Rezistența la compresiune a metalelor – încercare de compresiune, tensiune și rezistență la curgere

Rezistența la compresiune descrie comportamentul unui material sub influența forțelor care îl determină să se scurteze. În timpul compresiei, forțele acționează în sens opus și sunt îndreptate către material, provocând o reducere a lungimii sale și - în funcție de proprietățile materialului și de condițiile de testare - o creștere a dimensiunilor sale transversale. Interpretarea rezistenței la compresiune pentru metale necesită o atenție deosebită. Multe metale ductile, inclusiv multe oțeluri, nu suferă fracturi clasice în timpul testării la compresiune. Odată ce intervalul elastic este depășit, materialul începe să se deformeze permanent, iar proba poate deveni din ce în ce mai aplatizată. Prin urmare, pentru metale, se determină adesea rezistența la curgere la compresiune , rezistența la curgere sau tensiunea corespunzătoare unei deformări specifice, mai degrabă decât o singură valoare a tensiunii finale.

Ce este stoarcerea?

Compresia este un mod de încărcare în care forțele care acționează asupra unui element determină scăderea lungimii acestuia în direcția încărcării. Exemple de elemente supuse compresiei includ:

stâlpi,
susține,
pistoane,
componente de presă,
lagăre și suprafețe de presiune,
elemente structurale care transferă forțe de compresiune,
material în timpul unor procese de forjare, laminare și presare.

Stres compresiv

Tensiunea nominală de compresiune poate fi determinată din formula: σ _c = F / S ₀ , unde:

σ_c – tensiunea nominală de compresiune,
F – forța de compresiune,
S₀ – aria secțiunii transversale inițiale a eșantionului.

Cea mai comună unitate de măsură a tensiunii este MPa = N/mm² . În funcție de convenția utilizată, tensiunea de compresiune poate fi înregistrată ca valoare absolută negativă sau pozitivă. Prin urmare, atunci când se analizează datele, este important să se verifice convenția de semn utilizată.

Deformare compresivă

Deformația inginerească poate fi descrisă prin relația: ε = (L – L₀ ₎ / L₀ _, unde:

L₀ – lungimea inițială a eșantionului,
L – lungimea eșantionului în timpul sau după încărcare,
ε – deformare relativă.

În compresie, L este mai mic decât L₀ _, deci convenția tipică de semne dă deformației compresive o valoare negativă. În practică, se dă adesea și valoarea sa absolută.

Gama elastică în timpul compresiei

La o sarcină mică, metalul se află în domeniul elastic. Când forța este îndepărtată, proba revine la dimensiunile sale aproximativ inițiale. Pentru încărcarea uniaxială în domeniul liniar-elastic, se aplică legea lui Hooke: σ = E × ε , unde:

σ – stres normal,
E - Modulul lui Young,
ε – deformare relativă.

Modulul lui Young este o proprietate elastică a unui material și, pentru un material elastic liniar izotrop idealizat, descrie rigiditatea atât la întindere, cât și la compresie.

Ce se întâmplă când se depășește limita de elasticitate?

Odată ce se atinge o tensiune suficient de mare, un material ductil începe să sufere o deformare plastică permanentă . Odată ce sarcina este îndepărtată, proba nu își mai recapătă complet dimensiunile inițiale. La o comprimare ulterioară, materialul poate continua să sufere deformări semnificative fără a se produce o fractură clasică. Din acest motiv, conceptul de rezistență maximă la compresiune nu are întotdeauna aceeași semnificație pentru metalele ductile ca și rezistența la tracțiune Rm.

De ce este dificil să se determine rezistența clasică la compresiune a oțelului?

Într -un test static de tracțiune, proba se îngustează după atingerea unui anumit stadiu și, în cele din urmă, se fracturează . Acest lucru permite o concluzie clară a testului. Într-un test de compresie, însă, o probă de oțel ductil poate:

suferă plastifiere,
contracta,
măriți secțiunea transversală,
suferă o ecruisare prin deformare,
transferă din ce în ce mai multă forță pe măsură ce secțiunea transversală crește.

Prin urmare, este posibil ca proba să nu prezinte un singur punct clar corespunzător „rezistenței la compresiune”, înțeleasă ca tensiunea la care are loc fractura. Prin urmare, pentru astfel de materiale, parametrii care descriu debutul deformării permanente sau tensiunea la o anumită deformare sunt mai utili.

Rezistența la compresiune

Rezistența la compresiune definește nivelul de tensiune la care un material începe să prezinte deformare permanentă sub sarcină compresivă. Dacă materialul nu prezintă un debut clar al curgerii, se poate utiliza rezistența convențională la compresiune , determinată conform unui criteriu specific de deformare. Principiul este analog utilizării lui Rp0,2 într-o încercare statică de tracțiune, dar denumirea precisă și metoda de determinare trebuie întotdeauna făcute referire la standardul de testare aplicabil.

Rezistența la compresiune și limita de curgere

Parametrul	Sens
Rezistența la compresiune	Debutul deformării permanente a unui material în timpul compresiei
Rezistență la curgere convențională	Tensiunea corespunzătoare unei deformări permanente convenționale specifice
Rezistenta la compresiune	Tensiunea limită determinată conform metodei de testare adoptate, importantă în special pentru materialele supuse la compresie și rupere

Pentru materialele fragile, rezistența la compresiune poate fi în mod clar legată de cedarea probei. Pentru metalele ductile, situația este mai complexă.

Test de compresie a metalelor

În timpul unui test de compresie statică, proba este plasată între suprafețele unei mașini de testare și supusă unei forțe de compresie crescătoare. În timpul testului, se înregistrează următorii parametri:

vigoare,
deplasare,
deformarea eșantionului.

Pe această bază, se poate stabili relația tensiune-deformare și se pot determina proprietățile de compresiune ale materialului.

Forma eșantionului de testare la compresie

Următoarele mostre sunt utilizate pentru testarea metalelor:

cilindric,
cuboid.

Geometria eșantionului este importantă. O eșantion prea lungă își poate pierde stabilitatea și se poate deforma în loc să sufere o compresie uniformă. Pe de altă parte, o eșantion foarte scurtă poate influența semnificativ rezultatul din cauza frecării dintre fețele sale frontale și plăcile mașinii de testare.

Frecare în timpul testului de compresie

Una dintre problemele fundamentale în timpul testelor de compresie este frecarea la suprafețele de contact ale probei cu plăcile mașinii . În timpul compresiei, materialul tinde să se extindă lateral. Frecarea restricționează curgerea liberă a materialului la fețele frontale. Drept urmare, proba poate lua o formă caracteristică de butoi . Acest fenomen este denumit deformare în butoi. Frecarea face, de asemenea, ca starea de tensiune să nu mai fie perfect uniaxială.

Îmbunătățirea eșantionului

Umplerea cu butoi este procesul de mărire a diametrului probei mai mult în partea sa centrală decât în apropierea suprafețelor în contact cu plăcile mașinii. Acest fenomen este deosebit de vizibil la deformări plastice mari. Intensitatea sa este influențată de factori precum:

coeficientul de frecare,
lubrifierea suprafeței,
geometria eșantionului,
cantitatea de deformare,
proprietățile materialelor.

Compresie și flambaj

Rezistența la compresiune a unui material nu trebuie confundată cu capacitatea portantă a unui element lung în compresie. O tijă sau o coloană lungă se poate deforma la solicitări semnificativ sub limita de curgere a materialului . Flambarea este o problemă de stabilitate structurală și depinde, printre altele, de:

lungimea elementului,
geometria secțiunii transversale,
Modulul lui Young E,
condiții de susținere,
excentricitatea sarcinii,
imperfecțiuni geometrice.

Prin urmare, informația că oțelul are o rezistență la curgere ridicată nu înseamnă automat că o coloană subțire poate rezista la tensiunea de compresiune corespunzătoare.

Sarcina critică Euler

Pentru o tijă subțire ideală în domeniul elastic, forța critică de flambaj poate fi descrisă clasic prin ecuația lui Euler: F cr ₌ π²EI / L _ef² , unde:

F_cr – forța critică de flambaj,
E – Modulul lui Young,
I – momentul de inerție al secțiunii transversale,
L_ef – lungime efectivă în funcție de lungimea și metoda de susținere a elementului.

Ecuația Euler face presupuneri specifice și nu ar trebui aplicată direct tuturor elementelor reale compresate.

Compresia metalelor ductile

Metalele ductile pot suferi deformări plastice foarte mari sub compresie fără a suferi fractura fragilă clasică. Acest lucru se aplică multor metale, inclusiv:

oţel,
aliaje aluminiu,
aliaje cupru,
aliaje de nichel.

Capacitatea de a suferi deformări compresive mari este exploatată tehnologic în timpul forjării, laminării și extrudării.

Compresia materialelor fragile

Materialele fragile se comportă diferit față de metalele ductile. Se pot fractura cu o deformare plastică relativ mică. Pentru astfel de materiale, rezistența la compresiune este adesea un parametru foarte important și clar definit. Un exemplu de material metalic care prezintă un comportament semnificativ mai fragil decât oțelul structural tipic îl reprezintă unele grade de fontă.

Rezistență la compresiune vs. rezistență la tracțiune

Rezistența la compresiune și rezistența la tracțiune nu trebuie considerate parametri interschimbabili.

Caracteristică	Rozciąganie	Stoarcerea
Direcția forțelor	Forțele întind proba	Forțele scurtează eșantionul
Schimbarea secțiunii transversale	Secțiunea transversală scade de obicei	Secțiunea transversală crește de obicei
Comportamentul final tipic al oțelului ductil	Necking și crăpa	Deformare și aplatizare semnificativă
O problemă specifică elementelor lungi	Fără flambaj compresiv clasic	Posibilitatea de flambaj

Rezistența la curgere la întindere și compresie

Pentru multe metale ductile izotrope, debutul cedării sub o simplă tensiune și compresie uniaxială poate apărea la aproximativ aceeași valoare absolută a tensiunii. Cu toate acestea, aceasta nu ar trebui considerată o regulă universală pentru fiecare material. Pot apărea diferențe între materiale precum:

anizotrop,
după o deformare plastică semnificativă,
demonstrând efectul Bauschinger,
poros,
fragil,
cu o microstructură complexă.

Efectul Bauschinger

Efectul Bauschinger este o modificare a comportamentului materialului atunci când direcția încărcării este inversată după deformarea plastică. De exemplu, un material care a cedat anterior la tensiune poate începe deformarea plastică la compresie la o valoare a tensiunii diferită față de un material fără un istoric anterior de deformare. Acest fenomen este important, printre altele, în:

încărcare ciclică,
îndreptare,
îndoire și desfacere,
procese de formare a plasticului.

Tensiunea reală în timpul compresiei

În timpul deformărilor mari, secțiunea transversală a probei crește semnificativ. Prin urmare, tensiunea nominală calculată din aria inițială S₂ _descrie starea reală a materialului din ce în ce mai puțin precis. Tensiunea reală poate fi definită ca: σ _rz = F / S₂ , unde S este aria secțiunii transversale reale a probei. Diferența dintre tensiunea proiectată și cea reală devine deosebit de semnificativă la deformări plastice mari.

Deformare de compresie reală

Deformarea reală poate fi descrisă prin relația: ε _rz = ln(L / L₀ ₎ . La compresiune, L < L₀ _, prin urmare, conform convenției tipice de semn, valoarea este negativă. În analiza proceselor de deformare plastică, se utilizează adesea valoarea absolută sau convenția corespunzătoare modelului dat.

Ecruisare prin deformare în timpul compresiei

Ecruisarea are loc în timpul compresiei plastice a multor metale . Aceasta înseamnă că, pe măsură ce deformarea crește, poate fi necesară o solicitare din ce în ce mai mare pentru a deforma și mai mult materialul. Acest fenomen este de o importanță fundamentală în proiectarea proceselor de prelucrare la rece.

Efectul temperaturii asupra comportamentului la compresie

Temperatura poate afecta puternic comportamentul unui metal la compresie. Pe măsură ce temperatura crește, pentru multe metale:

tensiunea necesară pentru a induce deformarea plastică scade,
crește posibilitatea obținerii unor deformări mari fără fisuri,
mecanismele de întărire materială și de vindecare a schimbării.

Aceste fenomene sunt utilizate, printre altele, în timpul forjării și laminării la cald.

Influența ratei de deformare

Rezultatul unui test de compresie poate depinde și de rata de deformare . Această sensibilitate la rată depinde de material și de temperatură. În anumite condiții, creșterea ratei de deformare mărește tensiunea necesară pentru a deforma în continuare materialul. Prin urmare, rezultatele obținute în diferite condiții de rată de deformare nu pot fi întotdeauna comparate direct.

Test de compresie și prelucrare a plasticului

Testarea la compresie este importantă în testarea materialelor destinate proceselor de formare a plasticului, deoarece multe astfel de procese se bazează în principal pe solicitări de compresie. Aceasta include:

forjare liberă,
forjare prin matrițare,
rulare,
stoarcere,
supărător.

Testele de compresie pot furniza informațiile necesare pentru a determina caracteristicile curgerii materialelor utilizate în modelarea acestor procese.

Stare de compresie și tensiune în elementul real

Părțile mașinilor reale funcționează rareori într-o stare de solicitare uniaxială perfectă. Pe lângă compresie, pot apărea simultan următoarele:

extensie,
îndoire,
forfecare,
răsucire,
tensiuni de contact.

În astfel de cazuri, evaluarea plasticității necesită utilizarea unui criteriu de rezistență adecvat, de exemplu criteriul Huber-Mises-Hencky sau Treska, în funcție de materialul și modelul adoptat.

Rezistență la compresiune și duritate

Nu există o relație unică și universală care să permită conversia directă a durității unui material în rezistența sa la compresiune. Duritatea descrie rezistența la un anumit tip de deformare locală a suprafeței, în timp ce rezistența la compresiune descrie comportamentul unei probe sub influența unei încărcări macroscopice de compresiune. Ambele proprietăți depind de microstructura materialului, dar nu sunt interschimbabile.

Rezistența la compresiune și modulul lui Young

Modulul lui Young E nu definește rezistența la compresiune. E descrie rigiditatea unui material în domeniul liniar-elastic. Două materiale cu modul de elasticitate Young similar pot avea rezistențe la curgere și un comportament foarte diferite după debutul deformării plastice. Un bun exemplu îl reprezintă diferitele mărci de oțel - E-ul lor este de obicei similar, în timp ce Re , Rp<sub>0,2</sub> și Rm pot diferi de multe ori.

Standarde pentru testarea prin compresie a metalelor

Testarea la compresie uniaxială a metalelor este descrisă în standardele de testare corespunzătoare. La determinarea proprietăților, trebuie utilizat standardul corespunzător materialului, temperaturii și scopului testului. Standardul specifică, printre altele:

geometria eșantionului,
pregătirea suprafeței,
condiții de încărcare,
metoda de măsurare a deformării,
metoda de calculare și raportare a rezultatelor.

Atunci când comparați date din surse diferite, asigurați-vă că acestea au fost obținute folosind metode comparabile.

Ce determină comportamentul metalului în timpul compresiei?

Rezultatul este influențat, printre altele, de:

tipul de material,
compoziția chimică,
microstructură,
obróbka cieplna,
istoricul deformărilor anterioare,
temperatură,
rata de deformare,
geometria eșantionului,
frecare pe suprafețele de contact,
direcția de eșantionare într-un material anizotrop.

Rezistența mare la compresiune înseamnă un material mai bun?

Nu. Rezistența la compresiune necesară depinde de aplicație. Următoarele pot fi la fel de importante sau mai importante într-o structură:

Prin urmare, alegerea materialului trebuie să se bazeze pe sarcina reală și pe condițiile de funcționare.

Rezistența la compresiune – cele mai importante informații

Compresia determină scurtarea materialului în direcția sarcinii.
Tensiunea nominală de compresiune poate fi calculată ca σ_c = F/S₀.
Pentru metalele ductile, valoarea clasică a tensiunii maxime de compresiune nu este adesea cel mai important parametru.
Oțelul poate suferi deformări plastice foarte mari în timpul compresiei fără fractura clasică a probei.
În practică, printre altele, rezistența la compresiune este importantă.
În timpul deformărilor mari, secțiunea transversală a eșantionului crește.
Frecarea dintre probă și plăcile mașinii poate provoca deformarea butoiului.
Elementele lungi de compresiune se pot deforma înainte de atingerea limitei de curgere a materialului.
Rezistența la compresiune a unui material și capacitatea portantă a unui element structural comprimat nu sunt același lucru.
La deformări mari, devine important să se facă distincția între tensiunea și deformarea inginerească și tensiunea și deformarea reală.
Testele de compresie sunt de mare importanță în analiza proceselor de forjare, laminare și extrudare.
Modulul lui Young determină rigiditatea elastică, nu rezistența la compresiune.
Duritatea nu poate fi convertită direct în rezistență la compresiune folosind o singură relație universală.