Прочность на сжатие

Способность материала или конструкции выдерживать нагрузки, ведущие к уменьшению размеров.

Измерение прочности на сжатие стального барабана

В механике прочность на сжатие (или прочность на сжатие ) — это способность материала или конструкции выдерживать нагрузки , имеющие тенденцию к уменьшению размера (в отличие от прочности на растяжение , которая выдерживает нагрузки , имеющие тенденцию к удлинению). Другими словами, прочность на сжатие сопротивляется сжатию (сжатию), тогда как прочность на растяжение сопротивляется растяжению (растягиванию). При изучении прочности материалов прочность на растяжение, прочность на сжатие и прочность на сдвиг можно анализировать независимо.

Некоторые материалы разрушаются при достижении предела прочности на сжатие; другие деформируются необратимо , поэтому заданную величину деформации можно рассматривать как предел сжимающей нагрузки. Прочность на сжатие является ключевым значением при проектировании конструкций .

Прочность на сжатие часто измеряют на универсальной испытательной машине . На измерения прочности на сжатие влияют конкретный метод испытаний и условия измерения. Прочность на сжатие обычно указывается в соответствии с конкретным техническим стандартом .

Введение

Когда образец материала нагружен таким образом, что он растягивается, говорят, что он находится в растяжении . С другой стороны, если материал сжимается и укорачивается, говорят, что он находится в сжатом состоянии .

На атомном уровне молекулы или атомы раздвигаются при растяжении, тогда как при сжатии они сближаются. Поскольку атомы в твердых телах всегда пытаются найти положение равновесия и расстояние между другими атомами, во всем материале возникают силы, противодействующие как растяжению, так и сжатию. Таким образом, явления, преобладающие на атомном уровне, схожи.

«Деформация» — это относительное изменение длины под действием приложенного напряжения; Положительная деформация характеризует объект, находящийся под растягивающей нагрузкой, которая имеет тенденцию удлинять его, а сжимающее напряжение, укорачивающее объект, дает отрицательную деформацию. Растяжение имеет тенденцию возвращать небольшие боковые отклонения обратно в правильное положение, в то время как сжатие имеет тенденцию усиливать такое отклонение, приводя к короблению .

Прочность на сжатие измеряют на материалах, компонентах ^[1] и конструкциях. ^[2]

По определению, предел прочности материала на сжатие — это значение напряжения одноосного сжатия , которое достигается при полном разрушении материала. Прочность на сжатие обычно определяют экспериментально посредством испытания на сжатие . Аппаратура, используемая для этого эксперимента, такая же, как и при испытании на растяжение. Однако вместо приложения одноосной растягивающей нагрузки применяется одноосная сжимающая нагрузка. Как можно себе представить, образец (обычно цилиндрический) укорочен и расширен вбок. Прибор строит кривую растяжения-деформации , которая будет выглядеть примерно так:

Истинная кривая растяжения-деформации для типичного образца

Прочность материала на сжатие соответствует напряжению в красной точке, показанной на кривой. При испытании на сжатие существует линейная область, в которой материал подчиняется закону Гука . Следовательно, для этой области, где на этот раз E относится к модулю Юнга при сжатии. В этой области материал упруго деформируется и возвращается к исходной длине при снятии напряжения. ${\displaystyle \sigma =E\varepsilon ,}$

Эта линейная область заканчивается в так называемом пределе текучести . Выше этой точки материал ведет себя пластично и не возвращается к своей первоначальной длине после снятия нагрузки.

Существует разница между инженерным напряжением и истинным напряжением. По своему основному определению одноосное напряжение определяется как:

$${\displaystyle \sigma ={\frac {F}{A}},}$$

где F — приложенная нагрузка [Н], а A — площадь [м ² ].

Как уже говорилось, площадь образца изменяется при сжатии. Таким образом, в действительности площадь является некоторой функцией приложенной нагрузки, т.е. A = f ( F ) . Действительно, напряжение определяется как сила, деленная на площадь в начале эксперимента. Это известно как инженерное напряжение и определяется формулой

$${\displaystyle \sigma _{e}={\frac {F}{A_{0}}},}$$

где A ₀ — исходная площадь образца [м ² ].

Соответственно, инженерная деформация определяется выражением

$${\displaystyle \varepsilon _{e}={\frac {l-l_{0}}{l_{0}}},}$$

где l — текущая длина образца [м], а l ₀ — исходная длина образца [м].

Таким образом, прочность на сжатие соответствует точке на инженерной кривой напряжения-деформации, определяемой формулой ${\displaystyle \left(\varepsilon _{e}^{*},\sigma _{e}^{*}\right)}$

$${\displaystyle \sigma _{e}^{*}={\frac {F^{*}}{A_{0}}}}$$

$${\displaystyle \varepsilon _{e}^{*}={\frac {l^{*}-l_{0}}{l_{0}}},}$$

где F ^* — нагрузка, приложенная непосредственно перед разрушением, а l ^* — длина образца непосредственно перед разрушением.

Отклонение инженерного напряжения от истинного напряжения

Баррелинг

В практике инженерного проектирования профессионалы в основном полагаются на инженерный стресс. В действительности истинное напряжение отличается от инженерного напряжения. Следовательно, расчет прочности материала на сжатие по приведенным уравнениям не даст точного результата. ^{[ необходимы пояснения ]} Это связано с тем, что площадь поперечного сечения A ₀ изменяется и является некоторой функцией нагрузки A = φ ( F ) .

Таким образом, разницу в значениях можно резюмировать следующим образом: При сжатии образец укорачивается. Материал будет иметь тенденцию распространяться в поперечном направлении и, следовательно, увеличивать площадь поперечного сечения .

Сравнение прочности на сжатие и растяжение.

Бетон и керамика обычно имеют гораздо более высокую прочность на сжатие, чем на растяжение. Композитные материалы, такие как композит с эпоксидной матрицей из стекловолокна, как правило, имеют более высокую прочность на растяжение, чем на сжатие. Металлы трудно проверить на разрушение при растяжении или сжатии. При сжатии металлы разрушаются из-за коробления/крошения/сдвига под 45°, что сильно отличается (хотя и при более высоких напряжениях) от растяжения, которое разрушается из-за дефектов или сужения.

Режимы разрушения при сжатии

Цилиндр раздавливается под UTM

Если отношение длины к эффективному радиусу материала, нагруженного при сжатии ( коэффициент гибкости ), слишком велико, вполне вероятно, что материал выйдет из строя при короблении . В противном случае, если материал пластичный, обычно возникает текучесть, проявляющая эффект бочкообразности, обсуждавшийся выше. Хрупкий материал при сжатии обычно разрушается из-за осевого раскола, разрушения при сдвиге или пластического разрушения в зависимости от уровня ограничений в направлении, перпендикулярном направлению нагрузки. Если ограничений нет (также называемых ограничивающим давлением), хрупкий материал, скорее всего, разрушится из-за осевого раскола. Умеренное ограничивающее давление часто приводит к сдвиговому разрушению, тогда как высокое ограничивающее давление часто приводит к пластическому разрушению, даже в хрупких материалах. ^[3]

Осевое расщепление снижает энергию упругости хрупкого материала, высвобождая энергию деформации в направлениях, перпендикулярных приложенному сжимающему напряжению. Согласно коэффициенту Пуассона материала , материал, упруго сжатый в одном направлении, будет деформироваться в двух других направлениях. Во время осевого раскола трещина может ослабить растягивающую деформацию, образуя новую поверхность, параллельную приложенной нагрузке. Затем материал разделяется на две или более частей. Следовательно, осевое расщепление происходит чаще всего при отсутствии ограничивающего давления, т.е. при меньшей сжимающей нагрузке на оси, перпендикулярной основной приложенной нагрузке. ^[4] Материал, теперь разделенный на микроколонны, будет испытывать различные силы трения либо из-за неоднородности границ раздела на свободном конце, либо из-за защиты от напряжений. В случае защиты от напряжений неоднородность материалов может привести к разным модулям Юнга . Это, в свою очередь, приведет к непропорциональному распределению напряжения, что приведет к разнице в силах трения. В любом случае это приведет к тому, что секции материала начнут изгибаться и приведут к окончательному разрушению. ^[5]

Микрокрекинг

Рисунок 1: зарождение и распространение микротрещин

Микротрещины являются основной причиной разрушения при сжатии хрупких и квазихрупких материалов. Скольжение по вершинам трещины приводит к возникновению растягивающих сил вдоль вершины трещины. Микротрещины имеют тенденцию образовываться вокруг уже существующих кончиков трещин. Во всех случаях это общее глобальное сжимающее напряжение, взаимодействующее с локальными микроструктурными аномалиями и создающее локальные области напряжения. Микротрещины могут возникнуть из-за нескольких факторов.

1. Пористость является определяющим фактором прочности на сжатие многих материалов. Микротрещины могут образовываться вокруг пор, пока они не достигнут примерно того же размера, что и исходные поры. (а)
2. Жесткие включения в материале, такие как осадок, могут вызывать локальные напряжения. (б) Когда включения сгруппированы или больше, этот эффект может быть усилен.
3. Даже без пор и жестких включений в материале могут образовываться микротрещины между слабо наклоненными (относительно приложенного напряжения) границами раздела. Эти интерфейсы могут соскользнуть и создать вторичную трещину. Эти вторичные трещины могут продолжать открываться, поскольку скольжение исходных границ продолжает открывать вторичную трещину (c). Скольжение границ раздела само по себе не является единственной причиной роста вторичных трещин, поскольку неоднородности модуля Юнга материала могут привести к увеличению эффективной деформации несоответствия. Трещины, которые растут таким образом, известны как микротрещины на законцовках крыльев. ^[6]

Важно подчеркнуть, что рост микротрещин не является ростом исходной трещины/дефекта . Трещины, которые зарождаются, располагаются перпендикулярно исходной трещине и называются вторичными трещинами. ^[7] На рисунке ниже этот момент подчеркивается применительно к трещинам на законцовках крыльев.

Эти вторичные трещины могут вырасти в 10–15 раз длиннее исходных трещин при простом (одноосном) сжатии. Однако при приложении поперечной сжимающей нагрузки. Рост ограничен несколькими целыми числами, кратными исходной длине трещины. ^[7]

Вторичная трещина, растущая из кончика уже существовавшей трещины.

образование полосы сдвига

Полосы сдвига

Если размер образца достаточно велик, так что вторичные трещины худшего дефекта не могут вырасти настолько большими, чтобы разрушить образец, другие дефекты внутри образца также начнут образовывать вторичные трещины. Это будет происходить равномерно по всей выборке. Эти микротрещины образуют эшелон, который может сформировать «внутреннее» поведение разрушения, ядро ​​нестабильности сдвигового разлома. Показано справа:

В конечном итоге это приводит к неоднородной деформации материала. То есть деформация, вызванная материалом, больше не будет изменяться линейно в зависимости от нагрузки. Создание локализованных полос сдвига , при которых материал разрушается в соответствии с теорией деформации. «Появление локализованных полос не обязательно означает окончательное разрушение материального элемента, но, по-видимому, это, по крайней мере, начало процесса первичного разрушения при сжимающей нагрузке». ^[8]

Типичные значения

Прочность бетона на сжатие

Испытание бетона на сжатие в UTM

Для проектировщиков прочность на сжатие является одним из наиболее важных инженерных свойств бетона . Стандартной производственной практикой является классификация прочности на сжатие данной бетонной смеси по маркам. Кубические или цилиндрические образцы бетона испытываются на машине для испытания на сжатие для измерения этого значения. Требования к испытаниям различаются в зависимости от страны в зависимости от их конструктивных норм. Обычно используется компрессометр . Согласно индийским нормам прочность бетона на сжатие определяется как:

Бетон полевой обработки в стальных кубических формах (Греция)

Прочность бетона на сжатие выражается как характеристическая прочность на сжатие кубов размером 150 мм, испытанных через 28 дней (fck). В полевых условиях испытания на прочность на сжатие также проводятся промежуточно, т.е. через 7 дней, чтобы проверить ожидаемую прочность на сжатие, ожидаемую через 28 дней. То же самое делается для предупреждения о возникновении неисправности и принятия необходимых мер предосторожности. Характеристическая прочность определяется как прочность бетона , ниже которой ожидается падение не более 5% результатов испытаний. ^[14]

В целях проектирования это значение прочности на сжатие ограничивается путем деления на коэффициент запаса прочности, значение которого зависит от используемой философии проектирования.

Строительная отрасль часто участвует в широком спектре испытаний. Помимо простых испытаний на сжатие, для измерения механических свойств бетона можно использовать такие стандарты испытаний, как ASTM C39, ASTM C109, ASTM C469, ASTM C1609. При измерении прочности на сжатие и других свойств бетона в зависимости от применяемой процедуры можно выбрать испытательное оборудование с ручным или сервоуправлением. Некоторые методы тестирования определяют или ограничивают скорость нагрузки определенным значением или диапазоном, тогда как другие методы запрашивают данные на основе процедур тестирования, выполняемых с очень низкой скоростью. ^[15]

Бетон сверхвысоких характеристик (UHPC) определяется как имеющий прочность на сжатие более 150 МПа. ^[16]

Смотрите также

• Сила усиления
• Испытание контейнера на сжатие
• Ударопрочность
• Деформация (инженерия)
• Молоток Шмидта для измерения прочности материалов на сжатие.
• Испытание на сжатие с плоской деформацией

Рекомендации

1. Урбанек, Т.; Ли, С.; Джонсон, К. «Прочность при сжатии трубчатых упаковочных форм из бумаги» (PDF) . Журнал тестирования и оценки . 34 (6): 31–40. Архивировано из оригинала (PDF) 14 мая 2014 года . Проверено 13 мая 2014 г.
2. Риттер, Массачусетс; Олива, М.Г. (1990), «9, Проектирование продольных надстроек настила из ламинированного под напряжением» (PDF) , Деревянные мосты: проектирование, строительство, проверка и обслуживание , Министерство сельского хозяйства США, Лаборатория лесных товаров (опубликовано в 2010 г.), заархивировано из оригинал (PDF) 5 марта 2021 г. , получено 13 мая 2014 г.
3. Фишер-Криппс, Энтони К. (2007). Введение в контактную механику (2-е изд.). Нью-Йорк: Спрингер. п. 156. ИСБН 978-0-387-68188-7. ОСЛК  187014877.
4. Эшби, М. и К. Сэммис. «Механика разрушения хрупких твердых тел при сжатии». Чистая и прикладная геофизика , вып. 133, нет. 3, 1990, стр. 489–521, doi:10.1007/bf00878002.
5. Реншоу, Карл Э. и Эрланд М. Шульсон. «Универсальное поведение хрупких материалов при разрушении при сжатии». Природа , вып. 412, нет. 6850, 2001, стр. 897–900, doi:10.1038/35091045.
6. Бажант, Зденек П. и Юинь Сян. «Влияние размера при компрессионном разрушении: распространение полосы трещины». Журнал инженерной механики , вып. 123, нет. 2, февраль 1997 г., стр. 162–172, doi:10.1061/(asce)0733-9399(1997)123:2(162).
7. Хорий, Х. и С. Немат-Насер. «Рост микротрещин в хрупких твердых телах, вызванный сжатием: осевое расщепление и разрушение при сдвиге». Журнал геофизических исследований , вып. 90, нет. B4, 10 марта 1985 г., с. 3105., doi:10.1029/jb090ib04p03105.
8. Разрушение при сжатии хрупких твердых тел. Издательство национальных академий, 1983, номер документа: 10.17226/19491.
9. Джонстон, WM; О'Брайен, WJ (август 1980 г.). «Прочность зубного фарфора на сдвиг». Журнал стоматологических исследований . 59 (8): 1409–1411. дои : 10.1177/00220345800590080901. hdl : 2027.42/66871 . ISSN  0022-0345. PMID  6931115. S2CID  135828446.
10. «Прочность костей - обзор | Темы ScienceDirect» . www.sciencedirect.com . Проверено 25 августа 2023 г.
11. «CIP 35 — Испытание прочности бетона на сжатие» (PDF) . Бетон на практике . Национальная ассоциация готового бетона.
12. Петрович, Джей-Джей (1 января 2003 г.). «Обзор механических свойств льда и снега». Журнал материаловедения . 38 (1): 1–6. дои : 10.1023/А: 1021134128038. ISSN  1573-4803. S2CID  135765876.
13. Кермани, Маджид; Фарзане, Масуд; Ганьон, Робер (1 сентября 2007 г.). «Сопротивление сжатию атмосферного льда». Наука и технологии холодных регионов . 49 (3): 195–205. Бибкод : 2007CRST...49..195K. doi :10.1016/j.coldregions.2007.05.003. ISSN  0165-232X.
14. «Сопротивление сжатию бетона и бетонных кубов | Что | Как | CivilDigital |» . 07.07.2016 . Проверено 20 сентября 2016 г.
15. «Испытание бетона: ручное или автоматизированное управление».
16. «Многомасштабные отношения структура-свойства бетона сверхвысоких характеристик - EVOCD» . icme.hpc.msstate.edu . Проверено 15 сентября 2022 г.

• Микелл П. Грувер, «Основы современного производства» , John Wiley & Sons, 2002 г., США, ISBN 0-471-40051-3. 
• Каллистер В.Д. младший, Материаловедение и инженерия, введение , John Wiley & Sons, 2003, США, ISBN 0-471-22471-5