3.2. Механические свойства

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

Характеристики деформативных свойств

Основными характеристиками деформативных свойств строительного материала являются: модуль упругости, коэффи­циент Пуассона, модуль сдвига, объемный модуль упругости (мо­дуль всестороннего сжатия), предельные деформации (растяже­ния, сжатия и др.), ползучесть. Другие характеристики могут оп­ределяться для специальных условий нагружения.

Упругостью твердого тела называют его свойство самопроиз­вольно восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия внешней силы. Упругая деформация пол­ностью исчезает после прекращения действия внешней силы, по­этому ее принято называть обратимой.

Пластичностью твердого тела называют его свойство изме­нять форму или размеры под действием внешних сил, не разруша­ясь, причем после прекращения действия силы тело не может са­мопроизвольно восстанавливать свои размеры и форму, и в теле остается некоторая остаточная деформация, называемая пласти­ческой деформацией.

Пластическую или остаточную деформацию, не исчезающую после снятия нагрузки, называют необратимой.

Хрупкостью твердого тела называют его способность разру­шаться без образования заметных остаточных деформаций.

Внешние силы, приложенные к телу, вызывают изменение межатомных расстояний, отчего происходит изменение размеров деформируемого тела на величину l в направлении действия си­пы (при сжатии  укорочение, при растяжении  удлинение).

Относительная деформация  равна отношению абсолютной деформации l к первоначальному линейному размеру l тела:

 = l /l.

Деформация происходит вследствие удаления или сближения атомов, причем смещения атомов пропорциональны деформации тела.

Напряжение  (МПа)  мера внутренних сил P, приходящихся на единицу площади F поперечного сечения материала, возникающих в деформи­руемом теле под воздействием внешних сил:

 = Р / F.

Модуль упругости (модуль Юнга) Е (МПа) связывает упругую де­формацию  и одноосное напряжение  линейным соотношением, выражающим закон Гука:

 =  / Е.

При одноосном растяжении (сжатии) напряжение определяет­ся по формуле  = Р/F, где Р  действующая сила; F  площадь первоначального поперечного сечения элемента.

Модуль упругости представляет собой меру жесткости мате­риала. Материалы с высокой энергией межатомных связей (они плавятся при высокой температуре) характеризуются и большим модулем упругости. Чем больше модуль упругости, тем меньше материал деформируется. Например, для каучука Е = 10…20 МПа, а для стали Е = 200000 МПа, т.е. сталь в 10000 раз меньше деформируется при действии одной и той же силы.

Механические свойства материала характеризуются диаграм­мой деформаций, построенной на основании результатов испыта­ния в координатах "напряжение - относительная деформация" (  ). Модуль упругости определяет тангенс угла наклона произ­водной d/d к оси деформаций. Таким образом, диаграммы деформаций позволяют опреде­лить модуль упругости и установить его изменение в зависимости от уровня напряженного состояния.

Модуль упругости Е связан с другими характеристиками ма­териала посредством коэффициента Пуассона. Одноосное рас­тяжение _z вызовет удлинение по этой оси +_z, и сжатие по боко­вым направлениям -_х и -_у, которые у изотропного материала равны между собой.

Коэффициент Пуассона  или коэффициент поперечного сжа­тия равен отношению:

 = -_x /_z.

Силы притяжения и отталкивания в материале раз­личным образом зависят от изменения межатомного расстояния, поэтому значения коэффициента Пуассона реальных материалов сильно отличаются от теоретического (0,5) и различаются между со­бой, например, у бетона  0,17-0,2, полиэтилена  0,4.

Объемный модуль упругости или модуль всестороннего сжа­тия (растяжения) К (МПа) связан с модулем упругости следующим соот­ношением:

К = Е/[3(1-2)].

Модуль сдвига G (МПа) связан с модулем упругости посредством коэффициента Пуассона

G = Е/[2(1+)].

Экспериментально определив модуль упругости и коэффици­ент Пуассона, можно вычислить модуль сдвига и объемный мо­дуль упругости, пользуясь приведенными формулами.

Характеристики прочности

Прочность  способность материалов сопротивляться разру­шению и деформациям от внутренних напряжений, возникающих в результате воздействия внешних сил или других факторов, таких как неравномерная осадка, нагревание и т. п.

Прочность оценивается пределом прочности  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. Изучением прочности материалов занимается наука «Сопротивление материалов».

Предел прочно­сти при сжатии (растяжении) R_сж(p) (кгс/см², МПа) вычисляется как от­ношение нагрузки, разрушающей материал Р_сж(p), к первоначальной площади поперечного сечения образца F:

R_сж(p) = Р_сж(p) / F.

В зависимости от со­отношения R_р / R_сж можно условно разделить материалы на три группы: материалы, у которых R_р > R_сж (волокнистые  древесина и др.); R_р  R_сж (сталь); R_р < R_сж (хрупкие материалы  природ­ные камни, бетон, кирпич).

Предел прочности при изгибе R_и (кгс/см², МПа) вычисляют как от­ношение изгибающего момента М к моменту сопротив­ления образца W:

R_и = М / W.

Природные и искусственные 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.

Ударной вязкостью (динамической или ударной прочностью) называют свойство материала сопротивляться разрушению при ударных нагрузках. Она характеризуется количеством работы, затраченной на разрушение стандартного образца, отнесенной к единице объема (Дж/м³) или площади поперечного сечения об­разца (Дж/м²). Сопротивление удару важно для материалов, ис­пользуемых при устройстве фундаментов машин, полов промыш­ленных зданий, дорожных покрытий и т.п.

Удельная прочность (коэффициент конструктивного качества) R_у (МПа)  условная величина, которая равна отношению предела прочности материала R к его относительной плотности d:

R_у = R / d.

Для некоторых материалов значения R_у составляют: для стеклопластика  450/2 = 225 МПа, древесины (без пороков)  100/0,5 = 200 МПа, стали высокопрочной  1000/7,85 = 127 МПа, стали  390/7,85 = 51 МПа. тяжелого бетона  40/2,4 = 16,6 МПа, кирпича  10/1,8 = 5,56 МПа.

Материалы с высоким коэффициентом конструктивного качества являются более эффективными. Повышения R_у можно добиться снижением плотности мате­риала или увеличением его прочности.

Поскольку строитель­ные материалы неоднород­ны, то предел прочности определяют как средний результат ис­пытания серии образцов (обычно не менее трех образцов).

Форма и размеры образцов, состояние их опорных поверхностей, скорость нагружения образца и др. факторы сущест­венно влияют на результаты испытания. Поэтому, показатели прочности строительного материала, используемые в качестве характеристик его качества, являются условными величинами, получаемыми по стандартным методикам, единым для всей страны.

В зависимости от прочности строительные материалы разделя­ются на марки или классы. Например, марки портландцемента: М400, М500, М550 и М600. Марка материала по прочности является важнейшим показателем его качества. Чем выше марка, тем выше качество строи­тельного материала. Единая шкала марок охватывает все строитель­ные материалы.

В строительных материалах, используемых для несущих конструкций сооружений, следует допускать напряжения, составляющие только часть предела прочно­сти. Это требование учитывается при подборе материала для конкретного сооружения путем введения коэффициентов запаса прочности, которые обычно составляют 2-3 и выше.

Адгезия  свойство одного материала прилипать к поверхности другого. Она характеризуется прочностью сцепления между материалами. Зависит от их природы, состояния поверхностей. Это свойство имеет большое значение при изготовлении композиционных материалов, бетонов, клееных конструкций.

Влияние строения материала на прочность. Как правило, используется сравнительно небольшая доля потенциальной прочности материала, так как прочность понижается благодаря наличию пор, трещин и дефектов структуры материала.

Прочность материала одного и того же состава зависит от его пористости. Увеличение пористости, как правило, приводит к снижению прочности.

Реальные кристаллические мате­риалы имеют большее или меньшее количество точечных дефектов. Одни из них заключаются в том, что некоторые атомы или ионы смещены в другие положения и могут распо­лагаться даже между узлами кристаллической решетки (дефекты Френкеля). Их нормаль­ные места остаются свободными и затем замещаются другими иона­ми. Следовательно, в узлах решетки могут быть свободные места (вакансии). Другого рода дефекты возникают в результате раз­мещения посторонних атомов или ионов примеси в узлах решетки, где они заменяют основное вещество (примеси замещения), или между ними (примеси внедрения).

Свойства кристаллических материалов зависят от дислока­ций кристаллов. Дислокация  это всегда одно­мерный (линейный) дефект кри­сталлической решетки, возникаю­щий или в процессе образования кристалла, или в результате после­дующих механических, тепловых и других воздействий. Дислокации бывают краевые, винтовые и сме­шанные  криволинейные.

Дислокации оказывают существенное влияние на свойства мате­риалов. Они значительно понижают прочность монокристаллов, но зато придают пластичность поликристаллическим телам с ме­таллической связью, делают металл ковким, затрудняют распро­странение трещин.

Плотность дислокаций (т.е. число дислокаций, пересекающих площадь в 1 см²) может быть весьма велика  10⁷…10⁸ (в отожжен­ных металлах). При механических воздействиях дислокации пе­ремещаются, взаимодействуют между собой и порождают новые дислокации, в особенности в местах концентрации напряжений. В результате этого их плотность возрастает до 10¹⁰…10¹³ (в сильно наклепанных металлах). Когда дислокаций много (больше неко­торой критической плотности), они переплетаются (словно спу­танные нитки), тормозят перемещение друг друга, в результате материал упрочняется. Однако при дальнейшем деформировании материал может сделаться хрупким.

Вакансии в кристаллической решетке, межузловые (внедренные) атомы и дислокации играют важную роль в процессах диффузии, повышают химическую активность, что используется, например, в технологии быстротвердеющих цементов. Однако на­личие дислокаций и дефектов структуры в готовом материале снижает его стойкость, так как деформированные межатомные связи (как и места концентрации напряжений) более уязвимы для химических и физических воздействий среды.

Механика разрушения. Различают хрупкое и пластическое разрушение твердых тел. Хрупкое разрушение сопровождается малой предшествующей пластической деформацией, поэтому хрупкость определяют, как свойство материала разрушаться "внезапно", не претерпевая существенной деформации. Хрупкость присуща не только кристал­лическим, но и стеклообразным и даже полимерным материалам.

Разрушению пластичных (вязких) материалов предшествует изменение формы и большая деформация.

Большинство материалов при понижении температуры охрупчиваются, у них происходит переход от пластического разруше­ния к хрупкому. Так ведут себя битумные материалы, некоторые полимеры, металлы и др.

Хрупкое разрушение происходит в ре­зультате образования и быстрого роста одной или нескольких трещин при воз­растающей нагрузке.

Трещина (как и надрез) вызывает концентрацию напряжений около ее вершины. В этом месте на­пряжение оказывается значительно большим, чем можно ожидать из про­стого уменьшения площади поперечного сечения.

Напряжение _к на конце трещины за­висит от номинального (среднего по сечению) напряжения _н, длины (глубины) трещины l и радиуса кривизны в вершине трещины r:

.

Коэффициент концентрации напряжений _к/_н может быть равен 100 и даже 1000, если радиус вершины трещины соизмерим с радиусом атома, хотя глу­бина трещины лишь 0,110 мкм. Следовательно, местное напря­жение может превысить 7000 МПа при номинальном напряжении 35-100 МПа. Трещина как бы разрезает атомные цепочки, и значительная часть нагрузки, которую несли разрезанные атомные цепочки, приходится теперь на атомную связь у конца трещины. Перегруженная связь лопнет раньше дру­гих и положение ухудшится, так как следующее звено будет еще больше перегружено. Таким образом, трещина становится тем инструментом, с помощью которого приложенная извне слабая сила рвет прочные межатомные связи.

При распространении трещины материал вблизи трещины разгружается, и вследствие этого выделяется энергия упругой деформа­ции U_д, которая зависит от приложенного напряжения , модуля упругости Е и глубины трещины l (поло­вины длины внутренней трещины):

Образование двух новых поверхностей трещины требует за­трат энергии

где Э₁  поверхностная энергия единицы площади поверхности.

Трещина будет самопроизвольно расти, если длина трещины превышает некоторую "критическую длину Гриффитса", при которой освобождающаяся энергия упругой деформации равна энергии образующихся новых поверхностей. Тогда

откуда

Напряжение, необходимое для разрушения растянутой пла­стины, возрастает у материалов с высоким модулем упругости и большей поверхностной энергией, оно уменьшается при наличии более глубоких поверхностных трещин.

В данном материале для каждого напряжения существует своя критическая длина трещин. Трещины, глубина которых превы­шает l_кр, способны при данном напряжении  самопроизвольно расти со скоростью, приближающейся к скорости распростране­ния упругой волны (1,5-2 км/с).

Сжимающие усилия, в отличие от растягивающих могут пере­даваться через трещины, не вызывая концентрации напряжений. Поэтому хрупкие материалы всегда оказываются значительно прочнее при сжатии, чем при растяжении. Например, у природ­ных каменных материалов (гранит и др.) предел прочности при растяжении составляет всего 1/40-1/60 предела прочности при сжатии. Хрупкие материалы также плохо сопротивляются удару и взрыву.

Торможение трещин при помощи создаваемых в материале внутренних поверхностей раздела используется в современных композиционных материалах.

Механизм торможения трещины основан на том, что при рас­пространении трещины кроме напряжений, перпендикулярных трещине, достигающих максимума в ее вершине, возникает рас­тяжение в направлении, параллельном трещине. Растягивающее напряжение, параллельное трещине, равно нулю в вершине тре­щины и достигает максимума впереди трещины на расстоянии одного-двух атомных размеров от ее вершины. В растянутом ма­териале отношение максимального напряжения, параллельного трещине, к максимальному напряжению, направленному перпен­дикулярно ее поверхности, равно приблизительно 1/5. Если проч­ность сцепления на поверхности раздела больше 1/5 прочности мате­риала, то поверхность не разрушит­ся, трещина ее только пересечет и поведение мат ериала не изменится, т.е. он останется хрупким. Если же прочность сцепления меньше 1/5 прочности на растяжение самого материала, то прежде чем трещина достигнет поверхности разде­ла, последняя будет разрушена на небольшом участке и образует­ся ловушка, способная остановить трещину (рис. 3.1).

Кончик трещины, который был очень малым, при встрече с поверхностью раздела становится очень большим, устраняется концентрация напряжений в вершине трещины и тенденция к ее распространению.

Торможение трещины путем увеличения радиуса кривизны её вершины также используется при заклёпочном соединении металлических материалов. В этом случае ловушками для трещин являются круглые отверстия под заклёпки, которые перехватывают трещины и препятствуют их дальнейшему распространению. По этой причине заклепочные соединения широко используются в самолето- и кораблестроении, в мостовых и других конструкциях, где наблюдается тяжелый динамический режим работы и требуется высокая надежность.

Релаксация  способность материалов к самопроизвольно­му снижению внутренних напряжений при постоянном воздействии внешних сил при условии, что начальная величина деформации остаётся неизменной. Это происходит в результате межмолекулярных перемеще­ний и перестройки внутренней структуры 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 секунд для материалов жидкой консистенции и до 110¹⁰ секунд (десятки лет) у твердых материалов.

Характеристики твердости, истираемости и износа

Твёрдость – способность материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого материала.

Для определения твёрдости материалов получили распространение методы царапания, сверления, шлифования, а также вдавливания острия, сферы или цилиндра.

Твёрдость каменных материалов определяют методом царапания, оценивая показатель твёрдости по шкале Мооса при помощи 10 специально подобранных минералов (тальк, гипс, кальцит, флюорит, апатит, ортоклаз, кварц, топаз, корунд, алмаз), распо­ложенных в порядке возрастания твердости (более твердый царапает предыдущий), с условными показателями твердости от 1 до 10. Твёрдость древесины, металлов, бетона и некоторых других строительных материалов определяют методами Роквелла, Бринелля и Виккерса, вдавливая в них стальной шарик или твёрдый наконечник в виде конуса или пирамиды. В результате испытания вычисляют число твёрдости НВ (по Бринеллю), НR (по Роквеллу) или НV (по Виккерсу).

От твердости материалов зависит их истираемость: чем больше твердость, тем меньше истираемость.

Истираемость – свойство материала уменьшаться в объёме и массе под действием истирающих усилий.

Истираемость И_m (г/см²) оценивают потерей первоначальной массы об­разца материала, отнесенной к площади поверхности истирания F и вычисляют по формуле:

И_m = (т₁  т₂)/F,

где т₁ и т₂  масса образца до и после истирания.

Сопротивление материала истиранию определяют, пользуясь стандартными методами: кругом истирания и абразивами (квар­цевыми песком и наждаком). Это свойство важно для эксплуата­ции дорог, полов, ступеней лестницы и т.п.

Износом называют свойство материала сопротивляться одновременному воздействию истирания и ударов. Износ определяют на образцах материалов, которые испытывают во вращающемся барабане со стальными шарами или без них. Показателем износа служит потеря массы пробы материала в результате проведенно­го испытания (в % от первоначальной массы).