмма кручения отличается от диаграммы растяжения лишь тем, что не имеет участка с падением нагрузки. На рис. 92, а представлена диаграмма кручения, характерная для малоуглеродистой стали, а на рис. 92, б — для чугуна.

Особенностью испытаний на сдвиг является возмож­ность для любого материала довести испытания до разру­шения, чего нельзя сделать, например, при сжатии об­разцов из пластичных материалов. Кроме того, при кру­чении по виду разрушения легко установить, сдвиг или отрыв имел решающее значение в конечной стадии испы­тания.

Если подвергнуть испытанию на кручение образец из хрупкого материала, например из чугуна, то разрушение произойдет вдоль винтовой линии под углом 45° к        образу­ющей образца (рис. 93, а). Как уже объяснялось в § 4.8, напряженное состояние чистого сдвига эквивалент­но приложению равных растягивающих и сжимаю­щих главных напряжений в элементе A₁ B₁ C₁ D₁, по­вернутых на 45° по отно­шению к площадкам дей­ствия максимальных каса­тельных напряжений (см. рис. 91), т. е. в нашем случае повернутых на 45° по отношению к образующей образца. Следователь­но,   разрушение   хрупкого материала объясняется слабым его сопротивлением растяжению.

Разрушение пластичного материала при кручении про­исходит от сдвига по поперечному сечению (рис. 93, б). Пластичные материалы хуже сопротивляются сдвигу, чем растяжению.

Деревянный образец при испытании на кручение раз­рушается в результате возникновения продольных тре­щин (рис. 93, в). Это связано с тем, что возникновение касательных напряжений в плоскости поперечного сече­ния сопровождается возникно­вением равных касательных нап­ряжений в продольных сечениях образца (см. рис.91).  Следова­тельно, дерево сопротивляется сдвигу (скалыванию) вдоль воло­кон значительно хуже, чем по­перек  волокон.