Механические свойства материалов

Прочность — свойство материала сопротивляться разрушению при действии нагрузок или других факторов. Прочность материала характеризуется пределом прочности.

Пределом прочности называется напряжение, соответствующее нагрузке, вызвавшей разрушение образца материала. Предел прочно­сти определяют нагружением испытуемых образцов материала до их разрушения на прессах или разрывных машинах. Хрупкие материалы испытывают главным образом на сжатие, пластические — на растя­жение. На сжатие обычно испытывают кубики или цилиндры с раз­мерами сторон от 2 до 30 см, на растяжение — образцы в виде стержней или стержней с утоненной средней частью (например, металлы). Пре­дел прочности при сжатии колеблется от 0,2 кН/см² для наиболее сла­бых строительных материалов до 100 кН/см² и выше для высокосорт­ной стали.

Многие строительные материалы характеризуются в технических условиях так называемыми марками, совпадающими по величине с пре­делом прочности (при сжатии). Например, тяжелый бетон бывает марок (М) 100, 150, 200, 300, 400, 500 и 600; кирпич — 50, 75, 100, 125, 150 и т. д.

Твердость — способность материала сопротивляться проникнове­нию в него другого, более твердого тела. Твердость материала не всегда соответствует его прочности. Материалы с разными пределами проч­ности могут обладать одинаковой твердостью.

Применяются различные способы определения твердости матери­алов. Например, твердость однородных каменных материалов опреде­ляют по специальной шкале твердости, включающей десять минера­лов, расположенных по степени возрастания их твердости, путем про­черчивания по испытываемому материалу минералами шкалы.

Твердость металлов, бетона и древесины определяют путем вдавли­вания в них (определенной нагрузкой) стального шарика. По глубине вдавливания или диаметру отпечатка и устанавливают твердость ма­териала. Кроме того, твердость материала определяют сверлением и другими способами.

Истираемость — способность материала уменьшаться в массе и объеме под действием истирающих усилий. Истираемость материалов испытывают в лабораторных условиях на специальных машинах.

Упругость — свойство материала изменять свою форму под дей­ствием нагрузки и восстанавливать ее после снятия нагрузки. Восста­новление первоначальной формы может быть полным и частичным. При неполном восстановлении формы в материале будут иметься так называемые остаточные деформации. Пределом упругости считают на­пряжение, при котором остаточные деформации впервые достигают не­которой малой величины, устанавливаемой в технических условиях на данный материал.

Пластичность — способность материала изменять свою форму под действием нагрузки и сохранять ее после снятия нагрузки без образо­вания трещин. Пластические свойства материалов широко используют в технологии материалов (ковка, прокатка, штамповка). К пластиче­ским материалам относят мягкую сталь, свинец, нагретый битум.

Хрупкость — свойство материала разрушаться под действием на­грузки без предварительных деформаций. К хрупким материалам от­носят чугун, бетон, кирпич. Они легко разрушаются при ударах и не выдерживают высоких местных напряжений, давая трещины. Поэтому их не применяют для строительных конструкций, которые могут быть подвержены растягивающим и изгибающим усилиям.

Физические свойства материалов

Плотность — величина, измеряемая отношением массы вещества к занимаемому объему:

p=m/v,

где m — масса вещества, кг; V — объем вещества, м³.

Полагая в формуле V=1, получим р=m. Следовательно, плотность вещества равна массе, содержащейся в единице объема. Единицей изме­рения плотности является килограмм на кубический метр (кг/м³).

Удельный объем — величина, измеряемая отношением объема вещества к его массе:

U=V/m

где V — объем вещества, м³; т — масса вещества, кг.

Следовательно, величина удельного объема вещества является ве­личиной, обратной плотности. Единицей измерения удельного объема является кубический метр на килограмм (м³/кг).

Удельный вес — величина, измеряемая отношением силы тяжести (веса тела) к его объему:

y=P/V

где Р — сила тяжести, Н; V — объем, м³.

Единицей измерения удельного веса является Ньютон на кубиче­ский метр (Н/м³).

Влажность — весовое содержание воды в материале, выраженное в процентах:

W=( Gв-Cс/Cc) 100%,

где Gв _в — масса влажного материала; Cc _с — масса сухого материала.

Для определения влажности образец взвешивают сначала во влаж­ном, а затем в абсолютно сухом состоянии. Высушивают материал до полного удаления влаги в лабораторных условиях (в сушильном шка­фу) при температуре 110°C.

Материал, влажность которого равна 0, называется абсолютно сухим. Материал, между влажностью которого и влажностью окру­жающего его воздуха устанавливается равновесие, называется воздуш­но-сухим .

Водопроницаемость — способность материала пропускать воду под давлением. Величина водопроницаемости измеряется количеством воды, прошедшей через 1 см² поверхности материала в течение 1 ч при по­стоянном давлении. Особо плотные материалы (битум, стекло, сталь и др.), а также достаточно плотные материалы с мелкими порами (на­пример, специальный бетон) практически водонепроницаемы, осталь­ные — водопроницаемы. Это свойство материалов вызывает дополни­тельные работы при строительстве гидротехнических сооружений, резервуаров, возведении стен подвалов и т. п.

Морозостойкость — способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное и попеременное замораживание и оттаивание. Морозостойкость выражается числом циклов поперемен­ного замораживания и оттаивания, которое образец материала может выдержать, не разрушаясь и не снижая значительно своей прочности. Допустимая потеря прочности после испытания на морозостойкость на каждый материал устанавливается ГОСТом.

Для определения морозостойкости образец материала насыщают водой и замораживают в морозильной камере при температуре —15—17°C, а затем оттаивают при комнатной температуре. После заданного числа циклов попеременного замораживания и оттаивания определяют прочность и морозостойкость материала. По числу выдерживаемых циклов замораживания и оттаивания различают следующую морозо­стойкость материалов: Мрз 10, Мрз 15, Мрз 25, Мрз 35, Мрз 50, Мрз 100, Мрз 150, Мрз 200. Материалы считаются морозостойкими, если они после испытания не имеют выкрашиваний, трещин, расслаивания, по­тери массы более 5% и прочности более 25%.

Теплопроводность — способность материала передавать тепло через свою толщу от одной поверхности к другой. За единицу количества теплоты принят 1 Джоуль (Дж).

Теплоемкость — количество теплоты, которое требуется для нагревания какого-либо тела на 1 К (Кельвин). Согласно определению теплоемкость тела выражается в Дж/К. Для характеристики тепловых свойств вещества необходимо знать теплоемкость единичной массы вещества, из которого состоит тело, т. е. удельную теплоемкость.

Удельная теплоемкость — величина, численно равная количеству теплоты, необходимой для нагревания единицы массы вещества на 1 К. За единицу удельной теплоемкости принимается такая удельная теплоемкость, при которой для нагревания 1 кг вещества затрачивается 1 Дж. энергии.

Единица удельной теплоемкости выражается формулой

С=1 Дж/кг-К.

Огнестойкость — способность материала выдерживать без разруше­ния действия высоких температур и воды (при пожарах). По огнестой­кости материалы делятся натри группы: несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.

К несгораемым относят минеральные материалы, которые при воз­действии на них огня или высокой температуры не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются (сталь, бетон, кирпич).

Трудносгораемыми называются материалы, которые под воздейст­вием огня или высокой температуры воспламеняются с трудом, тлеют и обугливаются. К ним относят органические материалы в соединении с минеральными (фибролит, асфальтовый бетон, древесина, пропитан­ная несгораемыми составами).

К сгораемым относятся органические материалы, которые горят открытым пламенем (дерево, пластмасса, рубероид).

Огнеупорность — способность материала сохранять форму и раз­меры при воздействии высоких температур. Огнеупорность материала характеризуется температурой размягчения и определяется с помощью стандартных пироскопических конусов в лабораторных условиях.