1.3. Механические свойства

К основным механическим свойствам материалов относят прочность, упругость, пластичность, релаксацию, хрупкость, твердость, истираемость и др.

Прочность – способность материала сопротивляться разрушению и деформациям от внутренних напряжений, возникающих в результате воздействия внешних сил или других факторов, таких как неравномерная осадка, нагревание и т. п. Оценивается она пределом прочности. Им называют напряжение, возникающее в материале от действия нагрузок, вызывающих его разрушение.

Различают пределы прочности материалов при сжатии, растяжении, изгибе, срезе и пр. Они определяются испытанием стандартных образцов на испытательных машинах. Предел прочности при сжатии и растяжении R_cж(p), МПа вычисляется как отношение нагрузки, разрушающей материал Р, Н, к площади поперечного сечения F, мм²:

R_cж(p) = Р_cж(p) / F. (1.14)

Предел прочности при изгибе R_и, МПа, вычисляют как отношение изгибающего момента М, Н ∙ мм, к моменту сопротивления образца W, мм³:

R_и = М / W. (1.15)

Каменные материалы хорошо работают на сжатие и значительно хуже (в 5–50 раз) на растяжение и изгиб. Другие материалы – металл, древесина, многие пластмассы хорошо работают как на сжатие, так и на растяжение и изгиб.

Важной характеристикой материала является коэффициент конструктивного качества. Это условная величина, которая равна отношению предела прочности материала R, МПа, к его относительной плотности:

к_к.к = R / d. (1.16)

Коэффициент конструктивного качества для тяжелого бетона марки 300 равен 12,5, стали марки Ст5 – 46, древесины дуба при растяжении – 197. Материалы с более высоким коэффициентом конструктивного качества являются и более эффективными.

Упругость – способность материала под воздействием нагрузок изменять форму и размеры и восстанавливать их после прекращения действия нагрузок.

Упругость оценивается пределом упругости δ_уп, МПа, который равен отношению наибольшей нагрузки, не вызывающей остаточных деформаций материала, Р_уп, Н, к площади первоначального поперечного сечения F_о, мм:

δ_уп = Р_уп / F_о. (1.17)

Пластичность – способность материала изменять свои форму и размеры под воздействием нагрузок и сохранять их после снятия нагрузок. Пластичность характеризуется относительным удлинением или сужением.

Разрушение материалов может быть хрупким или пластичным. При хрупком разрушении пластические деформации незначительны.

Релаксация – способность материала к самопроизвольному снижению напряжений при постоянном воздействии внешних сил. Это происходит в результате межмолекулярных перемещений в материале. Релаксация оценивается периодом релаксации – временем, за которое напряжение в материале снижается в е = 2,718 раза, где е – основание натурального логарифма. Период релаксации составляет от 1∙10^–10 с для материалов жидкой консистенции и до 1∙10¹⁰ с (десятки лет) у твердых.

Твердость – способность материала оказывать сопротивление проникновению в него более твердого материала.

Для разных материалов она определяется по разным методикам. Так, при испытании природных каменных материалов пользуются шкалой Мооса, составленной из десяти минералов, расположенных в ряд, с условным показателем твердости от 1 до 10, когда более твердый материал, имеющий более высокий порядковый номер, царапает предыдущий. Минералы расположены в следующем порядке: тальк или мел, гипс или каменная соль, кальцит или ангидрит, плавиковый шпат, апатит, полевой шпат, кварцит, топаз, корунд, алмаз.

Твердость металлов, бетона, древесины, пластмасс оценивают вдавливанием в них стального шарика, алмазного конуса или пирамиды.

Твердость материала не всегда соответствует прочности. Так, древесина имеет прочность, одинаковую с бетоном, но значительно меньшую твердость.

Истираемость – способность материала разрушаться под действием истирающих усилий. Истираемость И, г/см², вычисляется как отношение потери массы образцом m₁–m₂, г, от воздействия истирающих усилий к площади истирания F, см². Определяется И путем испытания образцов на круге истирания или в полочном барабане. Эта характеристика учитывается при использовании материалов для пола, лестничных ступеней и площадок, дорог.