5.2. Механические свойства материалов

_{Деформационные свойства материала характеризуют его способность изменять под нагрузкой свои форму и размеры без разрушения.}

_{Упругость- способность материала самопроизвольно восстанавливать свои размеры после снятия нагрузки (обратимо деформироваться). При упругой работе материала справедлив закон Гука:}

₍₁₅₎

_{где - нормальное напряжение; - относительная упругая}

_{деформация; E - модуль упругости (модуль Юнга).}

_{Для большинства строительных материалов закон Гука справедлив лишь до определенного напряжения (предела упругости). При нагрузках, соответствующих большим напряжениям, материал деформируется необратимо, проявляет свойство пластичности: после снятия нагрузки в нем сохраняется некоторая остаточная деформация}

_{Ползучесть - увеличение деформации в материале со временем при постоянном напряжении, которое ниже предела текучести данного материала. Примером ползучести является постепенное увеличение прогиба книжной полки со временем при постоянном числе книг на ней. Наличие ползучести у материала показывает, что свойство пластичности проявляется у него не только после свойства упругости (при больших нагрузках), но и одновременно с ним, при небольших нагрузках с течением времени. Деформация ползучести для некоторых материалов (пластики, битум и др.) выражается формулой (16)}

_(16),

_{где σ – механическое напряжение в материале; η – вязкость материала (имеет тот же смысл, что и вязкость жидкости); t – длительность (время) приложения нагрузки.}

_{Для других материалов выражения для деформации ползучести оказываются более сложными.}

_{Релаксация напряжений - уменьшение напряжения в нагруженном материале при постоянной деформации. Пример релаксации - ослабление со временем натяжения веревки или струны, натянутой между неподвижными опорами. Количественное выражение релаксации напряжений можно получить, дифференцируя по времени выражение зависимости ползучести от времени при Для материалов, в которых свойства упругости и пластичности проявляются под нагрузкой одновременно (например, неармированные пластики, битум) релаксация напряжений может быть выражена формулой:}

₍₁₇₎

_{где - постоянная времени релаксации, показывает время, в течение которого первоначальное напряжение в материале уменьшается вe раз (e - основание натуральных логарифмов).}

_{Для бетона и других важных строительных конструкционных материалов формулы, характеризующие ползучесть и релаксацию, усложняются.}

_{Из формул (16) и (17), в частности, следует, что неармированные пластики ползут и релаксируют вплоть до разрушения и поэтому непригодны для несущих конструкций.}

_{Прочность- способность материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, вызванных внешними воздействиями. Количественно прочность характеризуется пределом прочности материала. В курсе строительных материалов предел прочности (для краткости - прочность) обозначается R.}

_{Прочность при сжатии}

₍₁₈₎

_{где S - площадь поперечного сечения образца, перпендикулярная линии действия нагрузки P.}

_{Прочность при растяжениивычисляется по формуле, аналогичной (18), отличие лишь в направлении действия силы:}

₍₁₉₎

_{Прочность при изгибев общем случае рассчитывается как отношение изгибающего момента при разрушении (M) к моменту сопротивления сечения образца материала в виде балки (W):}

₍₂₀₎

_{Если испытания на прочность при изгибе проводят по схеме}

_{P L/2}

_L

_{то формула (20) сводится к виду}

_(20.1)

_{где b - ширина балки; h - ее высота (толщина); L - расстояние между опорами; P - нагрузка при разрушении.}

_{Возможны и другие схемы испытаний на изгиб.}

_{Единица прочности в системе СИ - паскаль (1 Па = 1 Н/м2). Для строительных материалов обычно используют в миллион раз большую единицу - мегапаскаль (1 МПа).}

_{В большинстве лабораторий преобладают еще старые приборы для измерения усилий, градуированные не в ньютонах, а килограммах силы (кгс). Размеры лабораторных образцов удобнее измерять в см. Поэтому по результатам лабораторных испытаний прочность часто рассчитывается в кгс/cм2. (1 кгс/cм2 = 0,1 Мпа)}

_{Коэффициент конструктивного качества материала (KKK) – отношение прочности материала R (MПа) к относительной плотности материала D (D - безразмерная величина).}

₍₂₁₎

_{Чем прочнее материал и чем он легче, тем больше ККК и выше качество данного материала как конструкционного. Следовательно, величина ККК имеет смысл при сравнении данного материала с другим, при выборе материала конструкции.}

_{Раскрывая выражение (21), т.е. подставляя в него формулы для R и D двух материалов поочередно (материалы предполагаются оформленными в аналогичные конструкции), и, взяв отношение полученных формул, можно убедиться, что}

_{- при одной и той же нагрузке меньшую массу будет иметь та конструкция, материал которой имеет больший ККК;}

_{- при одной и той же массе большую нагрузку выдержит та конструкция, материал которой имеет больший ККК.}

_{Коэффициент конструктивного качества называют также удельной прочностью.}