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

 

Деформации и напряжения

Упругостьютвердого 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.

Пластичностьютвердого 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 остатачную деформацию, не исчезающую после снятия нагрузки, называют н е о б р а т и м о и.

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

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 нагруженйя.

Относительная деформация равна отношению абсолютной деформации ∆l первоначальному линейному размеру / тела:

ε=∆l /l

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

Напряжение- мера внутренних сил, возникающих в деформи­руемом теле под воздействием внешних сил.

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

 

ε=σ/E

При относительном растяжении (сжатии) напряжение определяет­ся по формуле

σ=P/F

, где Р - действующая сила; F - площадь первоначального поперечного сечения элемента.

Марки кирпича устанавливаются по показаниям прочности на сжатие и изгиб.

Прочность — способность материалов сопротивляться разру шению и деформациям от внутренних напряжений, возникающих в результате воздействия внешних сил или других факторов, таких как неравномерная осадка, нагревание и т. п. Оценивается она пределам прочности. Так называют напряжение, возникающее в материале от действия нагрузок, вызывающих его разрушение.

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

.

Предел прочности при изгибе R_И, МПа, вычисляют как отношение изгибающего момента M, Н^хмм, к моменту сопротивления образца , мм³:

.

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.

Предел прочности определяется испытанием образцов материалов стандартных размеров на специальных приборах (прессах) путем разрушения их и определения разрушающего усилия.

Величина усилия разрушающего образец делится на площадь поперечного сечения образца, и получается напряжение R (в кг/см²), при котором разрушился образец; это и есть предел прочности.

Предел прочности некоторых материалов (например, бетона, раствора, камня) называется их маркой.

Марка камня обозначает предел прочности камня (в кг/см²) при сжатии.

 

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

к.к.к. = R/d

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 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, P_УП, Н, к площади первоначального поперечного сечения F₀, мм²:

б_УП=Р_УП/F₀

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.

Релаксация — способность материалов 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 х 10^-10 секунд для материалов жидкой консистенции и до 1 х 10¹⁰ секунд (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 10 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 материалов разрушаться под действием истирающих усилий. Истираемость И в г/см² вычисляется как отношение потери массы образцом m₁-m₂ в г от воздействия истирающих усилий к площади истирания F в см²;

И = (m₁ - m₂) / F.

Определяется И путем испытания образцов на круге истирания или в полочном барабане. Эта характеристика учитывается при назначении материалов для пола, лестничных ступеней и площадок, дорог.

Износ — свойство материала сопротивляться одновременному воздействию истирания и ударов. Износ материала зависит от его структуры, состава, твердости, прочности, истираемости. Износ определяют на пробах материалов, которые испытывают во вращающемся барабане со стальными шарами или без них. Чем больше потеря массы пробы испытанного материала (в процентах к первоначальной массе пробы), тем меньше его сопротивление износу.

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.