Предел прочности на сжатие, или разрушение коротких стержней и колонн при сжатии

Предел прочности на сжатие, или разрушение коротких стержней и колонн при сжатии

Если взять кирпич или небольшой бетонный блок и подвергнуть их действиюзначительной сжимающей нагрузки (в испытательной машине или любым другимметодом), материал в конце концов, разрушится тем способом, который условноназывают “разрушением при сжатии”. Хрупкие материалы, например камень,кирпич, бетон или стекло, обычно при этом рассыпаются на куски, а иногдаи в пыль. Но, строго говоря, это вовсе не разрушение сжатием, так как вдействительности оно почти всегда происходит из-за сдвига. Как мы виделив предыдущей главе, сжатие и растяжение образца с необходимостью приводятк появлению напряжений сдвига, действующих под углом 45°, и именно этотсдвиг по наклонным площадкам и служит обычно причиной разрушения короткихобразцов при их сжатии.

Как мы уже говорили, практически во всех хрупких материалах существуетмножество микротрещин, царапин и того или иного рода дефектов. Если дажеони не возникли при изготовлении материала, то практически неизбежно появятсяпотом из-за самых разнообразных причин. Естественно, что эти трещины ицарапины в материале имеют всевозможные направления. Значительное числоих окажется направленным под углом +45° к напряжению сжатия, то есть онибудут более или менее параллельны возникающим напряжениям сдвига (рис.135).

Рис. 135. Разрушение хрупких материалов (цементили стекло) при сжатии происходит на самом деле путем сдвига.

Как и в случае растяжения, для этих сдвиговых трещин существует критическаядлина по Гриффитсу. Другими словами, трещина данной длины начинает распространяться,когда касательное напряжение достигает некоторого критического значения.Если в хрупком материале, например бетоне, достигаются эти критическиеусловия, то сдвиговые трещины распространяются практически мгновенно, процессможет носить почти взрывной характер. Когда сдвиговая трещина пройдет подиагонали поперек всего образца, две его части начинают скользить относительнодруг друга. Образец уже не может больше сопротивляться сжимающей нагрузке,материал разгружается, выделяя большое количество упругой энергии, и именнопоэтому, когда хрупкие материалы (стекло, бетон, камень) сжимают или разбиваютмолотком, разлетаются осколки, которые могут быть опасными. Выделеннойэнергии деформации часто оказывается достаточно для превращения материалав пыль. Именно это происходит, когда мы толчем кусочки сахара в ступке.

Разрушение сжатием пластичного металла (скажем, масла или пластилина)происходит по аналогичным причинам. Под действием касательных напряжений слоиметалла начинают проскальзывать по дислокационному механизму. И снова скольжениепроисходит вдоль плоскостей, расположенных примерно под углом 45° к сжимающейнагрузке, короткий металлический образец расползается, приобретая бочкообразнуюформу (рис. 136). Благодаря большой работе разрушения пластичного металлавероятность выброса осколков в этом случае невелика и непосредственныеследствия разрушения бывают менее опасными и драматичными. Когда мы бьеммолотком по головке заклепки или используем для этого гидравлический пресс, мырассчитываем именно на эту склонность металла расплющиваться при сжатий.

Рис. 136. Разрушение пластичного материала (металла) при сжатии происходитвследствие сдвига, но в этом случае сдвиг приводит к расплющиванию образца.

Материалы типа дерева или искусственных волокнистых композитов, напримерстеклопластика или углепластика, при сжатии обычно разрушаются иначе. Армирующиеволокна под действием сжимающих нагрузок изгибаются все вместе, “коллективно”,образуя складку, бегущую поперек образца. Эти складки могут проходить подуглом 90° к направлению сжимающих сил или наклонно под различными углами(рис. 137). К сожалению, в композиционных материалах складки часто образуютсяуже при сравнительно небольших напряжениях, то есть на сжатие эти материалыработают плохо, что следует иметь в виду при использовании их в конструкциях.

Рис. 137. Разрушение волокнистых материалов (дерево или стеклопластик) присжатии. Поперечная складка (а) под углом 90°приводит к уменьшению объема, апотому возникает только в материалах, содержащих пустоты, например в дереве.Косая складка (б) характерна для композитных материалов, так как ееформирование не требует уменьшения объема.

Сравнение прочности материалов на растяжение и на сжатие

Содержимое многочисленных учебников и справочников – обширные таблицы прочностина разрыв практически всех конструкционных материалов. Как правило, книги этигораздо более сдержанны в отношении прочности на сжатие. Одна из причин этого втом, что экспериментальные значения прочности при сжатии в большей мере зависятот формы испытуемого образца. Иногда материал оказывается столь чувствительнымк ней, что становится почти бессмысленным приводить какие-либо цифры. Хотяобращаться с величинами прочности на сжатие мы обязаны очень осторожно и этооправданно, использование данного понятия все же позволяет лучше постигнуть