МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Механические свойства выражают способность мате­риала сопротивляться напря­жениям силовым (от механиче­ских нагрузок), тепловым, усадочным или другим без на­рушения установившейся структуры. Чаще всего напря­жение обусловлено внутренней механической силой, а его чис­ловая величина определяется как отношение силы к единице площади. Под внутренней подразу­мевают силу действия частиц, находящихся по одну сторону пло­щадки, на частицы, находящиеся по другую сторону этой площадки (рис. 3.1). Расчетом определяют нормальные (перпендикулярные к площадке) и касательные напряжения, выражаемые в размерности «сила/площадь» (МПа).

Механические свойства разделяются на деформационные и прочностные.

 

 

Деформационные свойства характеризуют способность материа­ла к изменению формы или размеров без отклонений в величине его массы. Главнейшие виды деформаций — растяжение, сжатие, сдвиг, кручение и изгиб. Все они могут быть обратимыми и необратимы­ми. Обратимые полностью исчезают при прекращении действия на материал факторов, их вызвавших. Необратимые деформации, или остаточные, называемые также пластическими, накапливаются в пе­риод действия этих факторов; после их снятия деформации сохраня­ются. Обратимые деформации, исчезающие мгновенно и полно­стью, называются упругими; исчезающие в течение некоторого времени — эластическими.

Деформации могут быть также сложными — упруго-пластиче­скими или упруго-вязко-пластическими, если достаточно четко вы­ражены соответственно упругая и пластическая или упругая, эласти­ческая и пластическая части (рис. 3.2).

 

Рис. 3.2. Графики зависимости деформаций (ε) от времени (τ) действия нагрузок:

а — упругая деформация; б — упругоэластическая деформация; в — пластическая деформация; г — упругопластическая деформация

 

На характер и величину деформации влияют не только величина механического нагружения, но и скорость приложения этой нагруз­ки, а также температура материала. Как правило, с повышением скорости нагружения, а следовательно, деформирования, а также с понижением температуры материала деформации по своему харак­теру приближаются к упругим и упруго-пластическим, уменьшаясь по своей абсолютной величине.

Пластические деформации, медленно нарастающие без увеличе­ния напряжения, характеризуют текучесть материала. Пластическая деформация, медленно нарастающая в течение длительного времени под влиянием силовых факторов, не способных вызвать остаточную деформацию за обычные периоды наблюдений, называется дефор­мацией ползучести, а процесс такого деформирования — ползуче­стью, или крипом.

Явление ползучести выражается в непрекращающемся измене­нии размера тела (образца) под влиянием 'растягивающих или сжи­мающих силовых воздействий (напряжений ниже предела прочнос­ти) при постоянной температуре (ниже .температуры плавления). Ее обычно выражают в единицах скорости деформации, т. е. как относительное изменение размеров образца (в мм) за время (в ч): τ= (∆l/l)∙(1/ τ), где ∆l — линейное изменение образца, мм, за время τ, ч; l — начальная длина, мм.

Деформационные свойства строительных материалов, как и дру­гих тел, обусловливаются периодом, или временем релаксации. Релаксацией называется процесс самопроизвольного падения внут­ренних напряжений в материале, связанных с молекулярным пере­мещением при условии, что начальная величина деформации оста­ется неизменной, например зафиксированной жесткими связями. Характер начальной деформации в период релаксации напряжений может измениться, например, из упругой постепенно перейти в не­обратимую (пластическую), что связано с переориентацией внутримолекулярной структуры. Время, или период, релаксации определя­ет продолжительность релаксационных процессов, в результате которых первоначальная величина напряжений при строго зафиксированной деформации снизилась в е раз — основание неперовых логарифмов, равное 2,718...). Так, например, если у материала в виде образца напряжение было равно 5,0 МПа, а возникшая дефор­мация под влиянием этого напряжения была жестко зафиксирована, то время (θ с), за которое напряжение самопроизвольно снизилось до величины 5,0:2,718 = 1,85 МПа, называется временем, или перио­дом, релаксации, выражаемым в секундах или минутах. Эта величи­на — важная характеристика строительных материалов: чем она ме­ньше, тем более деформативным является материал. Нередко время релаксации зависит от температуры материалов в момент испыта­ния и скорости приложения нагрузки, являясь непостоянной величи­ной.

При весьма малой продолжительности (τ с) действия сил (или кратковременном наблюдении) по сравнению с величиной времени релаксации (τ << 6) все материалы (тела) ведут себя как упругохруп-кие тела и имеют полную обратимость деформаций, если, конечно, напряжения не нарушают их сплошности. Однако наиболее типич­ным случаем деформации хрупких тел (материалов) является отсут­ствие структурных изменений, а упругая энергия, затрачиваемая на деформацию, не успевает рассеиваться под влиянием релаксацион­ных процессов. У упругохрупких тел возможно накопление малой упругой энергии, а за счет местных разрушений структуры происхо­дит частичная релаксация напряжений. Приближенным значением меры хрупкости служит ψ = εyпред и при ψ = 1—0,8 разрушение от нагружения происходит без торможения трещин, внезапно.

При очень длительных (τ >> 9) наблюдениях за действием нагруз­ки (по сравнению с временем релаксации) материал подобно жидко­сти течет. При очень коротких наблюдениях (по сравнению с време­нем релаксации) даже жидкий материал проявляет хрупкость твердого кристаллического тела. Так, например, при весьма корот­ком времени действия силы на воду, время релаксации которой рав­но порядка 10-11 с, она ведет себя как кристаллическое твердое тело; при весьма длительном периоде действия сил (или наблюдения) при­родный камень в виде горных пород, время релаксации которого равно 1010 с, ведет себя как текучая жидкость. Но эти крайние усло­вия не встречаются в практике строительства и эксплуатации конст­рукций зданий и сооружений, поэтому вода всегда кажется жидкой, а камень — твердым. Однако многие материалы остаются весьма чувствительными к различию между временем действия нагрузки и временем релаксации, особенно при повышенных температурах, когда процесс релаксации напряжений в некоторых материалах заметно интенсифицируется, особенно при местных (локальных) пере­напряжениях в материале.

Кроме времени релаксации, в расчетах пользуются коэффициен­том у релаксации, показывающим долю спада напряжений за опре­деленный период времени: ψ = στ0, где στ — напряжение в момент времени τ при постоянной деформации; σ0 — начальное напряже­ние.

Коэффициент релаксации позволяет расчетным путем опреде­лить релаксационную характеристику с помощью опытных значе­ний деформации ползучести, точнее —скорости ползучести, полу­чаемых менее трудоемким измерением, чем релаксации напряжений. С некоторым приближением к опытным данным можно воспользо­ваться зависимостью: ln ψ = -φ , где φ — коэффициент ползучести, равный ετ0 = Е0S; ετ — деформация ползучести в момент времени τ при постоянном напряжении σ0; ε0 — начальная упругая деформа­ция, равная σ00; Е0 — начальный модуль упругости, равный σ0/ ε0; εS — удельная деформация ползучести в момент времени τ, равная ετ0.

Прочность характеризует способность материала в определен­ных условиях и пределах, не разрушаясь, сопротивляться внутрен­ним напряжениям и деформациям, возникающим под влиянием ме­ханических, тепловых и других напряжений.

Типичными прочностными характеристиками служат предел упругости, предел текучести и предел прочности при воздействии

сжимающих, растягивающих или других видов усилий. Пределу упру­гости соответствует напряжение ма­териала при максимальной величине упругой деформации; пределу теку­чести — постоянное напряжение при нарастании пластической деформа­ции; пределу прочности — максима­льное напряжение в момент разру­шения материала (рис. 3.3). Эти характеристики прочности относят­ся к кратковременному действию приложенной нагрузки (табл. 3.1). При длительном действии нагрузки возрастает опасность нарушения структуры материала. Даже сравни­тельно малые величины напряжения (например, от собственной массы) могут вызвать ползучесть и замет­ное ухудшение структуры с потерей прочности. Нередко измеряют длительную прочность материала не только при статической (неподвижной), но и динамической нагруз­ках. Материал может резко терять свою прочность после приложе­ния к нему вибрационной нагрузки, что обусловлено усталостью — накоплением неотрелаксированных напряжений и необратимых микродефектов в структуре. Соответствующая прочность материала называется усталостной и определяется специальным испытанием образцов.

 


Таблица 3.1. Физико-механическиесвойства некоторых материалов

Наименование материала Предел прочности при сжатии, МПа Истинная плотность, кг/м3 Средняя плотность, кг/м3 Теплопро­водность, Вт/(м-°С)
Гранит 150—250 2600—2800 2500—2700 2,9-3,3
Известняк плотный 50—150 2400—2600 1800—2200 0,8—1,0
Известняк-ракушечник 0,5—5 2300—2400 900—1400 0,3—0,6
Кирпич керамический 10—20 2600—2700 1700—2000 0,8—0,9
Кирпич силикатный 10—20 2400—2550 1700—1900
Бетон тяжелый 10—60 2500—2600 1800—2500 1,1—1,6
Бетон легкий 2—15 500—1800 0,35—0,8
Древесина сосновая 30—60 1550-1600 500—600 0,15—0,2
Сталь Ст.З (при растя-жен.) 380-450 7800—7900 7800—7900 58
Пластмассы 120—200 1000—2200 100—1200 0,23—0,80
Портландцемент, ,кг/см2 (марка) 300—600 3000—3200 Насыпная плотность 1200—1300

В целом упомянутые выше характеристики прочности по своей сущности относятся к условным по двум причинам. Во-первых, они не учитывают фактора времени, что с некоторым приближением можно допустить только в отношении хрупких материалов. Во-вто­рых, приборы, размеры и форма образцов, скорость приложения на­грузки на прессе и другие исходные параметры методов испытания материала на прочность приняты условными. Поэтому материал может иметь различную величину показателя прочности в зависи­мости от размера образца, скорости приложения нагрузки и конст­рукции прибора, на котором испытывались образцы. Например, чем меньше размеры «кубика», больше скорость приложения на­грузки (или скорости деформации), тем выше получаемая величина предела прочности при испытании на сжатие.

В упругой области деформаций действует закон Гука: σ = Е∙ε, где σ — напряжение, МПа; ε — относительная упругая деформация; Е — модуль упругости материала, МПа. Если относительная дефор­мация ε, выражающая отношение прироста деформации ∆l к перво­начальной длине образца l, т. е. ∆l /l окажется равным единице (ε = 1), то Е = σ. Отсюда следует, что модуль упругости по своему физическому смыслу численно равен напряжению, которое потребо­валось приложить к материалу (образцу), чтобы вызвать относите­льную деформацию ε = 1 (что возможно, когда приращение ∆l = l) , т. е. когда было удвоение длины образца при условии сохранности упругих свойств материала. В реальных строительных материалах (кроме резины) величина упругой деформации всегда гораздо мень­ше, составляя у стали 1—1,5 %, а у хрупких она и вовсе приближает­ся к нулю.

Численные значения величины модуля упругости и прочности определяют как с разрушением образцов, например при испытании под прессом, так и неразрушающими (адеструктивными) методами. Распространены следующие адеструктивные методы их измерения: акустические, магнитные и электромагнитные, механические, ра­диометрические, рентгеновские и электрические. Они основаны на прямых и обратных закономерностях между физическими значения­ми, получаемыми при испытании неразрушающим прибором, и тра­диционными показателями свойств. Зависимости выражаются в виде формул, таблиц, тарировочных графиков. Измерения стано­вятся более эффективными при комплексном использовании адест-руктивных методов измерения с получением двух или нескольких физических характеристик.

К комплексным методам относится совместное применение механического и ультразвукового методов или радиометрическо­го и ультразвукового и других для определения предела прочнос­ти и модуля упругости, контроля качества и дефектоскопии, од­нородности по различным показателям (прочности, влажности, толщине защитного слоя и др.). Эти методы весьма эффективны при контроле за сохранением оптимальности структуры материа­лов и изделий по однородности, минимуму дефектов, плотности, континуальности пространственной сетки вяжущего вещества или жидкостной оболочки свежеизготовленного монолита, минималь­ного количества вяжущего вещества или другим обязательным ее параметрам. В частности, набору параметров оптимальной струк­туры соответствует наиболее широкий спектр частот ультразву­кового сигнала, а также наибольшая амплитудная характерис­тика.

Альтернативой условным методам определения прочности име­ются инвариантные, независимые от обстановки опыта. К инвариантным характеристикам прочности относятся предельное напряже­ние сдвига к), структурная вязкость и другие, определяемые с помощью построения реологических кривых по данным измерений на вискозиметрах, пластометрах и других приборах. Принцип дей­ствия таких приборов основан на истечении массы через капилляр заданного диаметра или на погружении в вещество металлического конуса, шара или других тел. При испытаниях осуществляется чис­тый и однородный сдвиг частиц вещества относительно друг друга в плоскостных или цилиндрических (коаксиальных) приборах (вис­козиметрах) и достаточно четко устанавливается, что прочностные характеристики существенно зависят от продолжительности дейст­вия механического усилия, являются типичными кинетическими ве­личинами.

Кроме прочности технической или реальной, определяемой с по­мощью условных или инвариантных приборов, существует проч­ность, определяемая вычислением и поэтому называемая теоретиче­ской. Простейший метод оценки теоретической прочности твердых тел был, в свое время, предложен Поляки. Так, если для разрыва стержня сечением 1 м2 потребовалось приложить напряжение сто, а атомные плоскости при этом удалились друг от друга на величину а, адекватную порядку параметра кристаллической решетки, то рабо­та выразилась как σ0∙а. При разрыве образовались две новых по­верхности площадью 2 м2, а затраченная работа перешла в свобод­ную поверхностную энергию. Последнюю можно обозначить как g и выразить в Дж/м2. Следовательно, σ0∙а = 2%. Отсюда искомая тео­ретическая прочность σ0 = 2g/а.

Существуют и другие методы определения теоретической проч­ности хрупких твердых тел, например по теплоте сублимации (переходе вещества из твердого состояния в газообразное без пре­вращения в жидкость); по методу Поляни—Орована (из сил молекулярного взаимодействия) и др. Установлено, что независимо от ме­тода вычисления результаты дают близкие значения теоретической прочности для твердых тел: σ00,1Е. Учитывая высокие значения модуля упругости (табл. 3.2), становится очевидным, что теоретиче­ская прочность твердых тел и кристаллов также очень велика. Что же касается технической (реальной) прочности, то она в 100—1000 раз, т. е. на два-три десятичных порядка, ниже теоретической проч­ности (см. табл. 3.2). Большое различие между теоретической и реа­льной прочностью материалов объясняется дефектностью микро­структуры, т. е. наличием микротрещин, пор и т. п. Чем крупнее образцы твердых тел, принятых для испытания, тем больше концен­трируется в них дефектов, а поэтому их реальная прочность ниже, т. е. действует обратная зависимость прочности от размера изделий (масштабного фактора).

Таблица 3.2. Свойства некоторых металлических и неметаллических материалов

Вещество Модуль упругости Е, 10-7 Па Теоретическая прочность σ0, 10-7 Па Техническая прочность στ, 10-7 Па Отношение σ0τ
Алюминий катаный
Медь прокатная
Железоуглеродистая сталь
Стекло
Дерево вдоль волокон
Полистирол

Наиболее обстоятельно метод расчета реальной (технической) прочности хрупких твердых тел исследовал Гриффите. Им предло­жена формула для расчета этой прочности материала, имеющего микротрещину:

 

(3.1)

 

где g и Е — соответственно свободная поверхностная энергия образ­ца и модуль упругости материала, l — длина поперечной микротре­щины в образце, составляющая обычно к моменту разрушения образца несколько микрон или более; β — числовой коэффициент, за­висящий от вязкости и характера материала: наличия кристалличе­ской и аморфной фаз, их количественного соотношения, дефектов в кристаллической решетке (вакансий, дислокации), микропор в амор­фной части структуры.

Следует отметить, что прочность больше, чем некоторые дру­гие свойства материала, проявляет чувствительность к явлениям и процессам формирования и изменения структуры, особенно крис­таллической. Прочность является структурно-чувствительным свойством, поэтому ее можно изменять в необходимом направле­нии путем соответствующих корректив структуры на микро- или макроуровне; уменьшения дефектов; введения добавок, например кристаллических затравок; повышения дисперсности новообразую­щихся фаз; оптимизации структуры, изменения пористости и раз­мера пор и др.

Дополнительными характеристиками механических свойств ма­териалов служат твердость, истираемость, ударная вязкость. Твердость выражает способность материала сопротивляться проникновению в него более твердых тел, например при испытании на склерометрах путем вдавливания стального шарика или стального конуса, царапании резцом, сверлении, ударе молотком, пулевом вы стреле и пр. Эти испытания дают условные значения твердости либо только качественные, например по следу царапания, либо также и количественные — по глубине или площади отпечатка с учетом при­ложенной нагрузки. Нередко стремятся перейти от полученного зна­чения твердости к величине прочности. Устанавливаемые отноше­ния между твердостью и прочностью тем менее точны, чем пластичнее материал. Только у хрупких тел царапание можно более или менее надежно сравнивать с прочностью, поскольку оба этих свойства обусловлены в основном сцеплением между микрочастица­ми материала.

Нередко о твердости судят также по потере массы образцов при истирании на металлических кругах с добавлением абразивных по­рошков.

Более сложным свойством, включающим прочность и твердость, служит износ. Об износостойкости материала судят по испытанию пробы определенной массы во вращающемся барабане с металличе­скими шарами или без шаров, в течение определенного периода вре­мени или определенной частоты вращения. Чем больше измельчает­ся проба, тем, следовательно, и больше ее износ (в %).

Ударная вязкость характеризует способность материала сопро­тивляться сосредоточенным ударным нагрузкам и определяется ко­личеством работы, затрачиваемой на излом образца в фиксирован­ном с помощью насечки месте. Работа, отнесенная к площади поперечника образца, характеризует единичную ударную работу на излом, называемую удельной ударной вязкостью. Она имеет прак­тическое значение при оценке качества металлов, асбестоцементных изделий, например кровельных листов и плит.









Дата добавления: 2015-09-18; просмотров: 1034;


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам перенёс пользу информационный материал, или помог в учебе – поделитесь этим сайтом с друзьями и знакомыми.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2024 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.014 сек.