1.2.4. Механические свойства

Механические свойства - способность материалов сопротивляться деформации и разрушению под действием внешних сил при сжатии, растяжении, ударе, изгибе и т.д.

Нагрузки и деформации

Строительные материалы и конструкции подвергаются различным внешним силовым воздействиям – нагрузкам, которые вызывают внутренние напряжения и деформации. Нагрузки делятся на статические, действующие постоянно, и динамические, которые прикладываются внезапно и вызывают силы инерции.

На сопротивление статическим нагрузкам рассчитываются все здания и сооружения. Это нагрузки от оборудования, мебели, людей, самих конструкций и т.д. Ряд сооружений предназначены для восприятия не только статических, но и эксплуатационных динамических нагрузок: мосты, тоннели, дорожные и аэродромные покрытия, кузнечные и прессовые цеха и специальные объекты, а также динамические нагрузки от аварий на предприятии (взрыва и удара) и действия природных катастроф - землетрясений, ураганов, наводнений, селевых потоков, оползней и др.

Механические свойства характеризуют поведение материалов при действии нагрузок различного вида (растягивающей, сжимающей, изгибающей и т.д.). В результате механических воздействий материал деформируется. В зависимости от того, как материалы ведут себя под нагрузкой, их подразделяют на пластичные, упругопластичные и хрупкие.

Прочность - способность материалов сопротивляться разрушению или необратимому изменению формы под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами или другими факторами.

Прочность материалов оценивают пределом прочности – напряжением, соответствующим нагрузке, при которой фиксируется начало разрушения. Наиболее распространённые нагрузки – сжатие, растяжение, изгиб и удар.

Предел прочности при сжатии R_СЖ или растяжении R_{p (}МПа), определяют по формуле:

R = P A, (1.11)

где Р – нагрузка, вызывающая начало разрушения(Н);

А – площадь поперечного сечения образца до испытания (м²).

Предел прочности при изгибе –Rизг (МПа) – условно определяют по формуле сопротивления материалов, используемых для определения напряжения при изгибе:

Rизг= М W, (1.12)

где М – изгибающий момент, W – момент сопротивления.

При испытании балки прямоугольного сечения в случае, если нагрузка сосредоточена в центре,

Rизг = 3Pl₀ 2bh² , (1.13)

где Р – нагрузка, вызывающая начало разрушения(Н);

l_{0 –} расстояние (пролёт) между нижними опорами (м);

b и h – соответственно, ширина и высота поперечного сечения образца до испытания (м).

Прочность материала определяется главным образом его структурой. Например, природные и искусственные каменные материалы, сравнительно хорошо сопротивляются сжатию, но много хуже (в 5-50 раз) – растяжению, изгибу, удару. Материалы из древесины и металла хорошо сопротивляются сжатию, изгибу и растяжению. Вместе с тем структура древесины определяет её анизотропность (неодинаковость физических по различным направлениям), в результате значения пределов прочности материала из древесины при действии нагрузки вдоль или поперёк волокон весьма существенно отличаются.

Высокой считается прочность, если значения предела прочности достигают 100 МПа и более, удовлетворительной – если предел прочности составляет десятки МПа и низкой – менее 10 МПа.

Определение предела прочности на сжатие строительных материалов проводят согласно ГОСТам путём испытания образцов на механических или гидравлических прессах.

В расчёте строительных материалов на прочность допускаемые напряжения должны составлять лишь часть их предела прочности. Создаваемый запас обусловлен неоднородностью строения большинства строительных материалов, недостаточной надёжностью полученных результатов при определении предела прочности, отсутствием учёта многократного переменного действия нагрузки, старения материалов и т.д. Запас прочности и величину допускаемого напряжения определяют и устанавливают в соответствии с нормативными требованиями в зависимости от вида и назначение материала, долговечности строящегося сооружения.

Твёрдость – способность материала сопротивляться проникновению в его поверхность другого более твёрдого тела. Для определения твёрдости существуют несколько методов. Твёрдость каменных материалов, стекла оценивают с помощью минералов шкалы твёрдости Мооса, состоящей из 10 минералов, расположенных по степени возрастания их твёрдости (1 – тальк или мел, 10 – алмаз). Показатель твёрдости испытуемого материала находится между показателями двух соседних минералов, из которых один чертит, а другой сам чертится этим минералом.

Твёрдость металлов и пластмасс рассчитывают по диаметру отпечатка вдавливаемого стального шарика определённой массы и размера (метод Бринелля), по глубине погружения алмазного конуса под действием заданной нагрузки (метод Роквелла) или площади отпечатка алмазной пирамиды (метод Виккерса). Твёрдость материалов определяет возможность их использования в конструкциях, подвергающихся истиранию и износу (полы, дорожные покрытия). Твёрдость материала не всегда соответствует прочности. Так, древесина имеет прочность, одинаковую с бетоном, но значительно меньшую твёрдость.

Твёрдость материала в большой мере зависит от его плотности.

Упругость — способность материалов под воздействием нагрузок изменять форму и размеры и восстанавливать их после прекращения действия нагрузок.

Упругость оценивается пределом упругости б_УП, МПа, который равен отношению наибольшей нагрузки, не вызывающей остаточных деформаций материала, Р_УП, Н, к площади первоначального поперечного сечения F₀, мм²:

б_УП = Р_УП / F₀. (1.14)

Пластичность — способность материалов изменять свою 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.

Хрупкость — свойство материала внезапно разрушаться под воздействием нагрузки, без предварительного заметного изменения формы и размеров. Хрупкому материалу, в отличие от пластичного, нельзя придать при прессовании желаемую форму, так как такой материал под нагрузкой дробится на части, рассыпается. Хрупки камни, стекло, чугун и др.

Гибкость – это способность материала сохранять сплошность структуры (без проявления трещин) при огибании его вокруг стержня определённого диаметра. Для определения гибкости линолеума в продольном направлении вырезают два образца шириной 50 мм и накатывают лицевой поверхностью наружу на гладкий стержень диаметром 20…75 мм. Материал считается выдержавшим испытание, если по истечении 30 с на поверхности образцов не появились трещины.

Износостойкость материалов

Истираемость характеризуется величиной потери первоначальной массы материала (г), отнесённой к единице площади (см²) истирания. Истираемость определяют на специальных кругах или посредством воздействия на поверхность материала воздушной или водной струи, несущей в себе зерна абразивных материалов (песок определённой крупности). Сопротивление истиранию определяют для материалов, предназначенных для полов, дорожных покрытий, лестничных ступеней. Некоторые материалы испытывают также на износ.

Износ – разрушение материала при совместном действии истирающей и ударной нагрузок. Для определения износостойкости образцы материала испытывают в специальном вращающемся барабане с металлическими шарами. Прочность оценивают по потере массы образцов, выраженной в процентах. Износу подвергаются покрытия дорог, аэродромов и полов промышленных предприятий. Совокупность свойств материалов должна обеспечивать их долговременную нормативную эксплуатацию в зданиях и сооружениях – долговечность.

Сопротивление удару имеет большое значение для материалов, применяемых для покрытия полов в цехах промышленных предприятий. Предел прочности материала при ударе характеризуется количеством работы, затраченной на разрушение образца, отнесённой к единице объёма. Испытание материалов проводят на специальном приборе - копре.