Испытанию на сжатие будут подвергаться образцы из малоуглеродистой стали, чугуна и дерева. Дерево как материал анизотропный, обладающий различными свойствами в различных направлениях, испытывается на сжатие вдоль и поперек волокон.

Для испытаний на сжатие применяются обычно образцы кубической формы или невысокие цилиндрические образцы с соотношением высоты к диаметру h_o/d_o= 1...3. Использование более длинных образцов является нецелесообразным в связи с возникновением опасности продольного изгиба.

Сжатие пластичного материала

Цилиндрический образец малоуглеродистой стали устанавливается между параллельными плитами пресса и постепенно нагружается непрерывно возрастающей силой Р. Результаты испытания на сжатие можно представить в виде диаграммы сжатия (рис. 1а), построенной в координатах: сила сжатия Р и абсолютное укорочение Δl.

По внешнему виду диаграмма сжатия, как и для большинства пластичных материалов, примерно до предела текучести совпадает с диаграммой растяжения. Точка А диаграммы соответствует пределу пропорциональности материала, после которого отмечается небольшой участок, где наблюдается более быстрое возрастание деформаций. Однако выраженной площадки текучести для многих материалов не наблюдается. Вследствие этого для них за предел текучести принимается условное напряжение, при котором остаточная деформация составляет 0,2% от начальной высоты образца. При этом определение предела текучести осуществляется так же, как и в случае растяжения образца. В дальнейшем кривая идет круто вверх из-за увеличения площади поперечного сечения образца и упрочнения материала.

Увеличивающееся в процессе деформации поперечное сечение образца становится способным выдерживать все большую нагрузку. Образец принимает бочкообразную форму (из-за наличия сил трения на торцах образца) и может быть сплющен в тонкую пластинку, не обнаруживая признаков разрушения (рис. 1).

Рис.1 Диаграмма сжатия и характер разрушения образцов из малоуглеродистой стали

В некоторых случаях, при недостаточной пластичности материала, на боковой поверхности образца появляются мелкие трещины. Довести образец из пластичного материала до разрушения практически не удается. Опыт приходится остановить, не определив величины наибольшей разрушающей нагрузки.

Следовательно, предел прочности (временное сопротивление) при сжатии пластичных материалов не может быть определен. В этом случае обычно устанавливается только предел пропорциональности.

Следует отметить, что при сжатии стали предел пропорциональности σ_пц, предел текучести σ_т, модуль упругости Е приблизительно имеют такие же значения, как и при растяжении. Поэтому стали на сжатие испытывают значительно реже, чем на растяжение. На практике схемы сжатия используют преимущественно в технологических пробах для оценки деформационной способности полуфабрикатов и изделий. С помощью проб по появлению трещин определяют годность или негодность материала после деформации сжатием на заданную величину.

Сжатие хрупкого материала

Цилиндрический образец чугуна (h_o/d_o=1,5) после обмера устанавливается между плитами пресса и подвергается статическому нагружению. Диаграмма сжатия при этом будет иметь вид, показанный на рис. 2. Нетрудно заметить, что на диаграмме сжатия отсутствует прямолинейный участок. Разрушение происходит внезапно при нагрузке Р_mах с появлением ряда наклонных трещин, направленных примерно под углом 45° к оси образца. Такой характер разрушения объясняется действием касательных напряжений, возникающих в наклонных площадках при сжатии.

Рис.2 Диаграмма сжатия и характер разрушения образцов из чугуна

Таким образом, при сжатии хрупких материалов и при их растяжении можно определить лишь предел прочности

Различие между диаграммами сжатия и растяжения чугуна заключается лишь в том, что нагрузка, соответствующая пределу прочности при сжатии, в 3-5 раз превышает нагрузку, соответствующую пределу прочности при растяжении, и соответственно (σ_в)_с > (σ_в)_р, т.е. чугун лучше сопротивляется сжатию, чем растяжению.

Характер деформации образца и причины его разрушения для хрупкого материала во многом зависят от влияния сил трения между образцом и опорными поверхностями машины. Путем периодической парафиновой смазки торцов образца в процессе испытания можно практически полностью устранить силы трения. При этом образец в течение всего испытания не принимает бочкообразную форму, остается цилиндрическим и разрушается по плоскостям, параллельным диаметральной плоскости образца из-за недопустимо больших растягивающих деформаций.

Сжатие анизотропного материала

Для испытания изготавливаются образцы дерева кубической формы, которые испытывают вдоль и поперек волокон, что изображено на диаграмме рис. 3. Из диаграммы видно, что образец, испытанный вдоль волокон (кривая 1), до разрушения претерпевает сравнительно небольшие остаточные деформации. После достижения наибольшего значения сжимающей силы Р_mах начинается разрушение образца с последующим падением нагрузки. В процессе разрушения дерево расслаивается, волокна отделяются одно от другого и переламываются, на боковой поверхности кубика образуются поперечные складки и продольные трещины.

Рис.3 Диаграмма сжатия и характер разрушения образцов дерева вдоль волокон

По результатам испытания определяется только предел прочности

При испытании на сжатие поперек волокон диаграмма имеет другой характер (кривая 2). Сначала линия диаграммы идет по наклонной прямой до нагрузки Р_пц. Затем вычерчивается слабо изогнутая кривая (кубик быстро деформируется почти без увеличения нагрузки), которая, если древесина не имеет пороков, может пойти вверх после того, как образец будет достаточно спрессован.

Значительный рост деформации без увеличения нагрузки позволяет считать, что грузоподъемность образца уже исчерпана. Поэтому за разрушающую нагрузку Р_mах(соответствующую пределу прочности σ_в) условно принимается такая нагрузка, при которой кубик сжимается на 1/3 своей первоначальной высоты.

Прочность дерева при сжатии поперек волокон обычно в 8-10 раз меньше, чем вдоль волокон. Эти свойства дерева следует учитывать, располагая его так при проектировании конструкций, чтобы сжимающие усилия действовали по направлению наибольшего сопротивления, т. е. вдоль волокон.