Механические свойства строительных материалов. Часть 2

Прочность характеризует способность материала в определенных условиях и пределах, не разрушаясь, сопротивляться внутренним напряжениям и деформациям, возникающим под влиянием механических, тепловых и других напряжений.

Типичными прочностными характеристиками служат предел упругости, предел текучести и предел прочности при воздействии сжимающих, растягивающих или других видов усилий.

Пределу упругости as соответствует напряжение материала при максимальной величине упругой деформации es (точка А); пределу текучести - постоянное напряжение при нарастании пластической деформации (точка В); пределу прочности - максимальное напряжение в момент разрушения материала (точка С). Эти характеристики прочности относятся к кратковременному действию приложенной нагрузки. При длительном действии нагрузки возрастает опасность нарушения структуры материала. Даже сравнительно малые величины напряжения (например, от собственной массы) могут вызвать ползучесть и заметное ухудшение структуры с потерей прочности. Нередко измеряют длительную прочность материала не только при статической (неподвижной), но и при динамической нагрузке.

В целом упомянутые характеристики прочности по своей сущности относятся к условным по двум причинам. Во-первых, они не учитывают фактора времени и с некоторым приближением характеристики только хрупких материалов можно принимать в расчет. Во-вторых, приборы, размеры и форма образцов, скорость приложения нагрузки на прессе и другие исходные параметры методов испытания материала на прочность приняты условными. А материал может иметь различную величину показателя прочности в зависимости от размера образца, скорости приложения нагрузки и конструкции прибора, на котором испытыва-лись образцы. Например, чем меньше размеры "кубика", больше скорость приложения нагрузки (или скорости деформации), тем выше получаемое значение предела прочности при испытании на сжатие.

Численные значения прочности определяют как с разрушением образцов, например при испытании под прессом, так и с неразрушением (адеструктивными методами). Распространены следующие адеструктивные методы измерения: акустические, магнитные и электромагнитные, механические, радиометрические, рентгеновские и электрические. Они основаны на прямых и обратных закономерностях между физическими значениями, получаемыми при испытании неразрушающим прибором, и традиционными показателями свойств. Зависимости выражаются в виде формул, таблиц, тарировочных графиков. Измерения становятся более эффективными при комплексном использовании адеструктивных методов измерения с получением двух или нескольких физических характеристик.

Альтернативой условным методам определения прочности являются инвариантные методы, независимые от постановки опыта. К инвариантным характеристикам прочности относятся предельное напряжение сдвига (Рк), структурная вязкость и характеристики, определяемые с помощью построения реологических кривых по данным измерений на вискозиметрах, пластометрах и других приборах. Принцип действия таких приборов основан на истечении массы через капилляр заданного диаметра или на погружении в вещество металлического конуса, шара или других тел. При испытаниях осуществляется чистый и однородный сдвиг частиц вещества относительно друг друга в плоскостных или цилиндрических (коаксиальных) приборах (вискозиметрах); в этих условиях достаточно четко устанавливается, что прочностные характеристики существенно зависят от продолжительности действия механического усилия и являются типичными кинетическими величинами.

Кроме прочности технической или реальной, определяемой с помощью условных или инвариантных приборов, существует прочность, определяемая вычислением и поэтому называемая теоретической. Простейший метод оценки теоретической прочности твердых тел был в свое время предложен английским физикохимиком М.Поляни. Большое различие между теоретической и реальной прочностью материалов объясняется дефектностью микроструктуры, т. е. наличием микротрещин, пор и т. п. Чем крупнее образцы твердых тел, принятых для испытания, тем больше концентрируется в них дефектов, и поэтому их реальная прочность ниже, т.е. действует обратная зависимость прочности от размера изделий (масштабного фактора).

Наиболее обстоятельно метод расчета реальной (технической) прочности хрупких твердых тел исследовал А.А. Гриффитс.

Дополнительными характеристиками механических свойств материалов служат твердость, износостойкость, ударная вязкость. Твердость выражает способность материала сопротивляться проникновению в него более твердых тел, например при испытании на склерометрах путем вдавливания стального шарика или стального конуса, царапания резцом, сверления, при ударе молотком, пулевом выстреле и т.д. Эти испытания дают условные значения твердости либо только качественные, например, по следу царапания, либо только количественные - по глубине или площади отпечатка с учетом приложенной нагрузки. Нередко стремятся перейти от полученного значения твердости к величине прочности. Устанавливаемые отношения между твердостью и прочностью тем менее точны, чем пластичнее материал. Только у хрупких тел царапание можно более или менее надежно сравнивать с прочностью, поскольку оба этих свойства обусловлены в основном сцеплением между микрочастицами материала.

Нередко о твердости судят также по потере массы образцов при истирании на металлических кругах с добавлением абразивных порошков.

Более сложным свойством, включающим прочность и твердость, служит износостойкость. Об износостойкости материала судят по испытанию пробы определенной массы во вращающемся барабане с металлическими шарами или без шаров, в течение определенного периода времени или определенной частоты вращения. Чем больше измельчается проба, тем, следовательно, и больше ее износ.

Ударная вязкость характеризует способность материала сопротивляться сосредоточенным ударным нагрузкам и определяется количеством работы, затрачиваемой на излом образца в фиксированном с помощью насечки месте. Работа, отнесенная к площади поперечника образца, характеризует единичную ударную работу на излом, называемую удельной ударной вязкостью. Она имеет практическое значение при оценке качества металлов, асбестоцементных изделий, например кровельных листов и плит.

Механические свойства строительных материалов. Часть 1 Строительное материаловедение Физические свойства. Часть 1

Механические свойства строительных материалов