Наполнители армирующие, метод определения предела прочности и модуля упругости при растяжении

Напряжения при растяжении-сжатии.

Определенная методом сечений продольная сила N, является равнодействующей внутренних усилий распределенных по поперечному сечению стержня (рис. 2, б). Исходя из определения напряжений, согласно выражению (1), можно записать для продольной силы:

где σ — нормальное напряжение в произвольной точке поперечного сечения стержня.

Чтобы определить нормальные напряжения в любой точке бруса необходимо знать закон их распределения по поперечному сечению бруса. Экспериментальные исследования показывают: если нанести на поверхность стержня ряд взаимно перпендикулярных линий, то после приложения внешней растягивающей нагрузки поперечные линии не искривляются и остаются параллельными друг другу (рис.6, а). Об этом явлении говорит гипотеза плоских сечений (гипотеза Бернулли): сечения, плоские до деформации, остаются плоскими и после деформации.

Так как все продольные волокна стержня деформируются одинаково, то и напряжения в поперечном сечении одинаковы, а эпюра напряжений σ по высоте поперечного сечения стержня выглядит, как показано на рис.6, б. Видно, что напряжения равномерно распределены по поперечному сечению стержня, т.е. во всех точках сечения σ = const. Выражение для определения величины напряжения имеет вид:

Таким образом, нормальные напряжения, возникающие в поперечных сечениях растянутого или сжатого бруса, равны отношению продольной силы к площади его поперечного сечения. Нормальные напряжения принято считать положительными при растяжении и отрицательными при сжатии.

Расчеты на прочность и жесткость

Прочность характеризует способность конструкционного материала сопротивляться внешним воздействиям без разрушений и остаточных изменений. Жесткость находится в линейной зависимости от модуля Юнга и размера сечения. Чем больше площадь, модуль упругости не меняется, тем больше жесткость. В общем случае жесткость подразумевает способность деформироваться без значительных изменений. Коэффициент запаса прочности – безразмерная величина, равная отношению предельного напряжения к допустимому. Запас прочности характеризует штатный режим работы конструкции даже с учетом случайных и не предусмотренных нагрузок. Наименьшим запасом прочности обладают пластические (1.2-2.5) и хрупкие (2-5) материалы.

Применение в расчетах этих коэффициентов позволяет, например, рассчитать опасную толщину для стержня, при которой может возникнуть максимальное нормальное напряжение. Используя коэффициент прочности и возможное предельное напряжение возможно произвести расчет необходимого диаметра вала, который гарантированно обеспечит упругую деформацию и не приведет к пластической. Для инженеров-экономистов важны расчеты наименьших безопасных размеров деталей конструкции по заданным нагрузкам.

Большинство практических расчетов на прочность и жесткость производятся для получения минимальных значений геометрических размеров конструкционных элементов и деталей машин в условиях известных внешних воздействий и необходимого и достаточного запаса прочности. Может решаться обратная задача получения значений предельных нагрузок при условии сохранения геометрических размеров и для конкретного материала.

Сложные конструкции могут быть разделены на элементарные части, для которых будут производиться расчеты, затем полученные результаты интерпретируются в рамках всей системы, для этого удобно строить эпюры распределения внешних воздействий и внутренних напряжений статически определенной системы.

С помощью известной жесткости материала делают расчеты максимально возможной длины балки или стержня (вала) при условии неизменности его сечения. Для ступенчатых валов необходимо строить эпюры воздействия внешних сил и возникающих в точках их приложения внутренних напряжений в критических точках. От правильно построенной теоретической модели будет зависеть насколько эффективно и долго прослужит вал для станка, не разрушится ли он от динамических крутящих моментов. На этапе проектирования можно выявить потенциальные слабые точки и рассчитать необходимые параметры для заданного предела прочности.

При расчетах соединений используют пределы текучести используемых материалов и коэффициенты запаса прочности, вычисляют максимально возможные напряжения.

Исследования на прочность обычно подразумевают решение нескольких задач: в условиях проведения поверочного расчета на проверку прочности при известных усилиях и площади сечения оценивают фактический коэффициент запаса прочности; подбор оптимального диаметра при заданных нагрузках и допустимом напряжении; вычисляют грузоподъемность или несущую способность с помощью определения внутреннего усилия при известной площади сечения и напряжении.

Прочностные расчеты при разных видах воздействий в рамках условно статических систем сложны, требуют учета многих, иногда не очевидных, факторов, их практическая ценность заключается в вычислении допустимых размеров конструкционных материалов для заданных параметров запаса прочности.

16 Деформационные свойства – упругость, пластичность, хрупкость.

Деформативность
– свойство материалов(твердых) изменять
форму под действием внешних нагрузок
и температуры.

Упругость –
способность восстанавливать форму и
объем после прекращения действий
деформирующих сил. Характеризуется
пределом упругости – напряжение при
котором не имеет место остаточная
деформация.

Пластичность –
способность материала изменять форму
и размеры без разрушения под влиянием
нагрузки или других факторов, сохраняя
образовавшуюся форму после прекращения
этого влияния.

Хрупкость –
способность твердых материалов
разрушаться под действием нагрузки без
заметной пластической деформации.

2 Акустические
свойства.

Акустические
свойства – способность поглощать
звуковую энергию.

Это свойство
оценивает коэффициент звукопоглощения.
альфа=Епогл./Епадающ.

Зависит от пористости,
плотности, структуры, от частоты и угла
падения.

66 Технологические
свойства.

Технологические
свойства – это способность материла
подвергаться обработке в результате
чего изменяется состояние материала.
Распиливаемость, дробимость, шлифуемость,
гвоздимость, укрывистость,
удобоукладываемость(формируемость)

Влияние на качество
материала и его стоимость.

76 Химические
свойства.

Хим. свойства
– способность материала сопротивляться
действию агрессивной среды(кислота,
щелочь, соли, масло, бензин)

Кислотостойкие
(чугун, гранит, керамика)

Щелочестойкие
(бетон, известняк, стали, битумы)

Масло и бензостойкие
(спец. материалы, и ПрКМ)

Коррозиостойкость
(стекло, асбест)

4 Биологические
свойства.

Био. свойства
– стойкость материалов к разрушающему
действию отдельных видов растений и
живых организмов.

Зависит от пористости,
плотности, структуры.

Каменные материалы
не разрушаются. Биостойкость оценивается
по 6-ти бальной шкале.

27 Комплексные
свойства – долговечность, надежность,
совместимость.

Долговечность –
способность материалов сопротивляться
одновременному действию атмосферных(перепады
температур; действие воды, газов;
солнечной радиации. морозов, нагрузок)
и других факторов.

Способность
материала сохранять требуемые
эксплуатационные свойства. Долговечность
зависит от состава и структуры материала,
пористости, прочности, влажности,
температуры.

Зависит: от условий
эксплуатации, от прочности, пористости,
влажности, от состава и структуры.

Оценивается
экспериментальным и расчетным путем,
измеряется в годах до достижения
предельного состояния.

Надежность
– способность материала выполнять свои
функции в течение заданного времени
при данных условиях эксплуатации.
Зависит от условий изготовления(технологии),
транспортировки, от условий хранения.

Совместимость –
способность
разнородных материалов или компонентов
композиционных материалов образовывать
прочное и надежное соединение и выполнять
стабильно необходимые функции в течение
заданного времени.

Есть совместимость
физическая и эстетическая. Физические
и эстетические аспекты.

Как выбрать

Какие бывают смолы? Основная классификация: конструкционная группа (для ремонта, судостроения, моделирования…) и декоративная (для картин, сувениров, бижутерии, мебели, скульптур…).

Первые должны быть прочные, твердые, с адекватным временем затвердевания.

Вторым важнее такие характеристики, как прозрачность, текучесть, устойчивость к пожелтению, вызываемому кислородом и ультрафиолетом.

Для конструкционных работ подходят популярные марки ЭД-20, российского производства, а также корейская KER-828, распространившаяся по всему миру. Оба типа прочные, твёрдые, отлично переносят механические и химические воздействия, изменения температур. В чем отличие: первая со временем темнеет, но она тверже и меньше истирается, чем корейский конкурент. Какой лучше купить? ЭД-20 незаменим в судостроении и при строительстве, KER-828 при ремонте пола, декоративных и тюнинговых работах.

Для художественных творений из смолы важна конечная цель и толщина слоя. Например, для заливки столешницы нужен толстый пласт, а также устойчивость к желтизне и высоким температурам. Специалисты рекомендуют Epoxy River. Покрытие картин и других небольших предметов требует тонкого, быстро застывающего слоя. Идеальна композиция Aquaglass Citrus. По мнению покупателей она эффективна и для более толстых слоев, до 2-3 см. Для бижутерии и украшений значимы устойчивость к пожелтению, малый объем и безвредность. Для этого подходит Diamant.

Совет: если цель – склеивание предметов, то лучше купить эпоксидный клей. Состав смол также позволяет крепко соединять детали, но специальная сцепляющая композиция сделает это качественнее.

Специфический критерий выбора – объем. Для приобретения практики новичкам лучше приобрести минимальный. А на случай ошибок купить растворитель для эпоксидных смол. Кроме того, отличается технология смешивания. Малые объемы перемешивают, а большие массы предварительно подогревают, чтобы увеличить пластичность, и только потом тщательно смешивают.

Разновидность отвердителя влияет на весь процесс работы и конечный результат. Какие бывают? Аминные и кислотные

Потребителю не так важно разобраться в их видах, сколько приобрести соответствующий конкретному типу смолы. В помощь описание на упаковке и консультация продавца

Рынок предлагает также готовые наборы. Они удобнее, в том числе для нахождения точной пропорции разведения.

Совет: если отвердитель закончился, а эпоксидная смола еще осталась, можно использовать сухой спирт, измельчив его и соединив со смолой в соотношении 10 к 1.

Иногда кроме отвердителя докупается пластификатор и другие наполнители, красители, добавки. В зависимости от конечной цели.

Стандартный срок годности эпоксидки – 12 месяцев. Меньший срок свидетельствует о низком качестве состава.

От чего зависит

Показатели плотности вариабельны, зависят они от многих факторов, но среди основных можно выделить:

• Температура отверждения. Есть прямая зависимость образования более плотного полимера от более высокой температуры, при которой происходит процесс полимеризации.
• Наличие пузырьков воздуха. Чем больше пузырьков осталось в слое загустевающей под воздействием отвердителя смолы, чем они мельче, тем меньше будет плотность получаемой отливки или площадной заливки.
• Качество и состав отвердителей. Плотность готового продукта будет выше при использовании кислотных добавок, чем если бы применялись щелочные отвердители.
• Пигментные добавки. В отличие от наполнителей (песок, цемент, древесные или металлические пылинки) добавление красителей в эпоксидные компаунды снижает плотность, а значит, и такие качества готового продукта, как упругость и прочность, то есть декоративность всегда будет в некоторый ущерб качеству.

Плотности отвердевшего эпоксидного материала нужно уделить особое внимание, если планируется, что получаемые из эпоксидки изделия будут подвергаться механическим воздействиям на растяжение, сжатие, ударные нагрузки и прочее

Общие сведения

Эпоксидные смолы – это термореактивные полимеры с холодной реакцией. Состоят из базовой смолы и отвердителя, которые, тщательно перемешанные в соответствии с указаниями производителя, затвердевают, образуя глянцевый остеклованный слой.

В органической химии эпоксидная группа представляет собой соединение, образованное атомом кислорода, соединенным с двумя различными атомами углерода, прямо или косвенно связанными вместе.

Эпоксидные смолы при комнатной температуре густые стеклообразные. Затем смешиваются с разбавителями для снижения вязкости до уровня, подходящего для пропитки материалов. Если пропорции не соблюдены, после затвердения образуются пузыри. От них избавляются прокалыванием или нагреванием. До заливки или после. Процедура хлопотная, не всегда приводит к желаемому результату.

Эпоксидная смола изначально прозрачная бесцветная. С цветовыми пигментами и другими декоративными элементами определяются до заливки, в дальнейшем исправить рисунок будет невозможно.

Токсична ли эпоксидная смола? Ответ зависит от типа смолы, каждая упаковка содержит указание на степень опасности. В любом случае, рекомендуется надеть перчатки, защитные очки, защитную одежду и работать в вентилируемом помещении.

Еще один практический вопрос. Какая смола лучше? Та, которая высыхает и затвердевает за меньшее время? Повышенная скорость не считается благоприятной характеристикой, напротив, она может создать ряд проблем. Стандартная эпоксидная смола — это би-соединение с медленным и постоянным катализом. Требуется минимум 24 часа до полного отверждения отливки. Ускоренный процесс затвердения приводит к образованию пузырьков воздуха, к непредсказуемой термической реакции, к невозможности исправить ошибки. Лучше не использовать эпоксидку такого типа.

Совет: если куплена смола, декларирующая затвердение меньше чем за 3 часа, лучше подождать больше, чем указано в инструкции.

Свойства

• Текучесть, подходящая для литья;
• Высокая сила сцепления;
• Прочность, сопоставимая с бетоном;
• Высокая адгезивность, клейкость;
• Водонепроницаемость;
• Износостойкость;
• Устойчивость к химическим воздействиям;
• Стойкость к перепадам температур;
• Диэлектрические свойства;
• Малая масса готовых изделий;
• Бесшовность поверхности.

Работа с эпоксидкой несложная, требует небольшой практики. Благодаря этой простоте и разнообразию возможностей популярность эпоксидных смол растет и в будущем отрасли применения будут только расширяться.

К отрицательным моментам относятся:

• Высокая стоимость;
• Затруднительность демонтажа в виду монолитности результата.

Сфера использования

Смоляных составов огромное количество, наиболее распространенные:

Покрытие для бассейна: эта двухкомпонентная композиция выручает, когда требуются исключительные гидроизоляционные свойства. Подходит для бассейнов, ванн, унитазов, другой сантехники. Сильная сторона состава – стойкость к химическим моющим средствам и хлору.

Отделка промышленных полов: повышает механическую прочность пола, предназначенного для существенной нагрузки. Гарантирует гидро- и звукоизоляцию, устойчивость к температурным скачкам, защиту от плесени.

Гидроизоляция труб: используется при строительстве промышленных зданий.

Отделочные работы в доме: вмешательство возможно с целью обновления без замены. Получается идеально ровная поверхность полов и стен без швов, а также уникальные изображения и удивительные эффекты. Оригинальный дизайн в интерьере легко достижим.

Сцепление материалов всех видов: эпоксидка пригодна для дерева, алюминия, железа, цемента, стекла и т. д. Для восстановления формы, герметизации повреждений, выравнивания поверхности или в качестве анкера.

Обработка поверхностей: для остекловывания любых видов столешниц, тканей, принтов, постеров. Популярны модели, создающие эффекты 3D.

Художественное творчество: для заливки сувенирной продукции, камешков, ракушек, цветочных композиций, заключенных в толстый слой смолы. Или изготовления светильников, картин, украшений, небольших предметов мебели.

Обзор продукции показывает, что возможности применения безграничны.

Виды смол

Считается, что смола ЭД – это самый массовый и доступный в России эпоксидный материал. Да, есть эпоксидные составы гораздо лучшей прозрачностью, бесцветностью, чем отечественные смолы линейки ЭД: ЭД-16, ЭД-20, ЭД-22. Но по остальным параметра смолы Resin Art, Magic Crystal-3D, Epoxy CR 100, Aquaglass Citrus, Diamant ни в чем не превосходят отечественные аналоги. Разве что если их применение не связано со специализацией в том или ином виде использования.

• Resin Art – в рисовании и при создании каких-то оформительских эффектов;
• Magic Crystal-3D для создания скульптур малых форм;
• Epoxy CR 100 для больших отливок (мебель, предметы обихода) и площадных заливок небольшими слоями;
• Aquaglass Citrus для обширных покрытий;
• Diamant для ювелирных отливок.

Налицо специализация, и, не имея в шаговой доступности строительных гипермаркетов, раздобыть такие смолы – задача часто невыполнимая. Все виды ЭД, особенно самая массовая из них ЭД-20, всегда под рукой, а нужные эксплуатационные характеристики ей можно придать, используя нагрев, введение растворителей или другого, в отличие от рекомендованного или приданного в комплекте, типа отвердителя.

В итоге получается полимеризованный материал с высокой плотностью и прочностью, стойкостью к механическим воздействиям, термостойкостью, высокими диэлектрическими характеристиками, малым весом и исключительной адгезией, то есть способностью пропитывать склеиваемые или заливаемые поверхности и связываться с ними.

Порядок выполнения и обработка результатов

Предложенные для испытания образцы замеряют и, поочередно устанавливая их между опорными плитами машины УММ-20, подвергают статическим нагружениям, в процессе которых на диаграммном аппарате производится запись диаграмм сжатия соответствующих материалов. По контрольной стрелке шкалы силоизмерителя фиксируются максимальные нагрузки для каждого из образцов.

По полученным диаграммам сжатия определяют максимальную нагрузку сжатия стального образца и разрушающие нагрузки для других образцов, корректируя их значения с показателями стрелки силоизмерителя, записывают показания в журнал испытаний. Далее определяют характерные значения напряжений и производят записи в журнал испытаний.

Необходимо сделать зарисовку разрушенных образцов и описать характер их разрушения. Дать сравнительную характеристику работы испытанных материалов.

Внутренние усилия при растяжении и сжатии

При приложении к брусу с постоянным сечением внешних воздействий, действие которых в любом поперечном разрезе направлено параллельно его центральной оси и перпендикулярно сечению, с ним происходит следующий вид деформации: растяжение или сжатие.  На основе гипотезы о принципе независимости внешнего воздействия для каждого из поперечных разрезов можно рассчитать внутреннее усилие как векторную сумму всех приложенных внешних воздействий. Растягивающие нагрузки в сопромате принято считать положительными, а сжимающие отрицательными.

Рассмотрев произвольный разрез бруса или стержня, можно сказать что внутренние напряжения равны векторной сумме всех внешних сил, сгруппированных по одной из его сторон. Это верно только с учетом принципа Сен-Венана (фр. инженер А. Сен-Венан, 1797-1886) о смягчении граничных условий, т.к. распределение внутренних усилий по поверхности разреза носит сложный характер с нелинейными зависимостями, но в данном случае значением погрешности можно пренебречь как несущественным.

Применяя гипотезу Бернулли (швейцарский математик, И. Бернулли, 1667-1748) о плоских сечениях, для более наглядного представления процессов распределения сил и напряжений по центральной оси бруса можно построить эпюры. Визуальное представление более информативно и в некоторых случаях позволяет получить необходимые величины без сложных расчетов. Графическое представление отражает наиболее нагруженные участки стержня, инженер может сразу определить проблемные места и ограничиться расчетами только для критических точек.

Все вышесказанное может быть применимо при квазистатической (система может быть описана статически) нагрузке стержня с постоянным диаметром. Потенциальная энергия системы на примере растяжения стержня определяется по формуле:

U=W=FΔl/2=N²l/(2EA)

Потенциальная энергия растяжения U концентрируется в образце и может быть приравнена к выполнению работы W (незначительное выделение тепловой энергии можно отнести к погрешности), которая была произведена силой F для увеличения длины стержня на значение абсолютного удлинения.  Преобразуя формулу, получаем, что вычислить значение величины потенциальной энергии растяжения можно, рассчитав отношение квадрата продольной силы N помноженной на длину стержня l и удвоенного произведения модуля Юнга E материала на величину сечения A.

Как видно из формулы, энергия растяжения всегда носит положительное значение, для нее невозможно применить гипотезу о независимости действия сил, т.к. это не векторная величина. Единица измерения – джоуль (Дж). В нижней части формулы стоит произведение EA – это так называемая жесткость сечения, при неизменном модуле Юнга она растет только за счет увеличения площади. Величина отношения жесткости к длине бруса рассматривается как жесткость бруса целиком.

Контрольные вопросы

1. Какой вид имеет диаграмма сжатия стали? В чем отличие этой диаграммы от диаграммы растяжения?
2. Какие механические характеристики можно определить по диаграмме сжатия стали?
3. Каков вид диаграммы сжатия чугуна, бетона? Каков характер разрушения образцов из этих материалов?
4. Какие механические характеристики определяют для хрупких материалов при их испытании на сжатие?
5. Какой вид имеет диаграмма сжатия дерева вдоль волокон и какие механические характеристики можно определить по ней?
6. Как разрушается дерево при сжатии вдоль и поперек волокон? В каком направлений дерево обладает лучшими механическими свойствами?
7. Какие характеристики материала можно получить при испытании на сжатие малоуглеродистой стали, чугуна, бетона, дерева?
8. Почему образцы из малоуглеродистой стали и из чугуна при сжатии приобретают бочкообразную форму? Почему это явление не наблюдается у бетонных образцов?

Определение модуля упругости I рода для стали >Примеры решения задач >