Механические свойства

Механические свойства отражают способность материалов сопротивляться силовым (от механических перегрузок), тепловым и усадочным напряжениям без изменения структуры материала. Под напряжением упрощенно понимают внутреннюю силу, приходящуюся на единицу площади в данной точке данного сечения. Различают полное напряжение, имеющее направление равнодействующей внутренних сил; нормальное, направленное вдоль нормали к сечению; касательное, направленное вдоль касательной, лежащей в плоскости сечения. Напряжения измеряются в МПа. В зависимости от величины возникающих напряжений материалы деформируются или разрушаются.

Механические свойства разделяют на деформационные и прочностные.

Деформационные свойства. Эти свойства характеризуют способность материала изменять первоначальные размеры, форму или объем без изменения массы под действием нагрузок или других воздействий (температура, влажность).

Деформация — изменение первоначальных размеров, объема или формы твердого или пластичного тела без изменения массы. Главные виды деформаций (рис. 2.2): растяжение, сжатие, сдвиг, кручение, изгиб. Все виды деформаций могут быть обратимыми или необратимыми (остаточными).

Виды деформаций

Рис. 2.2. Виды деформаций:

а — простой сдвиг; б — одноосное растяжение; в — объемное деформирование при сжатии; г — изгиб; д — кручение

Диаграмма деформаций в упругом теле

Рис. 2.3. Диаграмма деформаций в упругом теле:

0-1 — упругая деформация; 1 — начало пластической деформации; 0-0j — остаточная деформация при снятии нагрузки в точке 2; т0 — предел текучести; ту — предел упругости

Обратимые деформации, которые исчезают мгновенно и полностью, называются упругими, а деформации, исчезающие только через некоторое время или вообще не исчезающие, — пластическими (остаточными) (рис. 2.3).

Твердые тела по-разному реагируют на снятие нагрузки, проявляя при этом свойства упругости или пластичности.

Упругость — свойство материала мгновенно восстанавливать свои форму и объем после прекращения действия внешних сил. Наибольшее напряжение, при котором проявляется лишь упругая деформация, называют пределом упругости. К упругим материалам относятся природные и искусственные каменные материалы, стекло, сталь.

Пластичность — свойство материала необратимо деформироваться под действием внешних сил. К пластичным материалам относятся битумы при положительных температурах, глины в увлажненном состоянии, некоторые виды пластмасс, бетонные и растворные смеси до затвердевания.

Механические свойства материалов оцениваются количественными показателями, получаемыми в результате испытаний. Наибольшую информацию о механических свойствах материала обеспечивает испытание образцов на растяжение при статическом нагружении, в процессе которого строится диаграмма в координатных осях «напряжение т — относительная деформация е» (см. рис. 2.3). Относительная деформация определяется соотношением е = А1/1, где AZ — абсолютное линейное изменение образца, мм, за время t, ч; I — начальная длина образца, мм.

Начальные участки диаграммы деформирования всегда прямолинейны (0-1). Это означает, что материал работает в упругой стадии. Связь напряжения и деформации на этом участке описывается с помощью закона Гука:

где Е — модуль упругости материала, МПа.

Пластическая деформация за пределами предела текучести т0 переходит в область нарастания деформации без увеличения внешней нагрузки (т = const), т.е. в область ползучести материала.

Деформационные свойства строительных материалов обусловливаются релаксационными процессами. Релаксацией называется процесс самопроизвольного падения внутренних напряжений в материале при условии, что образованная величина деформации остается неизменной (например, жестко зафиксированной).

Время (период) релаксации 0р определяет продолжительность релаксационных процессов, в результате которых первоначальная величина напряжений при строго зафиксированной деформации снижается в е раз:

где е — основание натурального логарифма (е = 2,718).

Характер снижения первоначального напряжения т0 во времени t при зафиксированной деформации описывается уравнением

где X — постоянная времени релаксации I , где г

вязкость).

Так, например, если у образца внутреннее напряжение было 8 МПа, а образовавшаяся под влиянием этого напряжения деформация была жестко зафиксирована, то продолжительность времени 0р, (с, мин), за которое напряжение самопроизвольно снизилось до 8/2,718 = 2,94 МПа, называется временем (периодом) релаксации.

Время релаксации является важной характеристикой строительных материалов: чем оно меньше, тем менее дефор- мативным является материал. Однако время релаксации не является постоянной величиной: оно зависит от температуры испытания и скорости приложения нагрузки. Действительно, напряжение, развивающееся в материале под действием нагрузки, определяется межмолекулярным взаимодействием частиц, интегрально определяемым вязкостью г и модулем упругости Е, которые, в свою очередь, зависят от температуры и скорости приложения нагрузки:

В связи с этим деформации могут быть очень сложными — упруго-вязкими или упруго-вязко-пластическими (рис. 2.4).

Графики взаимосвязи напряжений т и деформаций в

Рис. 2.4. Графики взаимосвязи напряжений т и деформаций в: а — упругая деформация; б — упруго-пластическая деформация; в — пластическая деформация, переходящая в ползучесть

Важную роль (кроме температуры) играют продолжительность действия сил и ее сопоставимость с временем релаксации.

Рассмотрим два характерных случая. При малой продолжительности действия сил (или кратковременном наблюдении) по сравнению с величиной времени релаксации (0 « 0р) все материалы ведут себя как упруго-хрупкие и имеют полную обратимость деформации, если напряжения не нарушают их сплошности. Так, например, при малом времени действия сил на воду, время релаксации которой составляет порядка 10_11с, она ведет себя как кристаллическое твердое тело. При большой длительности действия сил по сравнению с величиной времени релаксации (0 » 0р), материал течет подобно жидкости.

Прочностные свойства. Основным механическим свойством материалов является прочность, т.е. способность материала, не разрушаясь, сопротивляться внутренним напряжениям и деформациям, возникающим под влиянием механических, усадочных, температурных или иных воздействий.

Типичными прочностными характеристиками являются: предел упругости, предел текучести, предел прочности.

Предел упругостиу) — напряжение, при котором относительное остаточное удлинение достигает некоторого значения, установленного техническими условиями (например, 0,001 или 0,03 %). Предел упругости ограничивает область упругих деформаций.

Предел текучестит) — наименьшее напряжение, соответствующее состоянию текучести материала образца.

Предел прочностип) — напряжение, соответствующее началу разрушения материала образца, вызываемое наибольшим усилием в нем и определяемое как отношение действующей силы к площади поперечного сечения образца.

Прочностные характеристики пластичного материала приведены на рис. 2.5.

Материал может резко терять свою прочность после приложения к нему циклической нагрузки. Это обусловлено усталостью материала — накоплением неотрелаксированных на-

Диаграмма условных напряжений, полученных при растяжении образца из пластичного металла

Рис. 2.5. Диаграмма условных напряжений, полученных при растяжении образца из пластичного металла: ту — предел упругости; тт — предел текучести, тп — предел прочности (временное сопротивление)

пряжений, вызывающих необратимые микро дефекты в его структуре. Соответствующая прочность называется усталостной.

В зависимости от характера приложения нагрузки F различают прочность на сжатие, растяжение, изгиб, скалывание (срез) (рис. 2.6).

Для экспериментального определения предела прочности материала используют образцы правильной геометрической формы: кубы, призмы, цилиндры, стержни. Размеры образцов, процедура испытания, вид и скорость нагружения, правила обработки результатов выдерживаются в строгом соот-

Схемы определения прочности материалов

Рис. 2.6. Схемы определения прочности материалов: а — при сжатии; б — растяжении; в — изгибе; г — срезе

ветствии с требованиями стандартов. Чаще всего материалы испытывают сжимающей или растягивающей нагрузкой F.

Предел прочности при сжатии или растяжении R рассчитывают по формуле

где ^ра3р — разрушающая нагрузка, Н; S — площадь первоначального сечения образца в плоскости, перпендикулярной действию нагрузки, м2.

Иногда для сравнения прочностных характеристик материалов используют показатель их удельной прочности — коэффициент конструктивного качества:

где Ро — средняя плотность материала.

Значения Кк к для некоторых строительных материалов приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Коэффициент конструктивного качества различных материалов

Материал

*к.к

Высокопрочные стали

100...150

Древесина вдоль волокон

100

Кирпич

5...6

Обычные стали

Более 50

Стеклопластики

Более 250

Тяжелый бетон

От 8 до 25

Предел прочности при изгибе образца прямоугольного сечения при одной сосредоточенной нагрузке в середине пролета (рис. 2.7) определяют по формуле

где F — разрушающая нагрузка, Н; I — расстояние между опорами, м; b, h — ширина и высота поперечного сечения образца, м.

Прочность материала зависит от его структуры и наличия в ней дефектов, пористости, влажности, состояния поверхности и других факторов.

Кроме прочности технической (реальной), существует прочность, рассчитываемая вычислением (теоретическая). Упрощенный метод оценки теоретической прочности твердых тел предложил М. Поляни-Орован, исходя из сил молекулярного (атомного) взаимодействия. Он рассуждал следующим образом.

Если, например, для разрыва стержня сечением 1 мм2 приложили напряжение т0 и при этом атомные плоскости удалились друг от друга на величину а, то потребовавшаяся для этого работа выразится как произведение т0а. При разрыве стержня образовались две новые поверхности площадью 2 мм2, а затраченная работа перешла в свободную поверхностную энергию, которую можно обозначить как g и выразить в Дж/мм2. Следовательно, т0а = 2g. Отсюда теоретическая прочность т0 = 2g/a.

Расчеты показали, что теоретическая прочность материалов на порядки (100-10 000 раз) выше технической (реальной) прочности (табл. 2.2).

Схема испытания образца на изгиб

Рис. 2.7. Схема испытания образца на изгиб

Приближенно теоретическая прочность однородного материала при растяжении Rp (или т0) может быть вычислена по формуле

где G — поверхностная энергия твердого тела, Дж/см2; Е — модуль упругости, МПа; х — межатомное расстояние, в среднем равное 2 • 1СГ8 см.

Таблица 2.2

Значения модуля упругости и прочности материалов при растяжении

Материал

Модуль упругости Е, МПа

Теоретическая прочность т0, МПа

Техническая прочность тт, МПа

т0т

Сталь

210 000

21000

300

70

Стекло

80 000

8 000

80

100

Дерево вдоль волокон

11 000

1 100

120

9

Полистирол

3 000

300

30

10

Большое различие между теоретической и реальной прочностью материалов объясняется наличием в структуре существующих материалов микродефектов (микропоры, микротрещины и т.п.). Чем крупнее образцы, тем больше дефектов они содержат в своей структуре и тем ниже их реальная прочность. Зависимость прочности от размера изделий в материаловедении называется масштабным эффектом.

Учитывая большую роль микродефектов (особенно микротрещин) в установлении реальной прочности твердых материалов, интенсивно проводились исследования в области возможных методов ее расчета. Наиболее известен метод Гриффитса. Он предложил следующую формулу для расчета реальной прочности твердых тел, имеющих микротрещины:

где Еп — свободная поверхностная энергия; Еу — модуль упругости материала; I — длина поперечной микротрещины в образце, составляющая к моменту разрушения образца несколько микрометров.

Прочность лучше, чем другие свойства материала, отражает изменения, происходящие в его структуре (особенно кристаллической). Поэтому ее можно изменять в необходимом направлении путем изменения микро- и макроструктуры материалов за счет уменьшения микродефектов. Практически это достигается введением различных добавок, повышением дисперсности структурных компонентов, изменением пористости и др.

Дополнительными характеристиками механических свойств могут служить твердость, истираемость и ударная вязкость (динамическая прочность) материалов.

Твердость — свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела. Твердость природных каменных материалов оценивают по шкале Мооса, представляющей собой 10 минералов, расположенных в порядке возрастания их твердости:

  • 1) тальк (Mg3[Si4 • О10] [ОН]2);
  • 2) гипс (CaS04 • 2Н20);
  • 3) кальцит (СаС03);
  • 4) флюорит (плавиковый шпат) (CaF2);
  • 5) апатит (Са5[Р04]3 • (F, С1, ОН)2);
  • 6) ортоклаз (KAlSi308);
  • 7) кварц (Si02);
  • 8) топаз (Al2 [F,0H]2Si04);
  • 9) корунд (А1203);
  • 10)алмаз (С).

Показатель твердости материала находится между показателями двух соседних минералов, один из которых чертит, а другой сам чертится этим материалом.

Твердость древесины, металлов, бетона и некоторых других строительных материалов определяют, вдавливая в них с силой Р стальной шарик или твердый наконечник в виде конуса или пирамиды. В результате испытания вычисляют число твердости НВ = P/S, где S — площадь поверхности отпечатка.

От твердости материалов зависит их истираемость — способность материала уменьшаться в массе и объеме под действием истирающих усилий. Истираемость тем меньше, чем больше твердость.

Истирающему воздействию постоянно подвергаются покрытия автомобильных дорог (от колес движущегося транспорта), полы и лестницы зданий (от движения людей) и т.п.

Истираемость оценивают потерей первоначальной массы образца материала, отнесенной к площади поверхности истирания:

где тг и т2 — масса образца до и после истирания.

Сопротивление материала истиранию определяют стандартными методами: кругом истирания и абразивами (кварцевым песком и наждаком).

О более сложном свойстве — износе (износостойкости) материала судят по испытанию образца определенной массы: его вращают в специальном металлическом барабане вместе с набором металлических шаров или без них. Чем сильнее разрушается образец, тем больше износ, определяемый в процентах (по массе).

Ударная вязкость (динамическая прочность) — способность материала сопротивляться сосредоточенным ударным нагрузкам. Она определяется количеством работы, затрачиваемой на излом образца в фиксированном с помощью насечки месте.

Динамическую прочность чаще всего определяют ударными испытаниями на маятниковых копрах и вычисляют по формуле

где А — работа, затраченная на разрушение стандартного образца, Дж; S — площадь сечения образца в месте разрушения (см2, м2).

Отношение динамической прочности к статической называют динамическим коэффициентом.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >