Предел прочности

Определение предела прочности при изгибе

Прочность — свойство твердого тела сопротивляться воздействию внешних сил. Обычно прочность тела характеризуется величиной разрушающих нагрузок при сжатии, растяжении, изгибе, кручении и т. д. Предел прочности — это отношение наибольшей нагрузки до разрушения к первоначальной площади поперечного сечения образца. Прочность твердого сплава — одно из основных его свойств. Учитывая, что изделия из твердого сплава в большинстве своем подвергаются воздействию изгибающих нагрузок, предел прочности при изгибе является основной его характеристикой. Предел прочности при изгибе находится в обратной зависимости от твердости и увеличивается с возрастанием процентного содержания цементирующего металла (кобальта). Таким образом, на прочность при изгибе металлокерамических твердых сплавов решающее влияние оказывают химический состав сплава, а также величина зерен карбидов и толщина слоев цементирующего металла (кобальта). Титановольфрамовые сплавы по сравнению с вольфрамовыми являются менее прочными, так как карбид титана более хрупок, чем карбид вольфрама.

Большое значение для предела прочности при изгибе имеет величина прослоек цементрующей (кобальтовой) фазы, так как чем толще эта прослойка, тем меньше местные напряжения и больше прочность. С уменьшением прослоек цементирующей фазы уменьшается прочность сплава. Толщина прослоек в свою очередь зависит от химического состава сплава и величины зерен карбидной фазы. Толщина прослоек увеличивается с увеличением содержания цементирующей фазы в сплаве и зерна карбидной составляющей.

Для определения предела прочности при поперечном изгибе образцов твердых сплавов применяют метод разрушения свободно лежащего на двух опорах образца одной сосредоточенной силой. При данном виде испытаний образец твердого сплава свободно лежит на двух опорах, а в центре образца приложена статическая нагрузка.

Предел прочности при изгибе сосредоточенной нагрузкой рассчитывают по формуле

где M = Pl/4 — максимальный изгибающий момент, кГ*мм2;

W = bh2/6 момент сопротивления образца прямоугольного сечения, мм3;

P — разрушающая нагрузка, кГ;

b — ширина образца, мм;

h — высота образца, мм;

l — расстояние между опорами, мм.

Испытания на изгиб образцов проводят на универсальных испытательных машинах мощностью 4-5 т. На них имеется специальное приспособление для установки образцов со сменными твердосплавными опорами диаметром 5-6 мм, изготовленными из твердого сплава ВК8, ВК15 или ВК20. Поверхность опор шлифуют до 6 -7 го класса чистоты. Расстояние между опорами должно составлять 30±0,5 мм.

Испытание на изгиб проводят на образцах в форме правильного бруска квадратного сечения размером 5±0,2 * 5±0,2 * 35±1 мм. Образцы готовят в одногнездных прессформах, на образце указывают сторону давящего пуансона

На прессованных образцах необходимо снять заусенцы. Поверхность образцов после спекания не шлифуют. Скорость нагружения при испытании должна быть постоянной в пределах 4-10 мм/мин. Испытанию подвергают 20 образцов каждой партии смеси.

В процессе испытаний необходимо соблюдать следующую последовательность. Вначале измеряют ширину и высоту посередине образца индикатором часового типа или микрометром с точностью до 0,01 мм, затем образцы устанавливают на опорах так, чтобы к стороне приложения усилия при их прессовании прикладывалась разрушающая сила. После этого прикладывают нагрузку к середине образца через вертикальный пуансон приспособления. Нагрузка должна быть не мгновенной, а постепенно возрастающей. Расстояние между местом приложения силы и серединой пролета не должно превышать ±0,5 мм.

Предел прочности при изгибе — Flexural strength

Прочность на изгиб — это напряжение при разрушении при изгибе. Оно равно или немного больше разрушающего напряжения при растяжении.

Прочность на изгиб , также известная как модуль разрыва , или прочность на изгиб , или поперечная прочность на разрыв, является свойством материала, определяемым как напряжение в материале непосредственно перед тем, как он деформируется при испытании на изгиб. Чаще всего используется испытание на поперечный изгиб, при котором образец, имеющий круглое или прямоугольное поперечное сечение, изгибается до разрушения или деформации с использованием метода испытания на трехточечный изгиб . Прочность на изгиб представляет собой наивысшее напряжение, испытываемое материалом в момент его текучести. Он измеряется в единицах напряжения, здесь указан символ .

| image1 = Bending bending.svg | alt1 = Рис. 1 | caption1 = Рис. 1 — Балка изгибаемого материала. Экстремальные волокна при B (сжатие) и A (растяжение) | image2 = Напряжение балки.svg | alt2 = Рис. 2 | caption2 = Рис. 2 — Распределение напряжений по толщине балки}}

Когда объект, состоящий из одного материала, например, деревянная балка или стальной стержень, изгибается (рис. 1), он испытывает ряд напряжений по своей глубине (рис. 2). На краю объекта на внутренней стороне изгиба (вогнутой поверхности) напряжение будет равно максимальному значению сжимающего напряжения. На внешней стороне изгиба (выпуклая поверхность) напряжение будет иметь максимальное значение растяжения. Эти внутренние и внешние края балки или стержня известны как «крайние волокна». Большинство материалов обычно разрушаются под действием растягивающего напряжения, прежде чем они разрушаются под действием сжимающего напряжения, поэтому максимальное значение растягивающего напряжения, которое может выдерживаться до того, как балка или стержень выйдет из строя, является их прочностью на изгиб.

Прочность на изгиб в сравнении с пределом прочности при растяжении

Прочность на изгиб была бы такой же, как и на разрыв, если бы материал был однородным . Фактически, большинство материалов имеют небольшие или большие дефекты, которые действуют для локальной концентрации напряжений, эффективно вызывая локальную слабость. Когда материал изгибается, только крайние волокна подвергаются наибольшему напряжению, поэтому, если эти волокна не имеют дефектов, прочность на изгиб будет контролироваться прочностью этих неповрежденных «волокон». Однако, если один и тот же материал подвергался только растягивающим усилиям, тогда все волокна в материале испытывают одинаковое напряжение, и разрушение начнется, когда самое слабое волокно достигнет своего предельного напряжения растяжения. Следовательно, обычно прочность на изгиб выше, чем прочность на разрыв для того же материала. И наоборот, однородный материал с дефектами только на его поверхности (например, из-за царапин) может иметь более высокий предел прочности на разрыв, чем предел прочности на изгиб.

Если не принимать во внимание какие-либо дефекты, очевидно, что материал разрушится под действием изгибающей силы, которая меньше соответствующей растягивающей силы. Обе эти силы будут вызывать одно и то же напряжение разрушения, величина которого зависит от прочности материала.

Для прямоугольного образца результирующее напряжение под действием осевой силы определяется по следующей формуле:

Это напряжение не является истинным напряжением, поскольку поперечное сечение образца считается неизменным (инженерное напряжение).

Результирующее напряжение для прямоугольного образца под нагрузкой в ​​установке для трехточечного изгиба (рис. 3) определяется формулой ниже (см. «Измерение прочности на изгиб»).

Уравнение этих двух напряжений (разрушения) дает:

Обычно L (длина пролета опоры) намного больше d, поэтому дробь больше единицы.

Измерение прочности на изгиб

Рис.3 — Балка при трехточечном изгибе

Для прямоугольного образца под нагрузкой в ​​установке трехточечного изгиба (рис.3):

• F — нагрузка (сила) в точке разрушения (Н)
• L — длина пролета опоры
• b ширина
• d — толщина

Для прямоугольного образца, находящегося под нагрузкой в ​​установке для четырехточечного изгиба, где диапазон нагрузки составляет одну треть пролета опоры:

• F — нагрузка (сила) в точке разрушения
• L — длина опорного (внешнего) пролета
• b ширина
• d — толщина

Для установки 4-точечного изгиба, если диапазон нагрузки составляет 1/2 пролета опоры (т.е. L i = 1/2 L на рис. 4):

Если диапазон нагрузки не составляет ни 1/3, ни 1/2 от пролета опоры для установки 4-х точечного изгиба (рис. 4):

Рис.4 — Балка при 4-точечном изгибе

• L i — длина нагрузочного (внутреннего) пролета

Смотрите также

• Уравнение Эйлера — Бернулли для пучка
• Модуль упругости при изгибе
• Испытание на трехточечный изгиб

Рекомендации

• JM Hodgkinson (2000), Механические испытания передовых волокнистых композитов , Кембридж: Wood Publishing, Ltd., стр. 132-133.
• Уильям Д. Каллистер младший, Материаловедение и инженерия , Hoken: John Wiley & Sons, Inc., 2003.
• ASTM C1161-02c (2008) e1, Стандартный метод испытания прочности на изгиб современной керамики при температуре окружающей среды, ASTM International, West Conshohocken, PA.

Прочность бетона на сжатие: класс на растяжение при изгибе, таблица в мпа

Прочность бетона на сжатие традиционно считается одним из основных показателей, характеризующих свойства бетона. Данный параметр выражается в двух понятиях — классе и марке бетона, которые учитываются при выборе смеси для реализации тех или иных работ, выступают главными из технических характеристик, чрезвычайно важны для гарантии способности застывшего монолита выдерживать определенные нагрузки, что сказывается на прочности, надежности, долговечности.

Определенный класс бетона по прочности на сжатие маркируется буквой В и определенной цифрой, демонстрирует так называемую кубиковую прочность (когда образец в форме куба сжимают под прессом и фиксируют отметку, на которой он разрушается). Считается давление в МПа, предполагает вероятность разрушения при указанном показателе максимум 5 единиц из 100 испытуемых. Регламентируется СНиП 2.03.01-84.

Прочность бетона (МПа) может быть разной — классы дифференцируются в пределах 3.5-80 (всего существует 21 вид). Самыми популярными стали около десятка смесей с классами В15 и В20, В25 и В39, В40. Любой класс приравнивается к соответствующей ему марке (аналогичным образом правило работает наоборот). Значение прочности бетона в МПа (класс) чаще всего указывается в проектной документации, а вот поставщики реализуют смеси с указанием марки.

Марка бетона обозначается буквой М и цифровым индексом в диапазоне 50-1000. Регламентируется ГОСТом 26633-91, соответствует определенным классам, допустимым считается отклонение прочности максимум на 13.5%. Для марки бетона основными требованиями являются объем/качество цемента в составе. В свою очередь, марка обозначается в кгс/см2, определение марки возможно после полного застывания и затвердевания смеси (то есть, минимум через 28 суток после заливки).

Чем выше цифра в индексах класса и марки, тем более прочным будет бетон и тем выше его стоимость (как при покупке уже готового раствора, так и при самостоятельном замесе за счет большего объема цемента и более высокой его марки).

С учетом вышеизложенных фактов основная задача мастера — определить идеальные характеристики для раствора с учетом сферы использования и предполагаемых нагрузок. Ведь приготовление слишком прочного бетона приведет к неоправданным расходам, недостаточно прочного — к разрушению конструкции. Обычно средняя прочность бетона для тех или иных работ, конструкций указывается в ГОСТах, СНиПах — эти значения и берут за ориентир.

Виды материала по прочности на сжатие:

1. Теплоизоляционные смеси — от В0.5 до В2.
2. Конструкционно-теплоизоляционный раствор — от В2.5 до В10.
3. Смеси конструкционные — от В12.5 до В40.
4. Особые бетоны для усиленных конструкций — выше В45.

Методы и испытания бетона на прочность

Для определения марки и класса бетона используют разнообразные методы — все они относятся к категориям разрушающих и неразрушающих. Первая группа предполагает проведение испытаний в условиях лаборатории посредством механического воздействия на образцы, которые были залиты из контрольной смеси и полностью выстояны в указанные сроки.

Для проведения исследований используют специальный пресс, который сжимает опытные образцы и демонстрирует предел прочности при сжатии. Разрушение — наиболее верный и точный метод исследования бетона на прочность таких видов, как сжатие, изгиб, растяжение и т.д.

Основные неразрушающие методы исследований:

• Воздействие ударом.
• Разрушение частичное.
• Исследование с использованием ультразвука.

Ударное воздействие может быть разным — самым примитивным считается ударный импульс, который фиксирует динамическое воздействие в энергетическом эквиваленте. Упругий отскок определяет параметры твердости монолита в момент отскока бойка ударной установки.

Также используется метод пластической деформации, который предполагает обработку исследуемого участка особой аппаратурой, которая оставляет на монолите отпечатки определенной глубины (по ним и определяют степень прочности).

Частичное разрушение также может быть разным — скол, отрыв и комбинация данных способов. Если для испытаний используется метод скола, то ребро изделия подвергают особому скользящему воздействию для откалывания части и определения прочности. Отрыв предполагает использование специального клеящего состава, которым на поверхности крепят металлический диск и потом отрывают. При комбинировании данных способов анкерное устройство крепят на монолит, а потом отрывают.

Когда используется ультразвуковое исследование, применяют специальный прибор, способный измерить скорость прохождения ультразвуковых волн, проникающих в монолит. Основное преимущество данной технологии — она позволяет изучать не только поверхность, но и внутреннюю структуру бетона. Правда, в процессе исследований велика вероятность погрешности.

Контроль прочности бетона

Для того, чтобы бетонный раствор точно соответствовал указанным параметрам и выдерживал нагрузки, за его качеством следят еще на этапе приготовления. Прежде, чем готовить смесь, обязательно изучают рецепт, требования к компонентам и их пропорциям.

Основные критерии для контроля и проверки бетона:

• Соответствие используемого цемента указанным в рецепте маркам — так, для приготовления бетона М300 точно не подойдет цемент М100, даже при условии его большого объема. Чем выше число рядом с буквой М в маркировке цемента, тем более прочным получится раствор.
• Объем жидкости в растворе — чем больше воды в смеси, тем активнее влага испаряется в процессе высыхания и может провоцировать появление пустот, когда идет затвердевание.
• Качество и фракция наполнителей — шероховатые частицы неправильной формы обеспечивают наиболее крепкое сцепление ингредиентов в составе бетона, что в процессе твердения дает требуемый результат в виде высокой прочности. Грязный наполнитель может понизить характеристики бетона по прочности на растяжение и сжатие.

• Тщательность смешивания компонентов на всех стадиях приготовления раствора — по технологии раствор замешивается в исправной бетономешалке или на производстве в течение длительного времени.
• Квалификация работников — также играет важную роль, так как даже при условии применения качественной смеси В20, к примеру, прочность может быть снижена из-за неправильной укладки, отсутствия уплотнения (вибрация обеспечивает повышение прочности бетона на 30%).
• Условия застывания и эксплуатации — лучше всего, когда бетон застывает и приобретает твердость при температуре воздуха +15-25 градусов и высокой влажности. В таком случае можно говорить о точном соответствии монолита его марке — если был залит бетон В15, то и демонстрировать будет его технические характеристики.

Прочность бетона: таблица

Бетон по прочности на растяжение, при изгибе, воздействии других нагрузок демонстрирует определенные значения. Далеко не всегда они соответствуют указанным в ГОСТе и проектной документации, часто есть погрешность, которая может быть губительной для монолита и всей конструкции или же не оказывать никакого воздействия.

Виды прочности бетона (на сжатие, изгиб, растяжение и т.д.):

1. Проектная — та, что указывается в документах и предполагает значения при полной нагрузке на бетонную конструкцию. Считается в затвердевшем монолите, по истечении 28 дней после заливки.
2. Нормированная — значение, которое определяется по техническим условиям или ГОСТу (идеальное).
3. Фактическая — это среднее значение, полученное в результате выполненных испытаний.
4. Требуемая — минимально подходящий показатель для эксплуатации, который устанавливается в лаборатории производств и предприятий.
5. Отпускная — когда изделие уже можно отгружать потребителю.
6. Распалубочная — наблюдается в момент, когда бетонное изделие можно доставать из форм.

Виды прочности, касающиеся марки бетона и его качества: на сжатие и изгиб, осевое растяжение, а также передаточная прочность. Бетон напоминает камень — прочность на сжатие бетона обычно намного выше, чем на растяжение. Поэтому основной критерий прочности монолита — его способность выдерживать определенную нагрузку при сжатии. Это самый значимый и важный показатель.

Так, к примеру, показатели бетона В25 (класс прочности) и марки М350: средняя стойкость к сжатию до 350 кгс/м2 или до 25 МПа. Реальные значения обычно чуть ниже, так как на прочность оказывают влияние множество факторов. У бетона В30 будут соответствующие показатели и т.д.

Чтобы определить данные показатели, создают специальные кубы-образцы, дают им застыть, а затем отправляют под лабораторный пресс специальной конструкции. Давление постепенно увеличивают и фиксируют в момент, когда образец треснул или рассыпался.

Определяющее условие для присвоения марки и класса бетону — расчетная прочность на сжатие, которая определяется после полного схватывания и застывания монолита (28 суток занимает процесс).

Именно по прошествии 28 суток бетон достигает показателя расчетной/проектной прочности по марке. Прочность на сжатие — самый точный показатель механических свойств монолита, его стойкости к нагрузкам. Это своеобразная граница уже затвердевшего бетона к воздействующему на него механическому усилию в кгс/м2. Самая большая прочность у бетона М800/М900, самая низкая — у М15.

Прочность на изгиб повышается при увеличении индекса марки. Обычно показатели изгиба/растяжения ниже, чем нагрузочная способность. Молодой бетон демонстрирует значение в районе 1/20, старый — 1/8. Данный параметр учитывается на проектном этапе строительства. Способ определения: из бетона заливают брус 120х15х15 сантиметров, дают затвердеть, потом устанавливают на подпорки (расстояние между ними 1 метр), в центре помещают нагрузку, увеличивая ее постепенно, пока образец на разрушится.

Прочность высчитывается по формуле Rизг = 0,1PL/bh2, тут:

• L — расстояние между подпорками;
• Р — маса нагрузки и образца;
• Н, b, h — ширина/высота сечения бруса.

Прочность считается в Btb и обозначается цифрой в диапазоне 0.4-8.

Осевое растяжение в процессе проектирования учитывают редко. Этот параметр важен для определения способности монолита не покрываться трещинами при ощутимых перепадах влажности воздуха, температуры. Растяжение представляет собой некоторую составляющую, взятую от прочности на изгиб. Определяется сложно, часто образцы балок растягивают на специальном оборудовании. Актуально значение для бетона, который используется в сферах, исключающих возможность появления трещин.

Передаточная прочность — это нормируемое значение прочности бетонного монолита напряженных элементов при передаче на него силы натяжения армирующих элементов. Данный показатель предусматривается нормативными документами, ТУ для разных видов изделий. Обычно назначают минимум 70% проектной марки, многое зависит от свойств арматуры.

Прочность бетона на 7 и 28 сутки: ГОСТ, таблица

Бетоны бывают разными. Как правило, все виды по маркам и классам делят на легкие, обычные и тяжелые (часто последние две группы объединяют, так как все обычные бетоны считаются тяжелыми).

Основные группы бетонов по прочности:

1. Легкие — марки от М5 до М35 подходят для заливки ненесущих конструкций, от М50 до М75 идут на подготовительные работы до заливки, М100 и М150 актуальны для перемычек, конструктива, малоэтажного строительства.
2. Обычные бетоны — самые распространенные и часто применяемые в ремонтно-строительных работах: М200/М300 используют для выполнения фундаментов, отмосток, полов, стяжек, бордюров, подпорок, лестниц и т.д. М250 В20 демонстрирует прочность 262 кгс/м2 и давление 20 МПа. М350 и М400 применяют для монолитных, несущих конструкций многоэтажных зданий, чаш бассейнов.
3. М450 и выше — тяжелые бетоны, обладающие высокой прочностью и плотностью, используют для особых конструкций, разного типа военных объектов.

Таблица в МПа

Прочность бетона — самый важный показатель, который напрямую влияет на все остальные технические характеристики материала, сферу применения, способность выдерживать предполагаемые нагрузки. Поэтому в процессе выбора марки и класса стоит учитывать СНиП и ГОСТы, а при проверке материала на соответствие уделять внимание результатам исследования и соответствующим документам.