Б. Механические свойства

Механические свойства отражают способность материала сопротивляться силовым, тепловым, усадочным или другим внутренним напряжениям без нарушения установившейся структуры.

Внешние силы, действующие на материал, стремятся деформировать его (изменить взаимное расположение составляющих частиц) и довести эти деформации до величины, при которой материал разрушится. После снятия нагрузки материал, если он не был разрушен, может восстанавливать размеры и форму или оставаться в деформированном виде.

Деформации, исчезающие при прекращении действия на материал факторов, их вызвавших, называют обратимыми. Обратимые деформации называют упругими, если они исчезают мгновенно после снятия факторов, их вызвавших, и эластическими, если они, оставаясь полностью обратимыми, спадают в течение более длительного периода времени. Необратимые (остаточные) или пластические деформации накапливаются за период действия силовых, тепловых и других факторов, под влиянием которых они возникли, и сохраняются после прекращения действия этих факторов.

Все виды деформаций могут иметь место у одного и того же строительного материала, но при разных величинах нагрузок, или быть у разных материалов при одинаковой и тем более разных нагрузках. Характер и величина деформации зависят также от скорости нагружения и температуры материала. Чаще всего с повышением скорости нагружения (скорости деформирования) и с понижением температуры материала деформации по своему характеру приближаются к упругопластическим.

Пластическая деформация, медленно нарастающая без увеличения напряжений, характеризует текучесть материала.

Пластическая деформация медленно нарастающая длительное время (месяцы и годы), при нагрузках, меньше тех, которые способны вызвать остаточную деформацию за обычные периоды наблюдений, называется де формацией ползучести, а процесс такого деформирования — ползучестью или крипом. Ползучесть необходимо учитывать при расчете и изготовлении строительных конструкций.

Релаксация — свойство материала самопроизвольно снижать напряжения при условии, что начальная величина деформации зафиксирована жесткими связями и остается неизменной. При релаксации напряжений может измениться характер начальной деформации, на пример из упругой постепенно перейти в необратимую (пластическую), при этом изменения размеров не происходит. Такое исчезновение напряжений возможно за счет межмолекулярных перемещений и переориентации внутримолекулярной структуры.

Время, в течение которого первоначальная величина напряжения снижается в е=2,718 раза (е — основание натурального логарифма), называют периодом релаксации. Период релаксации меняется от 10^-10 с у материалов жидкой консистенции до 2х10¹⁰ с (десятки лет и более)— у твердых материалов (чем меньше, тем более деформативен материал).

Упругость — свойство материала принимать после снятия нагрузки первоначальную форму и размеры. Количественно упругость характеризуют пределом упругости, который условно приравнивают напряжению, при котором материал начинает получать остаточные деформации очень малой величины, устанавливаемой в технических условиях для данного материала.

Модуль упругости (модуль Юнга) характеризует меру жесткости материала, т. е. его способность сопротивляться упругому изменению формы и размеров при приложении к нему внешних сил. Модуль упругости Е связывает упругую относительную деформацию ε и одноосное напряжение σ соотношением, выражающим закон Гука:

ε = σ/Е. (1.16)

Существует прямая зависимость модуля упругости от вида и энергии химических связей, действующих между атомами и молекулами данного материала. Материалы с высокой энергией межатомных связей характеризуются и большим модулем упругости.

Пластичность — свойство материала при нагружении в значительных пределах изменять размеры и форму без образования трещин и разрывов и сохранять эту форму после снятия нагрузки. Это свойство важно учитывать при выборе материалов для несущих конструкций, а также выборе технологии изготовления некоторых изделий (например, керамических). Наиболее желательными для несущих конструкций являются материалы, которые наряду с большой упругостью перед разрушением обладают высокой пластичностью. Разрушение в подобных материалах не будет происходить внезапно (например, у стали марки А-I).

Хрупкость — свойство материала под действием нагрузки разрушаться без заметной пластической деформации. Так как для развития пластических деформаций требуется определенное время, то хрупкость особенно четко проявляется при ударной нагрузке. Для хрупких материалов характерна также большая разница (в 10... 15 раз и более) в пределах прочности при растяжении и сжатии. Характер разрушения строительных материалов зависит от температуры, влажности, скорости нагружения. Так, битум при отрицательных, а сталь при очень низких температурах могут разрушаться как хрупкий материал, поэтому более правильно для большинства материалов говорить о пластичном и хрупком состояниях.

Прочность — свойство материала сопротивляться, не разрушаясь, внутренним напряжениям и деформациям, возникающим под действием нагрузки или других факторов. Прочность материала является одной из основных характеристик для большинства строительных материалов, так как они в сооружениях всегда подвергаются тем или иным воздействиям, вызывающим напряженное состояние (сжатие, растяжение, изгиб, срез, удар и др.). Знание прочностных показателей позволяет правильно выбрать максимальные нагрузки, которые может воспринимать данный элемент при заданном сечении, или по заданным нагрузкам рассчитывать технически и экономически целесообразное сечение конструкции из данного материала.

Теоретическая прочность однородного материала характеризуется напряжением, необходимым для разделения двух примыкающих друг к другу слоев атомов. Приближенно ее можно вычислить, используя уравнение Орована-Келли:

σ_т = , (1.17)

где Е — модуль упругости; Э — поверхностная энергия твердого тела на 1 см²; а — межатомное расстояние (в среднем 2х10^-8см).

Формула получена из условия, что в момент разрушения материала вся энергия упругой деформации, накопленная в объеме между двумя слоями атомов, переходит и энергию двух новых поверхностей, образовавшихся при разрушении материала. В соответствии с приведенным выражением прочность твердого тела должна находиться между значениями Е/5 и Е/10. Например, теоретическая прочность стали 30 000 МПа, а фактически прочность обычной стали около 400 МПа; теоретическая прочность стекла при комнатной температуре 14000 МПа, а фактически прочность обыкновенного стекла только 70...150 МПа. Следовательно, используется только сравнительно небольшая доля потенциальной прочности материала. Это объясняется тем, что в реальных материалах много дефектов самого различного уровня (начиная от молекулярных и кончая макродефектами, например порами и трещинами).

Прочность материала оценивают пределом прочности (Па), который условно равен максимальному напряжению, соответствующему нагрузке, вызвавшей разрушение материала:

R = Р/F, (1.18)

где Р — разрушающая сила, Н; F — площадь сечения образца до испытания, м².

Практически предел прочности определяют путем разрушения (нагружения) стандартных образцов, примеры некоторых из которых показаны на рис. 1.1 на специальных прессах (рис. 1.2) или разрывных машинах.

Для некоторых материалов (бетона, кирпича, природных каменных материалов) предел прочности на растяжение (R_p) ориентировочно можно определить путем раскалывания цилиндров или призм (рис. 1.3) и вычислять по формуле

R_р = 2 P /(π l d), (1.19)

где 1 — длина или ширина призмы, плиты, м; d — диаметр цилиндра или толщина призмы, плиты, м.

Рис. 1.1. Стандартные образцы для испытания материалов: I — на сжатие; а — плотный природный камень; б — пористый природный камень; в —бетон; г — кирпич (куб склеен из двух половинок); II —на изгиб; а —цементный раствор; б — кирпич; в — древесина

	Рис. 1.2. Схема гидравлического пресса: 7 —станина; 2 — поршень; 3 — нижняя опорная плита с шаровой поверхностью; 4 — испытуемый образец; 5 — верхняя опорная плита; 6 — винтовое приспособление для зажима образца; 7 — манометр; 8—масляный насос
Рис. 1.3. Схема испытания на растяжение путем раскалывания

На изгиб испытывают образцы материалов в виде балочек, расположенных на двух опорах. В зависимости от схемы загружения образца (см. рис. 1.1) расчет предела прочности при изгибе (Па) производят по формулам:

при одном грузе по середине балки прямоугольного сечения

R_и = 3 P l / (2 b h²); (1.20)

при двух равных нагрузках, расположенных симметрично горизонтальной оси балки,

R_и = 3 Р (l − a)/(b h²), (1.21)

где P — разрушающая сила, Н; l — расстояние между опорами, м; а — расстояние между грузами, м; b и h — ширина и высота балки в поперечном сечении, м.

Вышеуказанные характеристики прочности в значительной степени являются условными так как:

· они не учитывают фактора времени, т. е. продолжительности действия напряжений, что искажает величину истинной прочности материала;

· размеры, форма, характер поверхности образцов материала, скорость нагружения, приборы и другие исходные данные в принятых методах условны. Предел прочности одного и того же материала может иметь различную величину в зависимости от размера образца, его формы, скорости приложения нагрузки и конструкции прибора, на котором испытывались образцы.

Однако, несмотря на это, у большинства материалов, применяемых в строительстве, период релаксации весьма большой по сравнению с временем действия нагрузки. Поэтому для определения прочностных характеристик вполне допустимы условные методы, получившие широкое распространение в инженерной практике. При этом важно строго соблюдать все условия испытаний, установленные для данного материала в соответствующих стандартах.

Наряду с описанными методами оценки прочности строительных материалов, при которых специально изготовленные образцы материалов или взятые из партии готовые изделия доводят до разрушения, применяют методы контроля прочности без разрушения. Этими методами можно испытывать изделия и конструкции при их изготовлении или после установки в зданиях и сооружениях. Наибольшее распространение из неразрушающих методов испытаний получили акустические, в частности импульсный и резонансный. Оценка свойств материала или изделия при этом производится по косвенным показателям — скорости распространения ультразвука, а также частоте собственных колебаний материала и характеристике их затухания путем использования корреляционной связи этих параметров с прочностью или динамическим модулем упругости, выражаемой обычно тарировочными кривыми или эмпирическими формулами. Без определения прочности можно также установить степень однородности материала в конструкции по скорости распространения ультразвука в различных ее частях. Однородность прочности материала — это важнейшее техническое и экономическое требование.

Предел прочности материала (чаще при сжатии) характеризует его марку. Предел прочности строительных материалов при сжатии колеблется в широких пределах— 0,5...1000 МПа и более. У большинства материалов (кроме древесины, стали, полимерных материалов) предел прочности при растяжении и изгибе значительно ниже, чем при сжатии. Так, каменные материалы при растяжении выдерживают нагрузку меньше в 10... 15 раз и более, чем при сжатии, поэтому их применяют главным образом в конструкциях, которые работают на сжатие.

Для строительных материалов, работающих в сооружениях, действующее напряжение должно быть меньше величины предела его прочности. В результате создается запас прочности. Необходимость создания запаса прочности вызывается рядом причин: неоднородностью материала, возможностью значительной деформации еще до предела прочности и появления трещин, усталостью материала при переменных нагрузках, «старением» материала под влиянием окружающей среды и т. д. Запас прочности устанавливается нормативными требованиями в зависимости от вида и качества материала, долговечности и класса сооружения.

Для оценки прочностной эффективности материала часто используют коэффициент конструктивного качества (ККК.). Величина этого коэффициента определяется делением предела прочности при сжатии R_сж на относительную плотность материала d.

ККК= R_сж/ d 1.22

Наиболее эффективными являются материалы, имеющие наименьшую плотность и наиболее высокую прочность.

При обосновании технической целесообразности применения материала для устройства полов промышленных зданий, дорожных и аэродромных покрытий, тротуаров и в других случаях строительной практики (например, выборе способа обработки материала) важное значение имеют специальные механические свойства: ударная вязкость (ударная или динамическая прочность), твердость, истираемость и износостойкость.

Ударная вязкость (ударная или динамическая прочность) — свойство материала сопротивляться ударным нагрузкам. Испытания производят на приборах — копрах. Характеристикой этого свойства является работа, затраченная на разрушение стандартного образца (Дж), отнесенная к единице его объема (м³) или площади (м²). Отношение динамической прочности к статической называют динамическим коэффициентом.

Твердость — свойство материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого материала. Для определения твердости материалов в зависимости от их вида и назначения существует ряд методов.

Твердость каменных материалов однородного строения определяют по шкале Мооса, которая составлена из 10 минералов с условным показателем твердости от 1 до 10 (самый мягкий тальк— 1, самый твердый алмаз— 10). Показатель Твердости испытуемого материала находится между показателями твердости двух соседних минералов, из которых один царапает испытываемый материал, а другой оставляет черту на образце материала.

Немецкий минералог Фридрих Моос (1773—1839) предложил шкалу, согласно которой минералы группируются в соответствии с их относительной твердостью по десятибалльной шкале, которая называется минералогической шкалой твердости, или шкалой Мооса. Каждый минерал, занимающий определенное место в этой шкале, царапает все минералы с меньшим значением твердости, но в то же время сам царапается стоящими выше него более твердыми минералами. Минералы с равными значениями твердости не царапают друг друга.

Путем сравнения с этой шкалой может быть установлена твердость любого минерала — твердость по Моосу. 'Минералы с твердостью 1 и 2 считаются мягкими, от 3 до 6 — средней твердости, а выше 6 — твердыми. О минералах с твердостью 8—10 говорят, что они обладают твердостью драгоценных камней.

Шкала Мооса — относительная шкала. С ее помощью может быть установлено лишь, какой минерал тверже. О том, насколько увеличивается в количественном выражении твердость от ступени к ступени по шкале Мооса, сказать нельзя. В представленной здесь таблице эта шкала сопоставлена с абсолютными значениями твердости — это твердость шлифования в воде по Розивалю. Сопоставление показывает, как скачкообразно возрастает абсолютная твердость.

Твердость металла, бетона, пластмасс определяют вдавливанием в испытуемый образец под определенной нагрузкой и в течение определенного времени стандартного стального шарика (твердость по Бринеллю H_B). За характеристику твердости в этом случае принимают отношение нагрузки к площади отпечатка.

1.23.

где Р – нагрузка, Н, F - площадь поверхности отпечатка, D,d – диаметры шарика и отпечатка, м. Единицы измерения Н_В – МПа.

Кроме того, твердость пластинчатых материалов (например, металлов) может быть определена путем вдавливания в образец конуса или пирамиды из малодеформирующегося материала

Показатели твердости, полученные разными способами, нельзя сравнивать друг с другом. Высокая прочность материала не всегда говорит о его твердости (например, древесина по прочности при сжатии равнозначна бетону, а ее твердость значительно меньше, чем у бетона). Для некоторых материалов (например, для металлов) существует определенная связь между твердостью и прочностью, для других материалов (однородные каменные материалы) — между твердостью и истираемостью.

Истираемость — свойство материала сопротивляться истирающим воздействиям. Одновременное воздействие истирания и удара характеризует износостойкость материала. Оба эти свойства определяют различными условными методами: истираемость — на специальных кругах истирания, а износ — с помощью вращающихся барабанов, куда вместе с пробой материала часто загружают определенное количество металлических шаров, усиливающих эффект измельчения. За характеристику истираемости принимают потерю массы или объема материала, отнесенных к 1 см² площади истирания, а за характеристику износа — относительную потерю массы образца в процентах от пробы материала.

Истираемость вычисляют по формуле, г/см²

1.24

где m₁, m₂ – масса до и после испытания, F – площадь истирания, см².

Допустимые показатели истираемости и износа нормируются в соответствующих стандартах.

Некоторые свойства материалов проявляются при изготовлении материалов и в процессе возведения зданий и сооружений, их называют технологическими.

Технологические свойства характеризуют способность материала к восприятию некоторых технологических операций, изменяющих состояние материала, структуру его поверхности, придающих нужную форму и размеры, и т. п.

Такие технологические свойства, как дробимость, распиливаемость, шлифуемость, гвоздимость и т. п., имеют важное практическое значение, ибо от них зависят качество и стоимость готовых изделий и конструкций. Для оценки технологических свойств некоторых материалов разработаны числовые показатели и методы их определения (например, дробимость каменных материалов, подвижность и удобоукладываемость бетонных смесей, укрывистость красочных составов и др.). Для большинства же материалов установлены лишь качественные характеристики технологических свойств.