Механические свойства

Механические свойства характеризуются способностью материала сопротивляться сжатию, растяжению, удару, вдавливанию в него постороннего тела и другим видам воздействий на материал с приложением силы.

Прочность — свойство материала сопротивляться разрушению под действием напряжений, возникающих от нагрузки. Изучением этого свойства материалов занимается специальная наука — сопротивление материалов.

Материалы, находясь в сооружении, могут испытывать различные нагрузки. Наиболее характерными для строительных конструкций являются сжатие, растяжение, изгиб и удар. Каменные материалы (гранит, бетон) хорошо сопротивляются сжатию и намного хуже (в 5...50 раз) — растяжению, изгибу, удару, поэтому каменные материалы используют главным образом в конструкциях, работающих на сжатие. Такие материалы, как металл и древесина, хорошо работают на сжатие, изгиб и растяжение, поэтому их используют в конструкциях, испытывающих эти нагрузки.

Прочность строительных материалов характеризуется пределом прочности. Пределом прочности (Па) называют напряжение, соответствующее нагрузке, вызывающей разрушение образца материала.

Предел прочности при сжатии различных материалов 0,5... 1000 МПа и более. Прочность на сжатие определяют испытанием образцов на механических или гидравлических прессах. Прочность определяют на образцах материала, форму и размеры которых устанавливает стандарт на этот материал. Так, для оценки прочности бетона приняты образцы-кубы размером 150 × 150 × 150 мм.

Предел прочности бетона при сжатии обычно 10…50 МПа. Чтобы разрушить бетонный куб размером 150×150×150 мм, надо приложить усилие F =10× (0.15× 0,15) = 0,225 МН. Поэтому для испытания материалов применяют специальные машины, снабженные механизмом для силового воздействия на образец и измерительными устройствами. Так, предел прочности при сжатии определяют с помощью гидравлических прессов.

Рис. 2. Растяжение (б), изгиб (в) и срез (г)

Аналогично определяют прочность при растяжении, изгибе, скалывании. Однако расчетные формулы при изгибе и скалывании имеют другой вид.

Прочность при сжатии, растяжении и изгибе у одного и того же материала может сильно различаться. У всех каменных материалов прочность при сжатии в 5… 15 раз выше, чем при изгибе и растяжении. У древесины, наоборот, прочность при изгибе немного выше прочности при сжатии. Интересно отметить, что прочность древесины при сжатии вдоль волокон близка к прочности бетона, а при изгибе она прочнее бетона более чем в 10 раз.

Рис. 3. Схема гидравлического пресса для испытания на сжатие: 1 — станина, 2 — поршень, 3, 5 — нижняя и верхняя опорные плиты, 4 — испытуемый образец. 6 — маховик для ручного подъема и опускания верхней плиты, 7 — манометр, 8 — масляный насос

На прочность материала оказывают влияние не только форма и размер образца, но и характер его поверхности, и скорость приложения нагрузки. Поэтому для получения сравнимых результатов нужно придерживаться стандартных методов испытания, установленных для данного материала.

Прочность зависит также от структуры материала, его плотности (пористости), влажности, направления приложения нагрузки. На изгиб испытывают образцы в виде балочек, расположенных на двух опорах и нагруженных одним или двумя сосредоточенными грузами, увеличиваемыми до тех пор, пока балочки не разрушатся.

Твердость — способность материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела. Твердость не всегда соответствует прочности материала. Для определения твердости существует несколько методов.

Твердость каменных материалов оценивают по шкале Мооса, состоящей из десяти минералов, расположенных по степени возрастания их твердости. Показатель твердости испытуемого материала находится между показателями твердости двух соседних минералов, из которых один чертит, а другой чертится этим материалом. Твердость металлов и пластмасс определяют вдавливанием стального шарика. От твердости материалов зависит их истираемость. Это свойство материала важно при обработке, а также при использовании его для полов, дорожных покрытий.

Истираемость материала характеризуется потерей первоначальной массы, отнесенной к 1м площади истирания. Сопротивление истиранию определяют для материалов, предназначенных для полов, дорожных покрытий, лестничных ступеней и др.

Износом называют разрушение материала при совместном действии истирания и удара. Прочность при износе оценивается потерей в массе, выраженной в процентах. Износу подвергают материалы для дорожных покрытий и балласта, железных дорог.

Сопротивление удару имеет большое значение для материалов, применяемых в полах и дорожных покрытиях. Предел прочности материала при ударе (Дж/м³) характеризуется количеством работы, затраченной на разрушение образца, отнесенной к единице объема материала. Испытание материалов на удар производят на специальном приборе — копре.

Деформация — изменение размеров и формы материалов под нагрузкой. Если после снятия нагрузки образец материала восстанавливает свои размеры и форму, то деформацию называют упругой, если же он частично или полностью сохраняет изменение формы после снятия нагрузки, то такую деформацию называют пластической.

Упругость — свойство материала восстанавливать после снятия нагрузки свою первоначальную форму и размеры. Пределом упругости считают напряжение, при котором остаточные деформации впервые достигают некоторой очень малой величины (устанавливаемой техническими условиями на данный материал).

Пластичность — свойство материала изменять свою форму под нагрузкой без появления трещин (без нарушения сплошности) и сохранять эту форму после снятия нагрузки. Все материалы делятся на пластичные и хрупкие. К пластичным материалам относят сталь, медь, глиняное тесто, нагретый битум и т. п. Хрупкие материалы разрушаются внезапно без значительной деформации. К ним относят каменные материалы. Хрупкие материалы хорошо сопротивляются только сжатию и плохо — растяжению, изгибу, удару.