1.11. Механічні властивості матеріалів
Механічні властивості характеризують поведінку матеріалу під дією механічних навантажень.
До механічних властивостей належать:
Міцність – це здатність матеріалу сприймати навантаження, які викликають в ньому внутрішні напруження, не руйнуючись. Міцність характеризується межею міцності – найбільшим напруженням (σв), яке може витримати даний матеріал. Це напруження відповідає найбільшому навантаженню у момент руйнування (до зруйнування) Fв. Залежно від характеру навантаження і виду напружень, що виникають в матеріалі, розрізняють міцність при: стисканні, розтягуванні, згині, зрізі та ударі. Міцність визначають на зразках матеріалу необхідної форми і розміру, які встановлює стандарт. Міцність при стисканні, розтягуванні і згині одного і того самого матеріалу може сильно відрізнятися. Так, міцність кам’яних матеріалів при стисканні у 5–10 разів вища ніж при згині або розтягуванні. Міцність деревини при згині вища ніж при стисканні.
В межах малих деформацій для більшості матеріалів справедливий закон Гука, який встановлює зв’язок напруження та деформації:
,
(1.12
де ε=ΔL/L, ΔL – абсолютне видовження, L– початкова довжина, Е – коефіцієнт пропорційності або модуль Юнга (модуль пружності Н/м2).
Жорсткість – властивість матеріалу чинити опір прагненню зовнішніх сил до пружного деформування матеріалу. Жорсткість матеріалів оцінюють за величиною модуля Юнга (табл. 1.3.).
Таблиця 1.3
Значення модуля Юнга деяких матеріалів
|
Матеріал |
Е, МПа |
|
Алмаз |
12,9·105 |
|
Вольфрам |
4,0·105 |
|
Свинець |
0,17·105 |
|
Деревина (вздовж волокон) |
1,11·105 |
|
Деревина (поперек волокон) |
0,007·105 |
|
Залізо, сталі |
2·105 |
|
Алюмінієві сплави |
0,7· 105 |
|
Гуми |
8 ·100 |
Втомна міцність – це здатність чинити опір втомному руйнуванню (під дією динамічних навантажень).
Пружність – це здатність матеріалів повністю відновлювати свою форму і розміри після усунення навантаження. Деформації які зникають після зняття навантаження, називають пружними. Деформації які залишаються після зняття навантаження, називають пластичними (залишковими).
Границя пружності – це те найбільше напруження (σ пр), при якому залишкові деформації мають найменше (допустиме за нормами) значення, тобто матеріал практично зазнає зворотних пружних деформацій.
Пластичність – це властивість матеріалу змінювати без руйнування форму та розміри під впливом навантаження або внутрішніх напружень, стійко зберігаючи утворену форму і розміри після припинення цього впливу. Такі пластичні (залишкові) деформації називають незворотними. Пластичність деяких будівельних матеріалів змінюється під дією температури: при нагріванні – підвищується, при охолодженні – знижується. До таких матеріалів належать бітуми, деякі сорти сталі й ряд полімерних матеріалів.
В’язкість – здатність матеріалу накопичувати (поглинати) енергію деформування. Залежить від міцності і пластичності.
Ударна в’язкість це відношення роботи А (Дж), затраченої на руйнування, до площі перерізу S (м2) в місці руйнування
,
[Дж/м2]
(1.13
Для сталей ан=0,2–2,2 Дж/м2 ;
для заліза ан=3,0 Дж/м2 ;
для сірих чавунів ан=0,01 – 0,04 Дж/м2 .
Характеристики міцності, пружності і жорсткості визначають експериментально.
Твердість – властивість матеріалу чинити опір проникненню в них інших тіл –інденторів. Індентор-кулька, конус або пірамідка – виготовляється із загартованої сталі, алмазу або твердого сплаву.
За методом Бринеля в матеріал втискується сталева кулька, за діаметром відбитка визначається число твердості НВ.
За методом Роквелла – втискується алмазний конус, твердість визначається за глибиною проникнення конуса в тіло (HRA, HRB, HRC).
За методом Віккерса- втискується чотиригранна алмазна пірамідка, за діагоналлю відбитка визначається твердість HV.
Між твердістю та міцністю існує залежність
σ в= 0.25…0,55 НВ , (1.14)
для сталі σ в = 0,36 НВ.
Ілюстраційні дані по твердості окремих матеріалів наведено в табл. 1.4
Таблиця 1.4
Твердість окремих будівельних матеріалів
|
Матеріал |
Твердість за Бринелем |
|
Сталь |
1500–3000 |
|
Загартована сталь |
6000–7000 |
|
Свинець |
30–80 |
Зносостійкість – властивість матеріалу чинити опір зношуванню, або протистояти силам тертя від предметів, що рухаються. Зношування буває абразивне, корозійно–механічне, ерозійне.
Зносостійкість зростає з підвищенням твердості. Усі технологічні методи що збільшують твердість (гартування, термохімічна обробка), збільшують зносостійкість. Показник зносостійкості матеріалу визначають за формулою:
,
(1.15)
де m – маса зразка до початку досліджень; m1 – маса зразка після проведення дослідів; S – площа стирання зразка
Дуже важливим для будівельного матеріалознавства є поняття про умови міцності. Руйнування будь–яких конструкцій призводить до втрати матеріальних цінностей, каліцтва або загибелі людей. Щоб уникнути цього, розрахунки на міцність необхідно робити, дотримуючись умови міцності: найбільші напруження σмах, що можуть виникнути в конструкції, мають бути меншими не лише від границі міцності σв, а й від границі текучості σт і навіть границі пружності σ пр. Умова міцності записується
σ мах ≤ [σ] , (1.16)
де [σ] – допустиме напруження ( [σ] = σ в/nδ ); nδ – запас міцності.
Запас міцності завжди nδ>1. Звичайно nδ=2,4…3,0 і більше, залежно від відповідальності конструкції.
Для пластичних матеріалів запас міцності беруть відносно до межі текучості σ т.
[σ] = σ т/ nт, (1.17)
nт=1,4…1,6
Крім умови міцності (1.16) має виконуватись умова жорсткості (щоб уникнути великих деформацій)
εмах≤ [ε] , (1.18)
εмах= σ мах/Е
Висновок: умови міцності (1.16, 1.17) і жорсткості (1.18), а також характеристики σ в, σ т, Е, являються основними в розрахунках на міцність.