Материал: Физико-механические свойства конструкционных композитов. методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов 3-го курса. Рогатнев Ю.Ф., Ларионов С.Г

3.4. Выполнение работы

3.4.1. Подготовка опытных образцов

Для испытания на растяжение отбирают образцы арматуры круглого или периодического профиля с необработанной поверхностью номинальным диаметром от 3,0 до 12 мм.

Полная длина образца арматуры выбирается в зависимости от рабочей длины образца и конструкции захвата испытательной машины, при этом рабочая длина образца должна составлять не менее 200 мм.

Перед испытанием допускается проводить правку образца плавным давлением на него или легкими ударами молотка по образцу, лежащему на подкладке. Подкладка и молоток должны быть из более мягкого материала, чем образец.

Начальную площадь поперечного сечения образцов арматуры периодического профиля , мм², вычисляют по формуле

(3.1)

где – масса испытуемого образца, кг;

– длина испытуемого образца, м;

– плотность стали, 7850 кг/м³.

Начальную расчетную длину измеряют с погрешностью не более 0,5 мм.

Диаметры круглых образцов арматуры номинальным диаметром от 3,0 до 40,0 мм измеряют штангенциркулем или микрометром.

Массу испытываемых образцов арматуры периодического профиля номинальным диаметром менее 10 мм определяют с погрешностью не более 1,0 г, образцов арматуры диаметром от 10 до 20 мм – с погрешностью не более 2,0 г, а образцов диаметром более 20 мм – с погрешностью не более 1 % от массы образца.

Образцы арматурной стали взвешивают на весах, а длину образца измеряют металлической линейкой.

При проведении испытаний должны соблюдаться требования:

• надежное центрирование образца;

• плавность нагружения;

• средняя скорость нагружения при испытании до предела текучести не должна быть более 10 МПа (1 кгс/мм²) в секунду; за пределом текучести скорость нагружения может быть увеличена так, чтобы скорость перемещения подвижного захвата машины не превышала 0,1 рабочей длины испытуемого образца в минуту; шкала силоизмерителя испытательной машины не должна превышать пятикратного ожидаемого значения наибольшей нагрузки Р для испытываемого образца арматуры.

При определении условного предела текучести с помощью тензометра относительная длина деления шкалы тензометра не должна превышать 0,05 % базы тензометра.

3.4 2. Проведение испытаний и обработка результатов

Величину относительного удлинения , % вычисляют по формуле

. (3.2)

В зависимости от величины начальной расчетной длины образца к букве добавляют индекс. Например, при начальной расчетной длине, равной 5d – , при 100 мм – и т. д.

Конечную расчетную длину образца , включающую место его разрыва, определяют следующим способом.

Перед испытанием образец на длине, большей его рабочей длины, размечается на n равных частей при помощи меток, наносимых делительной машиной, скобками или керном. Расстояние между метками для арматуры диаметром 10 мм и более не должно превышать величину d и быть кратным 10 мм. Для арматуры диаметром менее 10 мм расстояние между метками принимается равным 10 мм. Допускается при разметке образцов расстояние между метками принимать более 10 мм и превышающим величину d, но не более величины начальной расчетной длины l₀.

Если число интервалов n, соответствующее начальной длине образца, получается дробным, его округляют до целого в большую сторону.

После испытания части образца тщательно складывают вместе, располагая их по прямой линии. От места разрыва в одну сторону откладывается n/2 интервалов и ставят метку а. Если величина n/2 оказывается дробной, то ее округляют до целого числа в большую сторону. Участок от места разрыва до первой метки при этом считается как целый интервал.

От метки а откладывают в сторону разрыва n интервалов и ставят метку b (рис. 3.2). Отрезок ab равен полученному по месту разрыва конечной расчетной длине l_к.

Рис. 3.2

Если место разрыва ближе к краю захвата машины чем величина n/2 (рис.3.3), то полученную после разрыва конечную расчетную длину l_к определяют следующим образом: от места разрыва до крайней метки q у захвата определяют число интервалов, которое обозначают т/2. От точки q к месту разрыва откладывают т интервалов и ставят метку с. Затем от метки с откладывают n/2 – т/2 интервалов и ставят метку е.

Рис. 3.3

Конечную расчетную длину образца l_к, мм, вычисляют по формуле

, (3.3)

где и - соответственно длина участка образца между точками с и q и с и е.

Если место разрыва находится на расстоянии от захвата, меньшем чем длина двух интервалов или 0,3 l₀ – для образцов диаметром менее 10 мм, величина расчетной длины не может быть достоверно определена и проводят повторное испытание.

Относительное, равномерное удлинение определяется во всех случаях вне участка разрыва на начальной расчетной длине, равной 50 или 100 мм. При этом расстояние от места разрыва до ближайшей метки начальной расчетной длины для арматуры диаметром 10 мм и более не должно быть менее 3d и более 5d, а для арматуры диаметром менее 10 мм – от 30 до 50 мм.

Для определения величины относительного равномерного удлинения конечная расчетная длина определяется по меткам (рис. 3.2 и 3.3).

Величину относительного, равномерного удлинения , %, вычисляют по формуле

. (3.4)

Конечные расчетные длины и измеряют с погрешностью не более 0,5 мм.

Относительное удлинение и относительное, равномерное удлинение после разрыва вычисляют с округлением до 0,5 %. При этом доли до 0,25 % отбрасывают, а доли 0,25 % и более принимают за 0,5 %.

Полное относительное удлинение при максимальной нагрузке может быть определено одним из способов:

– с помощью тензометров или иных специальных приборов позволяющих измерять деформации образца вплоть до разрушения;

– суммированием остаточной деформации после разрушения образца с упругими деформациями при максимальной нагрузке по формуле

. (3.5)

Временное сопротивление , МПа (кгс/мм²), вычисляют с погрешностью не более 5 МПа (0,5 кгс/мм²) по формуле

. (3.6)

Предел текучести , МПа (кгс/мм²), вычисляют с погрешностью не более 5 МПа (0,5 кгс/мм²) по формуле

. (3.7)

Условные предел текучести может быть определен аналитическим и графическим способами.

Тензометр на образец устанавливают после приложения начальной нагрузки, соответствующей 0,05-0,10 ожидаемой величины временного сопротивления .

Нагрузка прикладывается равными или пропорциональными этапами, так чтобы до нагрузки, соответствующей искомому пределу, было не менее 8-10 этапов нагружения, считая от начальной нагрузки.

При достижении суммарной нагрузки, соответствующей 0,7-0,9 искомого предела, рекомендуется уменьшить величину этапа нагружения в два или четыре раза.

Выдержка при постоянной нагрузке на каждом этапе нагружения без учета времени приложения нагрузки должна быть не более 10 с.

Условный предел текучести определяют аналитическим способом. Вычисляют величину остаточной деформации = 0,2 % базы тензометра; затем определяют среднюю величину упругой деформации на одном этапе нагрузки, исходя из величины средней деформации, найденной на этапах нагружения в интервале 0,10-0,40 предполагаемого усилия, соответствующего пределу текучести, а для арматурных канатов в интервале 0,10-0,40 временного сопротивления.

Нагрузка , при которой будет обеспечено равенство , соответствует условному пределу текучести в МПа (кгс/мм²), который вычисляется с погрешностью не более 5 МПа (0,5 кгс/мм²) по формуле

. (3.8)

Графический способ определения условного предела текучести: строится диаграмма растяжения "нагрузка – удлинение". По оси ординат откладывают нагрузку, а по оси абсцисс – соответствующее удлинение (рис. 3.4).

На диаграмме проводится прямая, параллельная участку пропорциональной зависимости Р– на расстоянии от прямой части диаграммы вправо по оси абсцисс в направлении, равном заданной величине допуска на условно-мгновенную пластическую деформацию для условного предела текучести. Сила, соответствующая пределу текучести, определяется точкой пересечения этой прямой с диаграммой растяжения.

При определении условного предела текучести графическим способом диаграмму растяжения Р– строят в таком масштабе, при котором 0,1 % деформации образца соответствует участок оси ординат длиной не менее 10 мм, а нагрузке, примерно соответствующей условному пределу текучести, – участок оси абсцисс не менее 100 мм.

Рис. 3.4. Диаграмма растяжения "нагрузка – удлинение"

Допускается определение условного предела текучести _0,2 по машинной диаграмме с проведением периодических контрольных испытаний с помощью тензометров.

Примеры определения условного предела текучести приведены в прил. 2.

Для стержней и проволоки начальный модуль упругости принимают равным отношению приращения напряжений в интервале от 0,1 до 0,35Р_max к относительному удлинению образца в том же интервале нагружения.

Начальный модуль упругости Е_н определяется с погрешностью не более 1 % по формуле

. (3.9)

При этом в интервале от 0,1 до 0,35Р_max должно быть не менее трех последовательных этапов нагружения.

За результат испытания принимаются механические свойства, полученные при испытании каждого образца. Количество образцов для испытаний указывается в нормативно-технической документации на арматурную сталь.

Результаты испытаний не учитываются в следующих случаях:

• при разрыве образца по нанесенным меткам, если при этом какая-либо характеристика механических свойств по своей величине не отвечает установленным требованиям;

• при разрыве образца в захватах испытательной машины;

• при обнаружении ошибок в проведении испытаний или записи результатов испытаний.

3.5. Содержание отчета

В отчете приводят сведения об образцах для испытаний, результаты измерений геометрических размеров, массы образцов, порядок приложения нагрузки, диаграммы деформирования, результаты испытаний и расчетов.

Контрольные вопросы

1. Какое оборудование используется для испытаний образцов?

2. Как определяется начальная площадь образцов?

3. Как определяется начальный модуль упругости по диаграмме деформирования образцов?

4. Какой порядок определения условного и физического пределов текучести по диаграмме деформирования образцов?

Литература

[5, с.1-15]

Лабораторная работа № 4. Определение расчетного сопротивления каменной кладки

4.1. Цель работы

Определить прочность силикатного кирпича при сжатии и изгибе, определить прочность раствора при сжатии, расчетное сопротивление каменной кладки.

4.2. Задание:

• измерить линейные размеры образцов, нанести на боковые поверхности вертикальные осевые линии;

• выполнить нагружение образцов при сжатии и изгибе согласно схемам испытаний;

• определить прочность силикатного кирпича при сжатии и изгибе;

• определить марку силикатного кирпича;

• определить прочность раствора на сжатие;

• определить марку раствора;

• определить расчетное сопротивление кирпичной кладки;

• оформить отчет;

• ответить на контрольные вопросы.

4.3. Краткие теоретические сведения

Кирпич при работе в составе каменной кладки находится в условиях сложного напряженного состояния – подвергается одновременно внецентренному сжатию, изгибу, растяжению, срезу, смятию. Причинами этого являются: неоднородность растворной постели, различия между деформационными свойствами кирпича и раствора, наличие вертикальных швов в каменной кладке, неоднородность кирпича, а также отклонения геометрической формы камней от правильной.

Появление первых трещин в каменной кладке происходит в кирпиче под или над вертикальными швами, что вызвано изгибом и срезом кирпича, а также концентрацией напряжений. Нагрузка, при которой появляются первые трещины, зависит от физико-механических свойств камня и раствора, качества выполнения горизонтальных швов, возраста кладки. Таким образом, определение прочности кирпича имеет важное значение при проектировании каменных конструкций.

4.4. Выполнение работы

4.4.1. Испытание образцов на изгиб

Образец устанавливают на двух опорах пресса. Нагрузку прикладывают посередине пролета и равномерно распределяют по ширине образца согласно рис. 4.1. Нагрузка на образец должна возрастать непрерывно со скоростью, обеспечивающей его разрушение через 20…60 с после начала испытаний.

Предел прочности при изгибе , МПа (кгс/см²), образца вычисляют по формуле

, (4.1)

где – наибольшая нагрузка, установленная при испытании образца МН (кгс);

– расстояние между осями опор, м (см); – ширина образца, м (см);