21 група 19.11 Урок 7-8  з предмету матеріалознавство

Тема:  Механічні властивості

Мета: вивчення цього матеріалу дозволить вам знати такі властивості:

-        міцність

-        твердість

-        стиранність

-        опір удару

-        деформативні властивості

Будівельні матеріали в спорудах зазнають дії різних зовнішніх сил та інших факторів, які можуть призвести до появи тріщин, зміни початкової форми без зміни структури, зниження міцності та інших явищ, пов'язаних з фізико-механічними властивостями.

Міцність — це здатність матеріалу чинити опір руйну­ванню від внутрішніх напружень, що виникають під дією різних зовнішніх навантажень. У процесі експлуатації будівель і споруд будівельні матеріали найчастіше зазнають напружень стиску, вигину, розтягу, зрізу та удару.

Будівельні матеріали неоднаково сприймають різні на­вантаження. Це залежить від хімічного та мінералогічного складів матеріалу, структури й будови. Так, природні кам'яні матеріали, цегла, бетон тощо добре працюють на стиск, але погано на розтяг і вигин. На розтяг вони витри­мують навантаження в 10—15 разів менше, ніж на стиск. Тому такі матеріали застосовують переважно в конст­рукціях, які працюють здебільшого на стиск (колони, стіни). Матеріали з волокнистими наповнювачами мають підвищену міцність на вигин, показник якої порівняно з міцністю на стиск нижчий усього лише в 1,5—3 рази (наприклад, азбе­стоцементні покрівельні вироби).

Ряд будівельних матеріалів, наприклад, деревина, сталь, деякі полімери (склопластики) добре працюють на стиск і вигин, а тому застосовуються в таких несучих конструкціях, як балки, ферми, труби.

Міцність будівельних матеріалів характеризується гра­ницею міцності на стиск, вигин тощо. Вона чисельно дорівнює напруженню в матеріалі, яке відповідає наванта­женню, що призвело до руйнування зразка. Границя міцності для різних видів навантажень вимірюється в мега-паскалях (МПа).

Границю міцності на осьовий стиск R_ст визначають зви­чайно на зразках у формі кубиків, циліндрів, призм, а також на натурних зразках (керамічне порожнисте каміння). Під час випробування зразків матеріалу у формі кубиків на по­казник міцності в багатьох випадках впливає їхній розмір (міцність малих кубиків вища, ніж великих). При випробу­ванні щільних, важких матеріалів (гірські породи тощо)використовують невеликі зразки; легких, пористих, а також неоднорідних за будовою — зразки кубиків великих розмірів.

Оскільки будівельні матеріали неоднорідні, то границя міцності визначається як середній результат випробування серії зразків (не менше трьох). Зразки будівельних ма­теріалів випробовують, як правило, на спеціальних пресах до руйнування, а границю міцності на стиск, МПа, обчислю­ють за формулою

R_ст = Р/F

де Р — руйнівне навантаження (сила), МН; F— площа по­перечного перерізу зразка до випробування, м².

Числове значення границі міцності при стиску для багатьох матеріалів пов'язане з маркою, класом - найважливішими показниками якості матеріалу.

Щоб оцінити порівняльну ефективність матеріалів, вводять коефіцієнт конструктивної якості К_кя., [МПа], що визначається за формулою: К_кя = R/d;тут

 R- границя міцності матеріалу при характерних зовнішніх впливах, [МПа]; d-відносна густина матеріалу. Коефіцієнт конструктивної якості для цегли — 11 МПа, важкого бетону - 21 МПа; сталі - 52 МПа, сосни - 95 МПа, склопластику - 225 МПа.

Крім традиційних руйнівних методів для визначення міцності будівельних матеріалів можна застосувати також і неруйнівні методи, наприклад ультразвуковий.

Границя міцності на стиск для різних будівельних ма­теріалів може набувати значень від 0,5 до 1000 МПа. Числове значення границі міцності на стиск для багатьох матеріалів є підставою для встановлення їхньої марки або класу — най­важливіших показників якості матеріалу.

Міцність матеріалу одного виду (наприклад, цегли) зале­жить від його середньої щільності й буде тим більшою, чим вищий цей показник. На міцність матеріалу впливає також ступінь насиченості його водою. Внаслідок зволоження міцність багатьох будівельних матеріалів знижується

Границю міцності на вигин R_в визначають на зразках у вигляді балочок квадратного чи прямокутного перерізу розмірами, установленими відповідними стандартами, а та­кож на натурних зразках (цегла, черепиця, азбестоцементні листи тощо).

Випробування на вигин виконують за схемою балки, встановленої на двох опорах при зосередженому наванта­женні, прикладеному симетрично відносно осі балки, до її руйнування. Границя міцності на вигин, МПа:

якщо навантаження зосереджене й прикладене в центрі, то

R_в = 3Рl/(2bh²);

якщо два навантаження прикладені симетрично відносно осі балки, то

R_в = 3Р( l –a)/(bh²),

 

де Р — руйнівне навантаження, МН; / — відстань між опо­рами, м; b, h -  відповідно ширина й висота поперечного пе­рерізу зразка, м; а — відстань між точками прикладання двох навантажень, м.

Якщо випробовується балка на двох опорах, то у верхній частині вона зазнає стиску, а в нижній — розтягу. Оскільки границя міцності на розтяг, як правило, менша за границю міцності на стиск, то саме в нижній зоні з'являються тріщини й починається руйнування матеріалу при вигині.

Границю міцності на осьовий розтяг R_розт. визначають за допомогою спеціальних приладів та машин, застосовуючи виготовлені з випробовуваного матеріалу зразки встановле­ної форми й розмірів (призм, круглих стержнів, стержнів прямокутного перерізу, вісімок, смуг), залежно від виду будівельного матеріалу. Зразки закріплюють у захватах при­ладів і піддають розтягу до моменту розриву.

Для кам'яних матеріалів, металів, деревини та інших ма­теріалів границя міцності на розтяг, МПа,

R_розт. = Р/F,

де Р — руйнівне навантаження, МН; F— площа перерізу зразка в найтоншому місці до випробування, м².

Для рулонних матеріалів міцність оцінюють руйнівною силою, для бітумів визначають розтяжність у сантиметрах в момент розриву.

Показники міцності деяких будівельних матеріалів наве­дено в табл. 1.3. 1

 

Таблиця 1.3.1. Міцність будівельних матеріалів

 

Матеріал	Границя міцності, МПа, на
	стиск	вигин	розтяг
Сталь	—	—	380...450
Шлакоситал	500...600	90...120	25...35
Граніт	100...250	14	8
Вапняк	5...150	7	0.5...4.0
Бетон важкий	15...80	0.5...10.0	1...4
Цегла керамічна	7.5...30.0	1.5...5.0	О,8.,.З.О
Сосна вздовж волокон	30...65	60.,.120	70...130
Плити деревноволокнисті	—	0.4...20.0	—
Склопластики	250...400	240...550	220...350

Під час експлуатації в спорудах допускаються напружен­ня, значно нижчі за границю міцності матеріалів, тобто пере­дбачається запас міцності z, який може перевищувати її гра­ницю в два, три та більше разів. Визначаючи запас міцності, враховують неоднорідність матеріалів, можливість їх дефор­мації раніше, ніж буде досягнуто границю міцності, появу тріщин, вплив навколишнього середовища тощо.

Розрахунковий опір

R_розт. = R_ст /z/

При визначенні міцності будівельних матеріалів крім руйнівних методів можна застосовувати також адеструктивні (неруйнівні) методи.

Твердість — це здатність матеріалу чинити опір місцевим деформаціям, які виникають тоді, коли в нього проникають інші, твердіші тіла. Твердість матеріалів не за­вжди відповідає їхній міцності, тобто при різній міцності твердість їх може бути однаковою.

Твердість металів, бетону, деревини та деяких інших ма­теріалів визначають, вдавлюючи в зразки з певним зусиллям сталеву кульку або наконечник (конус, піраміду). Ступінь твердості встановлюють за розміром відбитка. Число твер­дості за Брінеллем (НВ) визначають відношенням прикладе­ного навантаження Р до площі поверхні відбитка F  і обчис­люють за формулою, МПа,

НВ=Р/F.

Ступінь твердості мінералів і гірських порід визначають за шкалою порівняльної твердості Мооса, яка складається з десяти мінералів-еталонів: тальк — 1; гіпс — 2; кальцит — 3; плавиковий шпат — 4; апатит — 5; ортоклаз — 6; кварц — 7; топаз — 8; корунд — 9; алмаз — 10.

Стираність Ст — це здатність матеріалу зменшуватися за масою й об'ємом при спільній дії абразивного матеріалу (кварцовий пісок, наждак) та стиральних зусиль. Стираність залежить від твердості матеріалу, характеризується втратою маси на одиницю площі стираної поверхні матеріалу й виз­начається за формулою, кг/м²,

Ст = (m_х –m₂)/F

де m₁ , m₂  — маси зразка відповідно до й після стирання, кг; F— площа стираної поверхні, м².

Показник стираності має вирішальне значення під час ви­бору матеріалів для підлог, дорожніх покриттів тощо.

Значення  стираності  деяких  будівельних  матеріалів,. кг/м²: кварцит — 0,6...1,2; граніт — 1...5; клінкерна цегла — 2,2...4,3; керамічні плитки для підлог — 2,5...3,0; вапняк — 3...8; цементний розчин — 6...15.

Опір удару (або ударна в'язкість) R_уд -  це здатність ма­теріалу чинити опір руйнуванню під дією ударних наванта­жень. Природні й штучні кам'яні матеріали, які застосову­ють для влаштування доріг, підлог, фундаментів під молоти, зазнають у процесі експлуатації ударних впливів.

Опір удару, або динамічна міцність R_уд, Дж/м³, характе­ризується роботою, затраченою на руйнування зразка ма­теріалу й віднесеною до одиниці об'єму матеріалу, і обчис­люється за формулою

R_уд = пqh/V,

де п — кількість ударів; q— вага гирі, Н; h— висота її падіння, м; V — об'єм зразка, м³.

Ударна в'язкість металів визначається роботою, затраче­ною для ударного злому й віднесеною до робочої площі по­перечного перерізу F зразка (як правило, у місці надрізу). Ударну в'язкість, Дж/м², визначають звичайно для зразків металів на маятникових копрах і за формулою

R_уд = пqh/F.

Деформативні властивості. У будівельних конст­рукціях матеріали під дією зовнішніх сил зазнають дефор­мації. До основних деформативних властивостей належать пружність, пластичність, крихкість тощо.

Пружність — це здатність твердого тіла деформуватися під дією зовнішніх сил і самочинно відновлювати початкову форму та об'єм, коли припиняється дія навантаження. По­чаткова форма може відновлюватися повністю або частково (коли навантаження великі). Пружну деформацію, яка повністю зникає із зняттям зовнішніх сил, називають обо­ротною. Якщо форма відновлюється частково, то у ма­теріалі є залишкові деформації. Для деяких високоеластичних матеріалів (еластоміри), наприклад каучуку, пружна деформація може перевищувати 100% через розрив зв'язків уже випрямлених молекул, тобто об'єм матеріалу після зняття навантаження може бути більшим за початковий.

Границя пружності — це те найбільше напруження, при якому залишкові деформації мають найменше (допустиме за нормами) значення, тобто матеріал практично зазнає обо­ротних пружних деформацій.

Модуль пружності Е, МПа, характеризує жорсткість ма­теріалу, тобто здатність його деформуватися під дією зовнішніх сил. Чим вище енергія міжатомних зв'язків у ма­теріалі, тим менше схильний він до деформації і тим вищий його модуль пружності. Наприклад, для заліза Е = 21,1∙10^-4, алюмінію — 7∙10^-4, свинцю — 1,5∙10^-4, полістиролу — 0,3∙10^-4, каучуку — 0,007∙10^-4 МПа.

Для будівельних матеріалів характерне пластичне і крих­ке руйнування.

Пластичність — це здатність матеріалу під дією зовнішніх сил змінювати свою форму й розміри без руйну­вання й зберігати спотворену форму й тоді, коли наванта­ження знято. Такі пластичні (залишкові) деформації нази­вають необоротними. Пластичність деяких будівельних ма­теріалів змінюється під дією температури: при нагріванні — підвищується, при охолодженні — знижується. До таких ма­теріалів належать бітуми, деякі сорти сталі й низка полімерних матеріалів. Пластичність істотно впливає на тех­нологію виробництва, якість матеріалів та їхні експлуа­таційні властивості.

Крихкість — це здатність матеріалів під впливом зовнішніх навантажень руйнуватися без попередніх пла­стичних деформацій, як тільки зусилля, що діють на них, досягають граничних (руйнівних) значень. Ця властивість протилежна пластичності. Для крихких матеріалів харак­терні слабкий опір ударним навантаженням, а також вели­кий розрив показників границі міцності при стиску та роз­тягу. Наприклад, для щільних і міцних кам'яних (природ­них) матеріалів R_розг =

(1/40... 1/60) R_ст. До крихких ма­теріалів належать також скло, чавун, бетон і деякі полімерні матеріали.

Крихкість і пластичність будівельних матеріалів можуть змінюватися не лише під дією температури, а й із зміною вологості та швидкості наростання навантаження, що діє на них. Наприклад, глина в сухому стані крихка, а у зволоже­ному (глиняне тісто) — пластична.

Повзучість — це здатність матеріалу при тривалому навантажуванні виявляти непружні деформації, які нароста­ють. Для деяких матеріалів (бетону, гіпсових, азбестоцемен­тних виробів тощо) ця здатність спостерігається при звичай­них температурах, для металів — при підвищених.

 

Запитання для самопідготовки

1. Які властивості відносять до механічних?

2. Що таке міцність?

3. Яких напружень найчастіше зазнають будівельні матеріали у процесі експлуатації будівель?

4. Які будівельні матеріали добре працюють на стиск і де їх найкраще застосовувати в будівельних конструкціях?

5. . Які будівельні матеріали добре працюють на вигин і де їх найкраще застосовувати в будівельних конструкціях?

6. Яких значень може набувати границя міцності на стиск для різних будівельних матеріалів?

7. Що впливає на міцність матеріалу?

8. Як визначають границю міцності на вигин?

9. На яке навантаження добре працює сталь?

10. Що таке твердість?

11. Твердість матеріалів відповідає їхній міцності?

12. Як визначають твердість матеріалу?

13. Що таке стираність і від чого вона залежить?

14. Для яких матеріалів показник старанності має вирішальне значення?

15. що таке опір удару?

16. В яких одиницях вимірюється опір удару?

17. які властивості належать до деформаційних?

18. Що таке пружність і які будівельні матеріали є пружними?

19. Що таке пластичність і які будівельні матеріали є пластичними?

20. Що таке крихкість і які матеріали є крихкими?

21. Коли виникає повзучість у металів?