Механические свойства материалов

Лекция 3 МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ Данные свойства характеризуют способность материала сопротивляться действию внешних сил или иных факторов (например, температурных), вызывающих в нём внутренние напряжения. Прочность – свойство материала воспринимать нагрузки или другие воздействия, вызывающие в нём внутренние напряжения, без разрушения. Для определения значения напряжений σ (МПа), т.е. внутренних сил, приходящихся на единицу площади поперечного сечения материала и возникающих в материале при приложении к нему внешней силы F (кН), мысленно делают поперечный разрез образца. Чтобы образовавшиеся половинки образца остались в равновесии, внешней силе F должна противодействовать равная ей внутренняя сила σА, где А (м2) – площадь поперечного сечения образца материала, откуда σ = F/А Для твердых и упругих тел с увеличением относительных деформаций ε пропорционально возрастают напряжений σ (закон Гука): σ = Еε, где Е – модуль упругости (Юнга), МПа, характеризующий жесткость материала. Прочность материала характеризуется значением предела прочности R – напряжением в испытуемом образце материала в момент его разрушения. В зависимости от вида возникающих напряжений различают прочность при сжатии, растяжении, изгибе, срезе. Прочность при сжатии, растяжении и изгибе у одного и того же материала может сильно различаться. Водостойкость – способность материала сохранять свои эксплуатационные свойства (в частности, прочность) при длительном воздействии воды. Степень понижения прочности материала, насыщенного водой, характеризуется коэффициентом размягчения Кр = Rнас/Rсух Значение Кр для разных материалов колеблется от 0 (необожжённая глина) до 1 (стекло, сталь, битум). Упругость и пластичность. Материалы, восстанавливающие свою форму и размеры после снятия нагрузки, называются упругими (природные и искусственные каменные материалы, стекло, сталь). Количественной мерой упругости служит модуль упругости Е (чем выше Е у материала, тем бОльшие напряжения возникают при его деформации). Идеально упругих материалов не существует; при высоких и длительных нагрузках почти все материалы обнаруживают пластические деформации. Материалы, сохраняющие деформации после снятия нагрузки, называются пластичными (битумы, некоторые виды пластмасс, свинец, бетонные и растворные смеси до затвердевания). Твердость – способность материалов сопротивляться проникновению в них других материалов. Это относительная величина. Для определения твёрдости минералов используется шкала Мооса, для металлов – шкала Бринелля, Роквелла, Виккерса, Шора. Высокая прочность материала не всегда соответствует высокой твёрдости (древесина). Износ – изменение размеров, массы и состояния поверхности материала вследствие истирающих и ударных воздействий. Износ может быть абразивным, кавитационным и др. Истираемость – свойство поверхностного слоя материала сопротивляться абразивному износу. Она зависит от совокупности свойств материала и определяется не расчетным путем, а экспериментально. Истираемость оценивается по потере массы или толщины образцов материала после цикла стандартных испытаний. Этот показатель важен для материалов, используемых для покрытий полов, лестниц и т.п. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ Данные свойства характеризуют способность материала к химическим превращениям и изменению структуры под влиянием веществ, с которыми он находится в соприкосновении, а также некоторых физических (нагревание, облучение, электрический ток) и биологических (микроорганизмы, грибки) воздействий. Коррозия – разрушение твердых тел, которое вызывается химическими и электрохимическими процессами, протекающими в них при взаимодействии с внешней средой. Коррозии подвержены не только металлы, но и каменные материалы, бетон, пластмассы, древесина. Основные агенты, вызывающие коррозию строительных материалов: пресная и солёная вода; минерализованные почвенные воды; растворённые в дождевой воде газы (SO2, SO3, NO2) от предприятий и автомашин; на промышленных предприятиях – растворы кислот и щелочей, расплавленные материалы и горячие газы. Биокоррозия – разрушение материала под действием живых организмов (гниение органических продуктов, разрушение бетона и металла продуктами жизнедеятельности микроорганизмов). Старение – изменение структуры и свойств пластмасс под влиянием внешней среды. Наиболее вредные воздействия на пластмассы оказывают солнечное облучение, кислород воздуха и повышенные температуры. Коррозия строительных материалов опасна негативными изменениями физико-механических характеристик материалов. Химическая активность вяжущих веществ и минеральных добавок зависит от их химического состава и строения, а также от тонкости измельчения частиц. Чем выше степень измельчения, тем активнее вещество в химическом отношении, т.к. возрастает его удельная поверхность. Удельная поверхность – суммарная поверхность всех частиц единицы массы вещества (см2/г). Для обычного портландцемента – 2000…2500 см2/г, для тонкомолотого быстротвердеющего – 3000…4000 см2/г. РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ Некоторые строительные материалы (растворные и бетонные смеси, мастики, краски и т.п.) представляют собой пастообразные массы различной густоты. Для обеспечения плотной укладки в форму (опалубку) или хорошего сцепления с поверхностью конструкции (без стекания с неё) они должны обладать определенными реологическими свойствами. Реология (от греч. rheo – течь) – наука о деформациях и текучести веществ. Объектом реологии являются жидкие и пластичные вещества. Жидкостями в реологии считаются вещества, которые под действием приложенной силы неограниченно деформируются, т.е. текут. Пластичные вещества под нагрузкой деформируются ограниченно и необратимо (в отличие от упругих веществ). Реальные вышеуказанные строительные материалы сочетают свойства жидких и пластичных тел. В зависимости от преобладания того или иного свойства говорят о вязкотекучих или пластично-вязких смесях. В строительстве в основном применяют пластично-вязкие смеси (строительные растворы, краски и др.): с возрастанием нагрузок – (упругие → пластичные → текучие). К основным реологическим характеристикам относятся: вязкость, предельное напряжение сдвига, тиксотропия. Вязкость (η, Па·с) – внутреннее трение жидкости, препятствующее перемещению одного её слоя относительно другого. Предельное состояние сдвига – значение внутренних напряжений в пластично-вязком материале, при котором он начинает течь, т.е. превращается в вязкую жидкость. Для строительных смесей этот показатель также называется структурной прочностью. Тиксотропия – способность некоторых пластично-вязких смесей при повторяющихся (динамических) воздействиях обратимо терять структурную прочность, временно превращаясь в вязкую жидкость. Это характерно для смесей на основе минеральных вяжущих (бетонных и растворных смесей), красок и мастик. Явление тиксотропии используется при виброуплотнении бетонных смесей и при нанесении мастичных и окрасочных составов шпателем или кистью. СТАНДАРТИЗАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ Основные требования к качеству материалов, изделий и готовых конструкций массового применения устанавливаются Государственными стандартами РФ (ГОСТ), отраслевыми стандартами (ОСТ), техническими условиями (ТУ). В ГОСТах и ТУ содержатся краткое описание материалов и способы его изготовления, указаны марки материалов и требования к их качеству, форма и размеры и допускаемые отклонения от них, а также правила транспортирования, приёмки и хранения, обеспечивающие сохранность материала, а также методы испытаний. ГОСТы и ТУ – документы, устанавливающие, что данный материал или изделие одобрены для производства и применения при определенном его качестве. Основные положения строительного проектирования и производства строительных работ регламентируются Строительными нормами и правилами (СНиП). В части II СНиП «Нормы строительного проектирования» содержатся сведения о том, в каких конструкциях и как следует применять строительные материалы с указанием необходимых требований к свойствам этих материалов. В стандартах и СНиПах требования к свойствам материалов выражены в виде марок на эти материалы. Также в последнее время используется понятие класс. Марка строительных материалов – условный показатель, устанавливаемый по главнейшим эксплуатационным характеристикам или комплексу главнейших свойств материала (марки по прочности, плотности, морозостойкости, огнеупорности и др.). Марка вычисляется как среднее арифметическое результатов испытаний трёх и более образцов материала (оговаривается в ГОСТе на материал). Один материал может иметь несколько марок по различным свойствам (например, для кирпича – по прочности и морозостойкости), но основной считается марка по главнейшему эксплуатационному показателю (для кирпича – по прочности). По прочности для всех природных и искусственных каменных материалов СНиПом установлены следующие марки: 4; 7; 10; 15; 25; 35; 50; 75; 100; 125; 150; 200; 300 и т.д. до 3000. Цифра обозначает минимально допустимый предел прочности материала, выраженный в кгс/см2 (например, кирпич марки 100 должен иметь прочность 100…125 кгс/см2 или 10…12,5 МПа). Теплоизоляционные материалы делят на марки по плотности (поскольку теплопроводность находится в прямой зависимости от плотности, которую контролировать проще). Изделия из минеральной ваты выпускают марок: 75; 100; 150 и т.д. (с размерностью марки в кг/м3). Класс – численная характеристика какого-либо свойства материала, принимаемая с гарантированной обеспеченностью, т.е. с учетом разброса значений этого свойства.