Механические свойства: нагрузки, деформации и напряжения, прочность

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

Механические свойства материалов детально изучаются в курсе сопротивления материалов. Ниже излагаются лишь общие понятия о деформациях и прочности материалов, необходимые для комплексной оценки свойств материалов.

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 или менее 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 металла. Пластическая деформация, медленно нарастающая длительное время (месяцы и годы), при нагрузках, меньше тех, которые способны вызвать остаточную деформацию за обычные периоды наблюдений, называется деформацией 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, например 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 натуральных логарифмов), называют периодом релаксации. Период релаксации меняется от с у материалов жидкой консистенции до 2 · 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/ E

Вышеуказанные характеристики прочности в значительной степени являются условными: 1) они не учитывают фактора времени, т. е. продолжительности действия напряжений, что искажает величину истинной прочности материала; 2) размеры, форма, характер поверхности образцов материала, скорость нагружения, прикалывания боры 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 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 ГОСТах.

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,

или растяжении (МПа), определяют по формуле:

R=P/A,

где P – нагрузка, вызывающая начало разрушения, Н; А – площадь поперечного сечения образца до испытания, м².

Предел прочности при изгибе - , МПа:

где М - изгибающий момент, W – момент сопротивления.

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.

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

Допустимые показатели истираемости и износа нормируются в соответствующих стандартах.

Долговечность – свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами на ремонт. Долговечность обычно измеряют сроком службы без потери эксплуатационных качеств в конкретных климатических условиях и в режиме эксплуатации. Например, для железо-бетонных конструкций нормами предусмотрены три степени долговечности: первая соответствует сроку службы – не менее 100 лет, вторая – не менее 50 лет, третья – не менее 20 лет.

Надёжность – представляет собой общее свойство, характеризующее проявление всех остальных свойств изделия в процессе эксплуатации. Надёжность складывается из долговечности, безотказности, ремонтопригодности и сохраняемости.

Контрольные вопросы

1.1 Какова роль и место строительных материалов в экономике и строительной индустрии Казахстана.

1.2 Каковы современные мировые и отечественные тенденции производства строительных материалов.

1.3 Охарактеризовать базу промышленности строительных материалов Казахстана: природные местное сырье, синтетические продукты и техногенные сырье, побочные продукты промышленности.

1.4 Как классифицируются строительные материалы: по роду сырья, общности технологического процесса их изготовления, функциональному назначению и областям применения.

1.5 Какова взаимосвязь состава, строения и свойств строительных материалов.

1.6 Перечислить и дать определения свойств, характеризующих особенности физического состояния материалов.

1.7 Обосновать назначение гидрофизических и теплофизических свойств материалов.

1.8 Как механические свойства: нагрузки, деформации и напряжения, прочность, связаны с эксплуатационными свойствами строительных материалов и изделий.

Литература:

 

1. Домокеев А.Г. Строительные материалы: Учебник для строительных вузов.-

2-е. издание перераб. и доп.- М.: ВШ. 1989.- 495 с.

2. Горчаков Г. И.,Баженов Ю. М. Строительные материалы: Учеб. для вызов.- М.:. Стройиздат, 1986.-688 с.

3. Комар А.Г. Строительные материалы и изделия: Учеб. Для инж.- экон. спец.

строит. вузов.- 5-е изд.,перераб. и доп. – М.:ВШ. 1988.-527с.

 

Лекция №2

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: