Механические свойства

К основным механическим свойствам материалов относят прочность, упругость, пластичность, релаксацию, хрупкость, твердость, истираемость и др. Их подробно изучают в курсе сопротивления материалов. Ниже излагаются общие понятия.

Прочность – способность материалов сопротивляться разрушению и деформации от внутренних напряжений, возникающих в результате воздействия внешних сил или других факторов, таких как неравномерная осадка, нагревание и т.п. Оценивается она пределом прочности. Им называют напряжение, возникающее в материале от действия нагрузок, вызывающих его разрушение.

Различают пределы прочности материалов при сжатии, растяжении, изгибе, срезе и пр. Они определяются испытанием стандартных образцов на испытательных машинах.

Предел прочности при сжатии и растяжении R _{сж (р)}, МПа, вычисляется как отношение усилия Р _сж(р), Н, разрушающего материал, к площади поперечного сечения F, мм²:

R _cж(р) = Р _сж(р) / F.

Предел прочности при изгибе R _и, МПа, вычисляют как отношение изгибающего момента М, Н· мм, к моменту сопротивления образца W, мм³:

R _и = М / W.

Каменные материалы хорошо работают на сжатие и значительно хуже (в 5–50 раз) на растяжение и изгиб. Другие материалы (металл, древесина, многие пластмассы) хорошо работают как на сжатие, так и на растяжение и изгиб.

Важной характеристикой материалов является коэффициент конструктивного качества. Это условная величина, которая равна отношению предела прочности материала R, МПа, к его относительной плотности:

К.к.к. = R / d.

Коэффициент конструктивного качества для тяжелого бетона класса В25 равен 125; стали марки Ст5 – 46, древесины дуба при растяжении – 197. Материалы с более высоким коэффициентом конструктивного качества являются и более эффективными.

Упругость – способность материалов под воздействием нагрузок изменять форму и размеры и восстанавливать их после прекращения действия нагрузок. Упругость оценивается пределом упругости σ_уп, МПа, который равен отношению наибольшей нагрузки, не вызывающей остаточных деформаций материала, P _уп, Н, к площади первоначального поперечного сечения F _о, мм²:

σ_уп = P _уп / F _о.

К упругим материалам следует отнести некоторые стали, древесину, линолеум.

Пластичность – способность материалов изменять свои форму и размеры под воздействием нагрузок и сохранять их после снятия нагрузок. Пластичность характеризуется относительным удлинением или сужением. Пластичными материалами являются нагретый битум, глина/

Разрушение материалов может быть хрупким или пластичным. При хрупком разрушении пластические деформации незначительны.

Твердость – способность материалов оказывать сопротивление проникновению в них более твердого материала.

Для разных материалов она определяется по разным методикам. Так, при испытании природных каменных материалов пользуются шкалой Мооса, составленной из 10 минералов, расположенных в ряд, с условным показателем твердости от 1 до 10, когда более твердый минерал, имеющий более высокий порядковый номер, царапает предыдущий. Минералы расположены в следующем порядке: тальк или мел, гипс или каменная соль, кальцит или ангидрит, плавиковый шпат, апатит, полевой шпат, кварцит, топаз, корунд, алмаз.

Твердость металлов, бетона, древесины, пластмасс оценивают вдавливанием в них стального шарика, алмазного конуса или пирамиды. Твердость материала не всегда соответствует прочности. Так, древесина имеет прочность, одинаковую с бетоном, но значительно меньшую твердость. Более твердые материалы меньше подвергаются истиранию в дорожных покрытиях, полах, трудоемкость же обработки повышается.

Истираемость – способность материалов разрушаться под действием истирающих усилий. Истираемость И, в г/см², вычисляется как отношение потери массы образцом (m ₁ – m ₂), г, от воздействия истирающих усилий к площади истирания F, см^2:

И = (m ₁ – m ₂) / F.

Определяется истираемость путем испытания образцов на круге истирания или в полочном барабане. Эта характеристика учитывается при назначении материалов для пола, лестничных ступеней и площадок, дорог. Материалы с малой истираемостью имеют высокую износостойкость.

Химические свойства

К химическим свойствам относят способность материалов к химическим превращениям при воздействии окружающей среды. Это коррозионная стойкость, адгезия, старение.

Коррозионная стойкость – способность материалов не разрушаться под воздействием агрессивных сред: кислот, щелочей, солей или газов. Кислото и щелочестойкость минеральных материалов оценивается модулем основности М_о:

M_o =

При малом модуле основности, когда в материале содержится повышенное количество кремнезема и глинозема, он более стоек в кислых средах.

При высоком модуле основности с преобладанием основных оксидов они более щелочестойки.

Высокую кислотостойкость имеют керамические материалы: плитки, трубы, кирпич. Цементные бетоны, материалы из карбонатных горных пород активно разрушаются кислотами.

Органические материалы битумы, пластмассы, древесина стойки при воздействии слабых кислот и щелочей.

Адгезия – свойство одного материала прилипать к поверхности другого. Она характеризуется прочностью сцепления между материалами. Зависит от их природы, состояния поверхностей. Это свойство имеет важное значение при изготовлении композиционных материалов, бетонов, клееных конструкций.

Старение – свойство материала переходить из одного состояния в другое, изменяя свои свойства – уменьшать прочность, способность сопротивляться внешней агрессивной среде. Так, в результате старения битума асфальтобетон в дорожном покрытии становится более хрупким, образуются трещины.