Прочность на сжатие

В механике прочность на сжатие (или прочность на сжатие) — это способность материала или конструкции выдерживать нагрузки, ведущие к уменьшению размера (сжатию). Она противоположна прочности на растяжение, которая выдерживает нагрузки, ведущие к удлинению, сопротивляясь растяжению (разрыву). При изучении прочности материалов прочность на сжатие, прочность на растяжение и прочность на сдвиг можно анализировать независимо.

Некоторые материалы разрушаются на пределе прочности на сжатие; другие деформируются необратимо, поэтому заданная величина деформации может рассматриваться как предел для нагрузки на сжатие. Прочность на сжатие является ключевым значением для проектирования конструкций.

Прочность на сжатие часто измеряется на универсальной испытательной машине. Измерения прочности на сжатие зависят от конкретного метода испытания и условий измерения. Прочность на сжатие обычно сообщается в отношении конкретного технического стандарта.

Введение

Когда образец материала нагружается таким образом, что он растягивается, говорят, что он находится в состоянии растяжения. С другой стороны, если материал сжимается и укорачивается, говорят, что он находится в состоянии сжатия.

На атомном уровне молекулы или атомы при растяжении разъединяются, 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, которые противостоят как растяжению, так и сжатию. Поэтому явления, преобладающие на атомном уровне, похожи.

«Деформация» — это относительное изменение длины под действием приложенного напряжения; положительная деформация характеризует объект под растягивающей нагрузкой, которая имеет тенденцию удлинять его, а сжимающее напряжение, которое укорачивает объект, дает отрицательную деформацию. Растяжение имеет тенденцию тянуть небольшие боковые отклонения обратно в выравнивание, в то время как сжатие имеет тенденцию усиливать такие отклонения до выпучивания.

Прочность на сжатие измеряется на материалах, компонентах и ​​конструкциях.

По определению, предел прочности материала на сжатие — это значение одноосного сжимающего напряжения, достигаемое при полном разрушении материала. Прочность на сжатие обычно получают экспериментально с помощью испытания на сжатие. Аппаратура, используемая для этого эксперимента, та же самая, что и при испытании на растяжение. Однако вместо приложения одноосной растягивающей нагрузки применяется одноосная сжимающая нагрузка. Как можно себе представить, образец (обычно цилиндрический) укорачивается, а также расширяется в поперечном направлении. Прибор строит кривую зависимости напряжения от деформации, которая будет выглядеть примерно так:

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 этого региона <> 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.

Эта линейная область заканчивается в точке, известной как предел текучести. Выше этой точки материал ведет себя пластично и не вернется 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 [м2].

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

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

где A₀ — исходная площадь образца [м2].

Соответственно, инженерная деформация определяется как

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

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

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

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

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

Отклонение инженерного напряжения от истинного напряжения

В практике инженерного проектирования профессионалы в основном полагаются на инженерный стресс. На самом деле 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 A₀ изменяется и является некоторой функцией нагрузки A = φ(F) .

Таким образом, разницу в значениях можно суммировать следующим образом: При сжатии образец укорачивается. Материал имеет тенденцию расширяться в боковом 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 прочность на растяжение. Композитные материалы, такие как стекловолоконный эпоксидный матричный композит, как правило, имеют более высокую прочность на растяжение, чем прочность на сжатие. Металлы трудно испытывать на разрушение при растяжении по сравнению с сжатием. При сжатии металлы разрушаются из-за коробления/крошения/сдвига под углом 45°, что сильно отличается (хотя и вызывает более высокие напряжения), чем растяжение, при котором разрушение происходит из-за дефектов или сужения.

Режимы разрушения при сжатии

Если отношение длины к эффективному радиусу материала, нагруженного сжатием (коэффициент гибкости), слишком велико, то, скорее всего, материал разрушится при изгибе. В противном случае, если материал пластичен, обычно происходит текучесть, что демонстрирует эффект бочкообразности, обсуждавшийся выше. Хрупкий материал при сжатии обычно разрушается путем осевого раскола, сдвига или пластичного разрушения в зависимости от уровня ограничения в направлении, перпендикулярном направлению нагрузки. Если нет ограничения (также называемого ограничивающим давлением), хрупкий материал, скорее всего, разрушится путем осевого раскола. Умеренное ограничивающее давление часто приводит к сдвиговому разрушению, в то время как высокое ограничивающее давление часто приводит к пластичному разрушению, даже в хрупких материалах.

Осевое расщепление снимает упругую энергию в хрупком материале, высвобождая энергию деформации в направлениях, перпендикулярных приложенному сжимающему напряжению. Как определено коэффициентом Пуассона материалов, материал, упруго сжатый в одном направлении, будет деформироваться в двух других направлениях. Во время осевого расщепления трещина может высвободить эту растягивающую деформацию, образовав новую поверхность, параллельную приложенной нагрузке. Затем материал продолжает разделяться на две или более частей. Следовательно, осевое расщепление чаще всего происходит, когда нет ограничивающего давления, т. е. меньшей сжимающей нагрузки на оси, перпендикулярной основной приложенной нагрузке. Материал, теперь разделенный на микроколонны, будет испытывать различные силы трения либо из-за неоднородности интерфейсов на свободном конце, либо из-за экранирования напряжений. В случае экранирования напряжений неоднородность материалов может привести к различию модулей Юнга. Это, в свою очередь, приведет к непропорциональному распределению напряжений, что приведет к разнице в силах трения. В любом случае это приведет к тому, что секции материала начнут изгибаться и приведут к окончательному разрушению.

Микротрещины

Микротрещины являются основной причиной разрушения при сжатии для хрупких и квазихрупких материалов. Скольжение вдоль вершин трещины приводит к возникновению растягивающих сил вдоль вершины трещины. Микротрещины имеют тенденцию образовываться вокруг любых уже существующих вершин трещины. Во всех случаях это общее глобальное сжимающее напряжение, взаимодействующее с локальными микроструктурными аномалиями, для создания локальных областей растяжения. Микротрещины могут возникать из-за нескольких факторов.

Рост микротрещин не является ростом исходной трещины или дефекта. Трещины, которые зарождаются, делают это перпендикулярно исходной трещине и известны как вторичные трещины. Рисунок ниже подчеркивает этот момент для трещин законцовки крыла.

Эти вторичные трещины могут вырасти до длины, в 10-15 раз превышающей длину исходных трещин при простом (одноосном) сжатии. Однако, если приложена поперечная сжимающая нагрузка. Рост ограничен несколькими целыми кратными длины исходной трещины.

Сдвиговые полосы

Если размер образца достаточно большой, так что вторичные трещины худшего дефекта не могут вырасти достаточно большими, чтобы сломать образец, другие дефекты в образце также начнут расти вторичными трещинами. Это будет происходить однородно по всему образцу. Эти микротрещины образуют эшелон, который может сформировать «внутреннее» поведение разрушения, зародыш неустойчивости сдвигового разлома. Показано справа:

В конечном итоге это приводит к неоднородной деформации материала. То есть деформация, вызванная материалом, больше не будет линейно меняться с нагрузкой. Создание локализованных полос сдвига, на которых материал будет разрушаться согласно теории деформации. «Начало локализованного полосообразования не обязательно представляет собой окончательный отказ материального элемента, но, предположительно, это, по крайней мере, начало первичного процесса разрушения под сжимающей нагрузкой».

Типичные значения

Прочность бетона на сжатие

Для проектировщиков прочность на сжатие является одним из важнейших инженерных свойств бетона. Стандартной промышленной практикой является классификация прочности на сжатие данной бетонной смеси по марке. Кубические или цилиндрические образцы бетона испытываются на машине для испытания на сжатие, чтобы измерить это значение. Требования к испытаниям различаются в зависимости от страны в зависимости от их различных проектных норм. Распространено использование компрессометра. Согласно индийским нормам прочность на сжатие бетона определяется как:

Прочность бетона на сжатие определяется как характеристическая прочность на сжатие кубов размером 150 мм, испытанных через 28 дней (fck). В полевых условиях испытания на прочность на сжатие также проводятся в промежуточный период, т. е. через 7 дней, чтобы проверить ожидаемую прочность на сжатие, ожидаемую через 28 дней. То же самое делается для того, чтобы быть предупрежденным о случае отказа и принять необходимые меры предосторожности. Характерная прочность определяется как прочность бетона, ниже которой, как ожидается, упадет не более 5% результатов испытаний.

Для целей проектирования это значение прочности на сжатие ограничивается путем деления на коэффициент безопасности, значение которого зависит от используемой философии проектирования.

Строительная отрасль часто участвует в широком спектре испытаний. В дополнение к простым испытаниям на сжатие, стандарты испытаний, такие как ASTM C39, ASTM C109, ASTM C469, ASTM C1609, входят в число методов испытаний, которые можно использовать для измерения механических свойств бетона. При измерении прочности на сжатие и других свойств бетона может быть выбрано испытательное оборудование, которое может управляться вручную или сервоприводом, в зависимости от используемой процедуры. Некоторые методы испытаний указывают или ограничивают скорость нагрузки определенным значением или диапазоном, тогда как другие методы запрашивают данные, основанные на процедурах испытаний, выполняемых на очень низких скоростях.

Сверхвысокопрочный бетон (UHPC) определяется как бетон, имеющий прочность на сжатие более 150 МПа.