Механические свойства отражают способность материала сопротивляться силовым, тепловым, усадочным или другим внутренним напряжениям.
Материал в сооружении подвергается тем или иным нагрузкам и воздействиям, которые вызывают напряженное состояние (сжатие, растяжение, изгиб, кручение, сдвиг, скалывание и др).
Прочность – свойство материала сопротивляться разрушению от внутренних напряжений, вызванных действием внешних нагрузок и иных факторов.
Характеристикой прочности является предел прочности – максимальное напряжение, которое выдерживает материал без разрушения. Предел прочности является весьма условной величиной, зависящей от размера образца, его формы, скорости нагружения, а также конструкции прибора, на котором проводятся испытания. Предел прочности материала, установленный в ходе стандартного испытания, не является величиной, которую принимают в расчет конструкций.
Предел прочности при сжатии определяется на образцах правильной геометрической формы: кубы, призмы, цилиндры. Разрушающая нагрузка, как правило, определяется на гидравлическом прессе:
Испытательная машина для определения предела прочности
Прочность различных материалов на сжатие варьируется в широких пределах от 0,5 МПа до 1000 МПа и выше. У некоторых материалов прочность на сжатие характеризует их марки или классы, т.е. качество.
Схематичный вид образца до и после проведения испытания на сжатие показан на рис. 1.15, а внешний вид гидравлического пресса, применяемого для определения прочностных характеристик материала, на рис. 1.16.
Рис. 1.15. Внешний вид образца:
а) до испытания; б) после испытания
Рис. 1.16. Общий вид гидравлического пресса для проведения испытаний по определению прочностных характеристик строительных материалов
Предел прочности на растяжение определяется на образцах стержнях, призмах или «восьмерках», которые имеют переменное сечение. Разрушающая нагрузка определяется на разрывных машинах:
Возможно также определение прочности на растяжение методом раскалывания на кубах или цилиндрах.
Предел прочности на изгиб определяется на образцах призмах. При трёхточечном изгибе предел прочности вычисляют по формуле:
где: Рразр – разрушающаяся нагрузка, кН;
l – расстояние между опорами, см;
b – ширина поперечного сечения образца, см;
h – высота поперечного сечения образца, см.
В последнее время широкое распространение получили различные неразрушающие методы испытания строительных материалов на прочность. Для проведения таких испытаний может применяться, например, такой прибор, как молоток Шмидта, общий вид которого показан на рисунке 1.17.
Предел возможного (1984)
Рис. 1.17. Молоток Шмидта (общий вид)
Для конструкционных материалов, как правило, устанавливаются марки (кгс/см²) либо классы (МПа) по прочности.
· Классы бетона по прочности на сжатие: В3,5, В5, В7,5, В10, В12,5, В15, В20, В25, В30, В35, В40, В45, В50, В 55, В60, В70, В80, В90, В100, В110, В120;
· Марки кирпича по прочности на сжатие: М100, М125, М150, М175, М200, М250, М300;
· Марки цемента: 300, 400, 500, 550, 600;
· Классы цемента: 32,5; 42,5; 52,5;
· Классы стали: С235, С245, С255, С275, С285, С345, С345К, С375.
Удельная прочность (коэффициент конструктивного качества) –отношение предела прочности материала к его относительной плотности.
Так, например, для бетона класса В50:
а для древесины:
Удельную прочность целесообразно применять только для оценки эффективности однотипных материалов (т.е. сравнивать бетон с бетоном, древесину с древесиной и т.д.).
При приложении внешних сил материал деформируется. Деформации могут быть обратимыми и необратимыми, в свою очередь обратимые деформации могут быть упругими и эластичными. Характер и величина деформаций зависит от величины нагрузки, скорости нагружения и температуры материала.
Деформативность – свойство материала изменять форму и размеры под нагрузкой.
Оценивается относительной линейной деформацией:
Упругость – свойства материала при воздействии нагрузки изменять свои размеры и форму и полностью восстанавливать их после снятия нагрузки. Упругая деформация обратима.
Закон Гука:
Е – модуль упругости, МПа, важнейшая деформационная характеристика материалов.
Пластичность – способность материала деформироваться под действием нагрузки не разрушаясь и сохранять остаточную деформацию после её снятия. Пластическая деформация необратима.
Хрупкость – свойство материала разрушаться без заметных пластических деформаций. К материалам, имеющим хрупкий характер разрушения, относят, напримео, стекло.
Под действием окружающей среды, при изменении влажности материала могут возникать деформации усадки. Они могут быть вызваны уменьшением влажности (усушки) материала или контракцией, карбонизацией в цементных системах.
Усадка(мм/м) – уменьшение размеров материала в течение времени, чаще всего, при уменьшении влажности.
Ползучесть(мм/м) – увеличение деформации материала под действием постоянной статической нагрузки в течение времени.
Деформации усадки и ползучести присущи растворам, бетонам и др. В течение времени они снижаются и затухают в реальных условиях работы конструкций.
Ударная вязкость – свойство материала сопротивляться ударным нагрузкам. Ударная вязкость определяется затраченной на разрушение образца работой, отнесенной к площади поперечного сечения (Дж/см²).
Рис. 1.18. Маятниковый копер для определения ударной вязкости строительных материалов
Твердость – свойство материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого материала.
Твердость строительных материалов может оцениваться по разным шкалам. Так, например, твердость минералов оценивается по шкале Мооса, в которой 10 эталонных минералов расположены в порядке возрастания твердости.
Твердость строительных материалов оценивают, в основном, по Бринеллю. В качестве индентора используется стальной шарик, а твердость по Бринеллю определяют по формуле:
где: P – нагрузка, с которой вдавливается стальной шарик в образец материала, Н;
D – диаметр стального шарика, м;
d – диаметр отпечатка, м.
Рис. 1.19. Твердомер для определения твердости по Бринеллю
Твердость металлов может также определяться по Роквеллу (в условных единицах), либо по Виккерсу (в МПа), твердость полимерных строительных материалов определяют по Шору (в условных единицах).
Рис. 1.20. Методы определения твердости: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу, в – по Виккерсу
Истираемость – свойство материала сопротивляться истирающим воздействиям. Общий вид лабораторного круга истирания (ЛКИ) показан на рис. 1.21.
Рис. 1.21. Общий вид лабораторного круга истирания (круга ЛКИ)
Истираемость вычисляют по формуле:
где: m1 – масса образца до испытания, г;
m2 – масса образца после испытания на истирание, г;
F – площадь истирания, см 2 .
Износостойкость – свойство материала сопротивляться одновременному воздействию истирания и удара.
Источник: studopedia.ru
Прочность строительных материалов
Прочность – свойство материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами или другими факторами.
Прочность строительных материалов, как правило, оценивают временным сопротивлением или пределом прочности (R),определенным при данном виде деформации. Для хрупких материалов (природные камни, кирпич, бетон и др.) основной прочностной характеристикой является предел прочности при сжатии (RСЖ) и предел прочности при изгибе (RИЗГ),а для эластичных материалов(полимеры, древесина, металл) –предел прочности при растяжении (RР).
Численно предел прочности равен напряжению, соответствующему нагрузке, вызвавшей разрушение образца материала.
Предел прочности при сжатии (предел прочности при растяжении ) равен разрушающей силе, приходящейся на 1 м 2 первоначального сечения материала в момент разрушения образца:
,(18)
где и — соответственно предел прочности при сжатии и растяжении, МПа;
и — разрушающее усилие при сжатии и растяжении, Н;
— площадь поперечного сечения испытываемого образца, м 2 .
Предел прочности естественных или искусственных каменных материалов определяют путем испытания образцов материала стандартных формы и размеров. Поскольку материалы неоднородны по своей структуре, предел прочности определяют как средний результат испытания серии образцов, не менее трех. Форма стандартных образцов при определении предела прочности при сжатии ( ) — куб, цилиндр, призма; при растяжении ( ) – стержень, «восьмерка», призма.
Предел прочности при изгибе (МПа) определяют путем испытания образца материала в виде призм (балочек) на двух опорах. Их нагружают одной или двумя сосредоточенными силами до разрушения:
, (19)
где — предел прочности при изгибе, МПа;
— наибольший изгибающий момент, Н;
— момент сопротивления сечения образца, м 2 .
Предел прочности при изгибе вычисляют по формулам:
а) при одной сосредоточенной нагрузке
, (20)
б) при двух равных нагрузках, рассредоточенных симметрично оси балки
, (21)
где F- разрушающая нагрузка, Н;
— расстояние между опорами, м;
и — ширина и высота поперечного сечения балки, м.
Коэффициент конструктивного качества материала -равен отношению показателя прочности, МПа, к относительной плотности d:
. (22)
Лучшие конструкционные материалы имеют высокую прочность при малой плотности.
Коэффициент размягчения -отношение прочности материала, насыщенного водой , к прочности сухого материала :
. (23)
Коэффициент размягчения характеризует водостойкость материала, он изменяется от 0 (размокающие глины и др.) до 1 (металлы и др.). Природные и искусственные каменные материалы не применяют в строительных конструкциях, находящихся в воде, если их коэффициент размягчения меньше 0,8.
Хрупкость –свойство твердых тел разрушаться при механических воздействиях без значительной пластической деформации. Хрупкость присуща не только кристаллическим, но и стеклообразным и даже полимерным материалам, условно характеризуется «мерой хрупкости» , которая выражается отношением упругой деформации к предельной :
. (24)
На хрупкое состояние материала влияют в основном два внешних фактора: температурный и механический. Многие материалы при понижении температуры резко снижают свои пластические свойства, например битумные материалы (нефтяные битумы при температуре ниже 20 о С теряют пластичность и разрушаются хрупко), полимеры, металлы и др.
Эластичность(гибкость, тягучесть)– способность материала или изделия испытывать значительные упругие (обратимые) деформации без разрушения при сравнительно небольших усилиях (каучуки, резина, некоторые полимеры – эластомеры).
Упругие деформации эластомеров достигают 100% и более.
Твердость – свойство материала сопротивляться упругой и пластической деформации при вдавливании в него стандартного тела (более твердого) в условиях неравномерного сжатия.
Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него другого боле твердого тела.
Твердость– структурная характеристика материала и не всегда зависит от прочности материала. Для определения твердости существует несколько методов.
Твердость древесины, бетона, металлов и сплавов определяют, вдавливая в образцы стальной шарик. О величине твердости судят по глубине вдавливания шарика или по диаметру полученного отпечатка. Твердость природных материалов определяют по шкале твердости (метод Мооса), в которой десять специально подобранных минералов расположены в такой последовательности, когда следующий по порядку минерал оставляет черту (царапину), на предыдущем, а сам не прочерчивается.
2) Гипс (CaSO4·2H2O) — чертится ногтем
3) Кальцит (CaCO3) — легко чертится стальным ножом
4) Плавиковый шпат (CaF2) — чертится стальным ножом под
5) Апатит (Ca5[PO4]3F — чертится стальным ножом под
6) Полевой шпат (ортоклаз)
(K[AlSi3O8]) — слегка царапает стекло
7) Кварц (SiO2) — легко чертит стекло
Кварц, топаз, корунд, алмаз – применяются в качестве абразивных (истирающих и шлифующих) материалов.
От твердости материалов зависит их истираемость.
Истираемость –свойство материала изменяться в объеме и массе под воздействием истирающих усилий.
От сопротивления истираемости материалов зависит возможность их применения для устройства полов, ступеней, лестниц, тротуаров и дорог.
При эксплуатации, например, материалы верхнего слоя покрытия в полах и на дорогах воспринимают, кроме истирающих воздействий, ударные воздействия.
Сопротивление ударуматериалов оценивают пределом прочности при ударе.
Предел прочности при ударе, Дж/м 3 ,характеризуется количеством работы, затраченной на разрушение образца, отнесенного к единице объема материала.
Испытание материалов на удар производят на специальном приборе – копре.
Износ – разрушение материала при совместном действии истирания и удара.
На износ материалы испытывают в специальных вращающихся барабанах со стальными шарами или без них.
Долговечность и надежность
5.1 Долговечность– свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния с не обходимыми перерывами на ремонт. Предельное состояние определяется степенью разрушения изделия, требованиями безопасности или экономическими соображениями.
Долговечность строительных изделий измеряют сроком службы без потери эксплуатационных качеств в конкретных климатических условиях и в режиме эксплуатации. Например, для железобетонных конструкций нормами предусмотрены три степени долговечности: 1-ая — не менее 100 лет, 2-ая – не менее 50 лет, 3-я — не менее 20 лет.
Долговечность определяется совокупностью физических, механических и химических свойств материала. Ее нужно оценивать применительно к конкретным условиям эксплуатации. О долговечности судят, подвергая материалы испытаниям, которые по возможности воспроизводят воздействия в натуре. Моделирование воздействий среды в условиях лабораторных испытаний достаточно сложная задача. Лабораторные испытания сочетают с натурными испытаниями.
5.2 Надежность – проявление всех свойств материалов в процессе эксплуатации. Надежность складывается из долговечности, безотказности, ремонтопригодности и сохраняемости.
Безотказность – свойство изделия сохранять работоспособность в определенных режимах и условиях эксплуатации в течение некоторого времени без вынужденных перерывов на ремонт.
Ремонтопригодность – свойство изделия, характеризующее его приспособленность к восстановлению исправности и сохранению заданной технической характеристики в результате предупреждения, выявления и устранения отказов.
Сохраняемость — свойство изделия сохранять обусловленные эксплуатационные показатели в течение и после срока хранения и транспортирования, установленного технической документацией. Сохраняемость оценивают количественно временем хранения и транспортирования до возникновения неисправности.
Источник: infopedia.su
Предел прочности материала при растяжении — формула, характеристики и расчеты
Использование материалов в строительстве невозможно без учёта их характеристик. Одна из важнейших — предел прочности при растяжении. Если не брать во внимание этот показатель, возведённое здание разрушится, так как конструктивные элементы не смогут выдержать нагрузку. Знать о свойстве стройматериала недостаточно, нужно уметь применять его на практике.
Значение термина
Предел прочности материала при растяжении сокращённо обозначается ПП. Также допускается использовать выражение «временное сопротивление». Для обозначения предела прочности применяют буквы R или σ В (сигма). Единица измерения — мегапаскаль (МПа). Показатель означает допустимую величину силы, которая может воздействовать на объект до того, как он начнёт разрушаться.
Речь идёт о механическом воздействии, но следует учитывать, что химические факторы способны изменить первоначальные свойства материала, в том числе повлиять на ПП. К немеханическим нагрузкам относят следующие:
- нагревание;
- охлаждение;
- погодные условия (ветер, осадки, влажность);
- агрессивная среда.
Формула предела прочности при растяжении записывается так: R=0,64 (P/F), где F — площадь поверхности раскола предмета, а P — разрушающая нагрузка. При проектировании нельзя опираться на крайние значения, поэтому инженеры оставляют допуски на различные факторы, а также на период эксплуатации. Это значит, что при строительстве используется материал, у которого ПП превышает расчётное напряжение.
Изначально способность элемента выдерживать нагрузки определяли опытным путём. Материал использовали, не зная, как он себя поведёт во время эксплуатации, а после поломки заменяли более прочным. Со временем перешли к экспериментам и испытаниям, и по-прежнему самый точный способ найти предел прочности при натяжении и разрыве остаётся эмпирический.
Исследования проводят в лабораторных условиях, с использованием точной техники. Приборы фиксируют характеристики материала и то, как они изменяются под нагрузкой разной величины. Как правило, прочность измеряется так: предмет жёстко закрепляют и оказывают на него воздействие.
Сначала закреплённый элемент растягивают. Он становится длиннее, при этом в одном месте образуется перешеек, и именно здесь заготовка разорвётся. Так ведут себя не все материалы, а только вязкие. Чугун, сталь и другие хрупкие сплавы растягиваются незначительно. При увеличении нагрузки они трескаются и разрушаются по наклонным плоскостям.
Шейки не образуются.
Сила, прикладываемая в каждый момент, измеряется с точностью до тысячных долей ньютона. Одновременно определяют размер и характер деформации. Данные сверяют с таблицами.
Второй способ — математический анализ. Он заключается в том, что прочность определяют с помощью сложных вычислений. Однако без испытаний данные, полученные расчётным путём, нельзя считать полными. Дело в том, что на практике вещество может повести себя по-другому.
Классификация параметра
Материал обладает временным сопротивлением в ответ на воздействия разного характера, поэтому характеристику классифицируют на несколько групп. Усилия, которым подвергается заготовка или конструктивный элемент:
- Растяжение. Изделие тянут за края с помощью специальной машины.
- Кручение. Предмет помещается в условия, при которых работает крутящий вал.
- Изгиб. Заготовку сгибают и разгибают в нескольких направлениях.
- Сжатие. На материал давят попеременно с разных сторон.
У одного и того же материала ПП может различаться. В качестве примера можно привести сталь. Она используется чаще, чем другие сплавы, потому что стальные конструкции показали себя как наиболее прочные, долговечные и устойчивые к неблагоприятным факторам. При этом они надёжны и не выделяют в атмосферу вредных веществ.
Существует несколько марок стали. Они производятся по разным технологиям, и в зависимости от этого различаются характеристики заготовок и конструкций. У обычных марок ПП составляет 300 Мпа. По мере увеличения содержания углерода прочность увеличивается. Самые твёрдые марки имеют показатель 900 МПа. Факторы, от которых зависят прочностные характеристики:
- количество полезных и нежелательных примесей;
- способ термической обработки (криообработка, закалка, отжиг).
Временное сопротивление и усталость
Между ПП и временным сопротивлением различным нагрузкам есть прямая связь. Второй показатель в документации и технической литературе обозначают символом Т. Он показывает, сколько длится деформация образца, когда на него воздействует постоянная нагрузка. Когда временное сопротивление прекращается, кристаллическая решётка вещества перестраивается.
Это характерно для твёрдых материалов. В результате вещество становится более прочным, чем было до этого. Это явление называется самоупрочнением.
Ещё одна важная характеристика — усталость металла. Говоря о стали, применяют выражение «предел выносливости». Для обозначения используют символ R. Эта характеристика показывает, воздействие какой силы материал может переносить постоянно, а не разово. Во время эксперимента на образец оказывают давление заданной силы. Число воздействий составляет 107.
За время испытаний материал не должен деформироваться или утратить исходные характеристики.
На проведение таких экспериментов уходит много времени, поэтому их проводят не всегда. Часто обходятся математическими вычислениями, рассчитывая все важные коэффициенты.
Пределом пропорциональности называют максимальную нагрузку, при которой сохраняется соотношение, определяемое законом Гука. Согласно ему, тело деформируется прямо пропорционально величине оказываемого на него воздействия. Каждый материал обладает определённой степенью упругости. Она может быть классической и абсолютной. Изменения могут быть обратимыми и необратимыми.
Пример первого типа — пружина: пока на неё воздействуют, она сжимается, а когда нажатие прекращается, расправляется.
Определение характеристик
Материалы обладают не только прочностным пределом, но и другими характеристиками. В случае со сталью это твёрдость и способность воспринимать ударные нагрузки. Испытания проводят следующим образом: в заготовку вдавливают алмазный конус или шар. Алмаз — эталон твёрдости. Размер следа зависит от того, насколько крепок испытуемый образец.
Чем от мягче, тем больше отпечаток, и наоборот.
Прочность на удар рассчитывают так: на образце делают срез, затем ударяют. Результаты показывают характеристику для участка, который наиболее уязвим. Другие механические свойства, для которых получают данные эмпирическим путём:
- Пластичность. Она показывает, до какой степени образец может изменять форму, сохраняя исходную структуру.
- Усталость. Эта категория отображает, как долго материал не теряет свойства, испытывая длительные нагрузки.
- Ударная вязкость. Характеристика означает, в какой степени вещество способно сопротивляться ударному воздействию.
По прочности вещества делятся на классы. Они различаются по одной или нескольким характеристикам. Так, для двух классов показатели ПП могут быть одинаковыми, а значения относительного удлинения или текучести — разными.
Удельная прочность — величина, производная от предельной. Её получают путём деления исходного показателя на плотность материала. Практическая ценность расчёта состоит в том, что знание характеристики позволяет применять материал для различных целей, а не просто располагать данными о ПП. Показатель меняется в зависимости от объёма, толщины и веса изделия. Пример: тонкий лист легче деформировать, чем толстый.
Предел прочности и пластичность тесно связаны. Чем меньше второй параметр, тем быстрее разрушается образец. Материалы, у которых высокая пластичность, лучше поддаются обработке, они пригодны для изготовления деталей путём штамповки. Пример: элементы кузова штампуют из листов стали.
Если у сплава невысокая пластичность, он относится к хрупким, хотя может быть иметь отличные показатели твёрдости. Одно из таких веществ — титан. Он плохо изгибается и тянется, но по твёрдости превосходит многие другие сплавы.
Для улучшения прочностных характеристик в материалы вводят добавки. Другой способ — термообработка.
Источник: kupuk.net