Введение
Способность материала или конструкции выдерживать нагрузки, стремящиеся к уменьшению его размеров.
В механике, прочность на сжатие – это способность материала или конструкции выдерживать нагрузки, стремящиеся к уменьшению его размеров (в отличие от прочности на растяжение, которая выдерживает нагрузки, стремящиеся к увеличению размеров). Иными словами, прочность на сжатие сопротивляется сжатию (силе, направленной на сближение), в то время как прочность на растяжение сопротивляется растяжению (силе, направленной на разрыв). При изучении сопротивления материалов прочность на растяжение, прочность на сжатие и прочность на сдвиг могут анализироваться независимо. Некоторые материалы разрушаются при достижении предела прочности на сжатие, другие необратимо деформируются, поэтому определенная величина деформации может рассматриваться как предел для сжимающей нагрузки. Прочность на сжатие является ключевым параметром при проектировании конструкций. Прочность на сжатие часто измеряется на универсальной испытательной машине. На результаты измерения прочности на сжатие влияют конкретный метод испытания и условия его проведения. Значения прочности на сжатие обычно приводятся в соответствии с определенным техническим стандартом.
Введение
Когда образец материала подвергается нагрузке, вызывающей его удлинение, говорят, что он находится в состоянии растяжения. С другой стороны, если материал сжимается и укорачивается, он находится в состоянии сжатия. На атомном уровне молекулы или атомы раздвигаются при растяжении, а при сжатии сближаются. Поскольку атомы в твердых телах всегда стремятся к равновесному положению и определенному расстоянию между собой, во всем материале возникают силы, противодействующие как растяжению, так и сжатию. Таким образом, явления, происходящие на атомном уровне, аналогичны. "Деформация" – это относительное изменение длины при приложенном напряжении; положительная деформация характеризует объект, находящийся под нагрузкой растяжения, стремящейся его удлинить, а сжимающее напряжение, укорачивающее объект, дает отрицательную деформацию. Растяжение стремится вернуть небольшие боковые отклонения в исходное положение, в то время как сжатие усиливает такие отклонения, приводя к выпучиванию. Прочность на сжатие измеряется для материалов, компонентов и конструкций. По определению, предел прочности материала при сжатии – это значение одноосного напряжения, достигаемого при полном разрушении материала. Прочность на сжатие обычно определяется экспериментально посредством испытания на сжатие. Аппарат, используемый для этого эксперимента, такой же, как и при испытании на растяжение. Однако вместо приложения одноосного растягивающего усилия прикладывается одноосное сжимающее усилие. Как можно представить, образец (обычно цилиндрический) укорачивается и расширяется в поперечном направлении. Прибор строит диаграмму "напряжение-деформация", которая выглядит следующим образом: прочность материала при сжатии соответствует напряжению в красной точке, показанной на диаграмме. В области сжатия существует линейный участок, где материал подчиняется закону Гука. Следовательно, для этой области, где E в данном случае относится к модулю Юнга для сжатия. В этой области материал деформируется упруго и возвращается к своей первоначальной длине при снятии напряжения. Этот линейный участок 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 задается формулой: где F – приложенная нагрузка [Н] и A – площадь [м²]. Как уже отмечалось, площадь образца изменяется при сжатии. В действительности, следовательно, площадь является функцией приложенной нагрузки, то есть 1/A = f(F). Действительно, напряжение определяется как сила, деленная на площадь в начале эксперимента. Это называется инженерным напряжением и определяется формулой: где A₀ – первоначальная площадь образца [м²]. Соответственно, инженерная деформация определяется формулой: где l – текущая длина образца [м] и l₀ – первоначальная длина образца [м]. Таким образом, прочность на сжатие соответствует точке на инженерной диаграмме "напряжение-деформация", определяемой как F^* – нагрузка, приложенная непосредственно перед разрушением, и l^* – длина образца непосредственно перед разрушением.
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.
Отклонение инженерного напряжения от истинного напряжения
В инженерной практике проектирования специалисты в основном используют инженерное напряжение. В реальности истинное напряжение отличается от инженерного. Следовательно, вычисление прочности материала на сжатие по заданным уравнениям не даст точного результата. Это происходит потому, что площадь поперечного сечения A0 изменяется и является функцией нагрузки: 1/A = φ(F). Таким образом, разницу в значениях можно объяснить следующим образом: при сжатии образец укорачивается. Материал будет стремиться расширяться в поперечном направлении, что приведет к увеличению площади поперечного сечения.
Сравнение прочности к нажатию и прочности к прожижению
Бетон и керамика обычно обладают значительно большей прочностью на сжатие, чем на растяжение. Композитные материалы, такие как композиты на основе стекловолокна и эпоксидной смолы, как правило, имеют более высокую прочность на растяжение, чем на сжатие. Металлы сложно испытывать на разрушение при растяжении и сжатии. При сжатии металлы разрушаются из-за выпучивания, крошения или сдвига под углом 45°, что существенно отличается (хотя и при более высоких напряжениях) от разрушения при растяжении, которое происходит из-за дефектов или локальной шейки.
Режимы сбоя сжатия
Если отношение длины к эффективному радиусу материала, сжатого в осевом направлении (коэффициент гибкости), слишком велико, материал, скорее всего, разрушится из-за выпуклости. В противном случае, если материал пластичен, обычно происходит текучесть с проявлением эффекта бочкообразности, описанного выше. Хрупкий материал при сжатии обычно разрушается при осевом расколе, сдвиговом разрушении или пластической деформации, в зависимости от степени стеснения в направлении, перпендикулярном направлению нагрузки. При отсутствии стеснения (также называемого ограничивающим давлением) хрупкий материал, вероятно, разрушится при осевом расколе. Умеренное ограничивающее давление часто приводит к сдвиговому разрушению, а высокое ограничивающее давление часто приводит к пластическому разрушению, даже для хрупких материалов. Осевой раскол высвобождает упругую энергию в хрупком материале, рассеивая энергию деформации в направлениях, перпендикулярных приложенному сжимающему напряжению. В соответствии с коэффициентом Пуассона материала, материал, упруго сжатый в одном направлении, деформируется в двух других направлениях. Во время осевого раскола трещина может снять это растягивающее напряжение, образуя новую поверхность, параллельную приложенной нагрузке. Затем материал разделяется на две или более частей. Следовательно, осевой раскол чаще всего происходит при отсутствии ограничивающего давления, то есть при меньшей сжимающей нагрузке на ось, перпендикулярную основной приложенной нагрузке. Материал, теперь разделенный на микроколонны, будет испытывать различные силы трения либо из-за неоднородности на границах раздела, либо из-за экранирования напряжений. В случае экранирования напряжений неоднородность материала может привести к различным модулям Юнга. Это, в свою очередь, вызовет непропорциональное распределение напряжений, что приведет к различию в силах трения. В любом случае это приведет к изгибу секций материала и, в конечном итоге, к разрушению.
Микрокрекинг
Микротрещины являются основной причиной разрушения при сжатии для хрупких и квазихрупких материалов. Сдвиг вдоль кончиков трещин приводит к возникновению растягивающих усилий на кончике трещины. Микротрещины, как правило, формируются вокруг любых уже существующих дефектов. Во всех случаях общее глобальное сжимающее напряжение взаимодействует с локальными микроструктурными аномалиями, создавая локальные зоны растяжения. Микротрещины могут возникать по нескольким причинам. Пористость является определяющим фактором прочности на сжатие для многих материалов. Микротрещины могут формироваться вокруг пор, пока их размер не станет примерно равным размеру исходных пор. (a) Жесткие включения в материале, такие как осадки, могут вызывать локализованные области растяжения. (b) Когда включения группируются или становятся больше, этот эффект может усиливаться. Даже без пор или жестких включений материал может развивать микротрещины между слабыми наклонными (относительно приложенного напряжения) границами. Эти границы могут смещаться, создавая вторичные трещины. Эти вторичные трещины могут продолжать раскрываться, поскольку смещение исходных границ продолжает раскрывать вторичную трещину (c). Смещение границ само по себе не является единственной причиной роста вторичных трещин, поскольку неоднородности модуля Юнга материала могут приводить к увеличению эффективной деформации. Трещины, растущие таким образом, известны как микротрещины на концах крыльев. Важно подчеркнуть, что рост микротрещин – это не рост исходной трещины/дефекта. Трещины, которые зарождаются, формируются перпендикулярно исходной трещине и называются вторичными трещинами. Рисунок ниже иллюстрирует этот момент для трещин на концах крыльев. Эти вторичные трещины могут вырастать до 10-15 раз в длину исходных трещин при простом (одноосном) сжатии. Однако при приложении поперечной сжимающей нагрузки рост ограничивается несколькими целыми кратными длины исходной трещины.
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.
Прочность бетона при сжатии
Для конструкторов прочность на сжатие является одним из важнейших инженерных свойств бетона. Стандартной практикой в промышленности является классификация прочности на сжатие конкретной бетонной смеси по маркам. Для определения этого значения кубические или цилиндрические образцы бетона испытываются на машине для испытаний на сжатие. Требования к испытаниям различаются в зависимости от страны, исходя из их различных строительных норм и правил. Использование компрессометра является распространенным. Согласно индийским нормам, прочность бетона на сжатие определяется как:
Прочность бетона на сжатие выражается через характеристическую прочность на сжатие кубов размером 150 мм, испытанных через 28 дней (fck). На строительной площадке испытания на прочность на сжатие также проводятся на промежуточных этапах, то есть через 7 дней, для проверки ожидаемой прочности на сжатие, прогнозируемой после 28 дней. Это делается также для заблаговременного выявления возможного разрушения и принятия необходимых мер предосторожности. Характеристическая прочность определяется как прочность бетона, ниже которой ожидается, что не более 5% результатов испытаний окажутся. Для целей проектирования это значение прочности на сжатие ограничивается делением на коэффициент запаса прочности, значение которого зависит от используемой философии проектирования. Строительная индустрия часто вовлечена в широкий спектр испытаний. Помимо простых испытаний на сжатие, стандарты испытаний, такие как ASTM C39, ASTM C109, ASTM C469, ASTM C1609, являются одними из методов, которые могут быть использованы для измерения механических свойств бетона. При измерении прочности на сжатие и других материальных свойств бетона может быть выбрано испытательное оборудование с ручным или сервоуправлением, в зависимости от применяемой процедуры. Некоторые методы испытаний определяют или ограничивают скорость нагружения определенным значением или диапазоном, в то время как другие методы требуют данных, полученных в результате испытаний, проводимых с очень низкой скоростью. Ультравысокопрочный бетон (UHPC) определяется как бетон с прочностью на сжатие более 150 МПа.