Механические свойства материалов

Прочность – способность материала сопротивляться, не разрушаясь, внутренним напряжениям, возникающим под действием внешних нагрузок и других (например тепловых) факторов.

Прочность материала оценивается пределом прочности │R│, который условно равен максимальному напряжению │ max│, возникшему в материале под нагрузкой │N│, вызвавшей разрушение образца материала деленной на рабочую площадь │F│, т.е. R = max.=N/F. (1.21.)

Обычно предел прочности определяют путем разрушения стандартных образцов при сжатии и изгибе /на гидравлическом прессе/, при разрыве/ на разрывной машине/, используя формулы.

Предел прочности при сжатии Rсж

N Rсж = N/F(1.22.)

где: N – разрушающая нагрузка, Н;

F – рабочая площадь образца, перпендикулярная

Действию нагрузки, м2

N

Предел прочности при изгибе.

для образцов призм прямоугольного сечения, при

одном сосредоточенном грузе относительно опор

N

Rиз = Миз/W Миз = (1.23.)

ℓ W = bh2/6 (1.24.)

где: Миз – изгибающий момент

Rиз = (1.25.) W – момент сопротивления балки прямоугольного

сечения

б) при двух равных грузах, расположенных

N/2 N/2 симметрично относительно опор

Ммз = W = bh2/6 (1.26.)

ℓ/3 ℓ/3 Rиз = Миз/W= (1.27.)

L где: N – разрушающая нагрузка, Н;

l – расстояние между опорами, мм

b и h – соответственно ширина и высота

балочки /призмы/

N N Предел прочности при растяжении Rр.

а) для образца стержня Rр = N/F0 F0 = ПД2/4 (1.28.)

где: N – разрушающая нагрузка, Н;

F – площадь поперечного сечения, м2

/начальная до испытания/

б) для призмы Rр = N/а2 (1.29.)

N N где а – сторона сечения призмы, м

Поскольку строительные материалы неоднородны, то предел прочности определяют как средний результат испытания серии образцов /обычно не менее трех/. Форма и размер образцов, состояние их опорных поверхностей и скорость нагружения существенно влияют на результаты испытания. У кубиков малых размеров Rсж оказывается выше, чем у кубиков больших размеров из того же материала. У призмы Rсж меньше чем у кубиков одинакового поперечного сечения. Это объясняется тем, что при сжатии образца возникает его поперечное расширение. Если нагрузка возникает быстрее, чем условленно стандартом, то результат испытания получается завышенным, так как не успевают развиться пластические деформации. В таблице 1,2 приведены схемы стандартных методов определения прочности при сжатии, изгибе, растяжении.

В зависимости от прочности строительные материалы разделяются на марки. Марка материала по прочности является важнейшим показателем качества.

Схема стандартных методов определения прочности

при сжатии.

Таблица 1.2.

Образец Эскиз Расчетная формула Материал Размер стандартного образца, см

Куб
Цилиндр
Призма
Составной образец
Половина образца-призмы, изготовленной из цементно-песчаного раствора, гипса. Проба щебня (гравия) в цилиндре.
а а
а
b
b
а
а
h
а b
а 6,25
а
R = P/a2
R = P/(πd2)
Rпр = Р/a2
R = Р/А
R = Р/А
Др=
Бетон
Раствор
Природный камень
Бетон
Природный камень
Бетон
Древесина
Кирпич
Гипс
Цемент
Гипс
Крупный заполнитель для бетона
15х15х15х
7,07х0,07х7,07
5х5х5
10х10х10
15х15х15
20х20х20
d=15; h=30
d=h=5
7, 10, 15.
а=10; 15; 20;
h=40; 60; 80;
а=2; h=3
а=12; b=12,3; h=14
а=10, А=25см2
d=15
h=15

Схема стандартных методов определения прочности

при изгибе и растяжении

Таблица 1.3.

Образец Схема испытания Расчетная формула Материал Размер стандартного образца, см
Испытание на изгиб
Призма,
Кирпич в натуре
Призма
Р
ℓ/2 ℓ/2

Р/2 Р/2
ℓ/3 ℓ/3 ℓ/3
Rи=3Pl/(2bh2)
Rи=Pl/(bh2)
Цемент
Кирпич
Бетон
Древесина
4х4х16
12х6,5х25
15х15х60
2х2х30
Испытание на растяжение
Стержень , восьмерка,
Призма
Р Р

Р Р
Rр = 4P/(πd2)
Rр = Р/a2
Бетон
Сталь
5х5х50
10х10х80
do=1
o=5
ℓ≥10

В материалах конструкций допускаются напряжения, составляющие только часть предела прочности, таким образом, создается запас прочности. При установлении величины запаса прочности учитывают неоднородность материала, – чем менее однороден материал, тем выше должен быть запас прочности.

В настоящее время широко применяются неразрушающие методы определения прочностных показателей материалов, изделий, конструкций и степени их однородности

Наибольшее распространение получили импульсный и резонансный методы. Указанным методам присуще общее основное положение, физические свойства материала или изделия оцениваются по косвенным показателям – скорости распространения ультразвука или времени распространения волны удара, а также частоте собственных колебаний материала и характеристике их затухания.

Коэффициент конструктивного качества.

(К.К.К.) – условный коэффициент эффективности материла, равный отношению показателей прочности Rсж (Мпа) к относительной плотности материала (безразмерная величина)

К.К.К. = R/d (1.30.)

Где d – относительная плотность равная ρо (кг/м3)

Чем выше К.К.К. материала, тем эффективнее материал, так имеет высокую прочность при малой средней плотности.

Повышения К.К.К. можно добиться снижением плотности материала и увеличением его прочности.

ТВЕРДОСТЬ – Способность материала сопротивляться проникновению в него более твердого тела; ее определяют различными методами. При определении твердости по методу Бринелля в поверхность испытуемого образца вдавливают при заданной нагрузке шарик определенного диаметра из закаленной хромистой стали. По диаметру отпечатка вычисляют число твердости НВ

НВ=Р/F= (1.31.)

Где Р – нагрузка на шарик, кгс, Н; F – площадь поверхности отпечатка, мм2; D – диаметр шарика, мм; d – диаметр отпечатка, мм.

Твердость хрупких материалов, например природных каменных материалов, определяют по шкале твердости /шкала Мооса/, состоящей из 10 специально подобранных материалов /расположенных по возрастающей твердости:

1 – тальк; 2 – гипс; 3 – кальцит; 4 – флюорит; 5- апатит; 6- ортоклаз; 7- кварц; 8- топаз; 9- корунд;

10 – алмаз./

Испытуемый материал имеет число твердости между двумя минералами по шкале Мооса, из которых один чертит данные материалы, а другой сам чертится испытуемым материалом.

динамическая (ударная) прочность – способность материала сопротивляться разрушению при ударных нагрузках. Она характеризуется работой Дж/м3 /количеством работы/, затраченной на разрушение образца, отнесенной к единице объема материала/. Испытание проводят на специальном приборе – копре

Истираемость – способность материала уменьшаться в массе и объеме под действием истирающих усилий, истирание определяют на специальных машинах /круги истирания, пескоструйные машины и др./ и выражают потерей массы образца, отнесенной к площади истирания

И = (mo-mи)/ Fo, г/см2 (1.32.)

где mo,mи – масса образца до и после испытания, г; F – площадь истирания, см2

Механический износ – способность уменьшаться в массе и объеме под действием ударных и истирающих усилий. Ииз = [(mo- mиз)/ mo] * 100, % (1.33.)

Где: mo, mиз – масса образца до и после испытания, г.