Механические и эксплуатационные свойства

Механические свойства отражают способность материала сопротивляться, силовым, тепловым, усадочным или другим внутренним напряжениям без нарушения установившейся структуры.

Внешние силы, действующие на материал, стремятся его деформировать (изменить взаимное расположение составляющих частиц) и довести эти деформации до величины, при котором материал разрушится. После снятия нагрузки материал, если он не был разрушен, может восстанавливать размеры и форму или оставаться в деформированном виде. Деформации, исчезающие при прекращении действия на материал факторов, их вызывавших называют обратимыми. Обратимые деформации именуются упругими, если они исчезают после снятия факторов и эластичными если они, оставаясь полностью обратимыми, спадают некоторого периода времени. Необратимые (остаточные) или пластические деформации накапливаются за период действия силовых и других факторов и сохраняются после прекращения действия этих факторов. Характер и величина деформации зависят от величины нагрузки, скорости нагружения и температуры материала.

Пластическая деформация – медленно нарастающая без увеличения напряжений – характеризует текучесть материала. При ее медленном росте длительное время (месяцы и годы) при нагрузках меньших тех которые способны вызвать остаточные деформации за обычные периоды наблюдений такая деформация называется ползучестью.

Ползучесть необходимо учитывать при расчете и изготовлении строительных конструкций.

Релаксация – свойство материала самопроизвольно снижать напряжения пи условии, что начальная величина деформации зафиксирована жесткими связями и остается неизменной. Время, в течении которого первоначальная величина напряжений в е равное 2, 718 раза (основание натуральных логарифмов), называют периодом релаксации который меняется от 10^-10 секунды у материалов жидкой консистенции до 2, 10¹⁰ с (десятки лет и более) у твердых материалов.

Упругость – свойства материала принимать после снятия нагрузки первоначальную форму и размеры.

Количественно упругость характеризуют пределом упругости условно равным напряжению, когда материал начинает остаточные деформации очень малой величины, устанавливаемая в технических условиях для данного материала.

Модуль упругости (модуль Юнга) характеризует меру жесткости материала, то есть его способность сопротивляться упругому изменению формы и разсерам при приложении к нему внешних сил. Модуль упругости Е связывает упругую относительную деформацию ε и одноосное напряжение σ соотношением, выражающим закон Гука:

ε = σ /Е

Пластичность – свойство материала при нагружении в значительных пределах изменять размер и форму без образования трещин и разрывов и сохранять эту форму после снятия нагрузки. Это свойство важно учитывать при выборе материалов для несущих конструкций, а также при выборе технологии изготовления, например керамических. Наиболее желательными для несущих конструкций являются материалы, которые наряду с большой упругостью перед разрушением обладают высокой пластичностью. Разрушение подобных материалов, например стали, не будет происходить внезапно.

Хрупкость – свойство материала разрушаться под действием без заметных пластических деформаций (стекло). Это свойство четко проявляется при ударной нагрузке. Для хрупких материалов характерна также большая разница (в 10 и более раз) в пределах прочности при растяжении и сжатии. Характер разрушения строительных материалов зависит от температуры, влажности, скорости нагружения. Так, битум при отрицательных температурах разрушается как хрупкий материал. Поэтому более правильно для большинства материалов говорить о пластично-вязком состоянии.

Прочность – свойство материала сопротивляться, не разрушаясь, внутренним напряжениям и деформациям, возникающим под действием нагрузки или других факторов. Прочность материалов является одной из основных характеристик для большинства строительных материалов, так они в сооружениях всегда подвергаются тем или иным воздействиям, вызывающим напряженное состояние (сжатие, растяжение, изгиб). Прочность оценивают пределом прочности (Па), который условно равен максимальному напряжению, соответствующему нагрузке, вызвавшей разрушение материал, и на сжатие определяется по формуле:

R = F/A,

где F – разрушающая сила, Н;

A – площадь сечения образца до испытаний, м².

Предел прочности одного и того же материала может иметь различную величину не только в зависимости от размера образца, его формы, но и от скорости приложения нагрузки и конструкции прибора, на котором испытывают образцы.

Предел прочности материала характеризует его марку. По пределу прочности при сжатии установлены марки в широких пределах от 0, 5 до 1000 МПа и более.

У большинства строительных материалов, кроме древесины, стали и полимеров, предел прочности при растяжении и изгибе значительно ниже, чем при сжатии. Например, у каменных материалов, работающих в сооружении, действующие напряжения должны быть меньше величины предела прочности, то есть они должны иметь запас прочности. Необходимость создания запаса прочности вызывается рядом причин: неоднородностью материала, возможностью значительной деформации еще до предела прочности и появлении трещин, усталостью материала при переменных нагрузках и его «старением» под влиянием окружающей среды. Запас прочности устанавливается нормативными требованиями в зависимости от вида и качества материалов, долговечности, класса сооружения.

Для оценки прочностной эффективности часто используют коэффициент конструктивного качества (к.к.к.), который определяется делением предела прочности материала при сжатии на относительную прочность материала:

к.к.к = R/d