Деформативныесвойства

Упругость–способностьматериалавосстанавливатьпослеснятия нагрузкипервоначальныеформуиразмеры.

Количественнохарактеризуетсяпределомупругости,кото-рыйусловноприравниваютнапряжению,прикоторомматериалначинаетполучатьостаточныедеформацииоченьмалойвели-чины,устанавливаемойвтехническихусловияхдляданногома-териала.Примеромупругогоматериалаявляетсясталь.

Эластичность–способностькзначительнымупругимде-формациямподдействиемсравнительнонебольшихнагрузок(первоначальнаяформаиразмерывосновномвосстанавлива-ютсяпослеснятиянагрузок)–резина,эластомеры(каучуки,по-ролон).

Пластичность–способностьматериалапринагружениивзначительныхпределахизменятьформубезобразованиятре-щинисохранятьэтуформупослеснятия нагрузки.

Этосвойствоважноучитыватьпривыборематериаловдлянесущихконструкций.Желательнымидлянесущихконструк-цийявляютсяматериалысбольшойупругостью,которыеперед

разрушениемобладаютвысокойпластичностью.Разрушениевподобныхматериалахнебудетпроисходитьвнезапно(напри-мер,такиехарактеристикинаблюдаютсяустали).

Пластичностьсырьевыхмассоказываетбольшоевлияниенавыбортехнологииизготовлениянекоторыхизделий.Пла-стичностьмногихсырьевыхмассзависиткакотсвойствсырья исоставамасс, так иотколичестваводывсмеси.

Например,приизготовлениикерамическихизделийвзави-симостиотспособностиглинобразовыватьпластичноетестопринимаютпластическийспособформования(выдавливаниепластичноготестачерезформующуюголовкупресса)илиполу-сухоепрессование(изувлажненногопорошка).

Пластичностьбетонныхсмесейзначительноменяетсявза-висимостиотрасходаводы(чембольшеводы,темвышепла-стичность):

–дляпластичныхсмесейспособуплотнения–вибрирова-

ние;

–дляжесткихсмесей–вибропрессованиеидругиеинтен-

сивныеметодыуплотнения.

Дляполимеров,битума,стекла,металловхарактернатер-мопластичность–увеличениепластичностисповышениемтемпературы.

Хрупкость–способностьматериалаподдействиемнагруз-киразрушатьсябеззаметныхдеформаций.

Материалразрушаетсявобластиупругихдеформацийилипринезначительныхпластическихдеформациях(бетон,камен-ныематериалы,стекло).Таккакдляразвитияпластическихде-формацийтребуетсяопределенноевремя,тохрупкостьособен-ночеткопроявляетсяприударной нагрузке.

Текучесть–способностьматериаловкзначительнымпла-стическимдеформациям,медленнонарастающимбезувеличе-ния напряжений.

Ползучесть–способностьматериаловкпластическимде-формациям,медленнонарастающимвтечениедлительноговремениподдействиемнагрузки,неспособнойвызватьоста-

точныедеформациизанепродолжительныйпериод.Ползучестьхарактерна дляпластмасс.

Прочностные свойства

Прочностьматериалаявляетсяоднойизосновныххарак-теристикдлябольшинствастроительныхматериалов,таккаконивсооруженияхвсегдаподвергаютсятемилиинымвоздей-ствиям,вызывающимнапряженноесостояние(сжатие,растяже-ние,изгиб,срез,ударидр.).Позаданнойнагрузкеможнорас-считыватьтехническииэкономическицелесообразноесечениеконструкцийизданногоматериала.

Прочность– способностьматериаласопротивлятьсяраз-рушениюподдействиемвнутреннихнапряжений,возникающихвнемподдействиемвнешнихнагрузок.

Взависимостиотвидавнешнихвоздействийразличают:

• прочностьприсжатии;

• прочностьприрастяжении;

• прочностьприизгибеит.д.

ОтвнешнейнагрузкиРвматериалевозникаютвнутренниенапряжения,т.е.нагрузкепротиводействуютвнутренниеси-лы,знаккоторыхпротивоположен:

Р =.

Рис.5.10.Схемавозникновения внутреннихнапряжений

Померевозрастаниянагрузки(Р)доразрушающей(Р_раз)внутренниенапряжения()нарастают,априразрушениистано-вятсяравными0,посколькусвязьмеждучастицамиматериаларазрывается.

Прочностьколичественнооцениваетсяпределомпрочно-

сти.

Пределпрочности(R)–критическоенапряжение,прико-

торомнаступаетразрушениематериала(нарушениесплошно-сти).

Определениепределапрочностипроизводитсяприиспыта-ниидоразрушения:

• стандартныхобразцов(специальноизготовленныхиливыпиленныхизконструкции)наспециальныхпрессахилираз-рывныхмашинах;

• непосредственноконструкцийнаспециальныхиспыта-тельных стендах.

Теоретическипрочностьоднородногоматериалахаракте-ризуетсянапряжением,необходимымдляразделениядвухпри-мыкающихслоеватомов,т.е.зависитотсилатомно-молеку-лярноговзаимодействия.

Прочностьреальныхтелвтысячиразменьшепрочности,рассчитаннойдляидеальныхкристаллов.Причины–дефектывструктурематериала:микродефекты–дефектыкристаллическойрешетки,микротрещины;макродефекты–порыитрещины.

Прочностьматериалов

Таблица 5.4

Материал	Теоретическаяпрочность	Фактическаяпрочность
Сталь	30000 МПа	~400МПа
Стекло	14000МПа	70–150 МПа

Дляматериаловконгломератногостроенияпрочностьзави-ситнетолькоотпрочностисоставляющих,ноиотсилысцеп-лениямеждуними.

Пределпрочностиматериалов,определяемыйприиспыта-нииобразцов,являетсяусловнойхарактеристикой,таккакзави-ситот:

• формы иразмеровобразцов;

• условийиспытания(скоростьнагружения,конструкцияиспытательноймашины);

• состояния опорныхповерхностей.

Поскольку строительныематериалынеоднородныпо строе-нию,топределпрочностиопределяюткаксреднийрезультатиспытанийсериистандартныхобразцов.Формаиразмерыоб-разцовдолжнысоответствоватьтребованиямГОСТилиТУ(на-пример,длябетона–кубсребром15см,дляраствора–кубсребром7,07смдляиспытанийнасжатие).Размеробразцовза-виситотстепениоднородностистроенияматериала.

ПределпрочностиприсжатииR_сж(МПа)равенчастномуотделенияразрушающейсилыР_разнаплощадьпоперечногосе-чения образцаS(куба,цилиндра,призмы):

R_сж=Р_раз/S,кгс/см², МПа(Н/м²⁼Па).

ЕслиР_{разизмерена}вкгс,аSвсм²,то1 кгс/см²⁼0,1МПа.

Силытрения(),возникающиемеждуопорнымигранямиобразцаиплитамипресса,удерживаютчастиобразца,приле-гающиекплитам,отразрушения.Средниежечастиобразцаразрушаютсявпервуюочередь(рис.5.11).Поэтомудляхруп-кихматериаловнаблюдаетсяхарактернаяформаразрушениякубов:двеусеченныепирамиды,сложенныевершинами.

Действиемсилтренияобъясняетсяразницавпределепроч-ностиматериала,определеннаянаобразцахразногоразмера:укубиковмалыхразмеровпределпрочностиприсжатииоказы-ваетсявыше,чемукубиковбольшихразмеровизтогожемате-риала.

Еслижесмазатьопорныеграникубаилипокрытьихпара-фином,тосилытренияуменьшаются,стремятсякнулю(0)

иизменяетсяхарактерразрушенияобразца(см.рис.5.11).Кубраспадаетсянарядслоев,разделенныхвертикальнымитрещи-нами.Пределпрочностикубасосмазаннымиопорнымиграня-мисоставляет50%пределапрочноститогожеобразцаснесма-занными поверхностями.

Рис.5.11. Характерразрушения образцовприсжатии

ПределпрочностиприизгибеR_{изг(МПа)}определяютпутемиспытанияобразцаматериалаввидепризмы,уложеннойнадвухопорах.Образецнагружаютоднойилидвумясосредото-ченнымисиламидоразрушения. ВычисляютR_изгпоформуле:

R_изг=_изгW, (5.18)

где М_изг–наибольший изгибающиймомент,Н·м;

W–моментсопротивлениясеченияобразца,м³.

Приприложенииоднойсосредоточеннойизгибающейсилы:

R_{изг= 3Pl/(2bh}²), (5.19)

придвухсилах:

R_{изг= Pl/(bh}²), (5.20)гдеl–расстояниемеждуопорами;

bиh–ширинаивысотапоперечногосеченияобразца.

ПределпрочностиприрастяженииR_p(MПа)используетсявкачествепрочностнойхарактеристикистали,бетона,волокни-стыхматериалов.ОпределениеR_{росуществляется}напрессахсзахватывающимиустройствами,тянущимиобразцывразныестороны.

Ухрупкихипластичныхматериаловразличносоотноше-ниемеждуразными видами прочности:

• пластичные–R_pR_изг>R_{сж(металлы,}древесина);

• хрупкие–R_сж>R_изг>R_{p(бетон,}кирпич,каменныемате-риалы).R_{сжтаких}материаловпревышаетR_рв10–15 разиболее.

Таблица 5.5Прочностныесвойстваиприменениематериалов

Наиме- нованиематериа-ла	Пределпрочности,МПа,при			Видма-териала	Приме- нение вконст-рукциях
	сжатии	изгибе	растяже-нии
Гранит	137–180	15–25	4–5	хрупкие	рабо-тающихнасжа-тие
Кирпич керами-ческий	7,5–30	1,8–4,4	ненор- мируется
Бетон	10–60	2–5	1–3
Сосна (вдольволокон)	30–50	70–90	80–110	пластич-ные	рабо-тающихнаизгиб,растяже-ние,сжа-тие
Дуб (вдольволокон)	40–70	90–120	100–130
Сталь (Ст3)	350–450	350–450	350–450

Пределпрочностиматериала(чащеприсжатии)определяетегомарку.

Например,примаркебетонаМ200пределпрочностиприсжатииобразцов-кубовсребром150мм,изготовленныхизбе-тоннойсмесиитвердевшихвтечение28сутоквнормальныхусловиях(t=202°С,W_отн90%),долженбытьнеменее

20МПа (200 кгс/см²).

Дляоценкипрочностнойэффективностиматериалаисполь-зуетсякоэффициент конструктивногокачества(ККК):

ККК=R_сж/_m,гдеR_сж–вМПаиликгс/см²,

_m–относительнаяплотность,безразмернаявеличина,чис-ленно равная_mвг/см^3иликг/м³.

Наиболееэффективнымиявляютсяматериалы,имеющиенаи-меньшуюплотностьинаиболеевысокуюпрочность(табл.5.6).

ККК строительныхматериалов

Таблица5.6

Материал	Прочность, МПа	Средняяплотность,г/см3	ККК
Кирпичкерамиче- ский	10	1,8	5,6
БетонтяжелыйВ50	40	2,4	17
СтальСт3	400	7,85	51
Оконноестекло	500	2,65	189
Древесина(сосна)	100	0,5	200
Стеклопластик	450	2,0	225

2. Специальныемеханические свойстваИстираемость–способностьматериаласопротивляться

истирающим воздействиям.

Сопротивлениеистираниюопределяютглавнымобразомдляматериалов,предназначенныхдляполов,дорожныхпокры-тий,лестничныхмаршейидр.

Степеньистиранияматериалавыражаютпотереймассыоб-разца,отнесеннойк площадиистирания(И).

Испытаниепроводятнаспециальномкругеистираниясус-

тановленнымколичествомоборотоввращенияпризаданномдавлениинаобразецприиспользованииабразивов(кварцевыйпесок,корундовыйнаждак).

И=m/S,г/см²,г/м², (5.21)гдеm–потерямассы,г;

S– площадьповерхности истирания,см².

Образецвставляетсявобойму,спомощьюкоторойприжи-маетсякповерхностиистирающегокруга,задаетсячислообо-ротовкруга.Определяетсяпервоначальнаямассаобразца–m_1имассапослепрохождениязаданногопути–m₂;m=m₁–m₂.

Чемменьшепоказательистираемости,темдолговечнеема-

териал всоответствующихусловиях.

Истираемостьматериалов

Таблица 5.7

Материал	И,г/см2
Гранит	0,05–0,07
Плиткикерамическиедляпола	0,08–0,1
Поливинилхлоридныйлинолеум	0,06

Ударнаявязкость(ударнаяпрочность)–способностьсо-противлятьсяударным нагрузкам.

Дорожныеиаэродромныепокрытияиспытываютбольшие

динамическиенагрузки,поэтомуонидолжныподвергатьсяис-пытаниямнаудар.

ОцениваетсяR_удпоработеА(Дж),затраченнойнаразру-шениематериала,отнесеннойкединицеобъема(V)илиплоща-ди(S)образца:

R_уд=A/V(Дж/м³)илиR_уд=A/S(Дж/м²).

Испытаниюподвергаются образцы-цилиндрыd = h= 25 см.Испытанияпроизводятсянаспециальномприборе–копре.

Нормированныйгрузподнимаетсянаопределеннуювысотуипадаетнаобразец дотехпор,поканеразрушитего.

Твердость–способностьматериаласопротивлятьсяпро-никновениювнегодругого,болеетвердоготела(поверхностнаяпрочность).

Твердостьдляразныхматериаловоцениваютпо-разному.

Дляприродныхкаменныхматериалов–поотносительнойшкале–шкалетвердости,илишкалеМооса.Шкаласостоитиз10эталонныхминералов(табл. 5.8).

Таблица 5.8Шкалаотносительной твердости(шкалаМооса)

Минерал-эталон	Баллтвердости	Характеристика
Тальк	1	Легкоцарапаетсяногтем
Гипс	2	Царапаетсяногтем
Кальцит	3	Легкоцарапаетсястальнымножом
Флюорит	4	Царапаетсястальнымножом поднеболь-шимнажимом
Апатит	5	Царапаетсяножомпод сильнымнажимом
Полевойшпат(ор-токлаз)	6	Царапаетстеклоподнажимом
Кварц	7	Царапаетстекло
Топаз	8	Легкоцарапаютстекло
Корунд	9
Алмаз	10

Минерал-эталоноставляетцарапинунапредшествующемминералепо шкале и царапаетсяпоследующим.

Твердостьдревесины,металлов,бетонаопределяют,вдав-ливаявнихстальнойшарикилитвердыйнаконечник(ввидеконусаилипирамиды).

Числотвердостиматериала(НВ)рассчитываюткакотно-шениенагрузкипривдавливаниивобразецвтечениеопреде-ленноговременистандартногостальногошарика(наконечника)кплощадиповерхностиотпечатка(наповерхностиматериала отвдавливания):

НВ= Р/S.

Высокаяпрочностьматериаланевсегдаговоритоеготвер-дости.Например,прочностиприсжатиидревесиныибетонаблизки,нотвердостьбетонасущественновыше.

Дляметалловибетонасуществуетсвязьмеждутвердостьюипрочностью,длякаменныхматериалов–междутвердостьюиистираемостью.

Износ–способностьматериаласопротивлятьсяодновре-менномувоздействиюистирающихиударныхнагрузок.

Образцыматериаловиспытываютвовращающемсябараба-несостальнымишарамиилибезних.Показателемизносаслу-житпотерямассыпробыматериалаврезультатепроведенногоиспытания(в% отпервоначальноймассы).