Архит._материал._-_Шеина_Ч1. Т. В. Шеина архитектурное материаловедение
 Скачать 23.57 Mb.
|
|
3.2 Динамическая, длительная и усталостная прочность Вид динамической прочности при кратковременной интенсивной нагрузке ударного характера называют ударной прочностью, а свойство, ха- рактеризующее сопротивление материала разрушению или деформированию при ударе, – ударной вязкостью. Динамическую (или ударную) прочность характеризуют количеством ра- боты, затраченной на разрушение стандартного образца, отнесенной к единице объема (Дж/см З ) или площади поперечного сечения образца (Дж/см 2 ). Ударная прочность важна для покрытий полов и дорог, лестниц, фундаментов машин, бункеров, а также для конструкций, подвергаемых при эксплуатации динами- ческим (ударным) нагрузкам (сваи). Нефрит великолепно выдерживает удар- ные нагрузки, так как имеет типично спутанно-волокнистую структуру. Кроме кратковременной прочности, различают также показатели дли- тельной и усталостной прочности. Длительную прочность определяют при воздействии во времени нагрузок. Усталостную прочность определяют при воздействии циклически изменяющихся во времени нагрузок. Усталостная прочность напрямую связана с изменением способности материала к восста- новлению и сопротивлению при воздействии, циклически изменяющемся во времени. Выносливость материала характеризует его способность сопротивляться усталостному разрушению. Это свойство оценивается числом циклов повтор- но-переменных напряжений до возникновения макротрещины или полного разрушения. Последнее происходит вследствие усталости материала, характе- ризующейся изменением физико-химических свойств под действием длитель- ных циклических нагружений, которые порождают необратимые накапливаю- щиеся деформации в наиболее напряжённых звеньях конструкции. Выносли- вость материалов важно учитывать при проектировании конструкций инже- нерных сооружений и промышленных зданий, в период эксплуатации которых постоянно действуют циклически изменяющиеся во времени нагрузки. При испытаниях в материалах могут развиваться процессы хрупкого раз- рушения (природные и искусственные камни, стекло, чугун) или пластическо- го (полимерные материалы, битум, ряд металлов). Пластическому разрушению свойственно постепенное уменьшение одного из сечений испытываемого об- разца. 30 3.3 Деформационные характеристики Свойство твердых материалов изменять форму (линейные размеры) или объем под действием внешней нагрузки, а также собственной массы, темпера- туры и других факторов называется деформативностью. Форма и объем материала изменяются вследствие взаимного смещения элементов материала без нарушения сплошности. Изменение линейных разме- ров происходит за счет изменения межатомных расстояний в направлении дей- ствия силы на величину абсолютной деформации: при растяжении – удлинение (удаление атомов) и при сжатии – укорочение (сближение атомов). Мерой деформации при заданных внешних воздействиях является от- ношение абсолютной деформации ∆l к первоначальному размеру l образца ма- териала, называемое относительной деформацией. ε = (∆l/l) 100 %. По характеру деформации различают упругие – исчезающие после снятия нагрузки без разрушения образца с постепенным возвращением практически к прежним размерам и пластические (остаточные) – не исчезающие после снятия нагрузки и приводящие к необратимому изменению формы. В связи с этим, по виду деформаций все строительные материалы делят на пластические – металлы и металлические сплавы, пластмассы. Эти материа- лы с металлической или ионной связями. Хрупкие – каменные материалы, чу- гун, стекло, керамика и бетон (материалы с ковалентной связью). Первые при статических испытаниях до разрушения получают значительные остаточные деформации, вторые разрушаются без видимой остаточной деформации. Пластичность – свойство материала под действием нагрузки изменять форму и размеры без разрушения и образования трещин и держать эту форму после снятия нагрузки. При этом в материале сохраняется некоторая остаточ- ная деформация, называемая пластической. Она не исчезает после снятия нагрузки, т.е. является необратимой. К пластичным материалам относятся гли- няное тесто, растворные и бетонные смеси, некоторые пластмассы. Пластич- ные материалы легко формуются, хорошо расстилаются по поверхности, т.е. характеризуют в основном такие их технологические свойства как подвиж- ность, удобоукладываемость, нерасслаиваемость, которые проявляются в про- цессе их применения. Свойство материала пластически деформироваться при постоянной нагрузке, несколько превышающий предел упругости, называется текучестью Ползучесть (крип) – способность материала длительно деформироваться под действием постоянной нагрузки или собственного веса. Этим свойством обладают многие полимерные материалы, оно характерно и для некоторых не- органических материалов (грунтов, металлов). Ползучесть материалов возрас- тает с уменьшением их вязкости, поэтому большей ползучестью обладают вяз- кие материалы (асфальтобетон) и меньшей – хрупкие и упругие (цементобе- тон). Ползучесть учитывают, если ее деформации влияют на прочность или эксплуатационные свойства материалов в сооружении. Хрупкость – это свойство твердых материалов разрушаться под дей- ствием возникающих в них механических напряжений без заметной пластиче- ской деформации. Идеальной хрупкостью (полным отсутствием пластических 31 сдвигов – релаксации в зоне разрушения) обладают при низких температурах алмаз, кварцевое стекло, чугун. Хрупкость последнему обеспечивает минерал цементит – Fe 3 C, в котором присутствуют ковалентные межатомные связи. Хрупкие материалы плохо сопротивляются растяжению, динамическим и по- вторным нагрузкам. Для них характерно очень большое значение R сж /R раст Хрупкость и пластичность материала изменяются от температуры, влажности, режима напряжения. Битумы хрупкие при пониженных температу- рах и быстро нарастающей нагрузке – и при медленно действующей нагрузке и повышенной температуре – пластичные. В ряде случаев (расчетах и технологии изготовления предварительно напряженных бетонных конструкций) учитывают релаксацию напряжений. Релаксацией называют явление постепенного падения внутренних напряжений, вызванных, в частности, переходом упругих деформаций в пла- стические из-за переориентации связей между атомами в веществе. Время или период релаксации выражают количеством (в секундах), которое необходимо для снижения напряжения в е (основа логарифма – 2, 718) раз. Упругость – свойство материала изменять под влиянием нагрузки свою форму и объем (у твердых материалов) или только объем (у вязких и жидких материалов) и восстанавливать ее после удаления этой нагрузки. Упругую де- формацию называют обратимой или исчезающей. Наибольшее напряжение, при котором действует лишь упругая деформация, называют пределом упруго- сти. В области упругих деформаций действителен закон Гука: деформация ма- териала пропорциональна действующему напряжению. Упругими являются ре- зина, различные герметизирующие и уплотняющие прокладки, лакокрасочные пленки, сталь, древесина и другие материалы. Наибольшее напряжение, при котором еще не обнаруживается пластиче- ская или остаточная деформация, называется пределом упругости . Различают также условный предел упругости – наименьшее напряжение, которое вызывает появление необратимой пластической деформации. В границах упругих деформаций действует закон Юнга: напряжение упругой деформации тела пропорционально относительной деформации: σ = Εε, где ε – упругая деформация; σ – одноосное напряжение; Е – модуль упругости при растя- жении (сжатии, изгибе) или модуль Юнга. Модуль упругости характеризует жесткость материала или изделия – его способность сопротивляться образованию деформаций при воздействии внеш- них сил. В случае простых деформаций, при растяжении или сжатии жесткость численно определяется как произведение модуля упругости Е на площадь по- перечного сечения F. Отношение модуля Юнга к средней плотности материала называют удельной жесткостью или удельным модулем упругости Материалы с высокой энергией межатомных связей и, как следствие, температурой плавления характеризуются и большим модулем упругости: 32 Материал Е, МПа·10 -4 Т плавления, о С Материал Е, МПа·10 -4 Т плавления, о С Корунд 37,2 2050 Алюми- ний 7,0 660 Железо 21,1 1539 Свинец 1,5 327 Медь 11,2 1083 Каучук 0,07 300 У анизотропных материалов (древесины, слоистых пластиков) связь между напряжениями и деформациями сложнее, чем у изотропных. Модули упругости композиционных материалов вычисляют по модулям упругости компонентов. Различают также модуль упругости при сдвиге G – коэффициент пропор- циональности между касательным напряжением τ и относительным сдвигом γ: G = τ / γ . Строительные растворные смеси, мастика, пасты, цементное тесто в от- личие от жидкостей при небольших нагрузках ведут себя как твердые тела. С повышением нагрузки, по достижении определенных напряжений, называемых предельным напряжением сдвига, характеризующим структурную прочность, материал начинает течь, как жидкость. Это происходит в результате наруше- ния внутренних связей между частицами материала, т.е. разрушается его структура. Когда пластично-вязкий материал начинает течь, напряжения в нем в ос- новном зависят от скорости деформаций. Коэффициент пропорциональности, связывающий напряжение и скорость деформации материала, называют вязко- стью. Разрушенную механически структуру пластично-вязкие смеси со време- нем восстанавливают, а при повторных воздействиях она вновь разрушается. В этом основа тиксотропии – при многократных сотрясениях пластично-вязкие материалы теряют структурную прочность и превращаются в вязкую жид- кость. Эффект тиксотропии используют при виброуплотнении бетонных и рас- творных смесей, при нанесении мастичных и окрасочных составов кистью или шпателем. 3.4 Твёрдость Твëрдость – способность материала сопротивляться проникновению в него инородного тела. В общем виде это свойство характеризует стойкость ма- териала к деформированию или разрушению при местном силовом воздей- ствии. Твердость материала определяется его структурой. Количественно пока- затель твердости (число твердости НВ) оценивают различными способами, например, при испытании металлов, пластмасс и бетона – по диаметру отпе- чатка от вдавливаемого в поверхность испытуемого материала специального индекатора – шарика (метод Бринелля) или величиной отскока падающего гру- за (метод Шора). Т = АК 2 , где А – коэффициент, зависящий от формы вдавливаемого тела; К – показатель, характери- зующий структурно-энергетическое состояние материала. К = (Ецρо)/М, где М – молекулярная вязкость; Ец – цем. валентность. 33 Числа твердости являются вторичными, производными от механических характеристик (предела прочности и модуля упругости), а также от принятого способа испытания. Твердость каменных материалов оценивают по шкале Мооса, с помощью минералов, указанных в шкале твердости и содержащей 10 эталонов. Это спе- циально подобранные минералы расположены в таком порядке, что на каждом из них все последующие могут оставлять при царапании черту. Шкала Мооса включает в себя минералы в порядке возрастающей твердости от 1 до 10: 1 Тальк 3MgO4SiO 2 H 2 O Легко чертится ногтем 2 Гипс CaSO 4 2H 2 O Чертится ногтем 3 Кальцит СаСО 3 Легко чертится стальным ножом 4 Флюорит (плавиковый шпат) СаF 2 Нож чертит под большим нажимом 5 Апатит Са5(РО 4 ) 3 F Нож чертит под сильным нажимом 6 Ортоклаз К 2 ОAl 2 O 3 SiO 2 Слегка царапает стекло, стальной нож не чертит 7 Кварц SiO 2 Легко чертит стекло 8 Топаз Al 2 (SiO 4 )(FОН) 2 Каждый последующий сво- им острым концом чертит все предыдущие – 9 Корунд Al 2 O 3 1 0 Алмаз С Цифровой показатель твердости находится между показателями двух со- седних минералов, взятых из шкалы твердости. Например, если испытуемый материал чертится апатитом, а сам чертит плавиковый шпат, то его твердость считается равной 4,5. По шкале Мооса твердость можно также определить по формуле Т = 36,5(К + 0,015). Твердость окрасочной пленки определяют по ГОСТ 5233 маятниковым прибором. От твердости материала, помещенного под опоры маятника, зависит время затухания колебаний приведенного в движение маятника. На этом свойстве материала и основан метод определения твердости. Время затухания колебаний ма- ятника, установленного на поверхности пленки, сравнивают со временем затухания колебаний того же маятника, установ- ленного на стеклянной пластинке (рисунок 28). Рисунок 28 – Маятниковый прибор М-3: 1 – пусковой механизм; 2 – основание; 3 – шкала; 4 – установоч- ные винты; 5 – груз; 6 – двухстрелочный маятник; 7 – соединительная планка; 8 – рамка; 9 – столик; 10 – стальные шарики; 11– штатив; 12 – от- вес 34 Прочность по твердости самая высокая по сравнению с другими вида- ми прочности, она зависит от химического состава, состояния поверхности, энергии кристаллической решетки. Твердость стали и сплавов пропорциональна прочности их на рас- тяжение. Однако высокая прочность не всегда говорит о высокой твердости материала: мрамор прочен, но сравнительно не тверд; пластмассы прочны, но не тверды; древесина по прочности на сжатие равна бетону, а по твердости уступает ему. Чем выше твердость, тем меньше истираемость материала. Характеристика твердости имеет значение при выборе материалов для покрытия полов и дорог, при определении механической обработки поверхно- сти материалов, а также может быть использована для косвенной оценки дру- гих свойств данного материала – прочности, истираемости. Во многих случаях высокая прочность составляющих материал мине- ральных зерен теряет свое значение и механические свойства материалов це- ликом или полностью определяются плотностью и прочностью контактного слоя. Например, бетоны на органической связке (асфальто- и пластбетоны) в большей или меньшей степени сохраняют способность к пластическим дефор- мациям. У бетонов на минеральных вяжущих способность к пластическим де- формациям практически отсутствует. Поэтому величина предела прочности определяется прочностью цементирующего слоя и его адгезией (прилипаемо- стью) к поверхности заполнителей. 3.5 Истираемость и износ Истираемость – свойство материала уменьшаться в объеме и массе под действием истирающих усилий. Сопротивление материала истиранию опреде- ляют на круге истирания. Главной частью машины является чугунный вращающийся круг, к ко- торому под определенным давлением с помощью металлического штатива прижимают кубики или цилиндры из испытуемого материала. На движущийся круг истирания подсыпают определенное количество абразива: кварцевого песка – в случае испытания мягких материалов или наждака – при испытании твердых материалов. При испытании число оборотов круга устанавливают такое, чтобы путь истирания имел определенную длину. Количественно истираемость И вычисляют (г/см 2 ) по формуле И = (m – m 1 )/S , где m, и m 2 – масса образца до и после истирания, г; S – площадь истирания, см 2 ГОСТ 20811 устанавливает метод испытания лакокрасочных покрытий на истирание падающим песком. Метод состоит в определении массы кварце- вого песка, необходимого для разрушения покрытия до подложки при падении на него струи песка. Толщина лакокрасочного покрытия должна быть равно- мерной (не более 60 мкм). Испытания проводят с помощью специального прибора (рисунок 29). В отверстие 4 площадки прибора вставлено матовое стекло. За стеклом пло- 35 щадки находится лампа 6 мощностью не более 25 Вт. Образец помещают на матовое стекло покрытием кверху. Из воронки 2 песок высыпается в трубку 3 и струёй падает на образец. Испы- тание ведут до повреждения покрытия до подложки. Песок, со- бранный в резервуаре 5, взвешивают. Прочность покрытия на ис- тирание определяют отношением массы песка (кг) к толщине покрытия (мкм). Рисунок 22 – Прибор для определения прочности лакокрасочного покрытия на истирание: 1 – штатив; 2 – воронка; 3 – направляющая трубка; 4 – площадка с креплением для образца; 5 – резервуар для песка; 6 – источник света Истираемость зависит от прочности и твердости материала. Хорошо со- противляются истиранию, например, изделия из каменного литья (0,01…0,03), гранит (0,03...0,07), кварцит (0,06…0,12), керамические плитки для полов (0,08). Истираемость имеет большое значение для тех материалов, которые в условиях службы в строительных конструкциях подвергаются истирающему воздействию, например напольных и дорожных покрытий, ступеней лестниц. Износ (износостойкость) – свойство материала сопротивляться одно- временному воздействию истирания и ударов. Износ материала зависит от его структуры, состава, твердости, прочно- сти, истираемости. Износ определяют на образцах материалов, которые испы- тывают во вращающемся цилиндрическом барабане Деваля со стальными ша- рами или без них. Это цилиндр с крышкой, закрепленный за углы. Степень износа материала при испытаниях выражают в процентах поте- ри массы образца, отнесенного к 1 см 2 площади: Из = [ (m - m 1 )/ m]100%. Чем больше потеря массы пробы испытанного материала (в процентах к первоначальной массе пробы), тем меньше его сопротивление износу. Износ важен для материалов полов, ступеней лестниц, дорог, лакокрасочных покры- тий. Интенсивность износа (мм 3 /с) строительных материалов следующая: ре- зина – 0,011; сталь – 0,019; алюминий – 0,082; полиэтилен – 0,189; полистирол – 0,416. |