Кіріспе
Материалдың немесе құрылымның көлемін кішірейтетін күштерге төзу қабілеті. Механикада, қысымға беріктік (немесе сығуға беріктік) – материалдың немесе құрылымның көлемін кішірейтетін күштерге төзу қабілеті (созылуға қарсы тұратын кернеуге беріктіктен өзгеше). Яғни, қысымға беріктік қысымға (бір-біріне итерілуге) қарсы тұрады, ал кернеуге беріктік кернеуге (тартылуға) қарсы тұрады. Материалдардың беріктігін зерттеуде, кернеуге, қысымға және қиюға беріктіктерді жеке-жеке талдауға болады. Кейбір материалдар қысымға беріктік шегінде сынды, ал басқалары өзгермейтін деформацияға ұшырайды, сондықтан деформацияның белгілі бір деңгейі қысымдық жүктеме үшін шек ретінде қарастырылуы мүмкін. Сығуға беріктік – құрылымдарды жобалау үшін маңызды көрсеткіш. Қысымға беріктік көбінесе универсалды сынақ машинасымен өлшенеді. Қысымға беріктікті өлшеу нәтижелері сынақ әдісіне және өлшеу шарттарына байланысты өзгеруі мүмкін. Қысымға беріктіктер әдетте нақты техникалық стандартқа сәйкес көрсетіледі.
In mechanics, compressive strength (or compression strength) is the capacity of a material or structure to withstand loads tending to reduce size (as opposed to tensile strength which withstands loads tending to elongate). In other words, compressive strength resists compression (being pushed together), whereas tensile strength resists tension (being pulled apart). In the study of strength of materials, tensile strength, compressive strength, and shear strength can be analyzed independently. Some materials fracture at their compressive strength limit; others deform irreversibly, so a given amount of deformation may be considered as the limit for compressive load. Compressive strength is a key value for design of structures. Compressive strength is often measured on a universal testing machine. Measurements of compressive strength are affected by the specific test method and conditions of measurement. Compressive strengths are usually reported in relationship to a specific technical standard.
Кіріспе
Материалдың үлгісі созылатын күйінде жүктелгенде, ол кернеуге түскен деп айтылады. Ал егер материал қысылып, ұзарағы қысқарса, онда ол қысылуға түскен деп есептеледі. Атомдық деңгейде, кернеу кезінде молекулалар немесе атомдар бір-бірінен алыстатылады, ал қысылу кезінде жақындасады. Қатты денелердегі атомдар әрқашан тепе-теңдік күйін және басқа атомдар арасындағы қашықтықты табуға тырысатындықтан, материалдың барлық бөлігінде кернеу мен қысымға қарсы әрекет ететін күштер пайда болады. Сондықтан, атомдық деңгейдегі құбылыстар ұқсас сипатта болады. "Деформация" – қолданылған күш әсерінен ұзындықтың салыстырмалы өзгеруі; оң деформация кернеуге түскен объектіні сипаттайды, ол оны ұзартуға бейім, ал объектіні қысқартатын қысым кернеуі теріс деформацияны тудырады. Кернеудің әсерінен туындаған шағын бүгілулер түзуленуге ұмтылады, ал қысым мұндай бүгілуді күшейте түсіп, бүкіп кетуге әкелуі мүмкін. Материалдардың, компоненттердің және конструкциялардың қысымға төзімділігі өлшенеді. Анықтама бойынша, материалдың максималды қысымға төзімділігі – материал толығымен бұзылған кезде қол жеткізілетін бір осьті қысым кернеуінің шамасы. Қысымға төзімділік әдетте қысым сынағы арқылы тәжірибелік жолмен анықталады. Бұл сынақта қолданылатын құралдар созылу сынағында қолданылатын құралдармен бірдей. Алайда, бір осьті созу күші емес, бір осьті қысым күші қолданылады. Көрсетілгендей, сынама (әдетте цилиндр пішіндес) қысқарады және бүйір жағынан кеңейеді. Құралмен созылу-қысылу қисығы салынады, ол келесіге ұқсас болады:
The compressive strength of the material corresponds to the stress at the red point shown on the curve. In a compression test, there is a linear region where the material follows Hooke's law. Hence, for this region, where, this time, E refers to the Young's modulus for compression. In this region, the material deforms elastically and returns to its original length when the stress is removed. This linear region terminates at what is known as the yield point. Above this point the material behaves plastically and will not return to its original length once the load is removed. There is a difference between the engineering stress and the true stress. By its basic definition the uniaxial stress is given by:
where F is load applied [N] and A is area [m2]. As stated, the area of the specimen varies on compression. In reality therefore the area is some function of the applied load i. e. 1=A = f (F). Indeed, stress is defined as the force divided by the area at the start of the experiment. This is known as the engineering stress, and is defined by
where A0 is the original specimen area [m2]. Correspondingly, the engineering strain is defined by
where l is the current specimen length [m] and l0 is the original specimen length [m]. The compressive strength therefore corresponds to the point on the engineering stress–strain curve defined by
where F^(*) is the load applied just before crushing and l^(*) is the specimen length just before crushing.
Материалдың қысымға төзімділігі қисықтағы қызыл нүктеде көрсетілген кернеуге сәйкес келеді. Қысым сынағында материалдың Хук заңына бағынатын сызықтық аймағы болады. Осылайша, бұл аймақта, E – Young модуліне сілтеме жасайды. Бұл аймақта материал серпімді деформацияланады және күш алынғанда бастапқы ұзындығына қайта оралады. Бұл сызықтық аймақ беріктік шегі деп аталатын нүктеде аяқталады. Бұл нүктеден жоғары материал пластикалық қасиеттерге ие болады және күш алынғаннан кейін бастапқы ұзындығына оралмайды. Инженерлік кернеу мен нақты кернеу арасында айырмашылық бар. Негізгі анықтама бойынша, бір осьті кернеу мына формуламен беріледі:
The compressive strength of the material corresponds to the stress at the red point shown on the curve. In a compression test, there is a linear region where the material follows Hooke's law. Hence, for this region, where, this time, E refers to the Young's modulus for compression. In this region, the material deforms elastically and returns to its original length when the stress is removed. This linear region terminates at what is known as the yield point. Above this point the material behaves plastically and will not return to its original length once the load is removed. There is a difference between the engineering stress and the true stress. By its basic definition the uniaxial stress is given by:
where F is load applied [N] and A is area [m2]. As stated, the area of the specimen varies on compression. In reality therefore the area is some function of the applied load i. e. 1=A = f (F). Indeed, stress is defined as the force divided by the area at the start of the experiment. This is known as the engineering stress, and is defined by
where A0 is the original specimen area [m2]. Correspondingly, the engineering strain is defined by
where l is the current specimen length [m] and l0 is the original specimen length [m]. The compressive strength therefore corresponds to the point on the engineering stress–strain curve defined by
where F^(*) is the load applied just before crushing and l^(*) is the specimen length just before crushing.
мұнда F – қолданылатын күш [Н] және A – аудан [м²]. Жоғарыда айтылғандай, қысым кезінде сынаманың ауданы өзгереді. Шындығында, аудан қолданылатын күштің функциясы болып табылады, яғни 1=A = f (F). Кернеу – күшті эксперимент басталған кездегі ауданға бөлгенге тең. Бұл инженерлік кернеу деп аталады және ол A0 – бастапқы сынама ауданы [м²] арқылы анықталады. Сәйкесінше, инженерлік деформация мына формуламен анықталады:
The compressive strength of the material corresponds to the stress at the red point shown on the curve. In a compression test, there is a linear region where the material follows Hooke's law. Hence, for this region, where, this time, E refers to the Young's modulus for compression. In this region, the material deforms elastically and returns to its original length when the stress is removed. This linear region terminates at what is known as the yield point. Above this point the material behaves plastically and will not return to its original length once the load is removed. There is a difference between the engineering stress and the true stress. By its basic definition the uniaxial stress is given by:
where F is load applied [N] and A is area [m2]. As stated, the area of the specimen varies on compression. In reality therefore the area is some function of the applied load i. e. 1=A = f (F). Indeed, stress is defined as the force divided by the area at the start of the experiment. This is known as the engineering stress, and is defined by
where A0 is the original specimen area [m2]. Correspondingly, the engineering strain is defined by
where l is the current specimen length [m] and l0 is the original specimen length [m]. The compressive strength therefore corresponds to the point on the engineering stress–strain curve defined by
where F^(*) is the load applied just before crushing and l^(*) is the specimen length just before crushing.
мұнда l – ағымдағы сынама ұзындығы [м] және l0 – бастапқы сынама ұзындығы [м]. Осылайша, қысымға төзімділік F^(*) – сынау алдындағы күш және l^(*) – сынау алдындағы сынама ұзындығы деп анықталған инженерлік кернеу-деформация қисығының нүктесіне сәйкес келеді.
The compressive strength of the material corresponds to the stress at the red point shown on the curve. In a compression test, there is a linear region where the material follows Hooke's law. Hence, for this region, where, this time, E refers to the Young's modulus for compression. In this region, the material deforms elastically and returns to its original length when the stress is removed. This linear region terminates at what is known as the yield point. Above this point the material behaves plastically and will not return to its original length once the load is removed. There is a difference between the engineering stress and the true stress. By its basic definition the uniaxial stress is given by:
where F is load applied [N] and A is area [m2]. As stated, the area of the specimen varies on compression. In reality therefore the area is some function of the applied load i. e. 1=A = f (F). Indeed, stress is defined as the force divided by the area at the start of the experiment. This is known as the engineering stress, and is defined by
where A0 is the original specimen area [m2]. Correspondingly, the engineering strain is defined by
where l is the current specimen length [m] and l0 is the original specimen length [m]. The compressive strength therefore corresponds to the point on the engineering stress–strain curve defined by
where F^(*) is the load applied just before crushing and l^(*) is the specimen length just before crushing.
Инженерлік кернеудің нақты кернеуден ауытқуы
Инженерлік жобалау практикасында мамандар көбінесе инженерлік кернеуге сүйенеді. Шындығында, нақты кернеу инженерлік кернеуден өзгеше. Сондықтан, берілген теңдеулер арқылы материалдың қысылуға беріктігін есептеу дәл нәтиже бермейді. Өйткені қима ауданы А0 өзгереді және жүктемеге тәуелді болады: 1=A = φ(F). Сондықтан, мәндердегі айырмашылықты мынадайша түсіндіруге болады: қысымға түсіргенде, сынама қысқарады. Материал бүйірге қарай кеңейе түседі, соның салдарынан көлденең қима ауданы артады.
Қысым және кернеу беріктіктерін салыстыру
Бетон мен керамиканың қысымға төзімділігі, әдетте, созуға төзімділігінен әлдеқайда жоғары. Композиттік материалдар, мысалы, шыны талшықты эпоксидті матрицалы композит, қысымға төзімділігінен гөрі созуға төзімділігіне ие. Металдарды созу және қысу арқылы сындыру шегіне дейін сынау қиын. Қысымда металдар бүкіліп, сынылып немесе 45 градус бұрышпен сынып қалады, бұл созу кезіндегі ақаулар немесе мойынның тарылуынан болатын сындырудан мүлдем өзгеше (бірақ кернеу жоғары).
Сығымдалу бұзылу режімдері
Егер сығымға түскен материалдың ұзындығы мен тиімді радиусының арақатынасы (Slenderness қатынасы) тым жоғары болса, материал бүктелуден зақымдануы мүмкін. Әйтпесе, егер материал икемді болса, жоғарыда талқыланған «бочка тәріздес» әсерін көрсететін пластикалық деформация пайда болады. Сығымға түскен жұқа материал әдетте жүктеме бағытына перпендикуляр шектеу деңгейіне байланысты осьтік жарылу, серпілу сынығы немесе пластикалық деформация арқылы зақымдалады. Егер шектеу болмаса (оған шектеуші қысым да делінеді), жұқа материалдың осьтік жарылу арқылы сәтсіздікке ұшырауы ықтимал. Орташа шектеуші қысым көбінесе серпілу сынығына алып келеді, ал жоғары шектеуші қысым тіпті жұқа материалдарда да пластикалық деформацияға әкелуі мүмкін. Осьтік жарылу жұқа материалдағы серпімді энергияны босатады, қолданылған сығымды кернеуге перпендикуляр бағыттағы кернеуді азайту арқылы. Материалдың Пуассон коэффициентімен анықталғандай, бір бағытта серпімді сығылған материал қалған екі бағытта созылады. Осьтік жарылу кезінде жарық қолданылған жүктемеге параллель жаңа бетті құру арқылы созылу кернеуін босата алады. Содан кейін материал екі немесе одан көп бөлікке бөлінеді. Сондықтан осьтік жарылу көбінесе шектеуші қысым болмағанда, яғни негізгі жүктемеге перпендикуляр оське аз қысым түскенде пайда болады. Енді микробағаналарға бөлінген материал, бос ұштарындағы интерфейстердің біркелкі еместігінен немесе кернеуді қорғаудан туындаған әртүрлі үйкеліс күштерін сезінеді. Кернеуді қорғау жағдайында материалдардың біркелкі еместігі әртүрлі Янг модуліне алып келуі мүмкін. Бұл өз кезегінде кернеудің тең емес таралуына, үйкеліс күштерінің айырмашылығына әкеледі. Екі жағдайда да материал бөліктері иіліп, соңында толық зақымдануға алып келеді.
Микрожарылу
Микрожарықтар сынық және квази-сынық материалдардағы қысым астындағы бұзудың басты себебі болып табылады. Жарық ұшымен сығу жарық ұшында созу күштеріне алып келеді. Микрожарықтар кез келген алдын ала бар жарық ұштарының айналасында пайда болуға бейім. Барлық жағдайларда, жалпы жаһандық қысым мен жергілікті микроқұрылымдық аномалиялардың өзара әрекеттесуі жергілікті кернеу аймақтарын тудырады. Микрожарықтардың пайда болуына бірнеше фактор себеп болуы мүмкін. Көптеген материалдар үшін пішінділік қысымға төзімділікті анықтайтын фактор болып табылады. Микрожарықтар порылардың айналасында пайда болуы мүмкін, олар шамамен өздерінің бастапқы порыларының мөлшеріне жеткенше. (a) Материалдың ішіндегі қатты қоспалар, мысалы, шөгінді, жергілікті кернеу аймақтарын тудыруы мүмкін. (b) Егер қоспалар жиынтықтасса немесе ірі болса, бұл әсер күшейе түседі. Тіпті порылар немесе қатты қоспалар болмаса да, материал қолданған күшке қатысты еңкіл (көлденең) интерфейстер арасында микрожарықтар дамытуы мүмкін. Бұл интерфейстер сығуға ұшырап, екінші жарықтарды құруы мүмкін. Бұл қосалқы жарықтар ашылуын жалғастыра береді, себебі бастапқы интерфейстердің сығуы қосалқы жарықты аша береді (c). Интерфейстердің сығуы ғана екінші жарықтың өсуіне жауапты емес, материалдың Янг модуліндегі біркелкіліктер тиімді сәйкессіздіктің артуына әкелуі мүмкін. Осылай өсетін жарықтар қанат ұшындағы микрожарықтар деп аталады. Микрожарықтардың өсуі бастапқы жарық/кемшіліктің өсуі емес екенін атап өту маңызды. Жаңадан пайда болатын жарықтар бастапқы жарыққа перпендикуляр бағытта пайда болады және екіншілік жарықтар деп аталады. Төмендегі сурет осы мәнді қанат ұшындағы жарықтар үшін көрсетеді. Бұл қосалқы жарықтар қарапайым (бір осілі) қысым кезінде бастапқы жарықтардың ұзындығынан 10-15 есеге дейін өсе алады. Дегенмен, егер көлденең қысым қолданылса, өсу бастапқы жарықтың ұзындығының бірнеше толық еселігімен шектеледі.
Stiff inclusions within a material such as a precipitate can cause localized areas of tension. (b) When inclusions are grouped up or larger, this effect can be amplified. Even without pores or stiff inclusions, a material can develop microcracks between weak inclined (relative to applied stress) interfaces. These interfaces can slip and create a secondary crack. These secondary cracks can continue opening, as the slip of the original interfaces keeps opening the secondary crack (c). The slipping of interfaces alone is not solely responsible for secondary crack growth as inhomogeneities in the material's Young's modulus can lead to an increase in effective misfit strain. Cracks that grow this way are known as wingtip microcracks. It is important to emphasize that the growth of microcracks is not the growth of the original crack/imperfection. The cracks that nucleate do so perpendicular to the original crack and are known as secondary cracks. The figure below emphasizes this point for wingtip cracks. These secondary cracks can grow to as long as 10 15 times the length of the original cracks in simple (uniaxial) compression. However, if a transverse compressive load is applied. The growth is limited to a few integer multiples of the original crack's length.
Бетонның қысым беріктігі
Конструкторлар үшін бетонның қысымға беріктігі – бетонның ең маңызды инженерлік қасиеттерінің бірі болып табылады. Кез келген бетон қоспасының қысымға беріктігі оның класына қарай жіктеледі. Осы мәнді өлшеу үшін бетонның текше немесе цилиндр тәрізді үлгілері қысымға сынау машинасымен сыналады. Сынау талаптары әр елдегі жобалау нормаларына сәйкес өзгеше болуы мүмкін. Компрессометрді қолдану жиі кездеседі. Үнді стандарттарына сәйкес, бетонның қысымға беріктігі былай анықталады:
Бетонның қысымға беріктігі 28 күннен кейін сынаған 150 мм өлшемді текшелердің сипаттамалық қысымға беріктігі (fck) арқылы беріледі. Іс жүзінде қысымға беріктікті сынаулар аралық мерзімде, яғни 7 күннен кейін, 28 күннен кейін күтілетін қысымға беріктікті тексеру үшін де жүргізіледі. Бұл, мүмкін болатын зақымдану туралы алдын ала хабарлау және қажетті сақтық шараларын қабылдау үшін жасалады. Сипаттамалық беріктік – бұл сынау нәтижелерінің 5% аспауы тиіс бетонның беріктігі. Жобалау мақсатында бұл қысымға беріктік мәні қолданылатын жобалау философиясына байланысты қауіпсіздік коэффициентімен бөліну арқылы шектеледі. Құрылыс индустриясы көбінесе түрлі сынақтарға қатысады. Қарапайым қысымға сынаудан басқа, бетонның механикалық қасиеттерін өлшеу үшін ASTM C39, ASTM C109, ASTM C469, ASTM C1609 сияқты сынау стандарттары қолданылатын сынау әдістерінің қатарында. Бетонның қысымға беріктігін және басқа материалдық қасиеттерін өлшеу кезінде, қолданылатын процедураға байланысты қолмен немесе сервожүйемен басқарылатын сынау жабдықтары таңдалуы мүмкін. Кейбір сынау әдістері жүктеме жылдамдығын белгілі бір мәнмен немесе диапазонмен анықтайды немесе шектейді, ал басқалары өте төмен жылдамдықпен жүргізілетін сынау процедураларының нәтижелеріне негізделген деректерді талап етеді. Жоғары өнімді бетон (UHPC) 150 МПа-дан жоғары қысымға беріктігі бар деп анықталады.